焊接应力变形原理若干问题的探讨(9)

焊接变形与残余应力的预测目录焊接变形和残余应力的基本原理在焊接由焊接产生的动态应力应变过程及随后出现的残余应力和残余变形是导致焊接裂纹和接头强度和性能下降的重要因素。

焊接应力和焊接变形由焊接过程中的不均匀加热引起,由于其形成原因复杂多变,而且完全不可确定,因此我们只能通过总结焊接应力与变形的产生和存在的一般规律以及大家总结出原来的施工经验,对即将进行的工程构件焊接情况进行分析和预测。

焊接应力与焊接变形存在一定的关系,当焊接应力完全释放的时候焊接变形达到最大值;当焊接结构处于完全刚性的时候,几乎可以完全控制焊接变形,而此时由于无法进行应力释放,焊接残余应力将达到最大值。

如何选择和理的焊接结构、焊接方法、焊接材料和焊接工艺,以取得最佳的焊接残余应力和焊接变形状态时钢结构焊接的重要课题。

焊接变形和残余应力的常用计算方法焊接应力与变形的形成原因极为复杂,因为直接影响应力与变形的金属材料的力学性能和热物理性能随着温度的变化而变化,而起决定作用的焊接温度场又因焊接接头的形状和尺寸、焊接工艺参数等的变化而变化。

因此在计算焊接应力与焊接变形时,常常作出一些假定和简化,从而从最简单焊接的分析入手,并推断出结论。

目前常用的预测焊接变形的方法主要有残余塑变解析法、三维实体单元固有应变有限元法、板壳单元固有应变有限元法,以及热弹性有限元法等。

残余塑变解析法仅适用于简单构件、规则梁,计算过程需要经验及试验数据的累积,分析焊接构件几何参数及焊接规范参数,在本工程中适用于梁柱对接的应力分析。

三维实体单元固有应变有限元法主要适用于实体复杂结构,在本工程中适用于主要节点的焊后构件变形,需要划分网格、加载固有应变后进行三维弹性分析。

板壳单元固有应变有限元法适用于薄壁复杂结构,在本工程中可应用性不大。

对于整体结构的焊接变形预测,需要使用热弹塑性有限元法进行分析,计算步骤为:划分网格、模拟焊接温度场、热弹塑性分析,其计算过程需要跟踪焊接热力学的全部过程,计算量极大、计算时间很长,在目前的短时间内不可能得到准确的结果。

焊接应力与变形产生的原因焊接是工业制造过程中常用的一种工艺，它通过将两个或多个金属材料加热至接触面熔融并紧密连接起来，使得机器零件或工业构件具备体积稳定和机械强度的特性。

但是，在焊接过程中往往会产生一些问题，诸如焊接应力和变形现象，它们大大影响着焊接件的性能和使用寿命，因此需要我们对这些问题作出充分的思考和解决。

焊接应力是指焊接件内部的应力状态，在焊接过程中产生的温度变化和冷却过程中引起的线膨胀率不同等因素导致焊接部位的内部应力不平衡，形成的一种不利于材料性能的状态变化。

这些应力对于焊接极易造成断裂、疲劳裂纹、拉伸力和延展串类等情况，而且对低温金属弹性模量和断裂韧性产生的影响也是不可忽视的。

那么，如何避免焊接应力的产生呢？首先，选择合适的焊接设备和材料，加强预热和后热处理以及控制焊接速度；其次，对焊接操作工人进行专业培训和指导，建立技术规范和标准操作流程；最后，在实际生产过程中，建立质量控制和审计体系，加强检查和监测焊接件的质量状况，及时进行维修和处理。

变形是焊接中另一个非常常见也非常头疼的问题。

焊接件在加热过程中往往会发生扭曲、弯曲或变形的情况，因为焊接材料受到热胀冷缩的变化以及周围环境的限制，在形变压力的快速积聚下，产生变形现象。

这些变形会影响焊接品质，导致焊接件形状和尺寸的偏差，从而影响机器部件的正常工作和使用寿命。

那么，如何控制焊接变形呢？首先要合理设计焊接结构和熔敷路径，预先估算和模拟变形，并做好对策和措施；其次，加强预热和后热处理，调整焊接速度和熔化宽度，减轻焊接组件的固定压力，逐步进行调整和纠正变形；最后，全面加强焊接工艺管理，进行严格的焊接质量管控和品质检验，及时发现和解决焊接变形问题。

正确认识和处理焊接应力和变形问题，是提高焊接质量和效率的必要和重要措施。

我们应该加强学习和研究，开展实验和模拟，制定规范和操作标准，并注意加强焊接技术管理和培训，引导焊接工人注重技能执业和职业责任，以保证焊接质量符合机械强度规范和工业标准的要求，为工业生产、国防科技和社会发展做出贡献。

探讨焊接应力与焊接变形成因及管控1 焊接应力1.1 焊接应力产生机理及影响因素焊接时的局部不均匀热输入是产生焊接应力与变形的决定因素，焊接热输入引起材料不均匀局部加热，使焊缝区融化，而与熔池毗邻的高温区材料的热膨胀则受到周围材料的限制，产生不均匀压缩塑性变形，在冷却过程中，已发生压缩变形的这部分材料又受到周围条件的制约，而不能自由收缩，在不同程度上又被拉伸而卸载;与此同时，熔池凝固，金属冷却收缩也产生相应的收缩应力与变形，使得焊接接头区产生不协调的应变，称为初始应变或固有应变。

与此相对应，在构件中会形成自身相平衡的内应力，通常称为焊接应力;而焊后，在在室温条件下，残留于构件中的内应力场和宏观变形，称为焊接残余应力与焊接残余变形。

焊接应力与焊接材料（主要包含材料特性、热物理常数及力学性能）、焊接接头形状和尺寸、焊接工艺参数，焊接结构（结构形状、厚度及刚性）有关。

1.2 焊接应力的分类1.2.1 接应力在焊件空间位置一维空间应力沿着焊件—个方向作用;二维空间应力应力在—个平面内不同方向上作用;三维空间应力应力在空间所有方向上作。

1.2.2 按产生应力的原因（1）热应力它是在焊接过程中，焊件内部温差所引起应力，随着温度的消失而消失，并且是引起热裂纹的力学原因。

（2）相变应力焊接过程中，局部金属发生相变，相比容增大或减小而引起的应力。

（3）塑变应力在焊接过程中，在近逢高温区的金属收到热胀冷缩受阻生产的塑性变形。

2 焊接变形2.1 焊接变形特点焊接是不均匀的加热过程，热源只集中在焊接部位，且以—定速度向前运动，局部受热膨胀金属能引起焊件在空间发生各种形态的变形，焊缝凝固和冷却发生收缩，变形是在焊接开始便产生，并随着焊接热源的移动和焊件上温度分布变化而变化。

焊接变形与焊件的形状尺寸、焊缝在工件的位置、焊缝的坡口形状、材料的热物理性能以及加热条件有关。

2.2 焊接变形的分类焊接过程中随着时间而发生的变形称为焊接瞬间变形，工件焊完冷却后，焊件上残留的焊接变形为焊接残余变形，我们更注重焊接残余变形，它对焊件质量和使用性能产生影响。

浅谈焊接过程中的变形成因及对策与措施随着我国焊接工艺的快速发展，其应用范围越来越广泛，比如既可以应用于金属材料的焊接，又可以用于非金属材料的焊接，从而有效推动了我国工业发展的步伐。

但是，在焊接的过程中，常常会出现变形问题，从而严重影响了加工件的质量，不利于后期的工业生产活动，而且还造成了一定的损失。

因此，我們必须要研究加工件焊接过程中导致变形的原因，然后采取有力的措施加以解决。

标签：焊接；变形；成因一、焊接过程中产生变形的原因在焊接的过程中，导致变形现象发生的原因有很多，我们必须要分析各种原因，了解清楚产生变形的影响因素，然后才能对症下药，采取有力的措施加以防范。

具体来讲，加工件在焊接过程中出现变形的原因有以下几种。

1.加工件本身的问题加工件在焊接的过程中出现变形问题，一部分原因是加工件自身存在的问题。

2.界面和尺寸问题从加工件的刚度表现来看，比如钢结构，其刚度一般都是体现在抗伸、抗拉、弯曲等几个方面的能力，而这几个方面的能力均受到截面和尺寸大小的影响。

比如在焊接的过程中，如果桁架的横截面没有达到相应的规范，那么就会产生纵向变形的情况；再比如在焊接的过程中，如果遇到丁字形等形状的截面，钢结构也会因为其抗弯刚度不符合要求，最终出现弯曲变形的情况。

3.加工件的刚度问题在某些加工件的焊接过程中，由于加工件的刚度不符合要求，经过相关的焊接处理后，在加工件的焊缝布置上出现了严重不均匀的情况，从而就导致出现比较严重的收缩情况，特别是在那些焊缝比较多的地方，其出现的变形程度就会随之增多。

4.焊接工艺问题加工件的焊接过程出现变形，除了其自身的原因之外，具体的焊接工艺也是原因之一。

比如在焊接的过程中，由于人们没有将电流控制到位，直接导致加工件受热不均匀，最终就出现了焊接变形的情况；再比如在处理多层的钢板焊接时，一般情况下，对于每一层的焊接缝来讲，其所需要的收缩量都是不一样的，如果层数太多的话，最终发生变形的几率也就更大。

焊接应力与变形的分析及改善措施作为钢结构制作和连接的主要技术，焊接已经被广泛应用于钢结构的制作和安装工艺之中。

然而，焊接中产生的变形问题不仅影响了钢结构的外观和使用性能，如果严重的话甚至会导致焊件报废。

有鉴于此，必须对焊接变形不同类型和原因进行全面分析，并采取有力措施控制焊接变形量，以确保不断提高生产效率和钢结构工程质量1 焊接变形的基本类型分析焊接变形的基本类型。

所谓焊接变形是指钢结构在焊接过程中，由于施焊电弧高温引起的变形，以及焊接完成后在构件中的残余变形现象。

在这两类变形中，焊接残余变形是影响焊接质量的主要因素，也是破坏性最强的变形类型。

焊接残余变形对结构的不同层次的影响分为整体变形和局部变形；根据变形的不同特点则可分为：角变形、弯曲变形、收缩变形、扭曲变形、波浪变形和错边变形。

在这些变形类型中，角变形和波浪变形属于局部变形，而其他类型的变形属于整体变形。

钢结构发生较多的变形类型是整体变形。

2. 焊接变形产生的原因分析。

钢结构刚度：刚度是指结构体对拉伸方向和弯曲变形的抵抗能力。

钢结构的刚度主要取决于结构截面形状和尺寸的大小。

图给出了引起焊接应力和变形的主要因素及其内在联系。

焊接时的局部不均匀热输入是产生焊接应力与变形的决定因素。

热输入是通过材料因素、制造因素和结构因素所构成的内拘束度和外拘束度而影响热源周围的金属运动，最终形成了焊接应力和变形。

材料因素主要包括有材料特性、热物理常数及力学性能（热膨胀系数α＝f （T），弹性模量E＝f（T），屈服强度σs＝f（T），σs（T）≈0时的温度TK或称“力学熔化温度”以及相变等）；在焊接温度场中，这些特性呈现出决定热源周围金属运动的内拘束度。

制造因素（工艺措施、夹持状态）和结构因素（构件形状、厚度及刚性）则更多地影响着热源周围金属运动的外拘束度。

焊接应力和变形是由多种因素交互作用而导致的结果。

通常，若仅就其内拘束度的效应而言，焊接应力与变形产生机理可表述如下。

浅谈焊接应⼒与变形浅谈焊接应⼒与变形在焊接⼯程中，由于焊接过程中多⽅⾯的原因，产⽣了焊接应⼒与焊接变形，⼀直是⽐较常见的现象，给⼯程质量和⼯程成本带来了不利的因素。

如何防⽌和减少焊接应⼒，将焊接变形控制在最⼩范围内，是每个焊接⼯程技术⼈员和⾼级焊⼯应该考虑的⼀个现实问题。

⼀、焊接应⼒产⽣的原因我们说存在于焊接结构中的应⼒，是在焊接过程中，焊体中产⽣的随时间（实际上是随温度）⽽变化的变形和应⼒分别称为焊接瞬时变形和焊接瞬时应⼒，焊后（冷却到⾃然温度）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。

这些应⼒和由于应⼒产⽣的焊体变形对焊件的质量是有很⼤影响的，它直接影响了焊接结构的制造外观尺⼨和内在质量，也影响到焊接结构的使⽤性能，并且减少使⽤寿命。

焊接应⼒和焊接变形产⽣的原因是多⽅⾯因素造成的。

如果概括为⼀句话就是在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的效应。

⼆、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可简单分为五类。

1、热应⼒焊接过程中不均匀加热和不均匀冷却⽽产⽣的热应⼒，它是焊接中最常见的焊接应⼒。

2、拘束应⼒焊接过程中主要是结构本⾝或外加拘束作⽤⽽产⽣的应⼒。

3、相变应⼒焊接过程中在焊缝接头及热影响区产⽣不均匀的⾦属组织转变⽽引起的应⼒。

这种应⼒产⽣于碳当量较多或焊接⼯艺不当时。

4、氢应⼒焊接后，在焊接接头区域由于扩散氢聚集在显微缺陷处⽽引起的局部应⼒。

例如，空⽓湿度较⼤或焊条烘烤温度不够等原因⽽引起含氢量⼤量产⽣时。

5、焊接残余应⼒焊接以后存在于结构内的应⼒，尤其在焊接压⼒容器、球形储罐等⼯程中，焊接后会产⽣⼤量的焊接残余应⼒。

各种焊接应⼒的⼤⼩和分布都与焊接材料、钢材的性质、焊接⼯艺⽅法、热输⼊、焊接⼯艺参数、焊接装配顺序及焊⼯的操作⽅法有密切的关系，同时结构本⾝的形状及外加拘束度、焊接环境等条件也是有关的。

焊接应⼒往往综合叠加出现。

浅谈焊接变形和应力的分析与处理方法摘要：焊缝是由工件金属和焊芯金属构成的，在焊接过程中是一个局部加热的过程，总是要产生焊接变形和应力，焊接变形和应力直接影响结构的制造质量和使用性能，应力的存在有可能导致产生裂纹，而变形则影响结构的形状和尺寸误差，因此我研究理解焊接变形和应力产生的原因、种类、基本规律和影响因素，以便控制和防止一旦发生过大焊接变形和应力后，能设法减少或消除。

关键词：焊接变形；焊接应力；焊后热处理；接头组织；一、焊接变形和应力产生的原因焊缝是在自然状态下结晶的，属铸造类型组织，它与基本是扎制状态的工件是不相同的，进缝区的金属在焊接热的作用下也会发生组织变化，像经过了一次热处理一样。

在焊接过程中，焊件中产生的随时间而变化的变形和内应力分别称为瞬时变形和焊接瞬时应力，焊后焊件温度冷却至室温时留存于焊件中的变形和应力分别称为焊接残余变形和焊接残余应力。

而焊接接头局部区域的加热和冷却是很不均匀的，局部区域内的各部分金属又处于从液态到塑性状态在到弹性状态的不同状态，并随热源的变化而变化，这就是产生焊接应力和变形的根本原因。

下面我将分析一下焊缝的化学成分和组织。

二、焊缝的化学成分及焊接接头的金相组织焊缝的化学成分可以由焊缝中工件金属、焊芯金属所占的比例他们的成分来定，但是对于用药皮焊条的手工电弧焊，电弧气体和起保护作用的焊渣对焊缝成分有很大影响对焊接质量影响较大的气体有氧化性气体(氧气、二氧化碳)、氮和氢等，它们会烧损合金元素，阻碍焊接过程，产生气孔、夹杂，降低焊缝性能，所以我们要采取措施减少这些气体。

对于解决氧化问题的饿措施可以对于氧化问题突出的金属材料最好采用氩弧焊，焊接一般钢材时可以采用药皮手工电弧焊，此时除电弧气体和溶渣进行保护并注意操作因素外，还要进行脱氧或消除氧化物带来的危害；氮一旦侵入焊缝就很难消除，控制氮的措施主要是选用能严密隔绝空气的焊接方法，手工电弧焊还可以采取控制焊接标准、控制焊丝成分等方法；对于减少接头含氢量的措施是控制焊接区水分、冶金处理、控制焊接标准、焊后脱氢处理等。

浅析焊接应力与焊接变形的产生原因与控制措施发布时间：2021-11-23T07:49:15.621Z 来源：《工程管理前沿》2021年19期作者：宋建义王龙庆[导读] 随着焊接技术不断进步，现代焊接向着大型化、高精度的方向发展，如何采取措施控制减小金属构件在焊接过程中发生的应力与变形，从而提高焊接质量有着十分重要的现实意义。

宋建义王龙庆中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266111摘要：随着焊接技术不断进步，现代焊接向着大型化、高精度的方向发展，如何采取措施控制减小金属构件在焊接过程中发生的应力与变形，从而提高焊接质量有着十分重要的现实意义。

关键词：焊接应力焊接变形产生原因控制措施焊接应力和变形是指焊接过程中焊件中产生的内应力和焊接热过程引起的焊件的形状和尺寸变化，在焊接过程中，由于焊件局部的温度发生变化，产生应力变形。

进而导致了构件产生变形。

因此，通过对焊接结构及焊接变形的分析，通过对焊接工艺焊件结构设计等方面采取有效措施，从而提高焊接质量及工作效率。

一、焊接应力与焊接变形产生的原因焊接应力，是焊接构件由于焊接而产生的应力。

焊接过程中焊件中产生的内应力和焊接热过程引起的形状和尺寸变化。

焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织是产生焊接应力和变形的根本原因。

当焊接引起的不均匀温度场尚未消失时，焊件中的这种应力和变形称为瞬态焊接应力和变形；焊接温度场消失后的应力和变形称为残余焊接应力和变形。

在没有外力作用的条件下，焊接应力在焊件内部是平衡的。

焊接应力和变形在一定条件下会影响焊件的功能和外观，因此是设计和制造中必须考虑的问题。

1、焊件的不均匀受热（1）对构件进行不均匀加热，在加热过程中，只要温度高于材料屈服点的温度，构件就会产生压缩塑性变形。

冷却后，构件就会有残余应力。

（2）焊接过程中焊件的变形方向与焊后焊件的变形方向相反。

（3）焊接加热时，焊缝及其附近区域将产生压缩塑性变形，冷却时压缩塑性变形区要收缩。

焊接应力产生的原因及处理方法焊接是一种常见的金属连接方法，常用于制造业和修复工程中。

然而，焊接过程中产生的焊接应力却是一个常见的问题，可能导致焊接结构的变形、开裂甚至破坏。

了解和处理焊接应力是非常重要的。

一、焊接应力的原因1. 温度梯度引起的收缩应力：焊接过程中，焊接区域会受到短时间内的高温冲击，而周围区域的金属温度则较低。

这样的温度梯度将导致焊接区域产生热收缩，而周围区域则保持相对稳定，从而引起焊接应力。

2. 相变引起的体积变化：在焊接过程中，金属的结构可能发生相变，如固态相变或晶体结构重排。

这些相变往往伴随着体积的变化，从而引起焊接区域的应力。

3. 材料匹配问题：如果焊接材料与基材存在差异，如化学成分、热膨胀系数等方面的不匹配，焊接过程中可能会引起应力。

4. 焊接变形的限制：焊接过程中，由于局部加热和相变的影响，金属可能发生形状变化。

而焊接变形的限制，如约束或夹具，会阻碍焊接结构的自由变形，从而产生应力。

5. 焊接过程参数的选择：焊接过程中的工艺参数选择不当，例如焊接速度、电弧电流或电压等方面的选择错误，可能导致焊接区域过热或冷却不充分，进而产生焊接应力。

二、焊接应力的处理方法1. 预热和后热处理：预热焊接材料可以减少焊接区域的温度梯度，从而降低焊接应力的产生。

后热处理可以通过对焊接结构进行加热和冷却的控制，缓解或消除焊接应力。

2. 选择合适的焊接材料：选择合适的焊接材料，包括焊丝、焊条和填充材料，可以减少焊接区域与基材之间的差异，从而降低焊接应力。

3. 使用轻量化结构设计：在焊接结构的设计过程中，考虑减少焊接材料的使用量，避免产生不必要的焊接应力。

4. 控制焊接过程参数：通过合理选择焊接速度、电流、电压等参数，控制焊接过程的热输入和冷却速度，从而降低焊接应力的产生。

5. 合理约束和夹具设计：在焊接过程中，合理约束和夹具的设计可以防止过大的焊接变形，减少焊接应力的产生。

三、对焊接应力的个人观点和理解焊接应力是焊接过程中的一个常见问题，对于确保焊接结构的长期稳定和性能的发挥至关重要。