結構鋼焊接冷裂紋的冶金失效分析：對經典失效機理的重新探討
結構鋼焊接冷裂紋的冶金失效分析：對經典失效機理的重新探討
M.E. Stevenson, S.L. Lowrie, R.D. Bowman, and B.A. Bennett
結構鋼焊縫的冷裂是一種特性良好、記錄充分、理解充分的失效機制。為了識別焊接和材料，已經作出了廣泛的努力有利于冷裂解的選擇參數；然而，這些工程努力并沒有完全消除這種故障的發生。本文介紹了冷裂破壞的特點與建筑業有關。在最終安裝結構構件之前，成功地確定了這一特殊故障，并成功地重新加工了焊縫。這些acti國家統計局潛在地防止了一個嚴重的災難性事件，該事件可能發生在施工過程的后期，也可能發生在建筑物的使用期間。個別焊接參數，如由于電極/線的選擇、接頭設計和預熱/后加熱在失效中起了作用，與實際制造實踐有關的一些人為因素也導致了失效 重新處理。
關鍵詞： 氫開裂，焊縫冷開裂，焊接冶金
導言和背景資料
在完成的中間階段。二層的結構桁架構件正在制作和架設。 在大約30%的桁架構件被豎立在一個臺階上之后在初始的方式，一個斷裂被注意到在一個法蘭部分的工字鋼，包括下弦的桁架部分計劃是下一個桁架豎立。裂縫幾乎貫穿了整個長度下法蘭，大約24英寸。失敗的焊縫連接到3.25英寸。一個工字鋼的厚法蘭到2.40英寸。另一根2.40英寸的工字鋼上的厚法蘭。焊接方向表示COM幾何形狀11和12的結合，如參考文獻1所述。3.25英寸是斜面的，以符合美國焊接協會(AWS)D1.1-00的[2]要求，連接完成與m采用焊劑芯弧焊(FCAW)工藝進行焊接。使用AWS E-70G級商用線完成了FCAW程序。有人暗示電線有在使用之前被適當地存儲。這個工字鋼形成了一個大型結構鋼桁架的下弦。兩個梁段之間的焊縫在垂直位置完成。由于關于公布與調查有關的某些項目的協議，結構鋼細節的照片和具體圖表她比梁和焊接接頭的幾何形狀，不能在本文中提出；然而，焊接接頭幾何原理圖如圖1所示。
關于用于完成失效焊接接頭的焊接參數的具體細節是有限的。對現場焊接人員的采訪表明，玫瑰花蕾型焊炬用于將兩種賤金屬加熱到至少250華氏度這個預熱溫度是通過光束表面上的熔化型溫度指示棒來驗證的。所有進一步輸入焊縫的熱量都來自FCAW焊接工藝。焊接小組不知道焊接完成后的任何后熱要求。此外，質量保證小組的成員確認，梁段的兩個法蘭我們 應一致焊接，以盡量減少冷卻過程中殘余應力的發展和焊接過程中損壞的可能性。此外，為了盡量減少吸氫造成的損害，徹底清除在開始焊接之前，需要對焊接接頭區域進行分析。質量保證人員和焊接小組觀察和檢查了這次清洗。在那個時候調查，沒有批準的焊接程序可供審查，唯一使用的焊接參數來源是現場焊工。在失效期間收集的其他信息重新調查包括這樣的說法，即雖然預熱過程是在裂紋焊縫制造之前完成的，但預熱后沒有及時開始焊接程序被終止了。、
關于發現斷裂焊縫的細節是不完整的，完全基于在失效時桁架附近的人提供的軼事證據。據報道在對側法蘭預熱過程中發生故障。顯然，如果其中一個對法蘭在另一個法蘭焊接后正在預熱，則兩個法蘭不會協同焊接。斷裂發生在上一個工作日完成后約14小時，在此期間，環境溫度下降30°F。
雖然故障幸運地發生在桁架安裝之前，但必須強調這種故障的嚴重性質。值得注意的是，結構成員最近的失敗已經造成全世界的頭條新聞（以色列的舞廳倒塌是最近注意到的一個驚人的失?。?；因此，不難想象結構完整性在下弦成員中的重要性結構桁架截面。這些失敗的關鍵性質和災難性影響在最近的案例中已經被注意到，例如Rau在本雜志最近幾期中描述的案例。
目視檢查和檢查
在收集了有關故障的數據之后，在制造現場對失敗的焊接進行了徹底的檢查。而很少的額外信息精確地確定了焊縫丁參數可用，進行了兩個關鍵觀測。第一個，也許是最關鍵的觀察是，梁的相對法蘭沒有按照要求同時焊接 按照質量保證團隊。第二項令人感興趣的是，有少量的壁玻璃纖維涂層絕緣，而不是適當的熱毯。焊接人員內爾顯然知道，絕緣是用來保持熱量從預熱，所以預熱和焊接之間的時間間隔不會導致熱量損失，以確定是否和何時評估了梁的表面溫度。據了解，預熱后測量溫度，但是在焊接前沒有立即測量。
在完成現場檢查后，拆除了一段斷裂焊縫，以供進一步評估。用鋸切而不是火炬切割來去除焊縫。這種類型的分段選擇防止過熱和冶金或結構損傷的焊縫和熱影響區(HAZ)微觀結構。移除的焊縫被進一步切割使用帶鋸宏觀、金相和斷口檢查。
宏觀評價
在切片后對焊縫的宏觀檢查顯示了間歇性中心線裂紋，貫穿了試樣的整個長度。焊縫截面的視覺顯微照片在圖 2和3中。裂紋僅限于焊縫的填充金屬或熔合區。裂紋主要沿焊縫中心線擴展。多處夾渣明顯在焊縫宏觀圖中，但裂紋不沿這些夾雜物進展。這種類型的夾雜物可以預期時，適當的內插除渣沒有完成。
裂紋局限在焊縫熔合區，熱影響區沒有可觀察到的損傷，同時裂紋與夾雜物之間也沒有聯系，這表明斷裂是在外加熱和約束條件下產生的應力造成的。隔離聚變區的損傷，此外，沒有明顯的熱影響區損壞跡象表明失效機制是典型的冷裂紋事件。雖然典型的冷裂紋與氫損傷相關聯，但收集的背景信息都不能明確識別焊縫中過量吸氫的原因。通過與焊工和質量保證人員的討論，消除了典型的氫源，如不適當的電極或不完整的表面處理。
對焊縫失效的全面研究將評估母材的微觀結構以及熔合區和HAZ；然而，不可能去除大量的試樣，因為這一點焊縫被重新加工，返工的桁架被投入使用。雖然返工要求不利于理想的故障調查，但它是對工業故障的典型限制分析。通常，需要在故障分析人員的需要之前放置修復和返工要求。
用標準金相法制備了焊縫的切片，并用2%的NITAL進行了金相檢驗。對于FCAWPro來說，焊縫組織是典型的在開裂區域附近主要是樹枝狀的。沒有額外的異常，如圖中所示的夾雜物。在金相觀察中觀察到2和3。尤其令人感興趣，對焊縫HAZ微結構進行了研究，以評價焊接過程中的相對冷卻速率。HAZ微結構如圖所示。由鐵素體、珠光體和少量MA組成立位(或貝氏體，因為它的存在是用Knoop顯微硬度證實的，而不是結構測定)。微觀結構演化對馬氏體/貝氏體結構的影響在本文的后續章節中討論了TRUE。
掃描電子顯微鏡
仔細打開裂紋焊縫的一段，以便于檢查和識別斷裂機構。掃描電子顯微鏡(SEM)對t的交配切片進行了掃描骨折了。典型的SEM斷口如圖5和6所示。斷裂模式主要是穿晶斷裂，有一些有限的韌窩破裂（或微孔聚結）。在斷裂的整個表面上，分面解理裂紋擴展機制占主導地位。沒有觀察到單一或多個來源的骨折起始證據。這很關鍵因為它消除了渣夾雜物的觀察作為失效的根本原因。此外，還觀察到一些垂直于斷裂平面的二次裂紋，如圖所示6。這種類型的裂紋擴展，以及觀察到的二次裂紋，表明不穩定的脆性斷裂和儲存的應變能的快速釋放。而穿晶切割一直是ide分層作為與氫損傷有關的斷裂機制，典型的觀察到的斷裂形態是晶間脆性斷裂。此外，缺乏明顯的起始點會減少從經典的延遲失效理論出發，氫開裂與殘余焊接應力的存在有關。此外，在觀察到的爐渣夾雜物上沒有斷裂起始。這表明，宏觀關注，如殘余應力和不對稱焊接制造，是影響失效的主要因素。
討論結果和意見
通過對焊接條件的視覺、金相和掃描電鏡分析，可以重構焊接條件的一般概念。金相結果表明，少量冷卻時，焊縫HAZ形成馬氏體或貝氏體。這種微組分只能在結構受到非常高的冷卻速率的影響時才能形成，溫度低于馬氏體從奧氏體(MS)開始形成)。 這種合金中的貝氏體的形成也需要非?？焖俚睦鋮s，但不需要冷卻到MS溫度以下。根據這些觀察，這是輕率的可以看出，均勻預熱超過300°F，如AWSD1.1-00建議的厚節段，如在這個焊接接頭。當工字鋼的大截面提供時，預計會快速冷卻 一個巨大的散熱器，用于冷卻HAZ和焊接。預熱的目的是消除散熱器，讓焊縫冷卻相當緩慢?？焖倮鋮s的情況也是如此帳篷與裂縫機制的觀察。觀察到的穿晶準解理斷裂沒有明顯的起始部位，這種斷裂只會發生在前非常高的壓力狀態。應該注意的是，分形特征，如圖中的特征。通常與枝晶間斷裂一致。對于這種特定的失敗事件，區分類群由于可供檢查的物證數量有限，解理和枝晶間骨折尚未進行。然而，這種區別并沒有明顯地改變整體測試的結果。
雖然氫和/或焊接化學的脆化效應可能起到了一定的作用，但背景信息表明，接頭的熱歷史和約束條件遠非理想，是導致故障的主要原因。事實上，這種類型的因素已經明確地作為主要因素包含在與冷裂紋相關的故障樹的故障分析中，如圖7所示。
在受影響的一側焊接完成后，在對側焊縫焊接過程中，發生了斷裂。很可能是造成骨折所必需的應力 從高約束（大工字束在斷裂過程中有效地是無限固體）、快速冷卻(預熱實踐差和a的函數絕緣)，以及隨后在具有大量殘余拉伸應力的焊縫上應用不均勻溫度場(由兩個法蘭的不完全焊接引起工字鋼)。根據這個時間表，在梁的另一側焊接操作加熱時會發生故障。當時引起的熱會充分提高Re焊縫中的側拉應力達到儲存的應變能迅速釋放，導致脆性穿晶斷裂。在這種情況下，裂紋停止是在c時實現的機架的傳播~焊縫厚度的2/3，因為梁段和焊縫背板都施加了實質性的限制。
總結和結論
本文論述了某結構桁架下弦翼緣焊縫出現冷裂紋型失效的事件及分析。這種類型的失敗已經被很好地描述了通過冶金失效分析和焊接社區。不幸的是對這種失敗的描述和宣傳，盡管它們很陰險，但不足以防止這種情況再次發生。
以下項目作為結論和建議提出：
本報告討論的開裂是通過經典的冷裂解機制發生的。這一機制已通過視覺、金相和電子顯微鏡分析得到證實?；赼for 通過分析，可以得出結論，導致焊縫開裂的主要因素是程序性的。
金相評估顯示存在熱影響區 微觀結構表明 預熱溫度維持不充分，加上連接的Ibeams的厚部分提供了過大的散熱器。很可能玫瑰花蕾型火炬加熱沒有提供足夠的預熱，當與之前的長延遲結合時焊接開始和應用不當隔熱，允許極高的冷卻焊接件中的速率。高冷卻速度導致焊接件中的殘余拉伸應力，從而導致冷裂紋。
另一個促成因素是工字鋼焊接不均勻。未能同時完成工字鋼的兩個法蘭，導致重新加熱以下工作日完成焊接。焊接過程中產生的殘余應力狀態與焊縫中大量儲存的應變能一致。在相反的焊接過程中重新加熱接頭梁的法蘭，這種儲存的能量是通過焊縫形成脆性斷裂而釋放出來的。
通過適當的預熱和適當的焊接工藝，可以避免焊縫的脆性開裂。這種程序將包括統一預熱 通過電阻方法對AWSD1.1-00規定的溫度進行ING和溫度維護，用熱毯包裹接頭周圍的區域，以方便熱再熱 梁的兩個法蘭的同時焊接。
上述清單最后一項中提到的每一項建議都立即得到執行，用于后續的結構焊縫以及失效焊縫的返工。如預期的那樣 在施工環境中，除焊接和安裝小組外，還有幾方參與傳播故障分析結果。雖然不被認為是促成因素，在未來的焊縫上取代了鎳含量較高的焊絲（用于較高的熔合區韌性），此外，作者還建議更改。程序限定對兩個電極的批準程序（在初始失效后提交）的離子也進行了機械完整性測試。
雖然這一失效分析的結論和最終結果都有很好的記錄，并容易被冶金或焊接工程師識別，但重要的是要注意的是，那些有TE的人防止這種失敗的熟練程度是無法做到的。就像失敗經常發生的情況一樣，正如社論中所概述的那樣，“為冶金學家辯護”，的參與冶金或焊接工程師在項目的早期將確保建立一個適當的框架，以防止教科書式的故障。 這一框架將包括編寫一份報告在開始任何結構焊接之前的適當程序，并保證指定的程序和適用的代碼得到第三方監測(如認證的焊接INSPECTOR)。這些措施將是超聲波檢測作為焊縫質量控制工具的應用。
一般來說，在這種情況下，人員和從事制造工作的人員之間的通信過程中的故障會導致不必要的故障。具體的在這種情況下，如果焊接團隊被簡要介紹了所涉及的厚段的預熱和并發焊接需求的關鍵性質，故障本來可以完全避免。對于這一特定故障所涉及的技術問題的深度有很好的理解，這個案例表明了實施從解決中收集到的適當知識的重要性防止未來災難性結果的失敗。
圖1.焊縫幾何示意圖，注意觀察到的開裂位置
圖2.焊縫顯微照片顯示熔合區夾渣和嵌入中心線開裂
圖3.焊縫顯微照片顯示焊縫熔合區有夾渣和破面中心線開裂
圖4.焊縫HAZ微結構的金相圖像200×
圖5.焊縫中心線裂紋的SEM斷口圖
圖6.焊縫中心線裂紋的SEM斷口圖
圖7.預防冷裂的治療/原因故障
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