第二章 焊接应力与变形

焊接应力与变形及其预防和校正措施焊件不均匀局部加热和冷却是导致焊接应力和变形产生的根本原因。

1.焊接变形的基本形式a)收缩（纵向、横向）变形 b)角变形 c)弯曲变形 d)波浪变形 e)扭曲变形 f)错边（长度方向、厚度方向）变形σ＞σs时，产生变形σ＞σb时，产生裂纹，甚至断裂2.预防和减小焊接应力及变形的措施1）合理设计焊接结构（减少焊缝长度和截面积、尽量采用对称焊缝、避免交叉焊缝）；2）焊前预热（焊后冷却时，加热区与焊缝同时收缩。

此法称为加热减应区法：如图a)焊前b)焊后）；3）反变形法4）刚性固定法5）选择合理焊接顺序a)焊接顺序应能使焊件自由收缩 b)对称焊接法 c)长焊缝的分段焊法 d)工字梁的焊接方法6）锤击焊缝法3.焊接变形的校正1）机械矫正法a)压力矫正 b)锤击矫正变形的步骤2）火焰矫正法a）T形梁的火焰矫正 b)薄板波浪变形的火焰矫正4.焊接接头设计1）焊接结构应尽量选用型材成冲压件a)用四块钢板焊成 b)用两根槽钢焊成 c)用两根钢板弯曲后焊成 d)容器上的铸钢件法兰2）合理布置焊缝①焊缝布置应尽量分散a)、b)、c)不合理 d)、e)、f)合理②焊缝和位置应尽量对称布置a)、b)不合理 c)、d)、e)合理③尽量减少构件成焊件接头部位的应力集中a)不合理 b)合理④焊缝应避开最大应力和应力集中部位a)、b)、c)、d)不合理 e)、f)、g)、h)合理⑤对不同厚度钢板的受力对接接头，要采用工艺措施⑥在满足使用要求的前提下，应尽量减少焊缝对结构附加应力的影响a)次要焊缝影响主要受力构件 b)附加元件（卡箍）代替次要焊缝。

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。

焊接应力与变形产生的原因及对策
焊接过程中，由于焊接热量的作用，会引起材料的膨胀和收缩，从而产生应力和变形。

这些应力和变形会影响焊接件的尺寸精度、强度和耐久性，甚至导致焊接件出现裂纹和变形失效。

造成焊接应力和变形的原因主要有以下几个方面：
1. 热应力：焊接过程中，由于焊接热量的作用，使得焊接区域的温度急剧升高，从而引起材料的扩张和收缩。

这种温度差异会产生热应力，导致焊接件发生变形和应力。

2. 冷却应力：焊接完成后，焊接件会迅速冷却，冷却速度过快会导致焊接件表面和内部温度梯度过大，产生冷却应力，进而引起应力和变形。

3. 材料不匹配：焊接材料的热膨胀系数、熔点、硬度等物理性质不同，容易导致焊接区域产生应力和变形。

4. 焊接结构设计不合理：焊接结构设计不合理，如焊接位置不当、焊接接头不够强壮等，容易导致应力集中和变形。

针对焊接应力和变形的问题，可以采取以下对策：
1. 控制焊接热量：采用合适的焊接参数，控制焊接热源的大小和位置，以减少焊接区域的温度梯度，从而降低应力和变形。

2. 加强冷却措施：在焊接完成后，采取适当的冷却措施，如缓慢冷却、局部加热等，以减少焊接件的冷却速度，从而降低冷却应力。

3. 选择合适的焊接材料：选择合适的焊接材料，如选择热膨胀
系数和熔点相似的材料，可以减少焊接区域的应力和变形。

4. 优化焊接结构设计：优化焊接结构设计，加强焊接部位的加强设计，采用适当的焊接方式和焊接技术，可以减少应力集中和变形。

总之，采取合适的对策，可以有效地控制焊接应力和变形，提高焊接件的质量和性能。

●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。

第二章焊接应力与变形本章主要讨论焊接应力与变形的基本概念及其产生原因；焊接应力的分布规律；焊接过程中如何降低焊接应力和焊后如何消除焊接残余应力；焊接变形的种类，焊接过程中如何控制焊接变形和焊后的矫正措施。

第一节焊接应力与变形的产生一、应力与变形的基本知识1．应力物体在单位截面上表现的内力称为应力。

根据引起内力的原因不同，应力可分为：工作应力：物体由于外力作用在其单位截面上出现的内力。

内应力：物体在无外力作用下而存在于内部的应力。

内应力按其产生的原因不同分为热应力、装配应力、相变应力和残余应力。

2．变形物体在外力或温度等因素的作用下，其内部原子的相对位置发生改变，其宏观表现为形状和尺寸的变化，这种变化称为物体的变形。

按变形性质可分为：弹性变形和塑性变形；按变形的拘束条件可分为：自由变形和非自由变形。

二、研究焊接应力与变形的基本假定（1）平截面假定（2）金属性能不变的假定（3）金属屈服点的假定三、焊接应力与变形的产生原因影响焊接应力与变形的因素很多，如焊件受热不均匀、焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件刚性与拘束的影响等，其最根本的原因是焊件受热不均匀。

为便于了解焊接应力与变形产生的基本原因，首先对均匀加热时产生的应力与变形进行讨论。

1．均匀加热时引起应力与变形的原因（1）不受约束的杆件，均匀加热属于自由变形，无残余应力，无残余变形。

（2）受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形如果加热温度较低，材料的变形在弹性范围内，根据虎克定律，应力与应变符合线性关系，当温度恢复到原始温度时，杆件自由收缩到原来的长度，压应力全部消失，即不存在残余应力与残余变形。

如果加热温度比较高，达到或超过材料屈服点温度时，杆件的压缩变形量增大，产生塑性变形，此时的内部变形率由弹性变形率和塑性变形率两部分组成。

当温度恢复到原始温度时，弹性变形部分恢复，塑性变形部分不能恢复。

①若杆件能自由收缩，则由于压缩塑性变形的出现，杆件将比原来长度缩短，出现缩短的残余变形，但无残余应力存在。

焊接应力与变形产生的原因及对策焊接应力与变形产生的原因介绍焊接应力与变形是经常出现的焊接缺陷，这种缺陷的产生很多原因，但最主要的原因是焊接过程中产生的热胀大于材料的热膨胀，也就是说，材料热膨胀系数小于焊接膨胀系数。

在焊接的过程中，焊接处的温度可能达到1000℃以上，而焊接附近的温度可能仅仅只有300℃——400℃，材料的物理性质和结构都——在焊接过程中会发生变化，焊缝周围的材料成分会发生变化，并且焊接产生的残余应力会累积在焊缝中，焊缝区域内及其附近地区因残余应力而发生变形，如何预防焊接应力与变形预防焊接应力与变形，可以从多方面对焊接技术进行控制来实现，这些控制项包括焊接方法、焊接技术、焊条的选择和其他技术条件。

1、焊缝的选择。

根据连接部位的不同，采用适当的焊缝形式，以减少焊缝的数量和长度，其目的是减少因焊接而产生的应力集中。

2、选择正确方法。

在选择焊接工艺方法时，需要充分考虑焊件的材料、外观和结构等因素，决定最佳的焊接工艺，同时要考虑焊缝段的形状、数量和使用的焊接方法，充分考虑拉伸收缩等控制，避免焊接收缩和拉伸的不匹配。

3、选择熔剂。

采用合理的焊材，使焊接条件相容，有利于弥补焊缝段的收缩、膨胀、拉伸等不平衡度，减少焊缝的应力和变形。

4、正确加热。

应采用合理的焊接工艺参数，增加焊缝的温度，增加焊缝的形变速率。

要避免过冷、过热，缩短焊接项之间的温度梯度，保持温度均匀，以便消除焊缝段中的残余应力时，材料内各个部位的温度变化曲线均匀，减少焊接应力。

5、实验及控制。

在焊接过程中，应实施alexis试验，根据alexis试验结果判断最后的焊接质量，借助图像质检等技术，检测焊缝的残余应力积累情况，及时发现残余应力，采取必要的措施控制，避免出现焊接应力和变形。

以上就是焊接应力与变形的原因及其预防措施的介绍，希望通过上述知识的介绍可以帮助读者更好地了解并预防焊接应力和变形。

焊接应力与变形一、什么叫应力：物体在受到外力作用发生变形的同时，其内部会出现抵抗变形的力，这个力叫内力，而这个物体单位截面所受的内力叫应力。

在焊接时，当没有外力的存在，由构件不均匀受热或不均匀冷却产生的内应力叫焊接应力。

焊后残余在焊缝内部的应力叫焊接残余应力。

当焊件的内应力突破其屈服点就会产生的变形叫焊接变形。

二、焊接应力和变形产生的原因：假设一根钢筋，在无拘束的情下均匀加热，因受热膨胀它会变长、变粗，然后让其自然冷却，它会变回原来的尺寸和大小，这时它不会产生应力与变形。

如果把它二头进行钢性拘束固定，然后对其进行均匀加热，这时它因为热膨胀会要变长，但由于二头钢性固定阻挡而不能伸长，这时它可能会变弯，由于二头被刚性拘束固定，被自己的内应力压短或弯了，这时让它自然冷却，它会变短、变弯。

在焊接过程中，由于焊件是不均匀加热，我们可以把焊件的加热分为二部份，一部份是焊缝和离焊缝很近的高温区，还有一部份是离焊缝较远的低温区，而高温区就是上面所说的钢筋，而低温区就是刚性拘束固定的点，当高温区受热时要膨胀、伸长，而低温区会阻碍其自由膨胀、伸长，这时就会产生一个内应力，这个力就是焊接内应力，当焊接内应力突破其屈服点就会产生焊接变形。

三、影响焊接应力与变形的因素：1、焊接工艺，采用不同的焊接工艺，它产生的应力与变形的情况也不同。

2、焊缝的位置，3、装配和焊接的顺序4、焊缝尺寸和坡口的形式5、焊件的形状与尺寸6、焊接参数和施焊的方法四、控制焊接应力与变形的措施：1、设计阶段：①、焊缝尽量不要集中，焊缝间保持足够的距离。

②、尽可能减少焊缝的数量和尺寸。

③、选用填充金属少的坡口形式。

④、尽量不把焊缝布置在工作应力最大的区域。

⑤、在残余应力集中在拉应力区域时，应避免几何不连续性，以免内应力进一步增大。

2、焊接阶段：①采用合理的装配和焊接顺序。

②焊前预热，焊后缓冷。

③焊接时采用小线能量，多层多道焊，焊件刚性大时采用冷焊法。

五、消除应力与变形的方法：①整体或局部高温回火。

焊接应力与变形焊接应力和变形主要与焊接热循环及拘束度有关，其分布大小取决于：线膨胀系数、弹性模量、屈服点、形状、尺寸和温度场。

温度场又与导热系数、比热、密度及工艺参数和条件相关。

一、T 型梁焊接变形及控制1、焊接变形产生的原因在构件焊接过程中，焊缝中心及周围母材被加热到各种不同的温度，远离电弧区，温度越低，形成极大温度梯度的温度场（电弧区的温度达1500℃以上，热影响区为450℃左右）。

在加热过程中产生了压缩塑性应变，随后冷却到原来温度过程中，构件中便产生了残余应力，并且构件的形状尺寸发生了变形。

2、T型梁焊接变形解决思路。

（1）合理的设计接头T型梁为主要承载部位，为了保证接头的强度，接头设计为全熔透坡口。

为了尽量减少填充金属且保证T型接头的强度，同时要求焊后的变形尽量小布置腹板两侧焊道数量相同。

最终，此T接头采用K型坡口，接头设计要求如图1示。

（2）合理的焊接工艺严格控制热输入，焊前将接头烘干，并将焊件加热至要求最低温度66℃，且将焊接过程中最大层间温度控制为200℃。

由于板厚较大，填充量大，所以采用埋弧焊（横焊）。

焊接时，按接头长度分为四段，分段进行焊接。

并且在施焊过程中，图1 接头设计（K型坡口）从接头腹板的两侧同时焊接，可以防止或减少因先单面焊接而引起的变形。

（3）采用刚性固定从翼缘板一侧施焊，若没有刚性约束，焊后翼缘板将产生如图2所示的变形。

因此在焊前将T型梁的翼缘板焊接于基准胎架的临时定位板之上，并在翼缘板的同侧焊上临时防变形板，可防止或减少焊后翘起变形，如图3所示。

焊接前焊接后侧视图俯视图图2 焊接变形图3 刚性固定当T型接头焊接完后根据标准要求，对腹板的弧度进行测量、矫正。

构件在焊接完毕后产生变形是必然的，矫正可以火焰矫正，也可以机械矫正。

火焰矫正对焊后构件变形的矫正能够起到明显的效果。

3、与理论的联系焊前可根据变形趋势和大小，对构件进行合理的接头设计和工艺设计来控制变形，采用合适的焊接参数、焊接方向、焊接顺序能够改善变形程度，刚性固定可以抵消部分焊接应力。