钢材层状撕裂及抗钢材层状撕裂焊接接头的设计

钢材层状撕裂及抗钢材层状撕裂焊接接头的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 钢材层状撕裂及抗层状撕裂焊接接头的设计 史永吉 王辉 方兴 白玲 摘要：钢材层状撕裂是焊接钢桥中的一种非常危险的缺陷，慎重选材、合理的焊接接头设计和施焊工艺，可以避免层状撕裂的发生。本文概要介绍了层状撕裂产生的机理、影响因素、抗层状撕裂的控制以及Z向钢的选材 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ，以便于设计 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 师和制造工程师准确把握。 关键词：层状撕裂、Z向钢、抗层状撕裂控制 1、前言 大型焊接结构中，当在板厚方向作用拉应力，特别是在外荷载引起循环拉应力作用时，焊缝冷却收缩引起近缝区母材上的层状撕裂就是一种非常危险的缺陷，一是层状撕裂很难发现，也难以修复，二是在循环拉应力作用下，断续的单个层状撕裂很快扩展、聚合、形成一个大裂纹、再扩展，直至结构破坏，这一整个过程发生时间很短，破坏突然。 如何避免层状撕裂及由此造成的严重危害，现已成为焊接结构设计中的重要问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。它涉及钢材的选择，焊接接头的设计及焊接工艺。 抗层状撕裂钢，又称Z向钢，是指板厚方向的延性（或塑性）应达到一定的指标，然而价格比普通钢材贵许多，不当的选材将无端增大桥梁建设投资。 一座桥梁，不是所有构件都要求板厚方向达到一定的延性标准，其中绝大部分构件不要求钢材具有Z向延性，但是有Z向延性要求的构件，又必须选用Z向钢。 这里，概要介绍层状撕裂产生机理、影响层状撕裂的因素、层状撕裂的控制、抗层状撕裂的评定、Z向钢选择标准、抗层状撕裂焊接接头的设计和焊接工艺。以便焊接结构工程师和制造工程师准确把握。 2、层状撕裂（Lamellar Tearing）产生机理 层状撕裂不同于通常发生在焊缝上的热裂纹和冷裂纹，它是发生在热影响区和靠近热影响区母材上的一种特殊裂纹。 层状撕裂通常发生在角焊接头中（如T型接头、十字型接头和隅角焊接头等），见图1。 产生层状撕裂的主要原因，是钢材中含有一定微量的非金属夹杂物，特别是硫化物，如MnS，其次是SiO2、Al2O3等氧化物。轧制钢材时，这些夹杂物受到延压，呈片状分布在平行于钢板表面的板材中。 焊接时，焊缝金属由液相冷却而凝结成固相，伴随着发生收缩，当收缩力顺板厚方向，其拉应力 达到一定程度后，使夹杂物与基体金属沿弱结合面脱开而产生开裂，严重时会造成相邻夹杂物之间的基体金属的晶界断裂或穿晶断裂或韧窝断裂，形成层状撕裂。图2为层状撕裂的形成和微观示意图。 a) T型角接焊接头 b) 隅角焊接头 图1 典型焊接接头的层状撕裂 a）​ 金属夹杂物的分布 ） b）​ 拉应力引发层状撕裂 c）微观示意图 图2层状撕裂的形成及微观图 该层状撕裂可能是夹杂物长度的几倍，甚至数十倍、数百倍，所以，层状撕裂绝不仅仅是非金属夹杂物的裂开。当外荷载引起顺板厚方向的拉应力循环作用时，单个层状撕裂将很快扩展，聚合成较大的疲劳裂纹，直至结构破坏。而且，层状撕裂引发的裂纹很难修复。由此可见，层状撕裂危害的严重性。 3、影响层状撕裂的钢材因素。 （1）钢材中的非金属夹杂物 钢材中都含有一定的不同类型的非金属夹杂物，最常见的是硫化物、硅酸盐、氧化铝等。不论是哪一种夹杂物，它与基体金属的结合力均低于基体金属本身的强度，任何一种非金属夹杂物都可能导致产生层状撕裂。关键是夹杂物的数量、分布及形态，如果夹杂物以片状形态大量密集于同一平面时，就比较容易产生层状撕裂。如果是单个夹杂物，即使长度较大，其端部的曲率半径大于数量多又密集的片状夹杂物，也不一定会引发层状撕裂。 现已明确，钢中含硫量越多，顺板厚方向（Z方向）拉伸的塑性（用断面收缩率 表示）越低，发生层状撕裂的倾向就越大，图3表示钢中含硫量与Z方向断面收缩率 之间的关系。由此，导出用钢材Z向断面收缩率来评定钢材抗层状撕裂的性能，并以此定义具有良好抗层状撕裂性能的钢材为Z向钢。 图3钢中含硫量与Z方向断面收缩率 之间的关系 （2）母材的基体性能 从层状撕裂的形成过程可知，层状撕裂与非金属夹杂物的分布、密集程度有直接关系。而且，层状撕裂裂纹中，处于同一平面的相邻夹杂物的形似“平台”（terrace）部分，以及处于不同平面的相邻夹杂物的形似“壁”（wall）部分，与钢材基体金属的塑性和韧性有关。 影响基体金属塑性和韧性的因素很多，不外乎晶粒细化程度、金相组织状态、应变时效脆化和氢脆等。所以，钢材冶炼和轧制中，除降低非金属含量外，细化晶粒、增加铁素体和珠光体组织的比例，钢材的冷热加工中减少应变时效等，都有利于避免发生层状撕裂。 4、影响层状撕裂的设计和焊接工艺因素 （1）合理的选材 从经济性看，Z向钢比普通钢贵很多，盲目地选用Z向钢会增大桥梁建设的投资。相反，复杂焊接结构中，当顺板厚方向作用拉应力时，特别是外荷载引起的拉应力循环作用时，就应考虑采用Z向钢，否则，产生层状撕裂将影响结构的安全。 选用Z向钢，需进行抗层状撕裂敏感性评定试验。通常采用十字型全熔透角焊缝接头，顺板厚方向取园棒试样进行拉伸试验，测定其断面收缩率，见表4，然后按表1进行Z向钢 分级。 ：圆试样断面积 ：试样拉断处断面积 图4 Z向拉伸试样的准备及取样 表1 Z向钢分级 代号 含S量 用途 6个试样平均值 单试样最小值 Z15 约<0.01% >15% >10% 担心可能产生层状撕裂的焊接结构 Z25 约<0.008% >25% >15% 层状撕裂危险性很大的焊接结构 Z35 约<0.006% >35% >25% 层状撕裂危险性很大、安全度要求很高的焊接结构 （2）焊接接头的设计 由层状撕裂产生的原因可知，焊接时，焊缝收缩受到约束容易产生层状撕裂，而且约束度越大越容易产生。所以在结构设计时应注意： ①刚度越大、板越厚越容易产生层状撕裂。 ②相同板厚相同焊接方法，焊缝断面越大越易产生层状撕裂。 ③图5－7举例给出了几种角焊缝接头不同设计形式对层状撕裂的影响。贯通板比不贯通板好，沿贯通板受力比沿中断板受力好，不熔透角焊比全熔透角焊好。 图5 贯通板角焊缝比板端终止接头有利于抗层状撕裂 图6 改变受力方向可降低层状撕裂的危害 图7 T型或十字型焊接接头中，不熔透或部分熔透角焊缝比全熔透角焊缝好，单侧全熔透角焊缝最不利。 a）V型坡口 b）竖板侧L型坡口 c)水平板侧L型坡口 图8 隅角焊接中坡口形式对层状撕裂的影响 a）多道小线能量焊接 b）少道大线能量焊接 （需预热避免冷裂纹） 图9 多道小线能量焊接优于大线能量焊接 图10低强度打底焊道有利于抑制层状撕裂 图11 预热对层状撕裂的影响 （3）加工及焊接工艺 钢材加工时要注意： ①热加工时，应避开蓝脆温度（200℃～300℃）和红脆温度（900℃～950℃），以避免钢材塑性和韧性的降低。 ②冷加工时应确保一定的曲率半径（R>15t），以利于减少应变时效脆化倾向和塑性、韧性的降低。 ③图8－11中分别列举了几种焊接工艺设计中，改善层状撕裂的措施，如改善隅角焊的坡口形式，用小线能量焊接取代大能量焊接，采用低强度焊道打底、焊前预热等。 5．层状撕裂的评定标准 这里列出两则层状撕裂的评定方法和Z向钢的选材标准，供设计工程师和制造工程师参考。 (1) 日本土木协会结构委员会钢材规格小委员会的规定 选择抗层状撕裂钢材时，应根据经济性和施工方法，尽可能在构件组成设计上下功夫，避免重要构件在板厚方向产生拉应力，不得随意使用Z向钢，因为多数情况下，钢材有足够的抗层状撕裂性能，或即使出现层状撕裂，但不影响结构的安全性。 结构重要部分的焊接连接，且板厚大于15mm时，应避免在板厚方向产生拉应力，不得已时，才使用抗层状撕裂钢材。 层状撕裂的发生受焊角尺寸、接头形状、弯曲约束度和受拉约束度的影响很大。因此，抗层状撕裂钢材选择应按下式计算的层状撕裂敏感性指数Z，并根据表2选择相应的Z向钢。 (1) 式中，Z：钢材厚度方向抗层状撕裂敏感指数 Za：焊脚尺寸因素 Zb：接头形式因素 Zc：弯曲约束度因素 Zd：拉伸约束度因素 表2 层状撕裂敏感性指标ZA、ZB、ZC、ZD 影响因素 Zn Za 焊角尺寸 S≤10 10 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 本身，因素②和③主要是受制造工艺的影响，因素④是受设计控制。 据此，该规范制订了影响Z值（Z方向断面收缩率 ）的判据（见表4）及Z向钢等级的选择（见表5）。 钢材Z值按下式计算： （2） 式中Za、Zb、Zc、Zd、Ze见表4。 如果Z≤10，可不选用Z向钢，而选用普通钢。 表4 Z值判据 a焊角尺寸 焊喉尺寸a≤50mm时取Za＝0.3s b焊缝形状及位置 Zb＝-25 Zb＝-10 Zb＝-5 Zb＝0 ① ② 采用合适的焊接顺序降低焊缝收缩的影响 Zb＝3 Zb＝5 Zb＝8 c板厚使收缩受约束 板厚t≤60mm Zc＝0.2t d结构其它部件对收缩的约束 低约束：可自由收缩（如T型接头） Zd＝0 Zd＝3 Zd＝5 中约束：自由收缩被约束（如箱梁横隔板） 强约束：不能自由收缩（如正交异性板的纵梁） e施焊 不预热 Z＝0 预热温度>100℃ Z＝－8 注：是指在板厚方向，仅是静荷载或仅是受压引起的应力，Zc值可降低50％（如底板） 表5 Z向钢等级及其选择 Z计算值 Z向钢等级（EN 10164） Z≤10 10