重型钢结构厚板焊接预防Z向层状撕裂的节点设计

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重型钢结构厚板焊接预防Z向层状撕裂的节点设计

赵　俊　左　松

(中建二局安装工程有限公司廊坊钢结构分公司, 河北廊坊　065000)

摘　要：建筑钢结构的迅速发展,使得钢结构厚板的应用越来越广泛。随着钢板厚度及焊缝尺寸的增加,承受的荷载更加复杂,拘束作用更加突出。由于局部地区频繁出现低温,钢结构厚板发生Z向层状撕裂的可能性也越来越大,因此对厚板的焊接性能进行研究,减少层状撕裂的发生尤为重要。从层状撕裂产生的机理入手,通过对层状撕裂的影响因素进行探讨,从焊接工艺、焊接坡口形式、焊接材料的方面重点分析预防层状撕裂的措施。

关键词：厚板； 焊接设计； 层状撕裂； 厚度方向性能

第一作者：赵俊,男,1985年出生,助理工程师。

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1　概　述

中国西部国际博览城项目共分为5个展厅,各展厅主体由钢柱支承,其中D馆钢柱均为巨型箱型钢柱,翼缘板板厚60 mm,柱子顶端内部横竖筋板密集错杂,板厚30～40 mm不等,焊缝横竖交叉,无论是从施焊空间角度还是控制变形和层状撕裂角度都是难题,必须通过严谨的装焊顺序和合理的坡口设计才能攻破难题。

层状撕裂是短距离横向(厚度方向)的高应力引起断裂的一种形式,它可以扩展很长距离,层状撕裂大致平行于轧制产品的表面,通常发源于同一平面条状非金属夹杂物、具有高度撕裂发生率的母材区域。一般低合金钢Z向(厚度方向)的伸长率比L向(轧制方向)低 30%～40%,因此当Z向存在拉伸应力时,很容易产生沿层状分布的夹杂开裂。层状撕裂与热裂纹、冷裂纹的形成不同,是一种特殊的焊接裂纹。从焊接接头断面上可以看出,层状撕裂和其他裂纹的明显区别是裂纹呈阶梯状形态,由基本平行轧制表面的平台和大体垂直于平台的剪切壁两部分组成。

层状撕裂之所以危险,在于它的隐蔽性与延迟破坏性。层状撕裂不在焊缝上发生,只产生于热影响区或母材的内部,表面没有任何迹象,即使是现有的无损检测技术也难以发现。层状撕裂既可以在焊接过程中形成,也可以在焊接结束后启裂和扩展,甚至还可以延迟至使用期间出现,基本上无法修复,所以层状撕裂通常会造成巨大的经济损失。

2　层状撕裂产生的原理及影响因素

2.1　巨型钢柱结构形式

该工程典型巨柱翼缘、腹板板厚60 mm,柱顶内部横竖向筋板板厚30 mm,此节点范围均为全熔透一级焊缝,焊接量大,构件截面见图1。

鉴于上述设计要求,如何避免焊接后造成层状撕裂尤为重要。

1—翼缘板；2—横向隔板；3—横向内隔板；4—竖向隔板；
5—竖向内隔板；6—腹板；7—柱顶板。
图1　构件截面

2.2　层状撕裂产生机理

层状撕裂产生的主要原因是钢材中含有微量的非金属夹杂物,这些夹杂物不仅本身强度很低而且与金属基体的结合强度较弱,当轧制钢材时,夹杂物受到延压,分布在平行于钢板表面的板材中[1]。当钢板Z向焊接拘束应力、焊接残余应力或者荷载拉应力在板厚方向产生的应变超过母材金属的塑性变形能力,夹杂物开始沿弱结合面与基体金属发生剥离,出现微裂纹,随着荷载增加,裂纹开始扩展,当两条层状撕裂的裂纹尖端距离很近时,其尖端塑性变形区相接触,便形成一条大裂纹,裂纹继续扩展,便出现多处相互平行的“平台”。这些平台在垂直于L向(轧制方向)剪切力的作用下,从一个层状平面扩展到另一个层状平面,形成台阶式的层状撕裂,在此过程中,焊接热影响区的氢脆作用和应变时效脆化对层状撕裂的产生及扩展起着一定的促进作用。

多数的层状撕裂一般发生在焊后150 ℃以内,或者是冷却到室温后经过一段时间后产生[2]。但是,如果焊缝受到的拘束度较大或者钢材的层状撕裂敏感性较高时,在焊后250～300 ℃内发生应变时效脆化,也可能产生层状撕裂。

针对层状撕裂相对焊缝的位置可以分为三类：第一类是以焊趾或焊根为启裂源,沿焊接热影响区发展,由冷裂诱发而形成的层状撕裂；第二类是以夹杂层为启裂源,沿焊接热影响区发展的层状撕裂,这是最常见的层状撕裂形式；第三类是以夹杂层为启裂源,向远离热影响区母材中开裂的层状撕裂。

2.3　层状撕裂的影响因素

造成层状撕裂的因素很多,最主要的有以下3个方面：

1)钢材中非金属夹杂物的种类、数量及分布形态,这些夹杂物造成了钢的各向异性、机械性能差异。非金属夹杂物种类很多,常见的有MnS、SiO2、Al2O3等,夹杂物与基体金属的结合力远远小于金属本身的强度,当受到拉伸应力时,夹杂物会发生破断,与基体金属分离,从而形成层状撕裂。夹杂物中的铝酸盐主要以球状分布,对层状撕裂敏感性较小；硫化物和硅酸盐大多以片状或条状分布,形成的夹杂承载面积大,而且片状尖端极易形成应力集中,所以对层状撕裂敏感性较大。

2)焊接工艺对层状撕裂的影响。焊缝尺寸、接头形状、预热和焊接方法等都会对层状撕裂敏感性产生不同程度影响。首先是焊缝尺寸的大小,其直接影响到热影响区的大小；其次是焊接坡口的形式,决定着结构连接的受力方式及焊后的残余应力；再者是焊接材料的种类及焊缝金属的性质,是Z向性能和焊接有关的冶金因素；最后焊接顺序、焊道层数、预热温度和焊后热处理[3]。对于不同的焊接方式,由于造成拘束应力不同,对层状撕裂影响程度也是不同的。

钢材经过焊接热循环时有脆化现象,在过热或者冷却速度很快的情况下更容易发生层状撕裂。结果表明,随着冷却速度的提高,硬度增大,应变时效后与时效前Z向断面收缩率比值增加。

在焊接过程中,快速冷却时产生淬硬组织的脆化。由于过热产生的粗晶脆化,以及由于氢的存在产生的氢脆等热影响区脆化,都会增加热影响区母材对层状撕裂的敏感性。

3)氢元素的影响,氢容易促成冷裂纹,可以加剧层状撕裂的形成与扩展。通常情况下认为在焊接热影响区焊趾或焊根的层状撕裂是由氢致裂纹诱发产生的。

3　层状撕裂的控制措施

3.1　合理选择钢材

优选钢材,在关键部位合理选用抗层状撕裂的Z向优质钢,并在加工前严格进行钢材Z向性能复检和UT探伤复查,保证钢材的抗层状撕裂能力,从材料品质上消除层状撕裂出现的必要条件。

根据欧洲规范EN1993-1-10∶2005中规定的Z向性能指标的评定办法进行评定,如式(1)所示：

(1)

式中：ZEd为结构及连接的Z向性能指标；Za为焊缝尺寸的影响因子；Zb为连接构造及焊接工艺的影响因子；Zc为材料厚度的影响因子；Zd为远程约束的影响因子；Ze为预热处理的影响因子。

根据欧洲规范的评定细节,各影响因子的取值如表1所示。

表1　影响因子取值

影响因子ZaZbZcZdZe取值 128120-8

由式(1)计算可得：ZEd=24

Z向性能指标ZEd评定完成后,根据式ZEd≤ZRd评价结构的安全性或选用相应的钢材,其中ZRd为规范 EN 10164∶2005中相应材料的Z向性能值,因此选用Q345B-Z25钢可以满足使用要求。

3.2　改进焊接坡口形式

焊接坡口的设计关系到拉伸应力场的强弱,是影响层状撕裂的关键因素,坡口设计要严格控制,从根本上消除了层状撕裂出现的必要条件。

1)改变接头布置,改变厚板接头受力方向,使板材不产生或少产生Z向应力,如图2所示。

a—改进前；b—改进后。
图2　改进形式1

2)在T形接头和十字型接头中,采用双面坡口对称焊接取代单面坡口不对称焊接,如图3所示。

a—改进前；b—改进后。
图3　改进形式2

3)在能够满足接头强度的前提下,用焊接量少的对称角焊缝,取代部分焊透的焊缝,如图4所示。

a—改进前；b—改进后。
图4　改进形式3

4)改变接头受力方向,在箱型角接头中将坡口开在翼缘板侧,取代习惯的开在腹板侧,如图5所示。

a—改进前；b—改进后。
图5　改进形式4

3.3　确定最佳焊接工艺

防止层状撕裂的产生,合理的焊接工艺至关重要。针对本工程巨型钢柱节点样式和板厚,主要采取下述焊接工艺。

3.3.1　采用小电流焊接和多层多道焊

采用小电流焊接,可以减小热影响区的宽度,减小粗晶脆化的程度。做到多层多道,窄焊道薄焊层,既可以起到预热,又可以起到回火的作用,因此有利于降低热影响区的硬度、应力和提高延性。

3.3.2　焊接方法和焊接顺序

选择高熔敷率的低氢焊接方法,采用小线能量,避免焊接接头的拘束应力的集中。采用富氩混合气体保护焊(80%Ar+20%CO2),此种焊接方法比纯CO2气体保护焊更容易、更有效的控制焊缝金属内部的含氢量。

采用合理的焊接顺序,尽量减小厚度方向的焊接残余应力[4]。对于结构设计对称的焊件,具有对称布置的焊缝,采用对称焊接,由两个的焊工对称地进行焊接,使应变分布均衡,减少应变集中,降低焊缝收缩引起的变形。

当焊缝较长时,可采用分段退焊法、跳焊法、交替焊法等焊接方法,将连续焊缝改成断续焊缝,减少焊缝和工件由于受热而产生的塑性变形。

3.3.3　采用预热、后热、控制层间温度

适当的焊前预热,控制焊接过程中道间温度,后热消氢处理等,对层状撕裂的产生有一定的抑制作用。

焊前预热可以有效地控制焊缝金属的冷却速度,降低脆硬组织的脆化,提高材料层状撕裂的能力,避免形成焊接裂纹。特别是厚板焊接前,必须进行焊前的预热处理,并由板厚确定适当的预热温度,在确保不产生附加应力的前提下,适当提高焊接接头的预热温度,可减少冷裂倾向[5]。

母材中含硫量越高,防止层状撕裂的预热温度越高；此外预热温度还与板厚、接头形式有关。

焊接过程中严格控制层间温度,对于普通碳钢而言应小于250 ℃。焊后应对焊缝及厚板母材整体热处理,以便焊缝金属内扩散氢的溢出,有效降低焊缝金属内的氢含量,降低焊缝脆硬组织和冷裂纹的出现倾向,消除焊缝及母材内部的焊接残余应力,预防厚板母材的层状撕裂的产生[6]。

焊后热处理的温度控制在200～300 ℃范围内,保温时间大于1 h,然后缓冷至常温。

4　结束语

通过对层状撕裂的认识和产生层状撕裂机理的研究,找到行之有效的控制层状撕裂的方法,成功地解决了本工程巨型钢柱在设计意愿下的防层状撕裂的难题,采用优质的Z向性能钢材和低氢的焊接材料、选择合理的坡口形式,配合成熟、严谨的焊接工艺等都是防止层状撕裂的有效措施。

参考文献

[1]　戴为志.建筑钢结构焊接工程层状撕裂的产生机理及防止[J].焊接技术,2007(增刊):27-30.

[2]　方军,江少平,崔振源,等. 高强、超厚钢板、复杂截面钢柱制作[J]. 施工技术, 2006(9):6-9.

[3]　梁盈,程治,吴梦先,等.大截面高强超重吊车梁制作工艺[J]. 钢结构, 2015(9)：63-67.

[4]　王洪福,黄忠俊,侯恩权,等.多牛腿束筒焊制H型钢柱制作工艺探讨[J]. 钢结构, 2014(11)：57-60.

[5]　刘弘金,詹协.Z向性能厚板焊接技术[C]//中国钢结构协会房屋建筑钢结构分会2013年学术年会论文集, 2013.

[6]　史永吉,王辉,方兴,等. 钢材层状撕裂及抗层状撕裂焊接接头的设计[J]. 中国铁道科学, 2005(6)：69-74.

THE JOINT DESIGN OF HEAVY STEEL PLATE STRUCTURE WITHWELDING PRECAUTION FORZ-LAMELLAR TEARINGZhao Jun　Zuo Song

(The Second Board Installation Engineering Co.Ltd, Langfang Steel Plant, Langfang 065000, China)

ABSTRACT：Steel heavy plate has been widely used because of the rapid development of building steel structure. With the increase of plate thickness and welding line, bearing loads has become more complex, and binding effect plays a much more prominent role. In addition, due to the frequent phenomenon in low temperature in some areas that leads toZ-lamellar tearing between steel slabs, this paper focused on the welding process of thick plate so as to study how to reduce the probability of occurrence of lamellar tearing. This paper presented the mechanism of lamellar tearing, and the influencing factors of lamellar tearing were discussed. The measures to prevent lamellar tearing were also discussed in terms of welding process, welding groove form, and welding materials.

KEY WORDS：heavy plate; welded design; lamellar tearing; through-thickness properties

收稿日期：2015-10-15

DOI:10.13206/j.gjg201601015