焊接的应力与变形

焊接是一个不均匀加热的热处理过程。它是根据人的焊接技术水平、熟练程度、焊接速度的快慢、焊接电流、电弧电压的大小，焊条、焊丝的粗细的选择来决定的。当焊接电流大，焊速慢，焊缝单位长度受热量就大、线能量大，近缝区的热影响区受热面积增大；焊接电流小，焊速快，单位长度受热量就减小，热影响区就小；单位长度焊缝受热量大的区域，热膨胀系数就大；单位长度焊缝受热量小的区域，热膨胀系数就小，热膨胀系数大的地方应力就大；热膨胀系数小的地方应力就小，随之产生膨胀不均现象，引起应力集中或应力不均匀的现象；应力集中和应力不均匀就会产生变形。冷却后能恢复到原来的几何尺寸叫做弹性变形；不能恢复原来的几何尺寸叫做塑性变形。

一、焊接变形通常分为：横向收缩、纵向收缩变形；角变形；弯曲变形；波浪变形和扭曲变形。

1． 纵横向的收缩与缩短

两块板焊接以后，发生了长度缩短和宽度变窄的变形，是由焊缝的纵向和横向收缩引起的。横向收缩的近似值 5-10mm 厚， 1.3-1.5mm ；纵向收缩的近似值，对接 0.15-0.3mm/m ，角接 0.2-0.4mm/m

2． 角变形

V 型坡口对焊时，焊缝截面的形状上下不对称，使焊缝横向缩短上下不均匀所引起的，

3． 弯曲变形：梁和柱变形的主要原因是焊缝在结构上布置不对称。焊缝位于中心线的下方，焊后由于纵向缩短引起的弯曲变形。

4 ．波浪变形：薄板受热不均匀，产生横向收缩和纵向缩短引起的波浪变形

5 ．扭曲变形：装配质量不好，工件搁置不平，焊接顺序和方向不合理引起的扭曲变形。

二、焊接应力与变形种类

1． 按应力形成的原因分

1） 温度应力：焊接时，由于加热不均匀，使各部分的热膨胀系数不同所引起的应力。

2） 组织应力：焊接时，在不同的焊接热的循环作用下，金属的金相组织发生转变，由这种转变而引起的内应力。

3） 收缩应力：焊接时，熔池从液态冷凝成固态，由于其体积发生收缩受到限制而形成的应力。

2 ．按应力在结构中的作用分

1 ）线应力：在焊件中应力只按照其中的一个方向发生（薄板对接焊缝及焊件表面堆焊时，都属于这种应力），是单向应力

2 ）平面应力：双向应力，在焊件中应力只按焊件中的一个面发生（厚板对接焊缝产生的不同方向，但在一个平面上，薄板交叉焊也产生）

3） 积应力：焊件存在的应力，是沿着空间的三个方向作用的（存在于大、厚焊件的对接焊缝；和三个方向的焊缝交叉处）

3 ．焊件的变形分类

1 ）整体变形：整个结构的形状和尺寸发生改变，变形影响到整个外形和结构的承载能力

2 ）局部变形：结构的一些部分发生变化，变形影响到整个外形和结构的承载能力

4． 影响焊接变形的主要因素

1 ）在结构中的位置：焊缝在焊件中布置不对称；焊缝截面重心与焊件截面重心不重合。

2 ）结构刚性的大小：焊件的刚性大变形大，反之刚性小变形小

3 ）装配和焊接顺序：整体焊接与分部件焊接刚性大先焊短焊缝再焊长焊缝

4） 焊接材料的线膨胀系数及焊接工艺：线膨胀系数大的材料变形大；线能量大变形大；坡口角度大产生变形大；焊接方向和顺序不同，引起的变形不同。

5． 减小和矫正焊接变形的方法

1 ）设计方面：尽量减少焊缝的数量和截面积，合理的安排焊缝的位置，尽可能的对称布置，焊接过程中尽量使用胎具、夹具控制变形。

2 ）工艺方面：预留余量抵消收缩变形；焊前预留角度抵消焊后变形；选择合理的焊接顺序，减小变形；强制固定减小变形；最有效的办法是采取焊后消除应力来处理。

6 ．为了减小和防止焊接变形，合理的选择焊接顺序

1） 采用对称焊接。

2） 结构焊缝不对称时，先焊焊缝少的一侧。

3） 对结构上的长焊缝，可采用逐步退焊法，从中间向外逐步退焊，跳焊法、交错焊法，从中间向外对称焊法。

4） 大面积平板对接，先焊所有横向短焊缝，后焊纵向长焊缝

5） 工字梁的对称焊接，方向一直的焊接顺序减少弯曲变形或扭曲变形

6） 平板对接，为防止角变形可采取反变形。

7 ．为防止和减少焊接结构的应力，合理选择焊接顺序的原则是

1） 尽可能的是焊缝自由收缩

2） 收缩量大的焊缝应先焊

3） 焊接平面上的交叉焊缝的对接接头，应保证交叉点不产生缺陷和刚性约束不好的焊接顺序

4） 采用合理的设计形式，避免焊缝过分的集中，减少焊件的局部刚性，采用刚性小的接头

5） 应用“加热减应力”法

6） 选择合理的焊接顺序

带剪板的工字钢焊接 H 型钢

a． 在装配之前先焊接冀缘板和腹板的对接焊缝

b． 组立装配成工字梁，冀板和腹板要调平处理，组立时对称点固，冀板和腹板最好不要留间隙

c． 焊接工字梁：焊接要调好焊接规范，四条焊缝从一个方向施焊，焊接方向为对角施焊；从施焊要对称焊接，使能量相互抵消减少形变

d． 组装端板与肋板：去工字钢的长短，气割后要磨去氧化铁渣

e． 焊接端头板与肋板：应先焊冀缘板相连的短焊缝，再焊接与腹板相连的长焊缝，正反两面的焊接方向要一致，保证焊缝受热或收缩一致，减少变形

对接接头——强度可以达到与母材相等，受力也比较均匀

角接接头——这种接头主要是板边与板面接触，而且还有交叉焊缝，受力条件较差，而且存在较高的应力集中。焊接时约束度大，容易产生裂纹等缺陷

搭接接头——非承载接头，主要用于支座与客体的连接。

综上所述，焊接接头的应力与变形可以归纳为

1 ．焊接接头变形的两个基本属性：不均匀性和应力集中。

2 ．影响焊接接头性能的两个因素：力学因素和材质因素。

3 ．影响焊接接头性能的力学因素有：

1） 接头形状的改变。

2） 焊接缺陷

3） 残余应力

4） 残余变形

4 ．影响焊接接头性能的材质因素有：

1） 焊接热循环所引起组织的变化。

2） 焊后热处理

3） 焊后残余变形的矫正。