15887873230 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。再将工字梁翻转，采取同样的焊法，焊完1、2焊缝，弯曲变形可以降到很小。
2）反变形法。根据焊件的变形规律，焊前预先将焊件向着与焊接变形的相反方向进行人为的变形，使之与焊接变形相抵消。反变形法主要用于控制焊件的角变形和弯曲变形。钢板对接焊缝的反变形如图 2-3-14 所示。
3）刚性固定法。将焊件固定在具有足够刚度的胎架机具上，或者临时装焊支撑，来增加焊件的刚度或拘束度，以达到减小焊接变形的目的。薄板刚性固定法如图 2-3-15 所示。
4）留余量法。在下料时，将零件的长度或宽度尺寸比设计尺寸适当加大，以补偿焊件的收缩。留余量法主要是用于防止焊件的收缩变形。
5）选择合适的焊接方法和焊接参数。由于各种焊接方法的热输入不同，因而产生的焊接变形也不一样。能量集中和热输入较低的焊接方法，可有效地降低焊接变形。6）热平衡法。对于某些焊缝不对称布置的结构，焊后往往会产生弯曲变形。如果在与焊缝对称的位置上采用气体火焰与焊接同步加热，只要加热的工艺参数选择适当，就可以减小或防止构件的弯曲变形。如图2-3-16所示，采用热平衡法对边梁箱形结构的焊接变形进行控制。
7）散热法。散热法就是通过各种方式将焊缝及其附近处的热量迅速带走，减小焊缝及其附近的受热区，达到减小焊接变形的目的，如图2-3-17所示。
（2）焊接变形的矫正
零件或部件的焊接变形给装配带来困难，进而影响后续焊接质量，降低焊接接头的性能和承载能力。因此，当焊接变形超出要求后，需要对变形进行矫正。 1）手工矫正法。手工矫正法是利用锤子等工具锤击焊件的变形处，使材料产生延伸以补偿焊接收缩量，主要用于一些小型简单焊件的变形矫正。
2）机械矫正法。机械矫正法是在机械力的作用下使部分金属得到延伸，产生拉伸塑性变形，使变形的构件恢复到所要求的形状。机械矫正法一般适用于塑性比较好的材料及形状简单的焊件。工字梁的机械矫正如图 2-3-18 所示。
3）火焰矫正法。火焰矫正法是采用火焰对焊件进行局部加热，使焊件产生新的变形以抵消原先的焊接变形。火焰矫正法设备简单，操作方便，在生产中应用广泛。火焰矫正法主要用于矫正弯曲变形、角变形、波浪变形等，也可用于矫正扭曲变形。
火焰加热的方式有点状加热、线状加热和三角形加热三种，用于不同对象的矫正，如图2-3-19 所示。
二、焊接应力
1. 焊接应力的概念
焊接应力是在焊接过程中及焊接过程结束后存在于焊件中的内应力。
2. 焊接应力的分类及产生原因
（1）按造成焊接应力的原因分
1）温度应力（热应力）。由于焊接时焊件受热不均匀导致焊件热胀冷缩不均匀而引起的应力。
2）相变应力。焊接时局部金属金相组织发生转变，体积发生变化，而周围的金属阻碍其体积变化，在金属内部将产生内应力。
（2）按焊接残余应力的作用方向分
1）纵向应力。方向平行于焊缝轴线的应力。
2）横向应力。方向垂直于焊缝轴线的应力。
（3）按焊接应力的空间方向分
1）单向应力。在焊件中只沿一个方向存在的应力。
2）双向应力（平面应力）。指两个应力存在于焊件一个平面的不同方向上。
3）三向应力（体积应力）。指沿空间三个方向存在的应力。
3. 控制和减少焊接应力的方法和措施
焊接应力不仅会影响焊件的结构强度、尺寸加工精度以及结构的稳定性，而且也会影响结构的疲劳强度和抗应力腐蚀性。为保证焊接结构具有良好的使用性能，在焊接过程中，必须设法减小焊接应力;重要结构在焊后还必须采取措施消除焊接残余应力。
（1）控制焊接应力的工艺措施
1）选择合理的焊接顺序。焊接顺序对焊接应力的产生影响很大，焊接时尽可能使焊缝自由收缩，以减少焊接结构在施焊时受到的拘束;焊缝数量较多时，先焊收缩量大、焊后可能产生较大的焊接应力的焊缝，使焊缝收缩时的拘束小;交叉焊缝先焊短焊缝，后焊直通长焊缝，保证短焊缝在焊后有自由收缩的可能，焊完第一条焊缝后需将交汇处的焊缝去除，再焊接第二条焊缝，如图 2-3-20 所示。
2）预热。在焊前对焊件的全部（或局部）进行加热的工艺措施称为预热。一般预热的温度为150~350℃，其目的是减小焊接区和结构整体的温度差，以使焊缝区与结构整体尽可能地均匀冷却，从而减小内应力。淬硬倾向较大的材料焊前经常需要预热，预热温度与材料、厚度、环境温度等有关。
3）加热"减应区"法。在焊接时加热那些阻碍焊接区自由伸缩的部位（称"减应区"），使之与焊接区同时膨胀和同时收缩，起到减小焊接应力的作用，此法称为加热"减应区"法。如图2-3-22 所示，框架中心已断裂，若直接焊接断口处，焊缝横向收缩受阻，在焊缝中受到相当大的横向应力。若焊前在两侧构件的"减应区"处同时加热，两侧受热膨胀，使中心构件断口间隙增大，再对断口处进行焊接，焊后两侧也停止加热，于是焊缝和两侧加热区同时冷却收缩，互不阻碍，结果减小了焊接应力。
4）敲击法。在焊后冷却过程中，当温度为 100～150℃或400℃以上时用锤子或风锤敲击焊缝，使它产生塑性变形，以抵消焊缝的一部分收缩量，这样就能起到减小焊接残余应力的作用。敲击法要避免在 200～300℃之间的蓝脆性阶段进行;多层焊时，为了避免根部裂纹不敲击第一层焊道，最后一层也不敲击，以保持焊缝表面的美观。
（2）减少焊接应力的方法
虽然在结构设计时以及在工艺上可采取一定的措施来防止或减小焊接应力，但由于焊接应力的复杂性，结构焊接完以后仍然可能存在较大的残余应力，影响结构的使用性能，因此，焊后经常需要消除焊接残余应力。常用的降低残余应力的方法如下∶
1）热处理法。热处理法是利用材料在高温下屈服强度下降和蠕变现象来达到松弛焊接残余应力的目的，同时热处理还可改善焊接接头的性能。生产中常用的热处理法有高温回火和去应力退火两种，可根据工件大小采用整体热处理或局部热处理的方式进行。高温回火是把工件焊后加热到 500~650℃，保温一段时间后，以适当的速度冷却的热处理方法。去应力退火是将工件焊后加热至A，以下某一温度，保温一定时间后冷却，使工件发生回复，从而消除残余内应力的热处理方法。淬硬倾向大的焊件可以采用去应力退火处理，以减少因冷却速度较快导致淬硬组织的生成。
2）机械拉伸法。对塑性好的焊接构件进行加载，使焊后产生的压缩残余变形得到拉伸，可减小由焊接引起的局部压缩塑性变形量，使内应力降低。如压力容器的水压试验就属于机械拉伸，既对容器进行了水压试验，又对材料进行了一次拉伸，从而消除了部分残余应力。
3）温差拉伸法。温差拉伸法的基本原理与机械拉伸法相同，其不同点是机械拉伸法采用外力进行拉伸，而温差拉伸法是采用局部加热形成的温差来拉伸压缩塑性变形区。温差拉伸法如图 2-3-23 所示。
