裂紋是焊接接頭中最危險的缺陷，壓力容器的破壞事故多數(shù)是由裂紋引起的，焊接裂紋主要包括熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋、層狀撕裂四種^[1]。前三種裂紋之前我們討論過，今天來看一下層狀撕裂。

特征

厚壁結(jié)構(gòu)焊接時，如果鋼材的冶煉和軋制質(zhì)量不高，容易在金屬內(nèi)部沿鋼板軋制方向產(chǎn)生一種階梯狀的裂紋（多平行于鋼材表面），稱為層狀撕裂紋。

由于鋼板內(nèi)部存在分層（沿軋制方向）的夾雜物，焊接時產(chǎn)生的垂直于軋制方向的應(yīng)力，致使在熱影響區(qū)或稍遠(yuǎn)的地方產(chǎn)生“臺階”形層狀開裂，并可穿晶擴(kuò)展。

對于一般碳鋼和低合金鋼，層狀撕裂產(chǎn)生溫度不超過400℃。它的發(fā)生與母材金屬的強(qiáng)度級別無關(guān)，與鋼中夾雜物數(shù)量及分布形態(tài)有關(guān)，在撕裂平臺上常發(fā)現(xiàn)不同種類的非金屬夾雜物，夾雜物數(shù)量越多，層片狀分布越明顯，對層狀撕裂越敏感。由于焊縫夾雜物控制嚴(yán)格，因此它的發(fā)生部位在熱影響區(qū)中，而焊縫金屬中不會出現(xiàn)層狀撕裂。

層狀撕裂的危險在于它的隱藏性，一般發(fā)生在金屬內(nèi)部，現(xiàn)有的無損檢測手段難以發(fā)現(xiàn)。即使發(fā)現(xiàn)了，修復(fù)起來也相當(dāng)困難，且成本很高。

機(jī)理

層狀撕裂是焊縫收縮導(dǎo)致高的局部應(yīng)力以及母材在厚度方向的塑性變形能力差共同造成的。鋼內(nèi)的一些非金屬夾雜物（通常是硅酸鹽和硫化物）在軋制過程中被軋制成平行于軋向的帶狀夾雜物，嚴(yán)重降低厚度方向金屬的塑性變形能力。

厚板結(jié)構(gòu)焊接時（特別是丁字接頭、角接接頭及十字接頭），焊縫收縮會在母材厚度方向產(chǎn)生很大的拉伸應(yīng)力和應(yīng)變。當(dāng)應(yīng)變超過母材沿厚度方向的塑性變形能力時，分離應(yīng)當(dāng)會發(fā)生在夾雜物和金屬之間，形成微裂紋。裂紋缺口尖端的應(yīng)力、應(yīng)變集中，最終會導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展。

對策

1. 非金屬夾雜物的種類、數(shù)量和分布形態(tài)是產(chǎn)生層狀撕裂的本質(zhì)原因，它是造成鋼的各向異性、力學(xué)性能差異的根本所在。實(shí)踐證明，發(fā)展高純凈的Z向鋼是解決層狀撕裂的途徑，采用精煉的方法，可以冶煉出含氧含硫量極低的鋼材。

2. 即使含雜質(zhì)極少的Z向鋼，如果存在脆性的粗晶組織，同樣會使鋼材厚度方向的塑性下降。所以，制定焊接工藝時應(yīng)避免使用過大的焊接熱輸入，避免粗晶脆化。

3. 厚壁焊接結(jié)構(gòu)在焊接過程中承受不同的Z向拘束應(yīng)力、焊后的殘余應(yīng)力及載荷，是造成層狀撕裂的力學(xué)條件。可采取的措施包括：可采用雙側(cè)焊，避免單側(cè)焊，防止焊縫根部應(yīng)力集中；在承受Z向應(yīng)力的一側(cè)開坡口；減少雜質(zhì)含量大的母材厚度；對于丁字接頭，可在承受Z向應(yīng)力的板上預(yù)先堆焊一層低強(qiáng)焊材，緩和焊接應(yīng)變。

4. 氫也可能成為誘發(fā)起裂的重要因素。當(dāng)焊縫中的含氫量偏高而局部又存在應(yīng)力集中，氫也有可能先誘發(fā)形成冷裂紋，再以冷裂紋作為層狀撕裂的發(fā)源地，此時層狀撕裂與冷裂紋相伴而生。所以，為防止冷裂紋引起的層狀撕裂，應(yīng)采用一些防止冷裂紋的措施，如減少含氫量，適當(dāng)提高預(yù)熱溫度，控制層間溫度，對遠(yuǎn)離焊縫熱影響區(qū)的母材處產(chǎn)生的層狀撕裂，焊縫中的氫不會產(chǎn)生影響。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭津洋. 過程設(shè)備設(shè)計

[2] 李亞江. 焊接冶金原理