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焊接应力与变形学习目的：了解焊接应力与焊接变形产生的原因，掌握控制和消除焊接应力与焊接变形的方法。
第一节焊接应力与变形概述一、焊接应力与变形的概念在焊接过程中，焊接应力和与焊接变形的产生是不可避免的。
焊接过程结束，焊件冷却后残留在焊件上的内应力为焊接应力也叫焊接残应力。
焊接过程中焊接产生了不同程度的变形，焊接过程结束，焊接冷却后残留在焊件上的变形为焊接残余变形。
焊接残余应力是造成裂纹的直接原因，使承载能力和使用寿命降低。
二、焊接应力与变形产生的原因物体在某些外界条件下（如应力、温长等）的影响下，其形状和尺寸可能发生变化。
焊接是一种局部不均匀加热的工艺过程，加热温度高，加热冷却速度快。
焊件局部因为温度升高而膨胀，又因为温度升高，局部材料的强度降低，由于受到接头周围金属的限制而不能自由膨胀，当压应力大于材料的屈服强度时，产生压缩塑性变形。
当焊缝冷却后收缩，由于受到接头周围金属而限制而不能自由的收缩而受到拉伸，产生拉应力即焊接残余应力。
岬件上的温塩分■布总之，焊接时的局部不均匀加热与冷却是产生焊接应力和焊接变形的主要原因。
第二节焊接残余应力一、焊接残余应力的分类1. 按焊接残余应力产生的原因分类(1)温度应力(又称热应力)：它是由于金属受热不均匀，各处变形不一致且相互约束而产生的应力。
焊接过程中温度的应力是不断变化的，且峰值一般都达到屈服强度，因此产生塑性变形，焊接结束并冷却后产生残余应力保存下来。
(2)组织应力：焊接过程中，引起局部金属组织发生转变，随着金属组织的转变，其体积发生变化，而局部体积的变化受到皱纹金属的约束，同时，由于焊接过和中是不均匀的加热与冷却，因此组织的转变也是不均匀的，结果产生了应力（3）拘束应力：焊件结构往往是在拘束条件下焊接的，造成拘束状态的因素有结构的刚度、自重、焊缝的位置以及夹持卡具的松紧程度等。
这种在拘束条件下的焊接，由于受到外界或自身刚度的限制，不能自由变形就产生了拘束应力。
●焊接应力与变形1.焊接应力与变形产生的原因焊件在焊接过程中受到局部加热和冷却是产生焊接应力和变形的主要原因。
焊接加热时，图F-4(a)中虚线既表示接头横截面的温度分布，也表示金属能自由膨胀时的伸长量分布。
实际上接头是个整体，由于受工件未加热部分的冷金属产生的约束，无法进行自由膨胀，平板只能在整个宽度上伸长ΔL,因此焊缝区中心部分因膨胀受阻而产生压应力(用符号“-”表示)，两侧则形成拉应力(用符号“+”表示)。
焊缝区中心部分的压应力超过屈服强度时，产生压缩塑性变形，其变形量为图F-4(a)中被虚线包围的无阴影部分。
焊后冷却时，金属若能自由收缩，则焊件中将无残余应力，也不会产生焊接变形，但由于焊缝区中心部分已经产生的压缩塑性变形，不能再恢复，冷却到室温将缩短至图F-4(b)中的虚线位置，两侧则缩短到焊前的原长L。
这种自由收缩同样是无法实现的，平板各部分收缩会互相牵制，焊缝区两侧将阻碍中心部分的收缩，因此焊缝区中心部分产生拉应力，两侧则形成压应力。
在平板的整个宽度上缩短ΔL′，即产生了焊接变形。
图F-4 平板对焊的应力与分布(a)焊接过程中；(b)冷却后2.焊接变形的几种基本形式图F-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1)收缩变形：收缩变形是工件整体尺寸的减小，它包括焊缝的纵向和横向收缩变形。
2)角变形：当焊缝截面上下不对称或受热不均匀时，焊缝因横向收缩上下不均匀，引起角变形。
V形坡口的对接接头和角接接头易出现角变形。
3)弯曲变形：由于焊缝在结构上不对称分布，焊缝的纵向收缩不对称，引起工件向一侧弯曲，形成弯曲变形。
4)扭曲变形：对多焊缝和长焊缝结构，因焊缝在横截面上的分布不对称或焊接顺序和焊接方向不合理等，工件易出现扭曲变形。
5)波浪变形：焊接薄板结构时，焊接应力使薄板失去稳定性，引起不规则的波浪变形。
实际焊接结构的真正变形往往很复杂，可同时存在几种变形形式。
焊接变形和焊接应力焊接变形和焊接应力焊接是一种局部加热的加工方法，热源集中在焊缝处加热，因而造成焊件上温分布不均匀，最终导致在焊接结构内部产生了焊接变形与焊接应力。
一、焊接变形1. 焊接变形的概念由焊接而引起的焊件尺寸和形状的改变称为焊接变形。
焊接过程结束后，残国在焊接结构中的变形，称为焊接残余变形。
本书中提到的焊接变形指的是焊接残余变形。
2. 焊接变形的类型及产生原因焊接变形可分为收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形、扭曲变形等几种形式焊件局部（焊缝和焊缝附近的金属）不均匀加热和冷却是产生焊接变形的根本用因。
焊接时，加热是通过移动的高温电弧热源进行的，焊缝和焊缝附近的金属温度很高，受热金属要膨胀，其余大部分金属不受热，受热金属的膨胀受到阻碍和抑制，生了压缩塑性变形。
焊完冷却后，焊缝和附近的金属因收缩而变短，却又受到周围受热金属的限制，就使焊件产生了内应力，以致产生变形。
各类焊接变形的具体原因各不相同，与焊缝在焊件中的位置、加热方法、焊接序等因素密切相关。
焊接变形的类型及产生原因见表2-3-7。
3. 预防和矫正焊接变形的方法及措施（1）预防焊接变形的方法及措施预防焊接变形可以从焊接结构设计和焊接工艺两方面进行。
在焊接结构设计时要在保证结构有足够强度的前提下，尽量减小焊缝的数量和尺寸;对称布置焊缝;必要时预先留出收缩余量;采用冲压结构代替焊接结构;将焊缝布置在最大工作应力之外等。
预防焊接残余变形的工艺措施主要有∶1）选择合理的装配焊接顺序。
装配焊接顺序对焊接结构变形的影响很大。
对称焊接、不对称焊缝先焊焊缝少的一侧和减少长道直焊缝等都可以很大程度上减少焊接变形量。
如图2-3-13所示的工字梁，当采用1、2、3、4的焊接顺序时，虽然结构的焊缝对称，焊后仍将产生较大的上拱弯曲变形，但如果改为将工字梁1、2焊缝的长度分成若干段，采取分段、跳焊的对称焊接，先焊完总长度的60%～70%，然后将工字果翻转180°焊接3、4焊缝，也采取分段、跳焊的对称焊将3、4焊缝全部焊完。
4.2 焊接应力与变形：4.2.1 焊接变形和残余应力的不利影响：焊接变形1.影响工件形状、尺寸精度2.影响组装质量3.增大制造成本———矫正变形费工、费时4.降低承载能力———变形产生了附加应力焊接应力1.降低承载能力2.引起焊接裂纹，甚至脆断3.在腐蚀介质中，产生应力腐蚀裂纹4.引起变形4.2.2 焊接变形和应力的产生原因：根本原因：对焊件进行的不均匀加热和冷却，如图6-2-8焊接应力焊接加热时，焊缝区受压力应力（因膨胀受阻，用符号“-”表示）远离焊缝区手拉应力（用符号“+”表示）焊后冷却时，焊缝受拉应力（因收缩受阻），远离焊缝区受压应力焊接变形：当焊接应力超过金属σs时，焊件将产生变形焊接应力和焊接变形总是同时存在，不会单独存在，当母材塑性较好，结构刚度较小时，焊接变形较大而应力较小；反之，则应力较大而变形较小。
4.2.3 焊接变形的控制和矫正：4.2.3.1 焊接变形的基本形式，如图6-2-9如图6-2-9 常见的焊接残余变形的类型1、2---纵向收缩量3---横向收缩量4、5---角变形量f---挠度（1）收缩变形：即焊件沿焊缝的纵向和横向尺寸减少，是由于焊缝区的纵向和横向收缩引起的。
如图5-2-9 a（2）角变形：即相连接的构件间的角度发生改变，一般是由于焊缝区的横向收缩在焊件厚度上分布不均匀引起的。
如图5-2-9b（3）弯曲变形：即焊件产生弯曲。
通常是由焊缝区的纵向或横向收缩引起的。
如图5-2-9c（4）扭曲变形：即焊件沿轴线方向发生扭转，与角焊缝引起的角度形沿焊接方向逐渐增大有关。
如图5-2-9d（5）失稳变形（波浪变形）：一般是由沿板面方向的压应力作用引起的。
如图5-2-9e4.2.3.2 控制焊接变形的措施（1）设计措施（详见焊接结构设计）尽量减少焊缝的数量和尺寸，合理选用焊缝的截面形状，合理安排焊缝位置──尽量使焊缝对称或接近于构件截面的中性轴（以减少弯曲变形）。
如图6-2-10图6-2-10 焊缝位置安排（2）工艺措施①反变形法：即焊前使构件产生与焊接残余变形方向相反的变形，使焊后变形相互抵消。
如图6-2-11图6-2-11 反变形法示例a)预置反变形b）塑性预弯反变形c）强制预弯反变形1棗螺旋夹头刚度大的梁若难于采用预弯反变形，下料时可将其腹板预制出一定的挠度，以抵消焊接时的弯曲变形。
②加余量法：工件下料时，给工件尺寸加大一定的收缩余量，以补偿焊后的收缩。
③刚性固定法：即焊前将焊件刚性固定，对防止角变形和失稳变形较有效，如图6-2-12，该法会增大焊接应力，为防止产生裂纹，一般只用于塑性好的材料。
图6-2-12 刚性固定法防止角度变形示例a）用夹具夹紧凸缘b）用压铁压紧薄板1棗固定夹2棗压铁3棗焊件4棗平台5棗定位焊点④合理选用焊接方法和焊接规范尽量选用能量较集中的焊接方法，如以CO2焊、等离子弧焊等代替气焊和焊条电弧焊。
⑤选用合理的装配焊接顺序焊接结构分成若干件，分别装配焊接，最后再拼焊成一体，对称布置的焊缝对称施焊或同时施焊。
长焊缝，可采用逆向分段焊，厚板焊接采用多层焊。
4.2.3.3 焊接变形的矫正（1）机械矫正法：即利用外力使构件产生与焊接变形方向相反的塑性变形，使两者相互抵消，如图5-2-13图5-2-13 机械矫正示例a）用压力机矫正弯曲变形b）用辊轮矫正失稳变形（2）火焰矫正法：即利用火焰局部加热焊件的适当部位，使其产生压缩塑性变形，以抵消焊接变形，如图5-2-14。
图5-2-14 梁变形的火焰矫正示例a）矫正角变形b）矫正弯曲变形1、3棗加热区域2棗焰炬f棗挠度火焰矫正一般采用一般的气焊炬。
4.2.4 焊接应力的调节和消除4.2.4.1 调节焊接应力的措施（1）调节焊接应力的措施：①尽量减少焊缝数量和尺寸并避免焊缝密和交叉。
棗多采用型材、冲压件或铸件，薄板结构采用电阻焊代替熔焊②采用刚性较小的接头棗变形大，应力小（2）工艺措施：①采用合理的焊接顺序，使焊缝收缩较为自由。
如图5-2-15图5-2-15 拼板焊缝的焊接顺序1、2、4、6—短焊缝3、5—直通的长焊缝宜先焊错开的短焊缝，再焊直通的长焊缝。
②降低焊接接头的刚度③加热减应区棗以便焊后收缩时，加热区与焊缝一起收缩，减少焊缝的约束。
④锤击焊缝棗使之产生塑性变形（伸长），以抵消受热时的压缩塑变。
⑤预热和后热棗即焊前或焊后对焊件全部（或局部）进行适当加热棗减少温差，只适用于塑性差，易产生裂纹的材料。
4.2.4.2 焊接应力的消除方法：（1）去应力退火：又称高温回火，焊后钢件加热温度为500～650℃，可进行整体去应力退火，也可以局部退火。
（2）机械拉伸法：即对焊件施加载荷，使焊缝区产生塑性拉伸，以减少其原有的压缩塑变，从而降低或消除应力。
如：压力容器的水压试验。
（3）温差拉伸法：利用温差使焊缝两侧金属受热膨胀以对焊缝区进行拉伸，使其产生拉伸塑变以抵消原有的压缩塑变，从而减少或消除应力，如图6-2-16。
图6-2-16 温度拉伸法示意图1棗喷水排管；2棗焊件；3、4棗氧乙炔焰炬该法适用于焊缝较规则，厚度在40㎜以下的板壳结构。
（4）振动法：通过激振器使焊接结构发生共振产生循环应力来降低或消除内应力。
该法设备简单、成本低，处理时间短且无加热缺陷，值得推广。
4.3 焊接缺陷及检验方法4.3.1 焊接缺陷的危害焊接缺陷是指焊接过程中在焊接接头中产生的不符合设计或工艺条件要求的缺陷，主要有焊接裂纹、未焊透、未熔合、夹渣、气孔、咬边和焊瘤等。
焊接缺陷的危害：（1）产生应力集中，降低承载能力；（2）引起裂纹，缩短使用寿命；（3）造成脆断。
4.3.2 焊接裂纹常见的焊接裂纹{ 热裂纹：指在固相线附近的高温阶段产生的裂纹冷裂纹：指在马氏体开始转变温度以下产生的裂纹4.3.2.1 热裂纹：（1）热裂纹的特征热裂纹常发生在焊缝区，在焊缝结晶过程中产生的叫结晶裂纹，也有发生在热影响区中，在加热到过热温度时，晶间低熔点杂质发生熔化，产生裂纹，叫液化裂纹。
特征：沿晶界开裂（故又称晶间裂纹），断口表面有氧化色。
（2）热裂纹产生原因：①晶间存在液态间层焊缝：存在低熔点杂质偏析} 形成液态间层热影响区：过热区晶界存在低熔点杂质②存在焊接拉应力（3）热裂纹的防止措施：冶金因素} 热裂纹拉应力①限制钢材和焊材的低熔点杂质，如S、P含量。
②控制焊接规范，适当提高焊缝成形系数（即焊道的宽度与计算厚度之比）棗焊缝成形系数太小，易形成中心线偏析，易产生热裂纹。
③调整焊缝化学成分，避免低熔点共晶物；缩小结晶温度范围，改善焊缝组织，细化焊缝晶粒，提高塑性，减少偏析。
④减少焊接拉应力⑤操作上填满弧坑4.3.2.2 冷裂纹（1）冷裂纹的形态和特征焊缝区和热影响区都可能产生冷裂纹，常见冷裂纹形态有三种，如图5-2-17冷裂纹形态{ 焊道下裂纹：在焊道下的热影响区内形成的焊接冷裂纹，常平行于熔合线发展焊指裂纹：沿应力集中的焊址处形成的冷裂纹，在热影响内扩展焊根裂纹：沿应力集中的焊缝根部所形成的冷裂纹，向焊缝或热影响发展图5-2-17 焊接冷裂纹a-焊道下裂纹；b-焊趾裂纹；c-焊根裂纹特征：无分支、穿晶开裂、断口表面无氧化色。
最主要、最常见的冷裂纹为延迟裂纹（即在焊后延迟一段时间才发生的裂纹-------因为氢是最活跃的诱发因素，而氢在金属中扩散、聚集和诱发裂纹需要一定的时间）。
（2）延迟裂纹的产生原因①焊接接头存在淬硬组织，性能脆化。
②扩散氢含量较高，使接头性能脆化，并聚集在焊接缺陷处形成大量氢分子，造成非常大的局部压力。
（氢是诱发延迟裂纹的最活跃因素，故有人将延迟裂纹又称氢致裂纹）③存在较大的焊接拉应力（3）防止延迟裂纹的措施①选用碱性焊条，减少焊缝金属中氢含量、提高焊缝金属塑性②减少氢来源棗焊材要烘干，接头要清洁（无油、无锈、无水）③避免产生淬硬组织棗焊前预热、焊后缓冷（可以降低焊后冷却速度）④降低焊接应力棗采用合理的工艺规范，焊后热处理等⑤焊后立即进行消氢处理（即加热到250℃，保温2～6左右，使焊缝金属中的扩散氢逸出金属表面）。
4.3.3 气孔：（1）产生原因：在熔池液态金属冷却结晶时，产生了气体，而且冷却速度较快，气体来不及逸出而导致（2）气孔的类型①氢气孔：焊接时，电弧气氛中氢比较多，在高温时，大量的氢溶入熔池液态金属中，在熔池冷却结晶时，由于氢的溶解度急剧下降，析出氢气，造成氢气孔。
②一氧化碳气孔：FeO+C→Fe+CO↑熔池中FeO越多，产生CO气孔的倾向就越大，同理，液态金属中含碳量越多，也越易产生CO气孔。
③氮气孔：保护效果不好，空气中的氮气进入熔池而导致。
（3）防止措施：①烘干焊条、焊剂。
②焊丝、坡口及两侧母材要除锈、油、水。
③采用短弧焊，控制焊接速度，以防空气进入熔池和以便已产生的气体有时间逸出熔池。
4.3.4 焊接质量检验：焊接检验包括焊前检验，焊接过程检验和成品检验。
焊前检验包括检查技术文件（图样、工艺规程等）是否齐全，焊材和原材料质量，构件装配和焊接边缘的质量，焊接设备是否完善，焊工操作水平等。
焊接过程检验包括检验焊接规范是否正确，装配质量，设备运行情况等。
成品检验是焊后对焊接产品进行质量检查，以发现焊接缺陷，常用检验方法如下：。
