中石大金属焊接教案第4章 焊接应力与变形

第四章焊接应力与变形几个概念：1、内应力：是指在没有任何外力作用下，平衡于弹性体内的应力。其主要特点是内应力在弹性体内构成一个平衡力系，内力和内力矩的总合都为零。2、残余应力：是指当产生应力的各种因素的作用不复存在时，由于不均匀的塑性形变和不均匀的相变所致，在物体内部依然存在并自身保持平衡的应力。残余应力按其存在范围的大小可分为三类：①宏观应力或第一类应力在晶体材料中许许多多晶粒范围之内存在并保持平衡的应力；②微观应力或第二类应力在几个晶粒范围之内存在并保持平衡的应力；③超微观应力或第三类应力存在于晶粒内的几百、几千个原子之间并保持平衡的应力。3、温度应力（热应力）：由于构件受热不均引起的应力。4、组织应力：是金属发生固态相变所产生的应力。一般，有组织应力必然有热应力，而有热应力却不一定有组织应力。5、焊接瞬时应力和瞬时变形：焊接加热中由于热源作用的集中性与瞬时性，使焊件局部受热不均匀而产生的内应力和变形，是暂时存在于焊件中的。6、焊接残余应力和残余变形：焊后冷却至室温残存于焊件中的内应力与变形，通常所说的焊接应力与变形就是指焊接残余应力和残余变形。焊接应力与变形对结构的制造质量和使用性能有很大影响。焊接应力是引起各种焊接裂纹的主要原因；在一定条件下会影响结构（尤其是低温及受动载结构）的承载能力，如强度、刚度和受压稳定性，还影响结构的机加工精度和尺寸稳定性。焊接变形量若超过允许值就必须矫正，有些经矫正虽能达到使用要求，但矫正工作量太大；有些因矫正无效或无法矫正而报废。7、自由变形率、外观变形率和内部变形率当某一金属物体的温度改变或发生相变，其几何尺寸和形状就会发生变化，如果这种变化没有受到外界的阻碍而自由进行，这种变形成为自由变形（）,见图4-1(a)；自由变形率即单位长度上的自由变形量，用来表示：（4-1）式中：为金属的热膨胀系数。当金属物体在温度变化过程中受到阻碍，使它不能完全自由地变形，只能够部分地表现出来，见图4-1(b)。能够表现出来的这部分变形称为外观变形，其变形率为：（4-2）而未表现出来的那部分变形称为内部变形，其变形率为：（4-3）图4-1金属杆件的变形4.1焊接应力和变形产生的原因金属热胀冷缩，而且塑性状态的金属在外力作用下，将会产生不可恢复的塑性变形。焊接应力和变形的产生，也是由于焊接热源集中作用在接口部位，在焊件上形成一个不均匀温度场（图4-2），成为导致焊接应力与变形的根本原因。图4-2焊接温度场4.1.1平板中心加热时的纵向应力和变形纵向应力与变形是指与平板长度方向平行的应力与变形。在长板条中心沿长度方向用电阻丝间接加热，则在板条横截面上将出现中间高两边低的不均匀温度场，而板条长度方向的温度可看成是均匀的。处理长比宽大得多的板条，除两个端部外，可根据材料力学中的平面假设原理进行分析，即当构件受纵向力或弯矩作用而变形时，在构件中的平截面始终保持是平面。从板条中截取单位长度的一小段来分析。假设板条由若干互不相连的小窄条组成，则各窄条都可按本身被加热的温度自由膨胀，结果每单位长度板条端会出现图4-3（a）中所示的变形曲线。图4-3板条中心加热时的应力与变形根据平面假设原理，各窄条之间是互相约束的，不能自由膨胀，截面必须保持平面。由于板条上的温度场对称分布，故端面只作平移，如图4-3(b)所示。平移线以上的为负值，产生压应力；平移线以下的为正值，产生拉应力。如果所引起的应力小于材料的，则断开加热电源、板条逐渐冷却至原始温度后，板条将恢复原始长度，应力也将消失。假设板条中心受热温度较高，则中心“C”区内将产生大于(金属屈服时的变形率）的内部变形率（图4-3c），使C区产生压缩塑性变形。在这种情况下，板条冷至原始温度后应力与变形不会消失。假设板条能自由收缩，C区长度将缩短，缩短量为温度场存在时的压缩塑性变形，板端中心便会形成凹弧形曲面。而实际上板条为一整体，C区的收缩受到约束，截面应保持平面，因而冷却后出现新的应力与变形——板条中心受拉而两侧受压。此平衡应力系统即残余应力。板端的外观缩短即残余变形。4.1.2平板对接焊时的纵向应力和变形4.1.2.1残余应力和变形的产生原理接头纵向应力和变形指的是构件焊后在平行焊缝方向产生的应力和变形。焊接时温度变化的范围要大得多，近缝区的温度最高到金属熔点，而离热源稍远的母材温度急降到室温。高温下，金属的力学性能随温度的变化而变化，见图4-4。如低碳钢：T<500℃，σST=500-600℃，σS急降到0，弹性→600℃以上，σS＝0平板对焊时，沿焊缝垂直方向横截面的峰值温度分布见图4-5。AA1段是实际伸长量。对于实际伸长量大于自由伸长量的部分，要承受拉应力，对实际伸长量小于自由伸长量的部分，要承受压应力，拉应力和压应力总体是平衡的。图4-5平板对接焊加热时的纵向应力与变形（1）T>600℃区域－σS＝0→无应力（2）500℃<T<600℃σS：0→↗室温值，此区域的应力值随σS↑而↑（3）区域，内应力等于室温时的σS（4）区域此区域为弹性状态，内应力与内应变成正比。结论：平板对接焊加热时，平板中产生的纵向应力是塑性区以外的中部区域受压，两侧受拉；同时板端向外伸长。由于加热时近缝区（区域）内部变形都是压缩塑性变形，所以冷却至室温时区域的长度将缩短。但受临近金属的制约不能自由缩短，而此时区域已处于弹性阶段，结果如下（图4-6）：图4-6平板对接焊的纵向残余应力与变形①压缩塑性变形引起残余应力，焊缝及其附近受拉，数值一般达σS，两侧受压；②板端向内平移，即残余纵向收缩变形。上面的变形和应力就是室温下保留下来的焊接残余变形和应力。平板对接焊时的纵向应力σX沿焊缝长度方向分布见图4-7。由于接头两端面都是自由边界，可以自由变形，所以没有应力存在，故板端就存在一个应力过渡区，而离端部一定距离后，应力就趋于稳定。当板材比较短时没有稳定区。图4-7沿焊缝长度方向σX的分布(a)焊缝各截面中σX的分布；(b)不同长度焊缝中σX的分布4.1.2.2影响纵向变形的因素纵向收缩量和构件的长度、截面积和塑性变形区的大小有关：⑴构件的长度构件长度↑→结构稳定性↓→容易变形，所以构件越长，纵向收缩变形越大。⑵构件的截面积截面积↑→结构刚度↑→不易变形，所以截面积越大，纵向收缩变形越小。⑶塑性区的大小塑性区的大小和焊接参量、焊接方法、焊接顺序、焊接材料有关，而最终是和焊接线能量E有关（E是单位时间、单位长度所输入的能量）。E↑→塑性区↑→纵向变形△L↑。下面前三个因素都和E有关：焊接层次（多道焊、单道焊）在母材厚度一定的情况下，采用单道焊所用的线能量大才能焊透。单道焊比多道焊的线能量大，所以塑性区大，△L也大。焊件的原始温度（预热温度）随着焊件预热温度↑，△L开始是增加的，因为T0↑→相当于E↑→压缩塑性区↑→△L↑，但是随预热温度的↑，焊件两侧和焊缝中心以及近缝区温差是逐渐降低的，所以预热温度升到一定程度，纵向变形反而下降。间断焊和连续焊由于间断焊单位长度E小，而且刚度要比连续焊大，所以间断焊比连续焊的纵向收缩变形小。焊接材料材料的热膨胀系数越大，变形越大。比如，奥氏体钢的热膨胀系数比低碳钢的大，所以变形比低碳钢的大。4.1.3平板对接焊时的横向应力与变形4.1.3.1平板对接焊时的横向收缩变形横向收缩变形是指垂直于焊缝方向的变形。横向收缩变形产生的过程比较复杂，现在我们只对对接接头的情况进行讨论：（1）产生原理⑴留有间隙两块平板对接留有间隙（图4-8），随着焊接热源的移动，平板被逐步加热膨胀，使焊接间隙减小。在冷却过程中，焊缝金属很快凝固，恢复弹性，阻碍平板的焊接边收缩到原来的位置。这样在冷却后就产生了横向收缩变形。图4-8留有间隙的平板对接焊的横向变形过程⑵未留间隙如果两板间没有留间隙，那么加热时板焊接边的膨胀将引起板边的挤压，使它向厚度方向变形。在冷却后，产生的横向收缩比留间隙时要小。（2）影响因素对接接头的横向变形大小和焊接线能量、坡口形式、焊缝截面积、焊接材料以及焊接工艺有关。⑴单道焊①焊接线能量E↑→△B↑②坡口形式坡口截面积↑→△B↑，比如V型坡口的坡口截面积>X型的，所以V型坡口的接头收缩变形大。③焊缝截面积焊缝截面积随坡口角度和间隙的加大而增大。焊缝截面积越大，要焊透所需要的焊接线能量越大，横向变形越大。⑵多层多道焊需要考虑焊缝的层数和每层每道的线能量。一般第一层焊缝的△B最大，以后逐层递减，到第五层后的横向收缩就很小了。因为，随着层数的增加，构件的刚度增加，不容易变形，因而每层焊道所引起的横向收缩随之减小。4.1.3.2平板对接焊时的横向应力σY当焊缝的横向收缩受阻时，同样也会产生横向应力。横向应力的产生由两部分构成——纵向收缩引起的σY’和焊接时的不同时性引起的σY’’。（1）焊缝及其附近塑性区的纵向收缩引起的横向应力σY’两板对接焊后，如果沿焊缝中心线切开，切开后焊缝就成了自由边界，应力要释放，而原来焊缝处承受的是纵向拉应力，焊缝处纵向就会缩短，结果焊缝的纵向收缩就使得两块板条分别向外弯曲，发生挠曲变形。只有在板条两端加上压力，中部加上拉力，才会使它们恢复原位。这就说明，接头没有切开前，两板条能连在一起形成一条平直的焊缝，是有横向应力作用的，也就是焊缝的纵向收缩不仅会造成纵向应力σX，还会引起横向应力σY’，焊缝中部受拉应力而两端受压应力（图4-9）。图4-9纵向应力引起的横向应力σY’压应力作用的区域很小，最大压应力的值要远大于最大拉应力；焊缝越长，焊缝中心部位的拉应力越低，逐渐趋近于零（图4-10）。图4-10不同长度焊缝σY’的分布（2）焊缝先后冷却引起的横向应力σY’’一条焊缝并不是同时完成的，有先焊和后焊之分。先焊的先冷却凝固，限制后面金属的横向收缩，产生横向应力σY’’。先焊部分中产生压应力，后焊部分产生拉应力。σY’’的分布情况和焊接顺次有关（图4-11）：由中心向两端焊先焊的对后焊的起强行装配的作用，所以焊接两端时，就相当于焊缝两侧的板条固定，焊后冷却收缩受到限制就产生拉应力。为维持接头内部的应力平衡，焊缝中心是承受压应力。由两端向中心焊由两端向中心焊，中心焊接时相当于强行装配焊接，焊后的残余应力是拉应力，焊缝两端是压应力。由一端到另一端应力σY’’的分布也是两侧受拉，中心受压（起焊段由于必须满足平衡条件，仍为拉应力）。σY’和σY’’是同时存在的，总的横向应力σY是σY’和σY’’两部分应力之和。可以看出，由中间向两端焊，σY’和σY’’的方向相反，σY’是两端受压中间受拉，σY’’是两端受拉中间受压，因而由中间向两端焊，两种横向应力可以抵消一部分，焊后横向焊接残余应力小，所以焊接顺序好。由一端到另一端，虽然抵消应力的效果不如由中心施焊的顺序，但要好于由两端向中心焊的顺序。实际生产中，比较长的焊缝都是由中间向两端施焊。4.1.4厚板的残余应力对于厚度大于20～25mm的板，除纵向应力和横向应力外，还在厚度方向上存在比较大的应力σZ。纵向应力和横向应力的具体分布情况和焊接方法及接头形式有关。开V型坡口的对接多层焊接头根部容易发生横向应力引起的裂纹。焊缝处，纵向应力在整个厚度上都是拉应力，只是上下表面处最大，中间小；横向应力也都是拉应力，中间部位最小，但下表面的拉应力要远远大于其它部位的应力，而且远远超过材料的屈服极限（图4-12）。由于焊缝截面是上大下小，所以焊接时对于同一层来说，上面要比下面的塑性变形区要大，因而V型坡口焊接时会引起角变形（焊后构件平面围绕焊缝产生角位移）。由于每焊一层，接头都会产生一次角变形，使根部发生拉伸塑性变形。多次塑性变形的结果就会使根部发生应变硬化，当焊缝根部的拉伸应力达到材料的破坏极限时，已经发生硬化的根部就会发生开裂。为了避免厚板结构发生根部开裂，一般都采取用双U或V型坡口的方法，这既可以避免角变形，又可以减小应力峰值。图4-12厚板多层焊沿厚度方向的应力分布4.2焊接残余变形对于低碳钢、低合金钢的薄板结构来讲，焊接残余变形的影响一般大于焊接残余应力。4.2.1焊接残余变形的类型和产生原因焊接变形是焊后残存在结构中的变形。它的表现形式多种多样，但基本形式不外下面几种：⑴收缩变形包括纵向以及横向收缩，是由焊缝的纵向和横向收缩引起的构件长度和宽度方向尺寸的减小（图4-13）。图4-13纵向与横向收缩变形⑵角变形焊后构件的平面围绕焊缝产生的角位移就是角变形（图4-14）。对接、丁字接头、搭接接头焊后都会发生角变形。角变形产生的根本原因是由于焊缝截面上下不对称，使焊缝的横向收缩上下不均匀引起的。比如，对接接头中，焊缝上面比下面截面积大，因而塑性变形区大，导致焊缝上面收缩比下面大。图4-14角变形⑶弯曲变形（扰曲变形）梁、柱等细长构件焊后容易产生弯曲变形，是由于结构上焊缝断面形状不对称或焊缝布置不对称导致构件轴线弯曲所产生的变形，见图4-15。图4-15弯曲变形(a)纵向收缩引起的弯曲(b)横向收缩引起的弯曲⑷波浪变形波浪变形主要出现在薄板结构中。薄板焊接时，焊缝纵向收缩对塑性区以外的区域引起的压应力超过某一个临界值时薄板会失去稳定性而产生波浪变形，又称失稳变形（图4-16a）。长钢板上并列的丁字接头在焊缝横向收缩时也可以产生波浪变形。这种波浪变形实际上是由若干角变形串连而成的（图4-167b）。(a)波浪变形(b)角变形引起的波浪变形图4-16波浪变形⑸错边变形错边变形是由于装配不良、焊接过程中接缝对接边的热膨胀情况不一致（图4-17）、结构刚度不对称引起的（图4-18）。⑹扭曲变形（螺旋形变形）产生原因比较复杂，可能是由于焊缝的焊接顺序或焊接方向不合理、或者结构焊前装配不当而引起的（图4-19）。虽然基本的变形有六种，但是在焊接结构上有时变形表现的很复杂，可同时存在两种或多种变形。不同变形既可以发生在不同部位，也可发生在同一部位，需仔细辨别，找出原因加以解决。当然，从以上分析可以看出，造成各种变形的根本原因还是在于焊缝的纵向和横向变形，所以就可以找到一些解决变形的基本措施。4.2.2预防焊接变形的措施结构的焊接变形虽可矫正，但费工时、而且可能引起残余应力的增大，如果变形过大难以矫正则成废品。预防焊接变形就要比矫正更为有效而且省力，也更重要。4.2.2.1结构设计方面如果结构设计不合理，会产生较大的焊接变形，或者增加焊接工艺的复杂形。设计时应注意以下问题：（1）尽量减少不必要的焊缝如有大尺寸的钢板就不用小钢板，能采用合适的型钢或冲压件时就不用拼接。（2）选择合理的焊缝尺寸和形式在满足结构强度要求以及不产生冷裂等工艺缺陷的条件下，尽量采用小截面焊缝。因为这样可以减小焊接线能量，从而减小变形。比如，开坡口时选用焊缝金属少的坡口形式就可以减少焊缝截面，如对焊时不开坡口就比开坡口的焊缝截面小，X型坡口就比V型坡口焊缝的截面要小，因而产生的变形小。（3）合理布置焊缝焊缝布置应尽量对称布置。采用双面焊缝V型坡口接头焊后容易产生角变形，而采用X型坡口只要焊接工艺合理就可以不产生角变形，所以双面焊缝比单面焊缝有利于预防焊接变形，在条件允许的情况下应尽量采用双面焊缝。②使焊缝对称于结构中性轴（X向Y向）或处于中性轴上。（4）提高结构的刚性4.2.2.2工艺方面在结构设计合理的条件下，仍然需要采取合适的装配焊接工艺。（1）反变形法这是生产中最常用的方法。预先确定焊后可能发生的变形大小和方向，然后在焊前装配时使焊件形成与焊接变形方向和大小相反的变形，焊后它可以和焊接变形相抵消，使最终变形满足设计要求（图4-20）。图4-20几种反变形措施（2）刚性固定法构件在无反变形的情况下加以刚性固定，可减小焊接变形而不能完全消除焊接变形（图4-21）。此法对减小角变形和波浪变形的效果较好，而对减小弯曲变形的效果不如反变形法。不过，刚性固定法只适合于塑性比较好的低碳钢材料，对于脆硬性比较大的钢和铸铁不能采用，因为刚性固定法虽然会减小焊接变形，但却会增大焊接应力，钢和铸铁这些材料变形受阻时会产生裂纹。（3）加收缩余量根据经验，焊件尺寸在备料时应增加一定的裕量，通常为0.1-0.2%，以补充焊后的收缩，特别是横向收缩，使构件焊后长、宽等尺寸仍能满足设计要求。（4）合理选择焊接方法和线能量焊接方法：选用能量集中的热源可以有效的减小变形。比如，用二氧化碳半自动焊代替气焊或手工电弧焊焊接薄板，焊接变形小而且效率高。线能量：焊接变形一般随焊接电流的增大而增大，随焊接速度的增加而减小。所以，调节焊接电流和焊接速度减小E，可以减小变形。当然，对于易淬火钢，E不能太小以防止冷裂。（5）选用合理的装配焊接顺序以储油罐焊接为例。大型储油罐由罐底、罐壁与顶盖组成。罐底是由许多钢板拼焊成的（图4-22），而罐底和罐壁之间由双面角焊缝连接（图4-23）。因为罐底和罐壁连接的地方受力比较大，所以用的角焊缝焊脚尺寸比较大，因而焊后产生很大的收缩力，焊缝变短，周长变小，因而环缝所包围的圆直径变小，如果不采取适当的装配焊接顺序，很容易使罐底产生失稳变形，使它离开地基向上拱起高达几百毫米。解决这个问题的关键在于使罐底和罐壁间环缝的收缩不牵连到罐底的主体，使环缝能够比较自由的收缩。根据这个原则，我们把罐底的钢板分成两部分，第一部分是和罐壁直接连接的边板，第二部分是和罐壁不连接的中部板。先把中部板焊成一体，焊接的顺序是从中心向两端先焊接短焊缝，使钢板连成长条（先不和边板焊接），这样刚度小、可以充分变形减小应力。然后，再焊接长条间的焊缝，次序也是由中心向外侧焊接（这样横向应力小）。把罐底中心部分的钢板焊完之后，放到一边。接着，先把与罐壁接触部分的边板之间的焊缝焊好，考虑到环缝焊后收缩量大，所以间隔留几个边板间的缝不焊。再焊罐壁与边板之间的环缝，由于边板有几个缝没焊，所以环缝能自由收缩。接着把边板之间没焊的焊缝焊好，最后焊边板与中部板之间的焊缝。把结构适当的分成几个部分，分别加以装配焊接，然后再将这些焊好的部件拼焊成一个整体，可以使那些不对称的焊缝或收缩力比较大的焊缝（比如环缝）能自由的收缩，而不影响整体结构，从而控制结构的焊接变形。按照这个原则，在装配焊接比较复杂的结构时，可以把它分成几个简单的部件，分别装焊，然后再进行总装焊接。这样不但有利于控制焊接变形，还可以提高生产率。图4-22储油罐罐底的装焊顺序a）罐底的拼焊；b）罐底与罐壁的装配与焊接图4-23储油雄结构简图（6）选择合理的焊接顺序⑴采用对称焊法如果构件的对称两侧都有焊缝，应该设法使两侧焊缝的收缩能互相抵消或减弱。①对称的X型坡口多层焊工件如果先把正面的坡口全部焊满再焊反面，那么焊正面时工件已经产生了较大的角变形、再翻转焊反面时，因为正面焊缝的形成使接头刚度增大，不容易变形，所以就没有办法纠正正面焊接时产生的角变形了。如果采用正反两面分层交替焊，因为第一层焊缝引起的角变形最大，所以还是不能完全消除角变形。最佳的顺序是先在正面少焊几层，然后翻过来一次焊完反面，最后再将正面剩余的焊完，这样翻转次数少，产生的角变形也最小。②非对称X型坡口由于坡口越大，变形越大，先焊的比后焊的变形大，所以对于非对称X型坡口，应该先焊小坡口，再焊大坡口。③工字梁焊接工字梁的焊接也存在焊接顺序问题，如图4-24。工字梁有四条长焊缝，如果每条焊缝需焊两层，那么应按图4-24a中所示的顺序进行焊接。当焊完3、4、5、6焊缝后所产生的变形不仅抵消了1、2两道焊缝的焊接变形，而且有反向变形，但随后又被7、8两道焊缝的变形所抵消。如果上面四条焊缝只需焊一层，那么焊缝1、2应不焊满而留下长度的30-50%，等焊完3、4焊缝后再焊。对称焊缝最好由两名焊工同时焊接，而且采用相同的焊接线能量和焊接方向，如图4-24b所示。方案I：先焊3，由于焊缝3大都分在槽钢中性轴以下，焊缝横向收缩产生上挠度f3.再装焊盖板焊接1，由于焊缝1位于截面中性轴以下，产生上挠度f1。最后焊2，同样产生上挠度f2。总挠度为f=f1+f2+f3。方案II：先装槽钢与盖板并焊1，产生上挠度f1。再装隔板焊2，产生上挠度f2，最后焊3，于槽钢与盖板已形成整体，中性轴从槽钢中心下降，使焊缝3大部分处于中性轴以上，产生下挠度f3，总挠度f=f1+f2–f3。方案III：先装隔板与盖板，焊2，盖板处于自由状态，只产生横向收缩和角变形。即f2为零。装槽钢焊1，产生上挠度f1，再装隔板焊3，产生下挠度f3，总挠度为f=f1–f3。⑵长焊缝应分段焊接结构上的直焊缝不能采用连续的直通焊，否则会引起很大的变形。一般，0.5-1m中等长度的焊缝可用分中对称焊法（图4-25e），也就是从中间向两边对称焊接。1m以上的长焊缝可以采用分段退焊（图4-25a），总的焊接方向是从右向左，但实际电极运动方向却是从左向右。焊时是从右边离边缘有一端距离的地方开始，从左向右焊到板边，然后退回离第一道焊缝有一定距离处，再焊第二道，因为第二道起焊的地方离第一道起焊点有一段距离，而且离温度比较高的第一道焊缝末尾距离更远，这就相当于减小了板材的初始温度，从而减小变形；也可以采用跳焊（c）、交替焊（d）等。分段焊时每段焊缝长约100-350mm。各种分段焊法都可以减小焊缝长度方向的温度差，所以可减小变形。图4-25长焊缝的焊接a）分段退焊；b）从中间向两边同时分段退焊；c）跳焊；d）交替焊；e)分中对称焊（7）强迫冷却法当不能用小线能量焊接时，可采用直接水冷或冷却铜块将焊缝处的热量迅速散开，大大缩小近缝区的受热面，从而减小焊接变形。此法不能用于淬硬性较高的材料。（8）锤击焊缝当板厚小于12mm时，焊后可以用手锤锤击焊缝以及焊缝周围的塑性区，锤击的作用有两个：①去渣；②消除残余应力和变形基本原理是：锤击能够产生拉伸塑性变形，可以抵消焊接造成的压缩塑性变形。锤击时要用力均匀，路线见图4-26。锤击的缺点是噪音大、劳动强度大。图4-26锤击焊缝的路线4.2.3矫正焊接变形的方法各种预防变形的方法只是减小而不能完全消除焊接变形，当焊接变形超过允许值时就必须进行矫正。矫正的实质就是使焊接结构产生新的变形，抵消焊接残余变形。生产中应用的矫正方法有机械法和火焰法两种。机械矫正可在冷态或热态下进行，冷态下不容易矫正才用热矫。热矫温度应低于300℃或高于500℃，因为300⑴外力法采用三点弯曲原理，用外力迫使构件上尺寸缩短的部分伸长，从而达到消除变形的目的。比如图4-27，工字梁焊后上拱，可以采用拉紧螺栓、压头等消除变形。图4-27工字梁焊后挠曲变形的机械矫正⑵碾压（对薄板结构效果好）对规则焊缝才能使用，是采用辊轮碾压焊缝和焊缝两侧，使变形区伸长而消除变形。碾压能同时消除残余应力和变形，但机械法矫正只对材料塑性好、变形小的构件有效，对脆性材料无效。火焰矫正矫正的基本原理是：利用氧乙炔焰在焊件适当部位上加热，使工件在冷却收缩后产生新的变形，以抵消焊接变形。如图，已经产生上拱的结构，在拱顶上加热进行火焰矫正就能消除变形。火焰矫正只适合于塑性好的材料，比如低碳钢和部分普通低合金结构钢。而且为防止金属组织过热脆化，局部加热温度不能太高，对低碳钢和低合金钢结构来说，加热温度在600-800度，也就是钢板呈褐红色到樱红色之间时比较合适）。火焰矫正的结果好坏关键在于选择加热位置和加热范围。具体根据变形情况和结构的材质、刚度等来决定。⑴点状加热主要用于产生波浪变形的薄板结构。图4-28a，加热点选在产生波浪的位置，点和点之间的距离为50-500mm，变形越厉害，间距越小。采用火焰矫正，加热时跟踪水冷，可以加大加热点和周围的温差，加热点发生的塑性变形更大，因而矫正的效果更好。加热跟踪水冷，这种方法，我们称为水火矫正。图4-28b是点状加热时的水火矫正，它可以提高矫正效率。不过，对板厚大于8mm的低碳钢或脆硬性比较大的材料不能用水火矫正。图4-28薄板的火焰矫正(a)点状加热；(b)水火矫正⑵线状加热主要用于矫正角变形、扭曲变形和薄板波浪变形。比如发生角变形的工字接头（图4-29），我们把加热点选在角顶，加热时火焰沿直线运动或同时作横向摆动，形成带状加热。加热区的宽度为板厚0.5-2倍。（之所以这样加热，是因为角变形是由于焊缝的横向收缩引起的，火焰矫正时要尽可能的发挥横向收缩的作用。）图4-29线状加热法⑶三角形加热主要用于矫正厚度或刚度较大结构所发生的弯曲变形，之所以采用三角形加热，是因为三角形加热面积大，因而收缩量也大。比如工字梁发生了上拱弯曲（图4-30），就可以在上翼板加热矩形面积、在腹板上部加热三角形面积，使焊件加热处产生塑性压缩变形，冷却后随着加热点处的收缩就可将结构矫直。图4-30三角形加热4.3焊接残余应力4.3.1焊接残余应力的种类根据焊接应力在结构中的空间作用方向分⑴线应力也就是应力是一维的。比如细长杆件的焊接，由于细，所以焊后只有焊缝横向收缩引起的杆件纵向应力。⑵面应力也就是应力是两维的。当板厚小于15-20mm时，构件中的焊接应力是面应力。⑶体应力也就是应力是三维的。厚板结构或三个方向焊缝的交叉处（图4-31），焊接应力为体应力。图4-31焊接应力按空间作用方向的类型a）线应力；b）面应力；c）体应力三种应力中，构件在线应力作用下，变形最容易，因为X、Y、Z三个方向，构件在应力作用下可以在两个方向上变形。构件承受体应力最危险，一旦应力超过材料的破坏极限，就会使构件发生断裂。图4-32焊接应力的分类（二）根据形成焊接应力的原因分按应力产生的原因，焊接应力分为：温度应力、结晶应力、组织应力。温度应力又叫热应力，它是由于构件受热不均匀引起的。结晶应力又叫凝缩应力，它是熔池金属凝固时体积收缩引起的。结晶应力在有些情况下可能引起热裂纹，这个我们下一章要讲。相变应力又叫组织应力，它是金属发生固态相变时，由于比容突变引起的体积变化受阻产生的。对碳钢来说，当奥氏体转变为铁素体或马氏体时比容就要增大，相反方向的转变比容减小。相变时比容的变化影响不影响焊接残余应力的分布，决定于金属塑性温度TP（即金属丧失弹性，屈服极限为0时的温度）。当相变发生在金属塑性温度TP以上时，由于金属可以充分变形，所以不会影响焊接残余应力。如果相变发生在TP以下，金属塑性变形有了阻力，所以比容的变化会影响焊接残余应力的分布。低碳钢加热和冷却时的相变温度都高于TP，而脆硬性大的高强钢，加热时的相变温度高于TP，但冷却时的相变温度（MS对应温度）却远远低于TP。所以，脆硬性大的高强钢要考虑冷却时相变应力的影响。假设母材为低合金高强钢（HSLA），它的相变温度低于TP。⑴焊缝采用不发生相变的奥氏体焊条焊缝：常温下是奥氏体，不发生相变，不会有比容的变化。母材：加热时发生相变的温度高于TP，可以产生塑性变形，不会产生相变应力；冷却时发生相变的温度低于TP，奥氏体转变为马氏体时，比容突然增大，体积膨胀，而周围的金属限制它膨胀，所以加热时相变温度区范围内的金属冷却后承受压应力，其它区域则受拉应力（图4-33a）。纵向温度应力是焊缝及近缝区受拉，周围受压，两种应力综合起来的结果是图4-33d。可以看出，纵向相变应力抵消了一部分焊接拉应力。图4-33相变对焊接残余应力分布的影响⑵焊材、母材都是HSLA加热时不产生相变应力，冷却时加热过程中发生相变的区域体积膨胀受到限制，承受压应力。它和采用奥氏体焊条的区别在于：承受压应力的区域除母材加热发生相变的区域外，还包括焊缝。最终的综合应力分布情况见图4-33d。上面是相变产生的纵向应力，和焊接应力一样，它也有横向相变应力和厚度方向的相变应力。横向应力和焊接应力相反，如果沿焊缝将接头剖开，它是向外弯，说明相变横向应力是两端受拉，中间受压。厚度方向是上下受拉，中间受压。脆硬性强的焊缝，焊后根部容易出现冷裂纹，就是由于马氏体脆，而奥氏体转变为马氏体时产生的相变应力在根部又是拉应力，脆硬的马氏体在拉应力作用下很容易开裂。三种应力中，温度应力是焊接应力的主要形式，因为焊接是一个局部加热的过程。4.3.2焊接残余应力对结构的危害性在绝大多数情况下，焊接应力对结构都是有害的。4.3.2.1对结构静载强度的影响焊接应力与工作应力叠加对塑性材料的承载能力没有影响，但会降低脆性材料的承载能力。假设焊接应力分布是中间受拉，两端受压（图4-34）。图4-34外载作用下平板中应力的变化a）塑性好的材料；b）脆性材料⑴对塑性材料平板接头工作时承受外载，平板在外载作用下产生拉应力σ（虚线位置），使接头中的内应力发生变化。在σ的作用下，两侧的压应力逐渐减小而转变为拉应力；中部的拉应力和σ叠加，当应力峰值达到屈服极限后，中心区应力就不再增加而发生塑性变形。两侧区域的应力没有达到屈服极限，可以继续增大外力，直到平板上全部应力都达到屈服极限。对塑性材料，是外载使中心区达到屈服极限前，整个截面承载，中心区达到屈服极限后，不能再承载，只发生塑性变形，载荷分到两侧，只有当整个截面都增到屈服极限时，承载能力才到了头。有焊接应力的情况下，外力的大小可以用abcdefghi表示。由于内应力是平衡的，所以def的面积等于bcd和fgh面积之和，所以abcdefghi和abhi面积相等，而abhi正好是没有焊接应力情况下结构所承受的外载，所以对塑性好的材料，焊接应力的存在对结构的承载能力没有影响。⑵脆性材料脆性材料不能发生塑性变形，所以是在整个截面承载。当焊接应力和外加应力叠加使局部区域到达破坏极限后，再增加外载，结构就会发生局部开裂破坏。很明显，在没有焊接应力的情况下，结构的能承受的应力为bcgf所包围的面积，而由于焊接应力的存在，实际承载能力只是abcde所包围的面积。所以，对脆性材料，焊接应力的存在会降低结构的承载能力。4.3.2.2造成焊接裂纹在一定的温度、金属组织和结构拘束度条件下，当焊接应力达到一定值后，容易引起各种焊接裂纹。裂纹的破坏性很强、危害也非常大。焊接应力的存在对机械加工精度、受压杆件稳定性、结构的刚度、应力腐蚀破裂都有不利影响。4.3.3减小焊接残余应力的措施预防应力可以减小焊接过程中产生的应力，防止出现裂纹和降低焊后残余应力值。可从设计和工艺两方面着手：4.3.3.1设计方面⑴焊缝尽量不要交叉、密集图4-35焊接容器中，焊缝之间的最小距离⑵避免将焊缝安排在受力最大处或应力集中处⑶开缓和槽大厚度件刚度大，焊后残余应力大，容易焊裂，在不影响强度的条件下可以在焊缝附近开缓和槽以减小焊接应力。如图4-39，圆形封头需要补焊一个塞块。由于钢板厚而且又是封闭缝，焊后容易开裂。在焊缝两侧开缓和槽，可以减小焊件局部刚度，使焊缝能自由收缩而减小应力，避免产生裂纹。4.3.3.2工艺方面⑴焊前预热⑵采用合理的焊接顺序和焊接方向焊接平面上的焊缝时，要保证焊缝的纵向和横向（特别是横向）收缩较自由。结构中收缩量大的焊缝应当先焊，因为先焊的焊缝收缩时受阻小，使焊接应力较小，如图4-40a。结构工作时受力较大的焊缝应当先焊，如图4-40b。图4-40合理的焊接顺序a）按收缩量大小确定焊接顺序；b）按受力大小确定焊接顺序拼板时应先焊错开的短缝，再焊直通的长缝，以免横向收缩不自由，如图4-41、4－42。⑶采用反变形法增加焊缝的自由度采用反变形法既可以减小变形，也可以减小应力。当焊接封闭焊缝或钢度大的焊缝时，采用反变形法可以大大减小应力。如图4-43，将圆形补板焊到钢板上堵住它的圆孔，焊后焊缝向任何方向都很难收缩，应力很大容易产生裂纹。如果将补板制成上凸形，那么焊缝就可以自由收缩，而且收缩后补板可以和钢板平齐，应力也大大减小。⑷锤击焊缝用手锤或风锤锤击焊缝金属可以产生塑性变形从而使应力和变形减小，最好在热状态下锤击。多层焊的底层和表层焊缝通常不锤击以避免加工硬化和保持焊缝表面的美观。⑸加热“减应区”在焊接结构上选择合适的部位加热后再焊接，可大大减小焊接应力。所选的加热部位称为“减应区”。图4-44的框架结构中部的杆件断裂需补焊，由于结构刚度大，焊缝不能自由收缩，补焊后仍容易开裂。如果选择框架上下两杆中段作为减应区，加热后框架膨胀并使断裂间隙增大，随后进行焊接，焊后焊缝和减应区一起冷却收缩，就可以消除或减小焊接应力。4.3.4