金属焊接应力与变形的基础知识

  一、焊接应力与变形的基本知识
1、弹性变形和塑性变形
变形: 物体在外力或温度等因素的作用下，其形状和尺寸发生变化，这种变化称为物体的变形。
弹性变形: 当使物体产生变形的外力或其他因素去除后变形也随之消失，物体可恢复原状，这样的变形称为弹性变形。
塑性变形: 当外力或其他因素去除后变形仍然存在，物体不能恢复原状，这样的变形称为塑性变形。
2、应力
物体受外力作用后所导致物体内部之间的相互作用力称为内力。
另外，在物理、化学或物理化学变化过程中，如温度、金相组织或化学成分等变化时，在物体内部也会产生内力。
作用在物体单位面积上的内力叫做应力。
根据引起内力原因的不同，可将应力分为工作应力和内应力。
工作应力是由外力作用于物体而引起的应力；
内应力是由物体的化学成分、金相组织及温度等因素变化，造成物体内部的不均匀性变形而引起的应力。
3、焊接应力与焊接变形
焊接应力是焊接过程中及焊接过程结束后，存在于焊件中的内应力。
焊接变形是由焊接而引起的焊件尺寸的改变。

二、焊接应力与变形产生的原因
1、焊件的不均匀受热
（1）不受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形 其变形属于自由变形，因此在杆件加热过程中不会产生任何内应力，冷却后也不会有任何残余应力和残余变形。
（2）受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形
如果加热温度较高，达到或超过材料屈服点温度时（T﹥TS=600），则杆件中产生压缩塑性变形，内部变形由弹性变形和塑性变形两部分组成。当温度恢复到原始温度时，弹性变形恢复，塑性变形不可恢复，可能出现以下三种情况：
①如果杆件能充分自由收缩，那么杆件中只出现残余变形而无残余应力；
②如果杆件受绝对拘束，那么杆件中没有残余变形而存在较大的残余应力；
③如果杆件收缩不充分，那么杆件中既有残余应力又有残余变形。
2、焊缝金属的收缩
当焊缝金属冷却、由液态转为固态时，其体积要收缩。由于焊缝金属与母材是紧密联系的，因此，焊缝金属并不能自由收缩。这将引起整个焊件的变形，同时在焊缝中引起残余应力。
3、金属组织的变化
钢在加热及冷却过程中发生金相组织的变化，这些组织的比体积不一样，也会造成焊接应力与变形。
4.焊件的刚性和拘束
焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越大，焊接变形越小，焊接应力越大；反之，焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越小，则焊接变形越大，而焊接应力越小。
刚性——是指焊件抵抗变形的能力。
拘束——是指焊件周围物体对焊接变形的约束。

三、焊接残余应力及分布
（一）、焊接残余应力 是焊件焊完冷却后残留在焊件内的焊接应力，焊接残余应力对焊接结构的强度、耐蚀性和尺寸稳定性等使用性能有影响。
（二）、焊接残余应力的分布
1、纵向残余应力σx的分布
作用方向平行于焊缝轴线的残余应力称为纵向残余应力。
2、横向残余应力σy的分布
垂直于焊缝轴线的残余应力称为横向残余应力。
（1）焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩引起的横向残余应力σ΄y 图1-8a
（2）横向收缩所引起的横向残余应力σ΄΄y
总之，横向残余应力的两个组成部σ΄y、σ΄΄y同时存在，焊件中的横向残余应力σy是由σ΄y、σ΄΄y合成的，但它的大小要受σs的限制。
（三）、焊接残余应力对焊接结构的影响
1、对焊接结构强度的影响
焊接残余应力的存在将明显降低脆性材料结构的静载强度。
2、对构件加工尺寸精度的影响
3、对受压杆件稳定性的影响
4、对疲劳强度的影响
（四）、减小焊接残余应力的措施
1、设计措施
1）尽量减少结构上焊缝的数量和焊缝尺寸
2）避免焊缝过分集中
3）采用刚度较小的接头形式

2、工艺措施
（1）采用合理的装配焊接顺序和方向
在一个平面上的焊缝，焊接时应保证焊缝的纵向和横向收缩均能比较自由，如图1-20所示的拼板焊接，合理的焊接顺序应是，即先焊相互错开的短焊缝，后焊直通长焊缝。
收缩量最大的焊缝应先焊。
因为先焊的焊缝收缩时受阻较小，因而残余应力就比较小。如图1-21所示的带盖板的双工字梁结构，应先焊盖板上的对接焊缝1，后焊盖板与工字梁之间的角焊缝2，原因是对接焊缝的收缩量比角焊缝的收缩量大。
工作时受力最大的焊缝应先焊。如图1-22所示的大型工字梁，应先焊受力最大的翼板对接焊缝1，再焊腹板对接焊缝2，最后焊预先留出来的一段角焊缝3。
焊接平面交叉焊缝时，在焊缝的交叉点易产生较大的焊接残余应力。
对接焊缝与角焊缝交叉的结构。
（2）预热法
（3）冷焊法 冷焊法是通过减少焊件受热来减小焊接部位与结构上其他部位间的温度差。
（4）降低焊缝的拘束度
（5）加热“减应区”法 焊接时加热那些阻碍焊接区自由伸缩的部位，使之与焊接区同时膨胀和同时收缩，起到减小焊接残余应力的作用。
（五）、消除焊接残余应力的方法
1、热处理法 包括整体高温回火和局部回火
（1）整体热处理 是将整个构件缓慢加热到一定的温度（低碳钢为650℃），并在该温度下保温一定的时间（一般按每毫米板厚保温2~4min，但总时间不少于30min），然后空冷或随炉冷却。
（2）局部热处理
2、机械拉伸法
在压力容器制造的最后阶段，通常要进行水压试验，和起重机的静载试验，其目的之一也是利用加载来消除部分残余应力。
4、锤击焊缝
锤击焊缝，可使焊缝金属产生延伸变形，能抵消一部分压缩塑性变形，起到减小焊接残余应力的作用。
5、振动法

四、 焊接变形
（一）、焊接变形的基本形式
焊接变形在焊接结构中的分布是很复杂的。按变形对整个焊接结构的影响程度可将焊接变形分成局部变形和整体变形；五种基本变形形式：收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形。插[1]表2-1
（二）、矫正焊接变形的方法
1、手工矫正法
手工矫正法就是利用锤子、大锤等工具锤击焊件的变形处。
2、机械矫正法
机械矫正法就是利用机器或工具来矫正焊接变形。
3、火焰加热矫正法
火焰加热矫正法就是利用火焰对焊件进行局部加热，使焊件产生新的变形去抵消焊接变形。