焊接應力與變形

1、焊接應力與變形學習目的：了解焊接應力與焊接變形產生的原因，掌握 控制和消除焊接應力與焊接變形的方法。第一節(jié)焊接應力與變形概述一、 焊接應力與變形的概念在焊接過程中，焊接應力和與焊接變形的產生是不可避免 的。焊接過程結束，焊件冷卻后殘留在焊件上的內應力為焊接 應力也叫焊接殘應力。焊接過程中焊接產生了不同程度的變形，焊接過程結 束，焊接冷卻后殘留在焊件上的變形為焊接殘余變形。焊接殘余應力是造成裂紋的直接原因，使承載能力和使 用壽命降低。二、 焊接應力與變形產生的原因物體在某些外界條件下（如應力、溫長等）的影響下，其 形狀和尺寸可能發(fā)生變化。焊接是一種局部不均勻加熱的工藝過程，加熱溫度高，加 熱冷卻

2、速度快。焊件局部因為溫度升高而膨脹，又因為溫度升高，局部材料的強度降低，由于受到接頭周圍金屬的限制而不能自由 膨脹，當壓應力大于材料的屈服強度時，產生壓縮塑性變形。 當焊縫冷卻后收縮，由于受到接頭周圍金屬而限制而不能自 由的收縮而受到拉伸，產生拉應力即焊接殘余應力?？傊?，焊接時的局部不均勻加熱與冷卻是產生焊接應力 和焊接變形的主要原因。第二節(jié)焊接殘余應力一、 焊接殘余應力的分類1 按焊接殘余應力產生的原因分類（1） 溫度應力（又稱熱應力）：它是由于金屬受熱不均勻， 各處變形不一致且相互約束而產生的應力。焊接過程中溫度 的應力是不斷變化的，且峰值一般都達到屈服強度，因此產 生塑性變形，焊接結束并

3、冷卻后產生殘余應力保存下來。 （2） 組織應力：焊接過程中，引起局部金屬組織發(fā)生轉變， 隨著金屬組織的轉變，其體積發(fā)生變化，而局部體積的變化受到皺紋金屬的約束，同時，由于焊接過和中是不均勻的加 熱與冷卻，因此組織的轉變也是不均勻的，結果產生了應力。 （3） 拘束應力：焊件結構往往是在拘束條件下焊接的，造 成拘束狀態(tài)的因素有結構的剛度、自重、焊縫的位置以及夾 持卡具的松緊程度等。這種在拘束條件下的焊接，由于受到 外界或自身剛度的限制，不能自由變形就產生了拘束應力。 （4） 氫致應力：焊縫局部產生顯微缺陷，擴散氫向顯微缺 陷處聚集，局部氫的壓力增大，產生氫致應力。氫致應力是 導致焊接冷裂紋的重要原

4、因。2 按照焊接殘余應力在結構中的作用方向分類（1） 單向應力：應力在焊件中只沿一個方向產生的應力。（2） 雙向應力：焊接應力存在于焊件中的一個平面不同方 向上（也稱平面應力）。3 體積應力：焊接應力在焊件中沿空間三個方向上發(fā)生。 二、 控制焊接殘余應力的工藝措施控制焊接殘余應力應從設計和工藝兩個方面考慮。 （1） 設計方面：在保證有足夠強度的前提下，盡量減少焊縫的數(shù)量和尺 寸，選擇合理的接頭形式，將焊縫布置在構件最大應力區(qū)之 外。（2） 工藝方面：1）選擇合理的組焊順序施焊時，要考慮焊縫盡可能的收縮，以減小結構的拘束 度，從面降低焊接殘余應力，其原則是：減小拘束，盡量使 每條焊縫能自由的收縮

5、；多種焊縫焊接時，應先焊收縮量大 的焊縫；長焊縫宜從中間向兩頭施焊，避免從兩頭向中間施 焊。2）選擇合理的焊接參數(shù)需要嚴格控制焊接殘余應力的構件，焊接時盡可能地選 用較小的焊接電流和較快的速度，減小焊接熱輸入，以減少 焊接的受熱范圍。對于多道施焊焊縫，采用小的焊接參數(shù)進行多層多道施焊，并控制道間溫度。3）采用反變形法就是通過預先留出焊縫能夠自由收縮的余量，使焊縫能 夠在一定程度上收縮，從面降低焊接殘余應力。1） 采用加熱“減應區(qū)”法焊接前，選擇構件的適當部位加熱，使其伸長，在焊后 冷卻時，加熱區(qū)的收縮與焊縫的收縮方向相同時，使焊縫能 自由收縮，從而降低內應力。2） 采用錘擊方法每焊完一道焊縫，

6、在焊縫冷卻時同時錘擊焊縫，使焊縫 得到一定的延伸，可以減小焊接殘余應力。3） 減小氫的措施及消氫處理盡量選擇氫型堿性焊接材料，焊接材料洪干后使用，同 時，對焊接區(qū)域及其采取預熱、打磨、等措施，去除水分、 油、鐵銹等焊接有害物。三、 消除焊接殘余應力的辦法對于下例情況應考慮消除焊接殘余應力處理：（1）要求承受低溫或動載有發(fā)生脆斷危險的結構； （2）板厚超過一定的厚度。（3） 要求精密加工的結構；（4） 有可能產生應力腐蝕破壞的結構；1 高溫回火熱處理是將焊件的整件或需要消除應力的局部加熱到一定的溫 度，在這個溫度下，金屬不會發(fā)生相變，屈服強度降低，在 殘余應力的作用下產生一定的塑性變形，從而消除

7、焊接殘余 應力，然后再緩慢冷卻下來。要注意均勻加熱和冷卻，以免升溫和降溫過快引起嚴重 的應力。對于某些焊接構件不允許或不能進行整體消除應力 熱處理，可以對其進行局部消除焊接殘余應力處理。局部消除焊接殘余應力熱處理的加熱方式有感應加熱和 遠紅外線加熱方法。2 整體拉伸消除焊接殘余應力焊后對接頭進行整體拉伸，使接頭受壓應力處產生一定 塑性變形，與壓縮殘余變形相互抵消，結果壓縮殘余變形減 小，殘余應力也得以減小。但整體拉伸幅度應嚴格控制。 3 機械振動消除焊接殘余應力就是通過在焊件上安裝由偏心輪和變速馬達組成的振蕩 器帶動焊件振動，使焊件殘余應力釋放，從而降低焊接殘余 應力或使應力重新分布。第三節(jié)焊

8、接殘余變形一、 焊接殘余變形的分類 1 縱向和橫向收縮變形a) 縱向收縮：焊件在焊后沿焊縫長度方向上的收縮。 縱向收縮變形隨焊縫長度、焊縫熔敷金屬截面積的增加而增加。b) 橫向收縮：焊件在焊后沿焊縫寬度方向上的收縮。橫向收縮變形隨焊接熱輸入、焊縫寬度、焊腳尺寸的增 加而增加。2 角變形是焊接時，由于焊縫區(qū)沿厚度方向產生的橫向收縮不均勻 引起的彎曲變形。角變形的大小與焊接方法、焊接道數(shù)及坡口形式有關。 3 彎曲變形是結構上焊縫分布不時稱，焊縫收縮引起的變形，用撓度 f 表示。撓度是指焊件的中心軸線偏離原中心軸線的最大距離。 4 扭曲變形是焊件的施焊順序不合理、組裝不良或縱向有錯邊，焊 接時角變形

9、量長度方向不均勻，焊縫的縱向和橫向收縮沒有 限一定的規(guī)律，引起的變形。5 波浪變形由于結構件的剛性較小，在焊縫的縱向和橫向收縮共同 作用下造成較大的壓應力而引起波浪變形。二、 控制焊接殘余變形的工藝措施1 設計方面在保證構件有足夠承載能力的前提下，盡量減少焊縫尺 寸，焊縫的數(shù)量，合理安排焊縫的位置，焊縫盡可能對稱分 布避免局部焊縫過分集中。2 工藝方面選擇合理的組裝焊接順序a) 大型復雜的焊接結構，在條件允許的情況下，分成若干個 分別焊接，然后將各單元總體拼裝成整體后再進行整體焊 接。b) 對稱結構上的對稱焊縫，這樣可以使兩側產生的焊接變形相互抵消。c) 非對稱布置的焊縫。3 反變形法焊前使焊

10、件具有一個與焊后變形方向相反、大小相當?shù)?變形，以便恰好能抵消焊接后產生的變形。這種方法的關鍵在于反變形量大小的設置，反變形量的 大小應依據(jù)在自由狀態(tài)下施焊測得的焊接變形，并結合彈性 變形作適當?shù)恼{整。4 剛性固定法焊前對焊件要用外加剛性拘束，使其在不能自由變形的 條件下焊接，強制焊接在焊接時不能自由變形，這樣可減小 焊接變形。應指出，當外加剛性拘束去除后，由于殘余應力的作用，焊件上會殘留一定的變形，但比起自由變形來小得 多，另外采用剛性固定法，使焊接接頭中產生較大的殘余應 力，對于一些焊后容易裂的材料應慎用。5 選擇合理的焊接方法、焊接參數(shù)和坡口形式盡量采用熱切量集中、焊接變形小的焊接方法施焊。 盡量采用小的焊接熱切輸入，既能減小焊接變形，又能減小焊接變力。三、 矯正焊接殘余變形的方法1 機械矯正：通過施加外力，使焊件產生新的變形，以抵消已經發(fā)生 的的焊接殘余變形。2 火焰矯正：用火焰對局部加熱，使其產生壓縮塑性變形，冷卻后該 區(qū)域金屬發(fā)生收縮，利用此收縮產生的變形來抵消因焊接產 生的殘余變形。（1） 加熱位置所選擇的加熱位置必須使它產生的變形與焊接殘余變形 的方向相反，起到抵消焊接殘余變形的目地。（2） 加熱形狀1） 點狀加熱：適用于薄板變形的矯正；2） 條狀加熱：用于矯正變形量大、剛度大的構件；3） 三角加熱：多用于矯正彎曲變形的構件；（3）加熱區(qū)溫度火焰矯正式時