浅谈焊接层状撕裂裂纹的成因和防治办法

浅谈焊接层状撕裂裂纹的成因和防治办法

刘建树 毕晓龙

中车青岛四方机车车辆股份有限公司， 山东青岛 266111

摘要：随着钢铁、石油化工、造船、轨道交通和电力等工业的发展，在焊接结构方面都趋向大型化、大容量和高参数的方向发展，有的还在低温、深冷、腐蚀介质等环境下工作。因此，各种低合金高强钢，中、高合金钢、超强钢，以及各种合金材料的应用日益广泛。但是随着这些钢种和合金的应用，在焊接生产上带来许多新的问题，其中较为普遍而又十份严重的就是焊接裂纹。焊接过程中所产生的裂纹有多种多样，就目前的研究，按产生裂纹的本质来分，大体上可分为以下五大类：热裂纹、再热裂纹、冷裂纹、层状撕裂、应力腐蚀裂纹等，其中层状撕裂裂纹的危害性更为严重，由于层状撕裂在外观上没有任何迹象，无损检测手段又较难发现，即使能判断结构中又层状撕裂也很难修复，造成巨大经济损失，特别严重的是层状撕裂引起的事故往往是灾难性的。如何防止层状撕裂的发生，是焊接应用中的一项重要课题。

关键词：焊接 裂纹 层状撕裂

层状撕裂是一种内部的低温开裂。仅限于厚板的母材金属或焊缝热影响区，多发生于“L”、“T”、“+”型接头中。其定义为轧制的厚钢板沿厚度方向塑性不足以承受该方向上的焊接收缩应变而发生于母材的一种阶梯状冷裂纹。一般是由于厚钢板在轧制过程中，把钢内的一些非金属夹杂物轧成平行于轧制方向的带状夹杂物，这些夹杂物引起了钢板在力学性能上的各向导性。防治层状撕裂在选材上可以选用精练钢，即选用z向性能高的钢板，也可以改善接头设计形式，避免单侧焊缝、或在承受z向应力的一侧开出坡口。

1、层状撕裂的特点

层状撕裂与冷裂不同，它的产生与钢种强度级别无关，主要与钢中的夹杂量和分布形态有关。一般轧制的厚钢板，如低碳钢、低合金高强钢，甚至铝合金的板材中也会出现层状撕裂。根据层状撕裂产生的位置大体可以分为三类：

第一类是在焊接热影响区焊趾或焊根冷裂纹诱发而形成的层状撕裂。

第二类是焊接热影响区沿夹杂开裂，是工程上最常见的层状撕裂。

第三类远离热影响区母材中沿夹杂开裂，一般多出现在有较多MnS的片状夹杂的厚板结构中。

层状撕裂的形态与夹杂的种类、形状、分布，以及所处的位置有密切关系。当沿轧制方向上以片状的MnS夹杂为主时，层状撕裂具有清晰的阶梯状，当以硅酸盐夹杂为主时呈直线状，如以Al 夹杂为主时呈不规则的阶梯状。

2、层状撕裂的成因

厚板结构焊接时，特别是T型和角接接头，在刚性拘束的条件下，焊缝收缩时会在母材厚度方向产生很大的拉伸应力和应变，当应变超过母材金属的塑性变形能力时，夹杂物与金属基体之间就会发生分离而产生微裂，在应力的继续作用下裂纹尖端沿着夹杂所在平面进行扩展，就形成了所谓“平台”，产生层状撕裂。

影响层状撕裂的因素很多，主要有以下几方面：

（1）非金属夹杂物的种类、数量和分布形态是产生层状撕裂的本质原因，它是造成钢的各向异性、机械性能差异的根本所在。钢板在轧制过程中，把钢内的一些非金属夹杂物，如硫化物、硅酸盐等，轧成平行于轧制方向的带状物，这就造成了钢材力学性能的各项异性，它是焊接结构产生层状撕裂的潜在因素，也是产生层状撕裂的主要原因。

（2） Z向拘束应力 厚壁焊接结构在焊接过程中承受不同的Z向拘束应力、焊后的残余应力及载荷，它们是造成层状撕裂的力学条件。由于焊接热循环作用，焊接接头会出现拘束力，对于某一个给定的轧制厚板T形和十字接头，在焊接参数不变的条件下，存在着一个临界拘束应力或弯曲拘束强度，当大于此值时易产生层状撕裂。

（3）氢的影响 一般认为，在热影响区附近，由冷裂诱发成为层状撕裂，氢是一个重要的影响因素。氢是致裂列的促进因素，当氢聚集在夹杂端部时，由于某种原因，氢结合成分子以致局部压力剧增，促使非金属夹杂物与金属失粘，并会拉断相邻夹杂的金属，在断口上显现氢致断裂特征在热影响区附近，由冷裂诱发成为层状撕裂，氢是一个重要的影响因素。

3、层状撕裂的防治

由于层状撕裂的影响很大，危害也甚为严重，因此需要在施工之前，对钢材层状撕裂的敏感性作出判断。常用的评定方法有Z向拉伸断面收缩率和插销Z向临界应力法。为防止层状撕裂，断面收缩率 应不小于15%，一般希望在15~20%之间为宜，当大于25%时，认为抗层状撕裂优异。

防止层状撕裂应主要从以下方面采取措施：

第一，精练钢 广泛采用铁水先期脱硫的办法，并用真空脱气，可以冶炼出含硫只有0.003~0.005%的超低硫钢，它的断面收缩率（Z向）可达23~25%。

第二，控制硫化物夹杂的形态 是把MnS变成其他元素的硫化物，使在热轧时难以伸长，从而减轻各向异性。目前广泛使用的添加元素是钙和稀土元素。经过上述处理的钢，可制造出Z向断面收缩率达50~70%的抗层状撕裂钢板。

第三，从防止层状撕裂的角度出发，在设计和施工工艺上主要是避免Z向应力和应力集中，具体措施按下例参考：

（1）应尽量避免单侧焊缝，改用双侧焊缝可缓和焊缝根部区的应力状态，为防止应力集中。

（2）采用焊接量少的对称角焊缝代替焊接量大的全焊透焊缝，以免产生过大的应力。

（3）应在承受Z向应力的一侧开坡口。

（4）对于T型接头，可在横板上预先堆焊一层低强度的焊接材料，以防止焊根裂纹，同时亦可缓和焊接应变。

（5）为防止由冷裂引起的层状撕裂，应尽量采用一些防止冷裂的措施，如减少氢量、适当提高预热、控制层间温度等。

结论：

根据层状撕裂裂纹产生的原因、特点和影响因素，通过改善街头设计，减小应力值，改变应力方向；减少母材的层状夹杂物或球状夹杂物；正确选择焊接工艺，如采用低氢焊接法，采用低强组配的焊接材料，适当减少焊接热输入等；焊后轻敲锤击等方法；采用适当的预热等方法，可以有效防止层状撕裂的发生，保障生命和财产安全。

参考文献：

1、邓洪军：《焊接结构生产》，高等教育出版社,2009

2、张连生：《金属材料焊接》，机械工业出版社,2005

3、董若景：《冶金原理》，机械工业出版社,2003