焊接应力与变形

出处：按学科分类—工业技术 河南科学技术出版社《钣金技术手册》第719页（2628字）

焊接过程中，焊件内会产生残余应力，应力严重时会使焊件发生变形或开裂。若变形量过大，焊件则因无法矫正而报废。因此在设计和制造焊接结构时，必须首先弄清产生焊接应力与变形的原因，掌握其变形规律，找出减少焊接应力和过量变形的有效措施。

(一)应力与变形产生的原因

焊接过程中，焊件局部受到不均匀的加热和冷却，是产生焊接应力与变形的根本原因。现以平板为例进行说明(图10－4)。焊接加热时焊缝和近焊缝区的金属被加热到很高的温度，离焊缝愈远，温度愈低，因此，焊件各个区中因温度不同将产生大小不等的纵向膨胀。若各个区域的金属能自由伸长，则其伸长量分布如图10－4a中虚线所示。

图10－4 平板对接焊时的应力与变形

a．焊接加热时 b．冷却过程中

但实际上钢板为一整体，焊缝区中心部分的高温金属因伸长受到两侧低温金属的阻碍而产生压应力，两侧的低温金属则产生拉应力。当焊缝区中心部分的金属所受压应力超过金属的屈服极限时，该区域就产生了压缩塑性变形。此时，钢板中存在着的压应力与拉应力相互平衡，整块钢板比原尺寸伸长△l。

冷却过程中，由于焊缝区中心部分在高温下已经产生了压缩塑性变形，不能再恢复，若能自由收缩，冷却到室温其应该较其他区域缩得更短些，如图10－4b中虚线位置。但实际上钢板各部位的收缩相互牵制，只能如实线所示那样整体缩短△l′。因此，焊缝区中心部分金属受拉应力，两侧金属内部受到压应力并互相平衡。这些应力焊接后残留在金属内部，称为焊接应力。

如果在焊接过程中，焊件能够较自由的伸缩，则焊后焊件的变形较大而焊接应力较小；反之，如果焊件厚度或刚性较大不能自由伸缩，则焊后焊件变形较小而焊接应力较大。

(二)焊接变形形式及防止

1．五种变形基本形式

(1)收缩变形：构件焊接后，纵向和横向尺寸缩短，这是由于焊缝纵向和横向收缩引起的，如图10－5a所示。

图10－5 焊接变形的基本形式

a．收缩变形 b．角变形 c．弯曲变形 d．扭曲变形 e．波浪变形

(2)角变形：V形坡口对接焊时，由于焊缝截面形状上下不对称，焊缝横向收缩沿板厚方向分布不均匀而引起的角度变化，如图10－5b所示。

(3)弯曲变形：丁字梁焊接时，由于焊缝位置布置不对称，焊后收缩不匀而引起工件向焊缝或刚度大的一侧弯曲，如图10－5c所示。

(4)扭曲变形：由于焊缝在构件横截面上布置的不对称或焊接工艺不合理，使工件产生纵向扭曲变形，如图10－5d所示。

(5)波浪变形：焊接薄板时，薄板在焊接应力(主要是焊缝区压应力)作用下失稳而造成的变形，如图10－5e所示。

2．防止变形的工艺措施

(1)选择合理的焊接顺序：对于开X形坡口的厚大断面构件的接焊，应双面交叉对称施焊；对称断面的工字梁和矩形梁的焊接，应对称交叉焊，如图10－6a所示。长焊缝焊接可采用如图10－6b所示的分段退焊、跳焊或从中间向两端施焊。

图10－6 合理的焊接顺序

a．对称断面梁 b．长直焊缝

(2)采取防止变形的措施：采取反变形法，即焊前组装时使焊件处于反向变形位置(图10－7a)，或在焊前把工件加工成反变形状，以抵消焊接后所发生的变形，如图10－7b所示。

图10－7 防止焊接变形的措施

a．平板反装反变形法 b．工字梁预弯反变形法 c．刚性固定法

生产中也常采用刚性固定法防止变形的产生，即焊前将工件固定夹紧，强制焊件不发生较大变形。固定方法较多，可用简单的夹具刚性固定(图10－7c)，也可将焊件临时点固在工作台上等。但刚性固定法会产生较大的焊接残余应力，故只适用于塑性较好的低碳钢薄板结构件，对淬硬性较大的钢材或铸铁不能使用，以免焊后断裂。

3．矫正变形的工艺方法

(1)机械矫正法：采用辊床、压力机或锤击的方法，依靠机械力的作用来矫正变形，如图10－8a所示，但塑性差的材料不能采用该方法。

图10－8 矫正变形的工艺方法

a．机械矫正法 b．火焰矫正法

(2)火焰矫正法：利用气焊火焰在焊接适当部位上加热，使工件局部冷却收缩所引起的新变形来矫正焊接所产生的变形，从而达到焊件恢复正确形状尺寸的目的。它主要用于低碳钢或部分低合金钢。加热温度一般在600～800℃。加热方式有点状、线状和三角状加热。图10－8b为火焰法矫正挠曲工件。

4．消除应力的工艺措施

(1)焊前预热：预热可使焊缝金属和周围金属的温差减小，焊后又可比较均匀地同时冷却收缩，因此可显着减小焊接应力和变形。对于塑性差的材料如中碳钢、铸铁、特殊钢等，通常采用此法。

(2)焊后热处理：最常用的焊后热处理方法是对工件进行去应力退火，即将工件均匀加热到600～650℃，保温一定时间，再随炉缓慢冷却。这种办法一般可以消除焊接残余应力80%左右，对于重要件或精密构件都可以采用此法消除应力。