焊接變形產(chǎn)生的原因及預(yù)防措施

1、第一章焊接應(yīng)力與變形焊接時，由于局部高溫加熱而造成焊件上溫度分布不均勻，最終導(dǎo)致在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生了焊接應(yīng)力與變形。焊接應(yīng)力是引起脆性斷裂、疲勞斷裂、應(yīng)力腐蝕斷裂和失穩(wěn)破壞的主要原因。另外，焊接變形也使結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸精度難以達(dá)到技術(shù)要求，直接影響結(jié)構(gòu)的制造質(zhì)量和使用性能。因此，本章主要討論焊接應(yīng)力與變形的基本概念及其產(chǎn)生原因；焊接變形的種類，控制焊接變形的工藝措施和焊后如何矯正焊接變形；焊接應(yīng)力的分布規(guī)律，降低焊接應(yīng)力的工藝措施和焊后如何消除焊接殘余應(yīng)力。第一節(jié)焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生一、焊接應(yīng)力與變形的基本知識 1.焊接變形 物體在外力或溫度等因素的作用下，其形狀和尺寸發(fā)生變化，這種變化稱為物體的

2、變形。當(dāng)使物體產(chǎn)生變形的外力或其它因素去除后變形也隨之消失，物體可恢復(fù)原狀，這樣的變形稱為彈性變形。當(dāng)外力或其它因素去除后變形仍然存在，物體不能恢復(fù)原狀，這樣的變形稱為塑性變形。物體的變形還可按拘束條件分為自由變形和非自由變形。在非自由變形中，有外觀變形和內(nèi)部變形兩種。以一根金屬桿的變形為例，當(dāng)溫度為T0時，其長度為L0，均勻加熱，溫度上升到T時，如果金屬桿不受阻，桿的長度會增加至L，其長度的改變LT=L- L0，LT就是自由變形，見圖1-la。如果金屬桿件的伸長受阻，則變形量不能完全表現(xiàn)出來，就是非自由變形。其中，把能表現(xiàn)出來的這部分變形稱為外觀變形，用Le表示；而未表現(xiàn)出的變形稱為內(nèi)部變形

3、，用L表示。在數(shù)值上，L=LT-Le，見圖1-lb。單位長度的變形量稱為變形率，自由變形率用T表示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：T=LT/L0=(T-T0) （1-1）式中金屬的線膨脹系數(shù)，它的數(shù)值隨材料及溫度而變化。外觀變形率e，可用下式表示： e=Le/ L0 （1-2）同樣，內(nèi)部變形率用下式表示：=L/L0（1-3）圖1-1 金屬桿件的變形a)自由變形 b)非自由變形 2.應(yīng)力存在于物體內(nèi)部的、對外力作用或其它因素引起物體變形所產(chǎn)生的抵抗力，叫做內(nèi)力。另外，在物理、化學(xué)或物理化學(xué)變化過程中，如溫度、金相組織或化學(xué)成分等變化時，在物體內(nèi)也會產(chǎn)生內(nèi)力。物體單位截面積上的內(nèi)力叫做應(yīng)力。根據(jù)引起內(nèi)力原因不同

4、，可將應(yīng)力分為工作應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力。工作應(yīng)力是由外力作用于物體而引起的應(yīng)力；內(nèi)應(yīng)力是由物體的化學(xué)成分、金相組織及溫度等因素變化，造成物體內(nèi)部的不均勻性變形而引起的應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力存在于許多工程結(jié)構(gòu)中，如鉚接結(jié)構(gòu)、鑄造結(jié)構(gòu)、焊接結(jié)構(gòu)等。焊接應(yīng)力就是一種內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力的顯著特點是，在物體內(nèi)部，內(nèi)應(yīng)力是自成平衡的，形成一個平衡力系。3.焊接應(yīng)力與焊接變形 焊接應(yīng)力是焊接過程中及焊接過程結(jié)束后，存在于焊件中的內(nèi)應(yīng)力。由焊接而引起的焊件尺寸的改變稱為焊接變形。二、研究焊接應(yīng)力與變形的基本假定金屬在焊接過程中，其物理性能和力學(xué)性能都會發(fā)生變化，給焊接應(yīng)力的認(rèn)識和確定帶來了很大的困難，為了后面分析問題方便，對金屬材

5、料焊接應(yīng)力與變形作以下假定：（1）平截面假定假定構(gòu)件在焊前所取的截面，焊后仍保持平面。即構(gòu)件只發(fā)生伸長、縮短、彎曲，其橫截面只發(fā)生平移或偏轉(zhuǎn)，永遠(yuǎn)保持平面。（2）金屬性質(zhì)不變的假定假定在焊接過程中材料的某些熱物理性質(zhì)，如線膨脹系數(shù)()、熱容(c)、熱導(dǎo)率()等均不隨溫度而變化。（3）金屬屈服強(qiáng)度假定低碳鋼屈服強(qiáng)度與溫度的實際關(guān)系如圖1-2實線所示，為了討論問題的方便，我們將它簡化為圖中虛線所示。即在500以下，屈服強(qiáng)度與常溫下相同，不隨溫度而變化；500至600之間，屈服強(qiáng)度迅速下降；600以上時呈全塑性狀態(tài)，即屈服強(qiáng)度為零。我們把材料的屈服強(qiáng)度為零時的溫度稱為塑性溫度。圖1-2 低碳鋼的屈服

6、強(qiáng)度與溫度的關(guān)系（4）焊接溫度場假定 通常將焊接過程中的某一瞬間，焊接接頭中各點的溫度分布稱為溫度場。在焊接熱源作用下構(gòu)件上各點的溫度在不斷地變化，可以認(rèn)為達(dá)到某一極限熱狀態(tài)時，溫度場不再改變，這時的溫度場稱為極限溫度場。三、焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原因 產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形的因素很多，其中最根本的原因是焊件受熱不均勻，其次是由于焊縫金屬的收縮、金相組織的變化及焊件的剛性不同所致。另外，焊縫在焊接結(jié)構(gòu)中的位置、裝配焊接順序、焊接方法、焊接電流及焊接方向等對焊接應(yīng)力與變形也有一定的影響，下面著重介紹幾個主要因素。1.焊件的不均勻受熱焊件的焊接是一個局部的加熱過程，焊件上的溫度分布極不均勻，為了便于了解

7、不均勻受熱時應(yīng)力與變形的產(chǎn)生，下面對不同條件下的應(yīng)力與變形進(jìn)行討論。 (1)不受約束的桿件在均勻加熱時的應(yīng)力與變形根據(jù)前面對變形知識的討論，不受約束的桿件在均勻加熱與冷卻時，其變形屬于自由變形，因此在桿件加熱過程中不會產(chǎn)生任何內(nèi)應(yīng)力，冷卻后也不會有任何殘余應(yīng)力和殘余變形。 (2)受約束的桿件在均勻加熱時的應(yīng)力與變形根據(jù)前面對非自由變形情況的討論，受約束的桿件的變形屬于非自由變形，既存在外觀變形，也存在內(nèi)部變形。如果加熱溫度較低（T<Ts），材料處于彈性范圍內(nèi)，則在加熱過程中桿件的變形全部為彈性變形，桿件內(nèi)部存在壓應(yīng)力的作用。當(dāng)溫度恢復(fù)到原始溫度時，桿件自由收縮到原來的長度，壓應(yīng)力全部消失

8、，既不存在殘余變形也不存在殘余應(yīng)力。我們把壓應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度s時的溫度稱為屈服點溫度Ts（對于低碳鋼來說，就是加熱到600）。如果加熱溫度較高，達(dá)到或超過材料屈服點溫度時（T>Ts），則桿件中產(chǎn)生壓縮塑性變形，內(nèi)部變形由彈性變形和塑性變形兩部分組成，甚至全部由塑性變形組成（T>600）。當(dāng)溫度恢復(fù)到原始溫度時，彈性變形恢復(fù)，塑性變形不可恢復(fù)，可能出現(xiàn)以下三種情況：a.如果桿件能充分自由收縮，那么桿件中只出現(xiàn)殘余變形而無殘余應(yīng)力；b.如果桿件受絕對拘束，那么桿件中沒有殘余變形而存在較大的殘余應(yīng)力；c.如果桿件收縮不充分，那么桿件中既有殘余應(yīng)力又有殘余變形。實際生產(chǎn)中的焊件，就與上述的

9、第三種情況相同，焊后既有焊接應(yīng)力存在，又有焊接變形產(chǎn)生。(3)長板條中心加熱（類似于堆焊）引起的應(yīng)力與變形如圖1-3a所示的長度為L0，厚度為的長板條，材料為低碳鋼，在其中間沿長度方向上進(jìn)行加熱，為簡化討論，我們將板條上的溫度分為兩種，中間為高溫區(qū)，其溫度均勻一致；兩邊為低溫區(qū)，其溫度也均勻一致。加熱時，如果板條的高溫區(qū)與低溫區(qū)是可分離的，高溫區(qū)將伸長，低溫區(qū)不變，如圖1-3b,但實際上板條是一個整體，所以板條將整體伸長，此時高溫區(qū)內(nèi)產(chǎn)生較大的壓縮塑性變形和壓縮彈性變形，如圖1-3c。冷卻時，由于壓縮塑性變形不可恢復(fù)，所以，如果高溫區(qū)與低溫區(qū)是可分離的，高溫區(qū)應(yīng)縮短，低溫區(qū)應(yīng)恢復(fù)原長,如圖1-

10、3d。但實際上板條是一個整體，所以板條將整體縮短，這就是板條的殘余變形, 如圖1-3e。同時在板條內(nèi)部也產(chǎn)生了殘余應(yīng)力，中間高溫區(qū)為拉應(yīng)力，兩側(cè)低溫區(qū)為壓應(yīng)力。圖1-3 鋼板條中心加熱和冷卻時的應(yīng)力與變形a) 原始狀態(tài) b)、c)加熱過程 d)、e)冷卻以后 (4)長板條一側(cè)加熱（相當(dāng)于板邊堆焊）引起的應(yīng)力與變形如圖1-4a所示的材質(zhì)均勻的鋼板，在其上邊緣快速加熱。假設(shè)鋼板由許多互不相連的窄條組成，則各窄條在加熱時將按溫度高低而伸長，如圖1-4b所示。但實際上，板條是一整體，各板條之間是互相牽連、互相影響的，上一部分金屬因受下一部分金屬的阻礙作用而不能自由伸長，因此產(chǎn)生了壓縮塑性變形。由于鋼板

11、上的溫度分布是自上而下逐漸降低，因此，鋼板產(chǎn)生了向下的彎曲變形，如圖1-4c所示。鋼板冷卻后，各板條的收縮應(yīng)如圖1-4d 所示。但實際上鋼板是一個整體，上一部分金屬要受到下一部分的阻礙而不能自由收縮，所以鋼板產(chǎn)生了與加熱時相反的殘余彎曲變形，如圖1-4e所示。同時在鋼板內(nèi)產(chǎn)生了如圖1-4e所示的殘余應(yīng)力，即鋼板中部為壓應(yīng)力，鋼板兩側(cè)為拉應(yīng)力。 圖1-4 鋼板邊緣一側(cè)加熱和冷卻時的應(yīng)力與變形a)原始狀態(tài) b)假設(shè)各板條的伸長 c)加熱后的變形d)假設(shè)各板條的收縮 e)冷卻以后的變形由上述討論可知：1）對構(gòu)件進(jìn)行不均勻加熱，在加熱過程中，只要溫度高于材料屈服點的溫度，構(gòu)件就會產(chǎn)生壓縮塑性變形，冷卻

12、后，構(gòu)件必然有殘余應(yīng)力和殘余變形。2）通常，焊接過程中焊件的變形方向與焊后焊件的變形方向相反。3）焊接加熱時，焊縫及其附近區(qū)域?qū)a(chǎn)生壓縮塑性變形，冷卻時壓縮塑性變形區(qū)要收縮。如果這種收縮能充分進(jìn)行，則焊接殘余變形大，焊接殘余應(yīng)力?。蝗暨@種收縮不能充分進(jìn)行，則焊接殘余變形小而焊接殘余變形大。4）焊接過程中及焊接結(jié)束后，焊件中的應(yīng)力分布都是不均勻的。焊接結(jié)束后，焊縫及其附近區(qū)域的殘余應(yīng)力通常是拉應(yīng)力。2.焊縫金屬的收縮焊縫金屬冷卻時，當(dāng)它由液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)時，其體積要收縮。由于焊縫金屬與母材是緊密聯(lián)系的，因此，焊縫金屬并不能自由收縮。這將引起整個焊件的變形，同時在焊縫中引起殘余應(yīng)力。另外，一條焊縫是逐

13、步形成的，焊縫中先結(jié)晶的部分要阻止后結(jié)晶部分的收縮，由此也會產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形。 3.金屬組織的變化鋼在加熱及冷卻過程中發(fā)生相變，可得到不同的組織，這些組織的比容也不一樣，由此也會造成焊接應(yīng)力與變形。4.焊件的剛性和拘束焊件的剛性和拘束對焊接應(yīng)力和變形也有較大的影響。剛性是指焊件抵抗變形的能力；而拘束是焊件周圍物體對焊件變形的約束。剛性是焊件本身的性能，它與焊件材質(zhì)、焊件截面形狀和尺寸等有關(guān)；而拘束是一種外部條件。焊件自身的剛性及受周圍的拘束程度越大，焊接變形越小，焊接應(yīng)力越大；反之，焊件自身的剛性及受周圍的拘束程度越小，則焊接變形越大，而焊接應(yīng)力越小。第二節(jié)殘余應(yīng)力一、焊接殘余應(yīng)力的分類1按

14、應(yīng)力在焊件內(nèi)的空間位置分：（1）一維空間應(yīng)力 即單向（或單軸）應(yīng)力。應(yīng)力沿焊件一個方向作用；（2）二維空間應(yīng)力 即雙向（或雙軸）應(yīng)力。應(yīng)力在一個平面內(nèi)不同方向上作用。常用平面直角坐標(biāo)表示，如x、y。（3）三維空間應(yīng)力 即三向（或三軸）應(yīng)力。應(yīng)力在空間所有方向上作用，常用三維空間直角坐標(biāo)表示，如x、y、z。厚板焊接時出現(xiàn)的焊接應(yīng)力是三向的。隨著板厚減小，沿厚度方向的應(yīng)力（習(xí)慣指z）相對較小，可將其忽略而看成雙向應(yīng)力x、y。薄長板條對接焊時，也因垂直焊縫方向的應(yīng)力y較小而忽略，主要考慮平行于焊縫軸線方向的縱向應(yīng)力x。2按產(chǎn)生應(yīng)力的原因分：（1）熱應(yīng)力 它是在焊接過程中，焊件內(nèi)部溫度有差異引起的應(yīng)力

15、，故又稱溫差應(yīng)力。熱應(yīng)力是引起熱裂紋的力學(xué)原因之一。（2）相變應(yīng)力 它是焊接過程中，局部金屬發(fā)生相變，其比容增大或減小而引起的應(yīng)力。（3）塑變應(yīng)力 是指金屬局部發(fā)生拉伸或壓縮塑性變形后所引起的內(nèi)應(yīng)力。對金屬進(jìn)行剪切、彎曲、切削、沖壓、鍛造等冷熱加工時常產(chǎn)生這種內(nèi)應(yīng)力。焊接過程中，在近縫高溫區(qū)的金屬熱脹和冷縮受阻時便產(chǎn)生這種塑性變形，從而引起焊接的內(nèi)應(yīng)力。3按應(yīng)力存在的時間分：（1）焊接瞬時應(yīng)力 是指在焊接過程中，某一瞬時的焊接應(yīng)力，它隨時間而變化。它和焊接熱應(yīng)力沒有本質(zhì)區(qū)別，當(dāng)溫差也隨時間而變時，熱應(yīng)力也是瞬時應(yīng)力。（2）焊接殘余應(yīng)力 是焊完冷后殘留在焊件內(nèi)的應(yīng)力，殘余應(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、腐

16、蝕和尺寸穩(wěn)定性等使用性能有影響。二、焊接殘余應(yīng)力的分布在厚度不大(小于20mm)的焊接結(jié)構(gòu)中，殘余應(yīng)力基本是縱、橫雙向的，厚度方向的殘余應(yīng)力很小，可以忽略。只有在大厚度的焊接結(jié)構(gòu)中，厚度方向的殘余應(yīng)力才有較高的數(shù)值。因此，這里將重點討論縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力的分布情況。 1縱向殘余應(yīng)力x的分布作用方向平行于焊縫軸線的殘余應(yīng)力稱為縱向殘余應(yīng)力。在焊接結(jié)構(gòu)中，焊縫及其附近區(qū)域的縱向殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，一般可達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度，隨著離焊縫距離的增加，拉應(yīng)力急劇下降并轉(zhuǎn)為壓應(yīng)力。寬度相等的兩板對接時，其縱向殘余應(yīng)力在焊件橫截面上的分布情況如圖1-5所示。圖1-6為板邊堆焊時，其縱向殘余應(yīng)力x在焊縫橫截面上的

17、分布。兩塊不等寬度的板對接時，寬度相差越大，寬板中的應(yīng)力分布越接近于板邊堆焊時的情況。若兩板寬度相差較小時，其應(yīng)力分布近似于等寬板對接時的情況。圖1-5對接接頭x在焊縫橫截面上的分布圖1-6板邊堆焊時的殘余應(yīng)力與變形縱向應(yīng)力在焊件縱截面上的分布規(guī)律如圖1-7所示。在焊件縱截面端頭，縱向應(yīng)力為零，焊縫端部存在一個殘余應(yīng)力過渡區(qū)，焊縫中段是殘余應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)。當(dāng)焊縫較短時，不存在穩(wěn)定區(qū)，焊縫越短，x越小。圖1-7不同長度焊縫縱截面上x的分布a)短焊縫b）長焊縫 2橫向殘余應(yīng)力y的分布垂直于焊縫軸線的殘余應(yīng)力稱為橫向殘余應(yīng)力。橫向殘余應(yīng)力y的產(chǎn)生原因比較復(fù)雜，我們將其分成兩個部分加以討論：一部分是由焊縫

18、及其附近塑性變形區(qū)的縱向收縮引起的橫向應(yīng)力，用y表示；另一部分是由焊縫及其塑性變形區(qū)的橫向收縮的不均勻和不同時性所引起的橫向應(yīng)力，用y表示。(1)焊縫及其附近塑性變形區(qū)的縱向收縮引起的橫向應(yīng)力y 圖1-8a是由兩塊平板條對接而成的構(gòu)件，如果假想沿焊縫中心將構(gòu)件一分為二，即兩塊板條都相當(dāng)于板邊堆焊，將出現(xiàn)如圖1-8b所示的彎曲變形，要使兩板條恢復(fù)到原來位置，必須在焊縫中部加上橫向拉應(yīng)力，在焊縫兩端加上橫向壓應(yīng)力。由此可以推斷，焊縫及其附近塑性變形區(qū)的縱向收縮引起的橫向應(yīng)力如圖1-8c所示，其兩端為壓應(yīng)力，中間為拉應(yīng)力。各種長度的平板條對接焊，其y的分布規(guī)律基本相同，但焊縫越長，中間部分的拉應(yīng)力將

19、有所降低。如圖1-9所示。圖1-8縱向收縮引起的橫向應(yīng)力y的分布圖1-9不同長度平板對接焊時y的分布a）短焊縫 b）中長焊縫 c）長焊縫 (2)橫向收縮所引起的橫向應(yīng)力y結(jié)構(gòu)上一條焊縫不可能同時完成，總有先焊和后焊之分，先焊的部分先冷卻，后焊的部分后冷卻。先冷卻的部分又限制后冷卻部分的橫向收縮，這就引起了y。y的分布與焊接方向、分段方法及焊接順序等有關(guān)。圖1-10為不同焊接方向時y的分布。如果將一條焊縫分兩段焊接，當(dāng)從中間向兩端焊時，中間部分先焊先收縮，兩端部分后焊后收縮，則兩端部分的橫向收縮受到中間部分的限制，因此y的分布是中間部分為壓應(yīng)力，兩端部分為拉應(yīng)力，如圖1-10a所示；相反，如果從

20、兩端向中間部分焊接時，中間部分為拉應(yīng)力，兩端部分為壓應(yīng)力，如圖1-10b所示總之，橫向應(yīng)力的兩個組成部分y、y同時存在，焊件中的橫向應(yīng)力y是由y、y合成的，但它的大小要受s的限制。圖1-10 不同方向焊接時y的分布3.特殊情況下的殘余應(yīng)力分布(1)厚板中的焊接殘余應(yīng)力 厚板焊接接頭中除有縱向和橫向殘余應(yīng)力外，在厚度方向還有較大的殘余應(yīng)力。它在厚度上的分布不均勻，主要受焊接工藝方法的影響。圖1-11為厚240mm的低碳鋼電渣焊焊縫中心線上的應(yīng)力分布。該焊縫中心存在三向均為拉伸的殘余應(yīng)力，且均為最大值，這與電渣焊工藝有關(guān)。因電渣焊時，焊縫正、背面裝有水冷銅滑塊，表面冷卻速度快，中心部位冷卻較慢，最

21、后冷卻的收縮受周圍金屬制約，故中心部位出現(xiàn)較高的拉應(yīng)力。圖1-11 厚板電渣焊中沿厚度上的應(yīng)力分布a)在厚度上的分布 b)在厚度上的分布 c)在厚度上的分布(2)在拘束狀態(tài)下的焊接殘余應(yīng)力前面討論的焊接殘余應(yīng)力分布都是指焊件在自由狀態(tài)下焊接時的分布情況，而生產(chǎn)中焊接結(jié)構(gòu)往往是在受拘束的情況下進(jìn)行焊接的。如圖1-12a，該焊件焊后的橫向收縮受到限制，因而產(chǎn)生了拘束橫向應(yīng)力，其分布如圖1-12b所示。拘束橫向應(yīng)力與無拘束橫向應(yīng)力(圖1-12c)疊加，結(jié)果在焊件中產(chǎn)生了如圖1-12d的合成橫向應(yīng)力。圖1-12拘束狀態(tài)下對接接頭的橫向應(yīng)力分布a）拘束狀態(tài)下的焊件 b）拘束橫向應(yīng)力 c）焊接橫向應(yīng)力d）

22、合成橫向應(yīng)力(3)封閉焊縫中的殘余應(yīng)力在板殼結(jié)構(gòu)中經(jīng)常遇到接管、鑲塊和人孔等構(gòu)造。這些構(gòu)造上都有封閉焊縫，它們是在較大拘束下焊接的，內(nèi)應(yīng)力都較大。其大小與焊件和鑲?cè)塍w本身的剛度有關(guān)，剛度越大，內(nèi)應(yīng)力也越大。圖1-13為圓盤中焊入鑲塊后的殘余應(yīng)力，為切向應(yīng)力，為徑向應(yīng)力。從圖中曲線可以看出，徑向應(yīng)力均為拉應(yīng)力，切向應(yīng)力在焊縫附近最大，為拉應(yīng)力，由焊縫向外側(cè)逐漸下降為壓應(yīng)力，由焊縫向中心達(dá)到一均勻值。在鑲塊中部有一個均勻的雙軸應(yīng)力場，鑲塊直徑越小，外板對它的約束越大，這個均勻雙軸應(yīng)力值就越高。圖1-13圓形鑲塊封閉焊縫的殘余應(yīng)力a)封閉焊縫 b)和的分布(4) 焊接梁柱中的殘余應(yīng)力圖1-14所示是

23、T形梁、工字梁和箱形梁縱向殘余應(yīng)力的分布情況。對于此類結(jié)構(gòu)可以將其腹板和翼板分別看作是板邊堆焊或板中心堆焊加以分析，一般情況下焊縫及其附近區(qū)域中總是存在有較高的縱向拉應(yīng)力，而在腹板的中部則會產(chǎn)生縱向壓應(yīng)力。圖1-14焊接梁柱的縱向殘余應(yīng)力分布 a) 焊接T形梁的殘余應(yīng)力 b)焊接工字梁的殘余應(yīng)力 c)焊接箱形梁的殘余應(yīng)力(5)環(huán)形焊縫中的殘余應(yīng)力 管道對接時，焊接殘余應(yīng)力的分布比較復(fù)雜，當(dāng)管徑和壁厚之比較大時，環(huán)形焊縫中的應(yīng)力分布與平板對接相類似，如圖1-15所示，但焊接殘余應(yīng)力的峰值比平板對接焊要小。圖1-15圓筒環(huán)縫縱向殘余應(yīng)力分布二、焊接殘余應(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)的影響1.對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響沒有嚴(yán)

24、重應(yīng)力集中的焊接結(jié)構(gòu)，只要材料具有一定的塑性變形能力，焊接內(nèi)應(yīng)力并不影響結(jié)構(gòu)的靜載強(qiáng)度。但是，當(dāng)材料處在脆性狀態(tài)時，則拉伸內(nèi)應(yīng)力和外載引起的拉應(yīng)力疊加有可能使局部區(qū)域的應(yīng)力首先達(dá)到斷裂強(qiáng)度，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)早期破壞。曾有許多低碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生過低應(yīng)力脆斷事故，經(jīng)大量試驗研究表明：在工作溫度低于材料的脆性臨界溫度的條件下，拉伸內(nèi)應(yīng)力和嚴(yán)重應(yīng)力集中的共同作用，將降低結(jié)構(gòu)的靜載強(qiáng)度，使之在遠(yuǎn)低于屈服點的外應(yīng)力作用下就發(fā)生脆性斷裂。因此，焊接殘余應(yīng)力的存在將明顯降低脆性材料結(jié)構(gòu)的靜載強(qiáng)度。2.對構(gòu)件加工尺寸精度的影響焊件上的內(nèi)應(yīng)力在機(jī)械加工時，因一部分金屬從焊件上被切除而破壞了它原來的平衡狀態(tài)

25、，于是內(nèi)應(yīng)力重新分布以達(dá)到新的平衡，同時產(chǎn)生了變形，于是加工精度受到影響。如圖1-16所示為在T形焊件上加工一平面時的情況，當(dāng)切削加工結(jié)束后松開加壓板，工件會產(chǎn)生上撓變形，加工精度受到影響。為了保證加工精度，應(yīng)對焊件先進(jìn)行消除應(yīng)力處理，再進(jìn)行機(jī)械加工。也可采用多次分步加工的辦法來釋放焊件中的殘余應(yīng)力和變形。圖1-16機(jī)械加工引起內(nèi)應(yīng)力釋放和變形3對受壓桿件穩(wěn)定性的影響當(dāng)外載引起的壓應(yīng)力與內(nèi)應(yīng)力中的壓應(yīng)力疊加之和達(dá)到，則這部分截面就喪失了進(jìn)一步承受外載的能力，于是削弱了桿件的有效截面，使壓桿的失穩(wěn)臨界應(yīng)力下降，對壓桿穩(wěn)定性有不利的影響。壓桿內(nèi)應(yīng)力對穩(wěn)定性影響的大小與壓桿的截面形狀和內(nèi)應(yīng)力分布有關(guān)

26、，若能使有效截面遠(yuǎn)離壓桿的中性軸，可以改善其穩(wěn)定性。焊接殘余應(yīng)力除了對上述的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、加工尺寸精度以及對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響外，還對結(jié)構(gòu)的剛度、疲勞強(qiáng)度及應(yīng)力腐蝕開裂有不同程度的影響。因此，為了保證焊接結(jié)構(gòu)具有良好的使用性能，必須設(shè)法在焊接過程中減小焊接殘余應(yīng)力，有些重要的結(jié)構(gòu)，焊后還必須采取措施消除焊接殘余應(yīng)力。三、減小焊接殘余應(yīng)力的措施減小焊接殘余應(yīng)力，即在焊接結(jié)構(gòu)制造過程中采取一些適當(dāng)?shù)拇胧┮詼p小焊接殘余應(yīng)力。一般來說，可以從設(shè)計和工藝兩方面著手，設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)時，在不影響結(jié)構(gòu)使用性能的前提下，應(yīng)盡量考慮采用能減小和改善焊接應(yīng)力的設(shè)計方案；另外，在制造過程中還要采取一些必要的工藝措施，以使焊接

27、應(yīng)力減小到最低程度。設(shè)計措施1）盡量減少結(jié)構(gòu)上焊縫的數(shù)量和焊縫尺寸。多一條焊縫就多一處內(nèi)應(yīng)力源；過大的焊縫尺寸，焊接時受熱區(qū)加大。使引起殘余應(yīng)力與變形的壓縮塑性變形區(qū)或變量增大。2）避免焊縫過分集中，焊縫間應(yīng)保持足夠的距離。焊縫過分集中不僅使應(yīng)力分布更不均勻，而且右能出現(xiàn)雙向或三向復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。壓力容器設(shè)計規(guī)范在這方面要求嚴(yán)格，圖1-17為其中一例。圖1-17 容器接管焊縫3）采用剛性較小的接頭形式。例如，圖1-18所示容器與接管之間聯(lián)接接頭的兩種形式，插入式聯(lián)接的拘束度比翻邊式的大，前者的焊縫上可能產(chǎn)生如圖1-13所示的雙向拉應(yīng)力，且達(dá)到較高數(shù)值；而后者的焊縫上主要是縱向殘余應(yīng)力（見圖1-

28、15）。圖1-18 焊接管聯(lián)接圖1-19所示兩個例子，左邊設(shè)計剛度大，焊接時引起很大拘束應(yīng)力而極易產(chǎn)生裂紋；右邊的接頭已削弱了局部剛性，焊接時不會開裂。圖1-19 減小接頭剛性措施a) 圓棒T形焊 b) 鉚焊2工藝措施（1）采用合理的裝配焊接順序和方向所謂合理的裝配焊接順序就是能使每條焊縫盡可能自由收縮的焊接順序。具體應(yīng)注意以下幾點：在一個平面上的焊縫，焊接時應(yīng)保證焊縫的縱向和橫向收縮均能比較自由。如圖1-20的拼板焊接，合理的焊接順序應(yīng)是按圖中l(wèi)10施焊，即先焊相互錯開的短焊縫，后焊直通長焊縫。圖1-20 拼接焊縫合理的裝配焊接順序收縮量最大的焊縫應(yīng)先焊。因為先焊的焊縫收縮時受阻較小，因而殘

29、余應(yīng)力就比較小。如圖1-21所示的帶蓋板的雙工字梁結(jié)構(gòu)，應(yīng)先焊蓋板上的對接焊縫l，后焊蓋板與工字梁之間的角焊縫2，原因是對接焊縫的收縮量比角焊縫的收縮量大。1-21帶蓋板的雙工字梁結(jié)構(gòu)焊接順序工作時受力最大的焊縫應(yīng)先焊。如圖1-22所示的大型工字梁，應(yīng)先焊受力最大的翼板對接焊縫l，再焊腹板對接焊縫2，最后焊預(yù)先留出來的一段角焊縫3。圖1-22對接工字梁的焊接順序平面交叉焊縫焊接時，在焊縫的交叉點易產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力。如圖1-23為幾種T形接頭焊縫和十字接頭焊縫，應(yīng)采用圖中a、b、c的焊接順序，才能避免在焊縫的相交點產(chǎn)生裂紋及夾渣等缺陷。圖d為不合理的焊接順序。圖1-23平面交叉焊縫的焊接順序圖

30、1-24為對接焊縫與角焊縫交叉的結(jié)構(gòu)。對接焊縫1的橫向收縮量大，必須先焊對接焊縫1，后焊角焊縫2。反之，如果先焊角焊縫2，則焊接對接焊縫1時，其橫向收縮不自由，極易產(chǎn)生裂紋。圖1-24 對接焊縫與角焊縫交叉（2）預(yù)熱法 預(yù)熱法是在施焊前，預(yù)先將焊件局部或整體加熱到150650。對于焊接或焊補(bǔ)那些淬硬傾向較大的材料的焊件，以及剛性較大或脆性材料焊件時，常常采用預(yù)熱法。（3）冷焊法 冷焊法是通過減少焊件受熱來減小焊接部位與結(jié)構(gòu)上其它部位間的溫度差。具體做法有：盡量采用小的線能量施焊，選用小直徑焊條，小電流、快速焊及多層多道焊。另外，應(yīng)用冷焊法時，環(huán)境溫度應(yīng)盡可能高。（4）降低焊縫的拘束度 平板上鑲

31、板的封閉焊縫焊接時拘束度大，焊后焊縫縱向和橫向拉應(yīng)力都較高，極易產(chǎn)生裂紋。為了降低殘余應(yīng)力，應(yīng)設(shè)法減小該封閉焊縫的拘束度。圖1-25所示是焊前對鑲板的邊緣適當(dāng)翻邊，作出角反變形，焊接時翻邊處拘束度減小。若鑲板收縮余量預(yù)留得合適，焊后殘余應(yīng)力可減小且鑲板與平板平齊。圖1-25降低局部剛度減少內(nèi)應(yīng)力a) 平板少量翻邊 b) 鑲塊壓凹（5）加熱“減應(yīng)區(qū)”法 焊接時加熱那些阻礙焊接區(qū)自由伸縮的部位（稱“減應(yīng)區(qū)”），使之與焊接區(qū)同時膨脹和同時收縮，起到減小焊接應(yīng)力的作用。此法稱為加熱減應(yīng)區(qū)法。圖1-26示出了此法的減應(yīng)原理。圖中框架中心已斷裂，須修復(fù)。若直接焊接斷口處，焊縫橫向收縮受阻，在焊縫中受到相當(dāng)

32、大的橫向應(yīng)力。若焊前在兩側(cè)構(gòu)件的減應(yīng)區(qū)處同時加熱，兩側(cè)受熱膨脹，使中心構(gòu)件斷口間隙增大。此時對斷口處進(jìn)行焊接，焊后兩側(cè)也停止加熱。于是焊縫和兩側(cè)加熱區(qū)同時冷卻收縮，互不阻礙。結(jié)果減小了焊接應(yīng)力。圖1-26加熱“減應(yīng)區(qū)”法示意圖a) 加熱過程 b) 冷卻過程此法在鑄鐵補(bǔ)焊中應(yīng)用最多，也最有效。方法成敗的關(guān)鍵在于正確選擇加熱部位，選擇的原則是：只加熱阻礙焊接區(qū)膨脹或收縮的部位。檢驗加熱部位是否正確的方法是：用氣焊炬在所選處試加熱一下，若待焊處的縫隙是張開的，則表示選擇正確，否則不正確。圖1-27為典型焊件減應(yīng)區(qū)選擇的例子。圖1-27 幾種選擇“減應(yīng)區(qū)”的例子a) 框架與桿系類構(gòu)件加熱區(qū) b) 以邊

33、、角、棱等處作加熱區(qū) c) 機(jī)車搖臂斷裂焊補(bǔ)加熱區(qū)四、消除焊接殘余應(yīng)力的方法雖然在結(jié)構(gòu)設(shè)計時考慮了殘余應(yīng)力的問題，在工藝上也采取了一定的措施來防止或減小焊接殘余應(yīng)力，但由于焊接應(yīng)力的復(fù)雜性，結(jié)構(gòu)焊接完以后仍然可能存在較大的殘余應(yīng)力。另外，有些結(jié)構(gòu)在裝配過程中還可能產(chǎn)生新的殘余內(nèi)應(yīng)力，這些焊接殘余應(yīng)力及裝配應(yīng)力都會影響結(jié)構(gòu)的使用性能。焊后是否需要消除殘余應(yīng)力，通常由設(shè)計部門根據(jù)鋼材的性能、板厚、結(jié)構(gòu)的制造及使用條件等多種因素綜合考慮后決定。任何產(chǎn)品，最好是通過必要的科學(xué)實驗，或者分析同類產(chǎn)品在國內(nèi)外長期使用中所出現(xiàn)過的問題來確定。在下列情況一般應(yīng)考慮消除內(nèi)應(yīng)力：1）在運輸、安裝、啟動和運行中可能

34、遇到低溫，有發(fā)生脆性斷裂危險的厚截面焊接結(jié)構(gòu)。2）厚度超過一定限度的焊接壓力容器。例如，鋼制壓力容器（GB1501998）規(guī)定，碳素鋼厚度大于32mm，16MnR鋼厚度大于30mm，16MnVR鋼厚度大于28 mm的焊接容器，焊后應(yīng)進(jìn)行熱處理。3）焊后機(jī)械加工量較大，不消除殘余應(yīng)力難以保證加工精度的結(jié)構(gòu)。4）對尺寸穩(wěn)定性要求較高的結(jié)構(gòu)。如精密儀器和量具座架、機(jī)床訂身、減速箱箱體等。5）有應(yīng)力腐蝕危險的結(jié)構(gòu)。常用的消除殘余應(yīng)力的方法如下： 1熱處理法熱處理法是利用材料在高溫下屈服點下降和蠕變現(xiàn)象來達(dá)到松弛焊接殘余應(yīng)力的目的，同時熱處理還可改善焊接接頭的性能。生產(chǎn)中常用的熱處理法有整體熱處理和局部

35、熱處理兩種。（1）整體熱處理 是將整個構(gòu)件緩慢加熱到一定的溫度（低碳鋼為650），并在該溫度下保溫一定的時間（一般按每毫米板厚保溫24分鐘，但總時間不少于30分鐘），然后空冷或隨爐冷卻。整體熱處理消除殘余應(yīng)力的效果取決于加熱溫度、保溫時間、加熱和冷卻速度、加熱方法和加熱范圍。一般可消除60%90%的殘余應(yīng)力，在生產(chǎn)中應(yīng)用比較廣泛。（2）局部熱處理 對于某些不允許或不可能進(jìn)行整體熱處理的焊接結(jié)構(gòu)，可采用局部熱處理，局部熱處理就是對構(gòu)件焊縫周圍的局部應(yīng)力很大的區(qū)域及其周圍，緩慢加熱到一定溫度后保溫，然后緩慢冷卻，其消除應(yīng)力的效果不如整體熱處理，它只能降低殘余應(yīng)力峰值，不能完全消除殘余應(yīng)力。對于一些

36、大型筒形容器的組裝環(huán)縫和一些重要管道等，常采用局部熱處理來降低結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力。2.機(jī)械拉伸法機(jī)械拉伸法是通過不同方式在構(gòu)件上施加一定的拉伸應(yīng)力，使焊縫及其附近產(chǎn)生拉伸塑性變形，與焊接時在焊縫及其附近所產(chǎn)生的壓縮塑性變形相互抵消一部分，達(dá)到松弛殘余應(yīng)力的目的。實踐證明，拉伸載荷加得越高，壓縮塑性變形量就抵消得越多，殘余應(yīng)力消除得越徹底。在壓力容器制造的最后階段，通常要進(jìn)行水壓試驗，其目的之一也是利用加載來消除部分殘余應(yīng)力。3.溫差拉伸法 溫差拉伸法的基本原理與機(jī)械拉伸法相同，其不同點是機(jī)械拉伸法采用外力進(jìn)行拉伸，而溫差拉伸法是采用局部加熱形成的溫差來拉伸壓縮塑性變形區(qū)。如圖1-28為溫差拉伸法示

37、意圖，在焊縫兩側(cè)各用一適當(dāng)寬度(一般為100150mm)的氧乙炔焰嘴加熱焊件，使焊件表面加熱到200左右，在焰嘴后面一定距離用水管噴頭冷卻，以造成兩側(cè)溫度高，焊縫區(qū)溫度低的溫度場，兩側(cè)金屬的熱膨脹對中間溫度較低的焊縫區(qū)進(jìn)行拉伸，產(chǎn)生拉伸塑性變形抵消焊接時所產(chǎn)生的壓縮塑性變形，從而達(dá)到消除殘余應(yīng)力的目的。如果加熱溫度和加熱范圍選擇適當(dāng)，消除應(yīng)力的效果可達(dá)50%70%。圖1-28“溫差拉伸法”消除殘余應(yīng)力示意圖 4.錘擊焊縫在焊后用手錘或一定直徑的半球形風(fēng)錘錘擊焊縫，可使焊縫金屬產(chǎn)生延伸變形，能抵消一部分壓縮塑性變形，起到減小焊接應(yīng)力的作用。錘擊時注意施力應(yīng)適度，以免施力過大而產(chǎn)生裂紋。5振動法

38、又稱振動時效或振動消除應(yīng)力法（VSR）。它是利用由偏心輪和變速馬達(dá)組成的激振器，使結(jié)構(gòu)發(fā)生共振所產(chǎn)生的循環(huán)應(yīng)力來降低內(nèi)應(yīng)力。其效果取決于激振器、工件支點位置、激振頻率和時間。振動法所用設(shè)備簡單、價廉，節(jié)省能源，處理費用低，時間短（從數(shù)分鐘到幾十分鐘），也沒有高溫回火時金屬表面氧化等問題。故目前在焊件、鑄件、鍛件中，為了提高尺寸穩(wěn)定性較多地采用此法。五、焊接殘余應(yīng)力的測定目前，測定焊接殘余應(yīng)力的方法主要可歸結(jié)為兩類，即機(jī)械方法和物理方法。1機(jī)械方法機(jī)械法也稱應(yīng)力釋放法，它是利用機(jī)械加工將試件切開或切去一部分，測定由此而釋放的彈性應(yīng)變來推算構(gòu)件中原有的殘余應(yīng)力。 1)切條法加工麻煩，要完全破壞焊件

39、，但測定殘余應(yīng)力比較準(zhǔn)確。所以，該方法只適用于實驗室中進(jìn)行研究工作。 2)鉆孔法測定殘余應(yīng)力時所鉆孔可以是盲孔，也可以是23mm的通孔，它適用于焊縫及其附近小范圍內(nèi)殘余應(yīng)力的測定，并可現(xiàn)場操作，很快測得指定點的主應(yīng)力及其方向，測量結(jié)果比較精確。另外，鉆孔法由于所鉆孔比較小，對結(jié)構(gòu)的破壞性很小，特別適用于沒有密封要求的結(jié)構(gòu)；對有密封要求的結(jié)構(gòu)，可采用盲孔，測試完畢后可用電動砂輪將其磨平。 2物理方法它是一種非破壞性測定殘余應(yīng)力的方法，常用的有磁性法、超聲波法及X射線衍射法等。 1)磁性法是利用鐵磁材料在磁場中磁化后的磁致伸縮效應(yīng)來測量殘余應(yīng)力的。該方法目前在生產(chǎn)中已獲得了應(yīng)用，市場上已有儀器出售

40、，測量儀器輕巧、簡單、測量方便、迅速，但測量精度不高。 2)X射線衍射法是根據(jù)測定金屬晶體晶格常數(shù)在應(yīng)力的作用下發(fā)生變化來測定殘余應(yīng)力的，它是一種無損的測量方法，我國已生產(chǎn)出了可用于現(xiàn)場的輕便型X射線殘余應(yīng)力測定儀。但這種方法只能測定表面應(yīng)力，對被測表面精度要求較高，測量儀器的價格也比較昂貴。3)超聲波法是根據(jù)超聲波在有應(yīng)力的試件和無應(yīng)力的試件中傳播速度的變化來測定殘余應(yīng)力的，它可用于測定三維空間的殘余應(yīng)力，但這種方法目前還處在實驗室研究階段，國外已有儀器出售，國內(nèi)實際生產(chǎn)中還尚未得到應(yīng)用。第三節(jié)焊接變形一、焊接殘余變形的種類及其影響因素 焊接殘余變形在焊接結(jié)構(gòu)中的分布是很復(fù)雜的。按變形對整個

41、焊接結(jié)構(gòu)的影響程度可將焊接變形分為局部變形和整體變形；按照變形的外觀形態(tài)來分，可將焊接變形分為圖1-29所示的五種基本變形形式：收縮變形、角變形、彎曲變形、波浪變形和扭曲變形。這些基本變形形式的不同組合，形成了實際生產(chǎn)中焊件的變形。下面，將分別討論各種變形的形成規(guī)律和影響因素。圖1-29焊接變形的基本形式a)收縮變形 b)角變形 c)彎曲變形 d)波浪變形 e)扭曲變形 1收縮變形焊件尺寸比焊前縮短的現(xiàn)象稱為收縮變形。它分為縱向收縮變形和橫向收縮變形，如圖1-30所示。圖1-30 縱向和橫向收縮變形(1)縱向收縮變形 縱向收縮變形即沿焊縫軸線方向尺寸的縮短。這是由于焊縫及其附近區(qū)域在焊接高溫的

42、作用下產(chǎn)生縱向的壓縮塑性變形，焊后這個區(qū)域要收縮，便引起了焊件的縱向收縮變形?？v向收縮變形量取決于焊縫長度、焊件的截面積、材料的彈性模量、壓縮塑性變形區(qū)的面積以及壓縮塑性變形率等。焊件的截面積越大，焊件的縱向收縮量越小。焊縫的長度越長，縱向收縮量越大。從這個角度考慮，在受力不大的焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)，采用間斷焊縫代替連續(xù)焊縫，是減小焊件縱向收縮變形的有效措施。壓縮塑性變形量與焊接方法、焊接工藝參數(shù)、焊接順序以及母材的熱物理性質(zhì)有關(guān)，其中以熱輸入影響最大。在一般情況下，壓縮塑性變形量與熱輸入成正比。同樣截面形狀和大小的焊縫，可以一次焊成，也可以采用多層焊。多層焊每次所用的線能量比單層焊時要小得多，因此，多

43、層焊時每層焊縫所產(chǎn)生的（壓縮塑性變形區(qū)面積）比單層焊時小。但多層焊所引起的總變形量并不等于各層焊縫的之和，因為各層所產(chǎn)生的塑性變形區(qū)面積是相互重疊的。圖1-31為單層焊和雙層焊對接接頭塑性變形區(qū)示意圖。單層焊的塑性變形區(qū)面積為ABCD；雙層焊第一層焊道產(chǎn)生的塑性變形區(qū)為A1B1C1D1，第二層的塑性變形區(qū)為A2B2C2D2。由此可以得出結(jié)論，對截面相同的焊縫，采用多層焊引起的縱向收縮量比單層焊小，分的層數(shù)越多，每層的熱輸入越小，縱向收縮量就越小。圖1-31單層焊和雙層焊的塑性變形區(qū)對比a)單層焊 b)雙層焊為第一層焊縫產(chǎn)生的塑性變形區(qū)為第二層焊縫產(chǎn)生的塑性變形區(qū)焊件的原始溫度對焊件的縱向收縮也

44、有影響。一般來說，焊件的原始溫度提高，相當(dāng)于熱輸入增大，焊后縱向收縮量增大。但是，當(dāng)原始溫度高到某一程度，可能會出現(xiàn)相反的情況，因為隨著原始溫度的提高，焊件上的溫度差減小，溫度趨于均勻化，壓縮塑性變形率下降，可使壓縮塑性變形量減小，從而使縱向收縮量減小。 焊件材料的線膨脹系數(shù)對縱向收縮量也有一定的影響，線膨脹系數(shù)大的材料，焊后縱向收縮量大，如不銹鋼和鋁比碳鋼焊件的收縮量大。(2)橫向收縮變形橫向收縮變形系指沿垂直于焊縫軸線方向尺寸的縮短。構(gòu)件焊接時，不僅產(chǎn)生縱向收縮變形，同時也產(chǎn)生橫向收縮變形，如圖1-30中的y。產(chǎn)生橫向收縮變形的過程比較復(fù)雜，影響因素很多，如線能量、接頭形式、裝配間隙、板厚

45、、焊接方法以及焊件的剛性等，其中以線能量、裝配間隙、接頭形式等影響最為明顯。不管何種接頭形式，其橫向收縮變形量總是隨焊接熱輸入增大而增加。裝配間隙對橫向收縮變形量的影響也較大，且情況復(fù)雜。一般來說，隨著裝配間隙的增大，橫向收縮也增加。兩塊平板，中間留有一定間隙的對接焊，如圖1-32所示。焊接時，隨著熱源對金屬的加熱，對接邊產(chǎn)生膨脹，焊接間隙減小。焊后冷卻時，由于焊縫金屬很快凝固，阻礙平板兩對接邊的恢復(fù)，則產(chǎn)生橫向收縮變形。圖1-32帶間隙平板對接焊的橫向收縮變形過程如果兩板對接焊時不留間隙，如圖1-33所示。加熱時板的膨脹引起板邊擠壓，使之在厚度方向上增厚，冷卻時也會產(chǎn)生橫向收縮變形，但其橫向

46、收縮變形量小于有間隙的情況。圖1-33無間隙平板對接焊的橫向收縮變形過程另外，橫向收縮量沿焊縫長度方向分布不均勻，因為一條焊縫是逐步形成的，先焊的焊縫冷卻收縮對后焊的焊縫有一定擠壓作用，使后焊的焊縫橫向收縮量更大。一般地，焊縫的橫向收縮沿焊接方向是由小到大，逐漸增大到一定長度后便趨于穩(wěn)定。由于這個原因，生產(chǎn)中常將一條焊縫的兩端頭間隙取不同值，后半部分比前半部分要大13mm。橫向收縮的大小還與裝配后定位焊和裝夾情況有關(guān)，定位焊焊縫越長，裝夾的拘束程度越大，橫向收縮變形量就越小。對接接頭的橫向收縮量是隨焊縫金屬量的增加而增大；線能量、板厚和坡口角度增大，橫向收縮量也增加，而板厚的增大使接頭的剛度增

47、大，又可以限制焊縫的橫向收縮。另外，多層焊時，先焊的焊道引起的橫向收縮較明顯，后焊焊道引起的橫向收縮逐層減小。焊接方法對橫向收縮量也有影響，如相同尺寸的構(gòu)件采用埋弧自動焊比采用焊條電弧焊其橫向收縮量??；氣焊的收縮量比電弧焊的大。角焊縫的橫向收縮要比對接焊縫的橫向收縮小得多。同樣的焊縫尺寸，板越厚，橫向收縮變形越小。2.角變形中厚板對接焊、堆焊、搭接焊及T形接頭焊接時，都可能產(chǎn)生角變形，角變形產(chǎn)生的根本原因是由于焊縫的橫向收縮沿板厚分布不均勻所致。焊縫接頭形式不同，其角變形的特點也不同。如圖1-34所示，是幾種焊接接頭的角變形。就堆焊或?qū)佣裕绻摪搴鼙?，可以認(rèn)為在鋼板厚度方向上的溫度分布是

48、均勻的，此時不會產(chǎn)生角變形。但在焊接（單面）較厚鋼板時，在鋼板厚度方向上的溫度分布是不均勻的。溫度高的一面受熱膨脹較大，另一面膨脹小甚至不膨脹。由于焊接面膨脹受阻，出現(xiàn)較大的壓縮塑性變形，這樣，冷卻時在鋼板厚度方向上產(chǎn)生收縮不均勻的現(xiàn)象，焊接一面收縮大，另一面收縮小，故冷卻后平板產(chǎn)生角變形。圖1-34 幾種接頭的角變形a)堆焊 b)對接接頭 c)T形接頭角變形的大小與焊接線能量、板厚等因素有關(guān)，當(dāng)然也與焊件的剛性有關(guān)。當(dāng)線能量一定，板厚越大，厚度方向上的溫差越大，角變形增加。但當(dāng)板厚增大到一定程度，此時構(gòu)件的剛性增大，抵抗變形的能力增強(qiáng)，角變形反而減小。另外，板厚一定，線能量增大，壓縮塑性變形

49、量增加，角變形增加。但線能量增大到一定程度，堆焊面與背面的溫差減小，角變形反而減小。對接接頭角變形主要與坡口形式、坡口角度、焊接方式等有關(guān)。坡口截面不對稱的焊縫，其角變形大，因而用X形坡口代替V形坡口，有利于減小角變形；坡口角度越大，焊縫橫向收縮沿板厚分布越不均勻，角變形越大。同樣板厚和坡口形式下，多層焊比單層焊角變形大，焊接層數(shù)越多，角變形越大。多層多道焊比多層焊角變形大。另外，坡口截面對稱，采用不同的焊接順序，產(chǎn)生的角變形大小也不相同，圖1-35a所示為X形坡口對接接頭，先焊完一面后翻轉(zhuǎn)再焊另一面，焊第二面時所產(chǎn)生的角變形不能完全抵消第一面產(chǎn)生的角變形，這是因為焊第二面時第一面已經(jīng)冷卻，增

50、加了接頭的剛性，使第二面的角變形小于第一面，最終產(chǎn)生一定的殘余角變形。如果采用正反面各層對稱交替焊，如圖1-35b所示，這樣正反面的角變形可相互抵消。但這種方法其焊件翻轉(zhuǎn)次數(shù)比較多，不利于提高生產(chǎn)率。比較好的辦法是，先在一面少焊幾層，然后翻轉(zhuǎn)過來焊滿另一面，使其產(chǎn)生的角變形稍大于先焊的一面，最后再翻轉(zhuǎn)過來焊滿第一面，如圖1-35c所示，這樣就能以最少的翻轉(zhuǎn)次數(shù)來獲得最小的角變形。非對稱坡口的焊接，如圖1-35d，應(yīng)先焊焊接量少的一面，后焊焊接量多的一面，并且注意每一層的焊接方向應(yīng)相反。圖1-35角變形與焊接順序的關(guān)系a)對稱坡口非對稱焊 b)對稱坡口對稱交替焊 c)對稱坡口非對稱焊d）非對稱坡

51、口非對稱焊薄板焊接時，正面與背面的溫差小，同時薄板的剛度小，焊接過程中，在壓應(yīng)力作用下易產(chǎn)生失穩(wěn)，使角變形方向不定，沒有明顯規(guī)律性。T形接頭(圖1-36a)角變形可以看成是由立板相對于水平板的回轉(zhuǎn)與水平板本身的角變形兩部分組成。T形接頭不開坡口焊接時，其立板相對于水平板的回轉(zhuǎn)相當(dāng)于坡口角度為90º的對接接頭角變形，如圖1-36b所示；水平板本身的角變形相當(dāng)于水平板上堆焊引起的角變形，如圖1-36c所示。這兩種角變形綜合的結(jié)果使T形接頭兩板間的角度發(fā)生如圖1-36d的變化。圖1-36 T形接頭的角變形為了減小T形接頭角變形，可通過開坡口來減小立板與水平板間的焊縫夾角，降低值；還可通過減

52、小焊腳尺寸來減少焊縫金屬量，降低值。3.彎曲變形彎曲變形是由于焊縫的中心線與結(jié)構(gòu)截面的中性軸不重合或不對稱，焊縫的收縮沿構(gòu)件寬度方向分布不均勻而引起的。彎曲變形分兩種：焊縫縱向收縮引起的彎曲變形和焊縫橫向收縮引起的彎曲變形。(1)縱向收縮引起的彎曲變形圖1-37所示為不對稱布置焊縫的縱向收縮所引起的彎曲變形。對于縱向收縮引起的彎曲變形類似于在構(gòu)件上作用一假想的偏心力，在的作用下，構(gòu)件縮短并產(chǎn)生彎曲變形，其彎矩，由此引起的撓度可用下式求得：=ML2/8EI=sL2/8EI （1-4）式中 彎曲變形撓度(cm) E彈性模量(MPa)；假想的縱向收縮力（N）；L焊件長度(cm)； I焊件截面慣性矩(

53、cm4)； S塑性變形區(qū)的中心線到焊件截面中性軸的距離（cm）。從式(1-4)中可以看出，彎曲變形(撓度)的大小與焊縫在結(jié)構(gòu)中的偏心距s及假想偏心力成正比，與焊件的剛度EI成反比。而假想偏心力又與壓縮塑性變形區(qū)有關(guān)，凡影響壓縮塑性變形區(qū)的因素均影響偏心力的大小。偏心距s越大，彎曲變形越嚴(yán)重。焊縫位置對稱或接近于截面中性軸，則彎曲變形就比較小。圖1-37焊縫的縱向收縮引起的彎曲變形 (2)橫向收縮引起的彎曲變形焊縫的橫向收縮在結(jié)構(gòu)上分布不對稱時，也會引起構(gòu)件的彎曲變形。如工字梁上布置若干短筋板(如圖1-38所示)，由于筋板與腹板及筋板與上翼板的角焊縫均分布于結(jié)構(gòu)中性軸的上部，它們的橫向收縮將引起

54、工字梁的下?lián)献冃?。圖1-38 焊縫橫向收縮引起的彎曲變形4波浪變形波浪變形常發(fā)生于板厚小于6mm的薄板焊接過程中，又稱之為失穩(wěn)變形。大面積平板拼接，如船體甲板、大型油罐罐底板等，極易產(chǎn)生波浪變形。防止波浪變形可從兩方面著手：一是降低焊接殘余壓應(yīng)力。如采用能使塑性變形區(qū)小的焊接方法，選用較小的焊接線能量等；二是提高焊件失穩(wěn)臨界應(yīng)力。如給焊件增加筋板，適當(dāng)增加焊件的厚度等。焊接角變形也可能產(chǎn)生類似的波浪變形。如圖1-39所示，采用大量筋板的結(jié)構(gòu) ，每塊筋板的角焊縫引起的角變形，連貫起來就造成波浪變形。這種波浪變形與失穩(wěn)的波浪變形有本質(zhì)的區(qū)別，要有不同的解決辦法。圖1-39 焊接角變形引起的波浪變形

55、5扭曲變形 產(chǎn)生扭曲變形的原因主要是焊縫的角變形沿焊縫長度方向分布不均勻。如圖1-40中的工字梁，若按圖示14順序和方向焊接，則會產(chǎn)生圖示的扭曲變形，這主要是角變形沿焊縫長度逐漸增大的結(jié)果。如果改變焊接順序和方向，使兩條相鄰的焊縫同時向同一方向焊接，就會克服這種扭曲變形。圖1-40工字梁的扭曲變形以上5種變形是焊接變形的基本形式，在這5種基本變形中，最基本的是收縮變形，收縮變形再加上不同的影響因素，就構(gòu)成了其它四種基本變形形式。焊接結(jié)構(gòu)的變形對焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)有極大的影響。首先，零件或部件的焊接殘余變形，給裝配帶來困難，進(jìn)而影響后續(xù)焊接的質(zhì)量；其次過大的殘余變形還要進(jìn)行矯正，增加結(jié)構(gòu)的制造成本；另外，焊接變形也降低焊接接頭的性能和承載能力。因此，實際生產(chǎn)中，必須設(shè)法控制焊接變形，使變形控制在技術(shù)要求所允許的范圍之內(nèi)。 二、控制焊接變形的措施從焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計開始，就應(yīng)考慮控制變形可能采取的措施。進(jìn)入生產(chǎn)階段，可采用焊接預(yù)防變形的措施，以及在焊接過程中的工藝措施。1設(shè)計措施選擇合理的焊縫形狀和尺寸 主要做到以下兩點：1）選擇最小的焊縫尺寸。在保證結(jié)構(gòu)有足夠承載能力的前提下，應(yīng)采用盡量小的焊縫尺寸。尤其是角焊縫尺寸，最容易盲目加大。焊接結(jié)構(gòu)中有些僅起聯(lián)系作用或受力不大，并經(jīng)強(qiáng)度計算尺寸甚小的角焊縫，應(yīng)按板厚選取工藝上可能的最小尺寸。對受力較大的T字或十字接頭，在保證強(qiáng)度