焊接应力与变形

焊接应力与变形

在焊接过程中，焊件中产生的随时间（实际上是随温度）而变化的变化和应力分别称为焊接瞬时变形和焊接瞬时应力；焊后（冷却到室温）焊件中残留的变形和应力分别称为焊接残余变形和焊接残余应力。这些变形和应力直接影响焊接结构的制造质量和使用性能。焊接应力和变形产生的原因概括为一句话就是：焊接过程中不均匀的加热和冷却，作用在各种材料和结构上，表现出的受力状态和形状上的效应。

焊接应力的种类

存在于焊接结构中的应力，按其产生的原因和性质大致可分为：

（1） 热应力，焊接过程中不均匀加热和冷却而引起的应力。它是在焊接过程中变化的瞬时应力。

（2） 拘束应力，焊接过程中由于结构本身或外加拘束作用而引起的应力。

（3） 相变应力，焊接过程中由于接头区产生不均匀的组织转变而引起的应力，多在碳当量较高或工艺不当时产生。

（4） 氢致应力，焊接以后焊接接头区由于扩散氢聚集在显微缺陷处而引起的局部应力。含氢量多时易产生。

（5） 焊接残余应力，焊接以后存在于结构内的应力，有时也叫焊接残余应力，因为它在结构内任一截面上是自相平衡的内应力。

焊接应力的危害

（1） 造成焊接裂纹

在温度、组织及结构刚性拘束度的相互作用下，焊接应力达到一定值时，将成为各种热裂纹、冷裂纹等产生的主要原因，影响结构质量，造成潜在的危险，导致返修或使焊接件报废。

（2） 降低结构的承载能力

1） 焊件残余应力与工作应力叠加，增加了构件承受的应力水平，实际上降低了结构的承载能力或降低了结构的强度安全裕度量。

2） 当应力水平超过材料的屈服极限时，将造成接头区的拉伸塑性变形，消耗材料的一部分塑性。

3） 在厚壁结构的焊接区，立体交叉焊缝或焊缝中存在的缺陷，都有可能造成三向拉伸应力，降低材料塑性变形的能力，可能成为低应力脆断的起源点。

4） 在低周疲劳载荷下，较高的拉伸残余应力会使长期使用的结构产生一定程度的变形。

（3） 造成应力腐蚀，拉伸残余应力的存在，使工作在腐蚀介质中的结构产生应力腐蚀开裂，引起应力腐蚀和低应力脆断。

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5-2-9e

4.2.3.2 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

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第七节

焊接应力与焊接变形

一、焊接应力与焊接变形的基本知识 二、焊接残余应力与分布 三、减少与消除残余应力和措施

一、焊接应力与焊接变形的基本知识 我们已经知道，焊缝由于有内部结构上的缺陷 和内部应力的释放、焊件将产生焊缝裂缝。同时， 在焊接过程中，焊件受到不均匀的电弧加热，受 热区域的金属膨胀程度也就不同，此时产生的内 应力和变形是暂时的，但当焊接完毕待焊件完全 冷却后，剩余的内应力和变形称为残余内应力和 变形。

焊接内应力的种类 焊接后产生的内应力简称焊接应力，根据其空间位置和相互关系可分以下几种： 单向应力 焊接薄板的对接焊缝以及在焊件表面上堆焊时，焊件存在的应力 是单方向的。 双向应力 在焊接较厚板的对接焊缝时，焊件存在的应力虽不同向，但均在 一个平面内，即应力是双向的。 三向应力 当焊接厚大焊件的对接焊缝时，焊件存在的应力是沿空间三个方 向作用的。当结构焊件三个方向焊缝的交叉处亦有三向应力存在。 根据焊接应力相对于焊缝的方向不同，可分为平行于焊缝的纵向应力和垂 直于焊缝的横向应力。 单向应力对焊件的强度影响不大，有时不必采取特殊的方法消除它们。但 当焊缝中存在双向应力和三向应力时，焊缝金属的强度和冲击值都要显著下 降，容易产生裂缝。因此，在焊接厚件≥25mm时，焊后一般应对焊件进行热 处理，以消除三向应力。三个方向焊缝的 ，焊缝不应焊到交角的顶点，以避 免三向应力的产生。焊接应力按其产生的原因，也可以分为焊接热应力和组 织应力。在船体焊接时，一般只考虑焊接热应力。

焊接变形的种类 焊接变形的种类，按其对结构影响的大小可分为下面两种： 整体变形

整体变形是指整个结构的形状或尺寸发生变化。整 体变形是由于焊缝在各个方向收缩所引起的。它包括直线变形、 弯曲变形、扭曲变形等。如图所示。 直线变形是指结构的长、宽、高尺寸的改变，按其方向又可 分为纵向变形和横向变形。纵向变形是指平行于焊缝方向的变形。 横向变形是指垂直于焊缝方向的变形。 局部变形 局部变形是指结构的某种部分发生变形。它包括角 变形和波浪变形两种。 焊后变形将严重影响到结构的外形和它的承载能力，其中整体变 形对结构的影响较大，而局部变形的影响则较小。

浅析焊接变形和焊接应力的危害及防治措施

【摘要】本文通过焊接应力和焊接变形原因的讨论，对焊接变形和焊接应的危害及防治进措施进行了简单的探讨。

【关键词】焊接变形；焊接应力；危害；措施

1.序

在我们从事建筑生产活动中，焊接工艺在整个施工过程中（钢筋、钢结构、管道等焊接）起着举足轻重的作用，焊接的好坏也直接影响到建筑物的质量。然而绝大多数的焊接方法都要采用局部加热，不可避免的产生内应力和变形，从而引起质量缺陷。因此，如何在设计和施工时减小焊接应力和焊接变形十分重要。

2.焊接应力和焊接变形产生的原因

焊接过程是一个不均匀加热的过程。在焊接过程中，焊件上的不同位置会有不同的温度，而在焊缝和施焊附近的温度最高，可达1600℃以上，由于受到空气中温度的影响，在施焊附近的区域温度则会直线降低。由于被焊元件温度不均匀，所以在施焊周围会产生的膨胀。温度高的区域膨胀大，但受到其他周围温度较低、膨胀较小的焊件限制，会产生热态塑性压缩。但在焊接完毕，焊接处钢材冷却时，被塑性压缩后的焊缝趋向于紧缩，受到周围钢材的限制而产生拉应力。若焊件为低碳钢或合金钢，这种拉应力通常会达到钢材的极限屈服强度。所谓的焊接应力其实是一种无荷载作用下的内部应力，因此这种应力会在施焊钢材内部自相平衡，所以一定会在距离焊接位置稍远的位置产生应力。

而在这种应力的作用下，若是被焊的钢材约束度比较小（例如焊件处于无约束状态、焊件相对比较薄），就会在被焊位置产生一定程度的焊接变形。焊接变形是焊接元器件在焊接时，由于局部加热及冷却后产生的不可恢复形变（焊接变形包括弯曲变形、纵向收缩、角变形、横向收缩、扭曲变形等等）。在我们建筑单位通常的施工中，多数是几种变形同时存在的。焊接施工完毕时，我们应该对焊件进行检验，任何一处焊接变形超过验收标准时，都应该进行补救、矫正，避免减小焊件在使用过程中的承载能力。倘若施焊的钢材约束度比较大（例如焊接元器件的形状复杂、厚度较大的钢板、或者因为夹具的影响而产生了较大的约束状态时），此时被焊元器件就不能产生较大的自由变形，但在焊缝处的钢材则会发生很大的残余应力。