焊接變形和焊接應(yīng)力

焊接是一種局部加熱的加工方法，熱源集中在焊縫處加熱，因而造成焊件上溫分布不均勻，最終導(dǎo)致在焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生了焊接變形與焊接應(yīng)力。

一、焊接變形

1. 焊接變形的概念

由焊接而引起的焊件尺寸和形狀的改變稱為焊接變形。焊接過程結(jié)束后，殘國在焊接結(jié)構(gòu)中的變形，稱為焊接殘余變形。本書中提到的焊接變形指的是焊接殘余變形。

2. 焊接變形的類型及產(chǎn)生原因

焊接變形可分為收縮變形、角變形、彎曲變形、波浪變形、扭曲變形等幾種形式焊件局部（焊縫和焊縫附近的金屬）不均勻加熱和冷卻是產(chǎn)生焊接變形的根本用因。焊接時(shí)，加熱是通過移動(dòng)的高溫電弧熱源進(jìn)行的，焊縫和焊縫附近的金屬溫度很高，受熱金屬要膨脹，其余大部分金屬不受熱，受熱金屬的膨脹受到阻礙和抑制，生了壓縮塑性變形。焊完冷卻后，焊縫和附近的金屬因收縮而變短，卻又受到周圍受熱金屬的限制，就使焊件產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力，以致產(chǎn)生變形。

各類焊接變形的具體原因各不相同，與焊縫在焊件中的位置、加熱方法、焊接序等因素密切相關(guān)。焊接變形的類型及產(chǎn)生原因見表2-3-7。

3. 預(yù)防和矯正焊接變形的方法及措施

（1）預(yù)防焊接變形的方法及措施

預(yù)防焊接變形可以從焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和焊接工藝兩方面進(jìn)行。

在焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要在保證結(jié)構(gòu)有足夠強(qiáng)度的前提下，盡量減小焊縫的數(shù)量和尺寸;對(duì)稱布置焊縫;必要時(shí)預(yù)先留出收縮余量;采用沖壓結(jié)構(gòu)代替焊接結(jié)構(gòu);將焊縫布置在最大工作應(yīng)力之外等。

預(yù)防焊接殘余變形的工藝措施主要有∶

1）選擇合理的裝配焊接順序。裝配焊接順序?qū)�焊接結(jié)構(gòu)變形的影響很大。對(duì)稱焊接、不對(duì)稱焊縫先焊焊縫少的一側(cè)和減少長道直焊縫等都可以很大程度上減少焊接變形量。如圖2-3-13所示的工字梁，當(dāng)采用1、2、3、4的焊接順序時(shí)，雖然結(jié)構(gòu)的焊縫對(duì)稱，焊后仍將產(chǎn)生較大的上拱彎曲變形，但如果改為將工字梁1、2焊縫的長度分成若干段，采取分段、跳焊的對(duì)稱焊接，先焊完總長度的60%～70%，然后將工字果翻轉(zhuǎn)180°焊接3、4焊縫，也采取分段、跳焊的對(duì)稱焊將3、4焊縫全部焊完。再將工字梁翻轉(zhuǎn)，采取同樣的焊法，焊完1、2焊縫，彎曲變形可以降到很小。

2）反變形法。根據(jù)焊件的變形規(guī)律，焊前預(yù)先將焊件向著與焊接變形的相反方向進(jìn)行人為的變形，使之與焊接變形相抵消。反變形法主要用于控制焊件的角變形和彎曲變形。鋼板對(duì)接焊縫的反變形如圖 2-3-14 所示。

3）剛性固定法。將焊件固定在具有足夠剛度的胎架機(jī)具上，或者臨時(shí)裝焊支撐，來增加焊件的剛度或拘束度，以達(dá)到減小焊接變形的目的。薄板剛性固定法如圖 2-3-15 所示。

4）留余量法。在下料時(shí)，將零件的長度或?qū)挾瘸叽绫仍O(shè)計(jì)尺寸適當(dāng)加大，以補(bǔ)償焊件的收縮。留余量法主要是用于防止焊件的收縮變形。

5）選擇合適的焊接方法和焊接參數(shù)。由于各種焊接方法的熱輸入不同，因而產(chǎn)生的焊接變形也不一樣。能量集中和熱輸入較低的焊接方法，可有效地降低焊接變形。6）熱平衡法。對(duì)于某些焊縫不對(duì)稱布置的結(jié)構(gòu)，焊后往往會(huì)產(chǎn)生彎曲變形。如果在與焊縫對(duì)稱的位置上采用氣體火焰與焊接同步加熱，只要加熱的工藝參數(shù)選擇適當(dāng)，就可以減小或防止構(gòu)件的彎曲變形。如圖2-3-16所示，采用熱平衡法對(duì)邊梁箱形結(jié)構(gòu)的焊接變形進(jìn)行控制。

7）散熱法。散熱法就是通過各種方式將焊縫及其附近處的熱量迅速帶走，減小焊縫及其附近的受熱區(qū)，達(dá)到減小焊接變形的目的，如圖2-3-17所示。

（2）焊接變形的矯正

零件或部件的焊接變形給裝配帶來困難，進(jìn)而影響后續(xù)焊接質(zhì)量，降低焊接接頭的性能和承載能力。因此，當(dāng)焊接變形超出要求后，需要對(duì)變形進(jìn)行矯正。 1）手工矯正法。手工矯正法是利用錘子等工具錘擊焊件的變形處，使材料產(chǎn)生延伸以補(bǔ)償焊接收縮量，主要用于一些小型簡單焊件的變形矯正。

2）機(jī)械矯正法。機(jī)械矯正法是在機(jī)械力的作用下使部分金屬得到延伸，產(chǎn)生拉伸塑性變形，使變形的構(gòu)件恢復(fù)到所要求的形狀。機(jī)械矯正法一般適用于塑性比較好的材料及形狀簡單的焊件。工字梁的機(jī)械矯正如圖 2-3-18 所示。

3）火焰矯正法�；鹧娉C正法是采用火焰對(duì)焊件進(jìn)行局部加熱，使焊件產(chǎn)生新的變形以抵消原先的焊接變形�；鹧娉C正法設(shè)備簡單，操作方便，在生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛�；鹧娉C正法主要用于矯正彎曲變形、角變形、波浪變形等，也可用于矯正扭曲變形。

火焰加熱的方式有點(diǎn)狀加熱、線狀加熱和三角形加熱三種，用于不同對(duì)象的矯正，如圖2-3-19 所示。

二、焊接應(yīng)力

1. 焊接應(yīng)力的概念

焊接應(yīng)力是在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。

2. 焊接應(yīng)力的分類及產(chǎn)生原因

（1）按造成焊接應(yīng)力的原因分

1）溫度應(yīng)力（熱應(yīng)力）。由于焊接時(shí)焊件受熱不均勻?qū)е潞讣�熱脹冷縮不均勻而引起的應(yīng)力。

2）相變應(yīng)力。焊接時(shí)局部金屬金相組織發(fā)生轉(zhuǎn)變，體積發(fā)生變化，而周圍的金屬阻礙其體積變化，在金屬內(nèi)部將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。

（2）按焊接殘余應(yīng)力的作用方向分

1）縱向應(yīng)力。方向平行于焊縫軸線的應(yīng)力。

2）橫向應(yīng)力。方向垂直于焊縫軸線的應(yīng)力。

（3）按焊接應(yīng)力的空間方向分

1）單向應(yīng)力。在焊件中只沿一個(gè)方向存在的應(yīng)力。

2）雙向應(yīng)力（平面應(yīng)力）。指兩個(gè)應(yīng)力存在于焊件一個(gè)平面的不同方向上。

3）三向應(yīng)力（體積應(yīng)力）。指沿空間三個(gè)方向存在的應(yīng)力。

3. 控制和減少焊接應(yīng)力的方法和措施

焊接應(yīng)力不僅會(huì)影響焊件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、尺寸加工精度以及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而且也會(huì)影響結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕性。為保證焊接結(jié)構(gòu)具有良好的使用性能，在焊接過程中，必須設(shè)法減小焊接應(yīng)力;重要結(jié)構(gòu)在焊后還必須采取措施消除焊接殘余應(yīng)力。

（1）控制焊接應(yīng)力的工藝措施

1）選擇合理的焊接順序。焊接順序?qū)�焊接�?yīng)力的產(chǎn)生影響很大，焊接時(shí)盡可能使焊縫自由收縮，以減少焊接結(jié)構(gòu)在施焊時(shí)受到的拘束;焊縫數(shù)量較多時(shí)，先焊收縮量大、焊后可能產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力的焊縫，使焊縫收縮時(shí)的拘束小;交叉焊縫先焊短焊縫，后焊直通長焊縫，保證短焊縫在焊后有自由收縮的可能，焊完第一條焊縫后需將交匯處的焊縫去除，再焊接第二條焊縫，如圖 2-3-20 所示。

2）預(yù)熱。在焊前對(duì)焊件的全部（或局部）進(jìn)行加熱的工藝措施稱為預(yù)熱。一般預(yù)熱的溫度為150~350℃，其目的是減小焊接區(qū)和結(jié)構(gòu)整體的溫度差，以使焊縫區(qū)與結(jié)構(gòu)整體盡可能地均勻冷卻，從而減小內(nèi)應(yīng)力。淬硬傾向較大的材料焊前經(jīng)常需要預(yù)熱，預(yù)熱溫度與材料、厚度、環(huán)境溫度等有關(guān)。

3）加熱"減應(yīng)區(qū)"法。在焊接時(shí)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(shí)膨脹和同時(shí)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。如圖2-3-22 所示，框架中心已斷裂，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)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(shí)加熱，兩側(cè)受熱膨脹，使中心構(gòu)件斷口間隙增大，再對(duì)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(shí)冷卻收縮，互不阻礙，結(jié)果減小了焊接應(yīng)力。

4）敲擊法。在焊后冷卻過程中，當(dāng)溫度為 100～150℃或400℃以上時(shí)用錘子或風(fēng)錘敲擊焊縫，使它產(chǎn)生塑性變形，以抵消焊縫的一部分收縮量，這樣就能起到減小焊接殘余應(yīng)力的作用。敲擊法要避免在 200～300℃之間的藍(lán)脆性階段進(jìn)行;多層焊時(shí)，為了避免根部裂紋不敲擊第一層焊道，最后一層也不敲擊，以保持焊縫表面的美觀。

（2）減少焊接應(yīng)力的方法

雖然在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)以及在工藝上可采取一定的措施來防止或減小焊接應(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，影響結(jié)構(gòu)的使用性能，因此，焊后經(jīng)常需要消除焊接殘余應(yīng)力。常用的降低殘余應(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強(qiáng)度下降和蠕變現(xiàn)象來達(dá)到松弛焊接殘余應(yīng)力的目的，同時(shí)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高溫回火和去應(yīng)力退火兩種，可根據(jù)工件大小采用整體熱處理或局部熱處理的方式進(jìn)行。高溫回火是把工件焊后加熱到 500~650℃，保溫一段時(shí)間后，以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s的熱處理方法。去應(yīng)力退火是將工件焊后加熱至A，以下某一溫度，保溫一定時(shí)間后冷卻，使工件發(fā)生回復(fù)，從而消除殘余內(nèi)應(yīng)力的熱處理方法。淬硬傾向大的焊件可以采用去應(yīng)力退火處理，以減少因冷卻速度較快導(dǎo)致淬硬組織的生成。

2）機(jī)械拉伸法。對(duì)塑性好的焊接構(gòu)件進(jìn)行加載，使焊后產(chǎn)生的壓縮殘余變形得到拉伸，可減小由焊接引起的局部壓縮塑性變形量，使內(nèi)應(yīng)力降低。如壓力容器的水壓試驗(yàn)就屬于機(jī)械拉伸，既對(duì)容器進(jìn)行了水壓試驗(yàn)，又對(duì)材料進(jìn)行了一次拉伸，從而消除了部分殘余應(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(diǎn)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)。溫差拉伸法如圖 2-3-23 所示。