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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。
焊接应力和变形.
教学目的：了解应力和变形的概念、产生原因；了解焊接变形的种类；掌握预防和减小焊接应力和变形的措施。
教学重点：预防和减小焊接应力和变形的措施
教学难点：应力和变形的概念、产生原因
教学课时：16课时
第一节应力和变形的概念
一、变形
钢结构构件或节点在焊接过程中，局部区域受到很强的高温作用，在此不均匀的加热和冷却过程中产生的变形称为焊接变形。
二、应力
焊接后冷却时，焊缝与焊缝附近的钢材不能自由收缩，由此约束而产生的应力称为焊接应力。
三、应力形成
两块钢板上施焊时，产生不均匀的温度场，焊缝附近温度高达1600 C，其邻近区域温度较低，且冷却很快。
冷却时钢材收缩，冷却慢的区域收缩受到限制，从而产生拉应力，冷却快的区域受到压应力。
四、焊接应力的分类
1.根据焊接应力在空间的位置
单向应力、双向应力、三向应力。
2.根据焊接应力发生和互相平衡所在的范围大小
第一类应力、第二类应力、第三类应力。
3.根据焊接应力在焊缝中的方向不同
纵向应力、横向应力、厚度方向应力
第二节焊接应力和变形的产生原因
焊件进行局部的、不均匀的加热是产生焊接应力和变形的原因。
一、金属棒的均匀加热和冷却
金属棒在均匀加热时，产生过压缩塑性变形，则冷却后必定产生缩短变形。
二、纵向焊接应力和变形
焊接时，在电弧热的作用下，使金属局部达到熔化温度，但离电弧较远处的金属温度则较低，这样焊件就出现了不均匀的膨胀。
沿焊缝轴线方向尺寸的缩短。
三、横向焊接应力和变形
焊件在于海峰轴线垂直的方向上，焊缝及热影响区金属在加热过程中也受到压应力，发生压缩塑性变形，在冷却后则存在着残余应力和变形，称为横向焊接应力和变形。
四、影响焊接应力和变形的因素
影响焊接应力和变形的因素主要包括以下几点：焊接规范、焊缝尺寸、焊缝在结构中位置的布置、焊缝分段和焊接方向、焊接程序、焊接结构的刚性以及层数。
第三节焊接变形的种类
一、纵向变形
指平行于焊缝方向的变形。
多层焊比单层焊的变形量小。
二、横向变形
指垂直于焊缝方向的变形。
角焊缝和对接焊缝焊后都会引起横向变形，同时，与焊接方法有关。
三、弯曲变形
T型梁焊接后，由于焊缝布置不对称，焊缝多的一面收缩量大，引起的工件弯曲。
四、角变形
由于V型坡口对接焊焊缝布置不对称，造成焊缝上下横向收缩量不均匀而引起的变形。
五、扭曲变形
由于焊接过程中焊接顺序和焊接方向不合理引起的工件扭曲，又称为螺旋形变形，多出现在工字梁的焊接加工过程中。
六、波浪变形
这种变形易发生在波板焊接过程中。
是由于焊缝收缩使薄板局部引起较大的压应力而失去稳定性，焊后使构件成波浪形。
第四节预防和减小焊接应力和变形的措施
一、从结构设计方面的预防措施
1、尽量减少焊缝数量。
2、合理地选择焊缝的尺寸和形式。
3、合理设计结构形式及合理安排焊缝位置。
二、减小焊接应力和变形的方法
1.反变形法是根据预测的焊接变形大小和方向,在焊件装配时造成与焊接残余变形大小相当、方向相反的预变形量(反变形量),焊后焊接残余变形抵消了预变形量,使构件恢复到设计要求的几何形状和尺寸。
这种预制的反变形可以是弹性的，塑性的或弹塑性的。
采用加裕量的办法控制焊接变形时，在工件下料尺寸上所加的焊接裕量通常为0.1%～0.2%,以弥补焊后变形。
2．选择合理的焊接顺序
（1）尽量使焊缝能自由收缩，这样产生的残余应力较小。
（2）结构中同时存在对接缝和角接缝时，必须先焊对接缝，后焊角接缝。
（3）采用分散对称焊工艺，长焊缝尽可能采用分段退焊或跳焊的方法进行焊接，这样加热时间短、温度低且分布均匀，可减小焊接应力和变形。
（4）合理选用各种焊接程序
3. 刚性固定法
利用夹具、胎具等强制手段，以外力固定被焊工件来减小焊接变形。
该法能有效地减小焊接变形，但会产生较大的焊接应力，所以一般只用于塑性较好的低碳钢结构。
4.锤击焊缝法
焊后用圆头小锤对红热状态下的焊缝进行锤击，可以延展焊缝，从而使焊接应力得到一定的释放。
5.焊前预热法
在补焊前可对铸件上的适当部位进行加热，以减少焊接时对焊接部位伸长的约束，焊后冷却时，加热部位与焊接处一起收缩，从而减小焊接应力。
被加热的部位称为减应区，这种方法叫做加热减应区法，如图3-7所示。
利用这个原理也可以焊接一些刚度比较大的焊缝。
6.冷却法
利用容易散热的物体把焊接处的热量迅速散去，时焊缝附近的金属受热面大大减小，达到减小焊接变形的目的。
三、消除焊接残余应力的方法
1.概述
焊接结构件焊后在焊件内会产生大小不同的残余应力。
当焊件受到外力影响时，由于残余应力的作用，会使焊件变形，甚至产生裂纹。
因此，焊件焊后是否要消除焊接残余应力，应从构件的用途、尺寸（特别是厚度）、所用材料的性能及工作条件综合考虑。
2.整体高温回火
是指将整体构件加热至锻造温度以上再进行矫正的方法,可用以消除较大的形状偏差。
但是焊后整体加热容易引起冶金方面的副作用,限制了该方法的进一步推广及应用。
3. 局部高温回火
采用火焰对焊接构件局部加热,在高温处,材料的热膨胀受到构件本身刚性制约,
产生局部压缩塑性变形,冷却后收缩,抵消了焊后部位的伸长变形,达到矫正目的, 局部加热矫正方法简便灵活,因此在生产上广为应用。
在实际使用时应控制加热的温度与位置，对于低碳钢和普通低合金钢，常采用600～800℃的加热温度。
4. 机械拉伸法
对焊件进行加载，使焊缝区产生微量塑性拉伸，可以使残余应力降低。
例如，压力容器在进行水压试验时，将试验压力加到工作压力的1.2～1.5倍，这时焊缝区发生微量塑性变形，应力被释放。
5.温度拉伸法
对焊后的焊件沿焊缝两侧加热，然后再快速冷却形成一个焊缝两侧温度高、焊缝区温度低的温度场，从而使原焊缝区受到的压缩塑性变形进行拉伸，以抵消原来的压缩塑性变形，消除部分应力。
6.振动时效处理
利用一种严格受控的振动能量，对结构件进行处理，以解决结构件内部因残余应力导致抗载荷能力变化的问题。
7.电物理处理
采用电物理处理装置对焊缝进行处理，替代传统的焊后热处理。
四、焊接变形和矫正方法
1.机械矫正
利用机械力产生塑性变形来矫正焊接变形，如图3-10所示。
这种方法适用于塑性较好、厚度不大的焊件。
2.火焰矫正
利用金属局部受热后的冷却收缩来抵消已发生的焊接变形。
这种方法主要用于低碳钢和低淬硬倾向的低合金钢。
火焰矫正一般采用气焊焊炬，不需专门设备，其效果主要取决于火焰加热的位置和加热温度。
加热温度范围通常在600℃～800℃。
图3-11为T形梁上拱变形的火焰矫正方法。
加热方法有以下几种：
（1）点状加热法
多用于薄板结构，加热点直径d≥15mm,加热点中心距a为50～100mm。
（2）线状加热法
多用于矫正角变形、扭曲变形及筒体直径过大或椭圆度。
（3）三角形加热法
多用于矫正弯曲变形。
（4）水火矫正法
多用于双曲面板材的加工成形。
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