焊接应力和变形

[拼音]：hanjie yingli he bianxing

[外文]：welding stress and distortion

焊接过程中焊件中产生的内应力和焊接热过程引起的焊件的形状和尺寸变化。焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织是产生焊接应力和变形的根本原因。当焊接引起的不均匀温度场尚未消失时，焊件中的这种应力和变形称为瞬态焊接应力和变形；焊接温度场消失后的应力和变形称为残余焊接应力和变形。在没有外力作用的条件下，焊接应力在焊件内部是平衡的。焊接应力和变形在一定条件下会影响焊件的功能和外观，因此是设计和制造中必须考虑的问题。

焊接残余应力

焊接残余应力的主要研究内容包括应力的分布、影响以及消除和调整的方法。

焊接残余应力的分布

在厚度不大的焊件中，焊接残余应力基本上是平面应力，厚度方向的应力很小。在自由状态下焊接的平板，沿焊缝方向的纵向残余应力σ_X在焊缝及其附近一般为拉应力，在远离焊缝处则为压应力。对于低碳钢和强度不高的低合金结构钢（屈服强度小于 400兆帕），焊缝上的残余应力σ_X可达到材料的屈服强度σ_S（图1）。垂直于焊缝方向的横向残余应力σ_y的分布与焊接顺序和方向有关，后焊的区段一般为拉应力，但平板对接焊时焊缝两端的σ_y经常为压应力（图2）。厚板焊缝厚度方向的残余应力σ_z与焊接方法有关。电渣焊缝中σ_z为拉应力。多层焊缝则σ_z较低。σ_z在厚度上的分布是中心部位最高，逐渐向表面过渡到零。σ_X和σ_y在焊缝厚度上的分布也是不均匀的。电渣焊缝中心部位σ_X和σ_y的数值大于表层。 多层焊缝则与此相反，表层应力大于中心部位（图3）。在拘束状态下进行焊接（如封闭焊缝）时，则可能在比自由状态下大得多的范围内出现较高的拉应力σ_X和σ_y，因而是更为危险的内应力。

由于焊接残余应力受多种因素的影响，在实际工作中常常需要通过实验测定残余应力的大小和分布。

焊接残余应力的影响

焊接残余应力对焊件有6个方面的影响。

（1）对强度的影响：如果在高残余拉应力区中存在严重的缺陷，而焊件又在低于脆性转变温度下工作，则焊接残余应力将使静载强度降低。在循环应力作用下，如果在应力集中处存在着残余拉应力，则焊接残余拉应力将使焊件的疲劳强度降低。焊件的疲劳强度除与残余应力的大小有关外，还与焊件的应力集中系数、应力循环特征系数 σ/σ和循环应力的最大值σ有关。其影响随应力集中系数的降低而减弱，随σ/σ的降低而加剧（例如对交变疲劳强度的影响大于脉冲疲劳），随σ的增加而减弱。当σ接近于屈服强度时，残余应力的影响逐渐消失。

（2）对刚度的影响：焊接残余应力与外载引起的应力相叠加，可能使焊件局部提前屈服产生塑性变形。焊件的刚度会因此而降低。

（3）对受压焊件稳定性的影响：焊接杆件受压时，焊接残余应力与外载所引起的应力相叠加，可能使杆件局部屈服或使杆件局部失稳，杆件的整体稳定性将因此而降低。残余应力对稳定性的影响取决于杆件的几何形状和内应力分布。残余应力对非封闭截面（如工字形截面）杆件的影响比封闭截面（如箱形截面）的影响大。

（4）对加工精度的影响：焊接残余应力的存在对焊件的加工精度有不同程度的影响。焊件的刚度越小，加工量越大，对精度的影响也越大。

（5）对尺寸稳定性的影响：焊接残余应力随时间发生一定的变化，焊件的尺寸也随之变化。焊件的尺寸稳定性又受到残余应力稳定性的影响。

（6）对耐腐蚀性的影响：焊接残余应力和载荷应力一样也能导致应力腐蚀开裂。

焊接残余应力的消除和调整

为了消除和减小焊接残余应力，应采取合理的焊接顺序，先焊接收缩量大的焊缝。焊接时适当降低焊件的刚度，并在焊件的适当部位局部加热，使焊缝能比较自由地收缩，以减小残余应力。热处理(高温回火)是消除焊接残余应力的常用方法。整体消除应力的热处理效果一般比局部热处理好。焊接残余应力也可采用机械拉伸法（预载法）来消除或调整，例如对压力容器可以采用水压试验，也可以在焊缝两侧局部加热到200℃，造成一个温度场，使焊缝区得到拉伸，以减小残余应力。

焊接变形

焊接过程中引起的焊件变形直接影响焊件的性能和使用，因此需要采用不同的焊接工艺来控制和预防焊件的变形，并对产生焊接变形的构件进行矫正。

变形的种类

焊接变形有7种形式（图4）。

（1）纵向收缩变形：沿焊缝长度方向的收缩。

（2）横向收缩变形：垂直于焊缝方向的横向收缩。

（3）角变形：绕焊缝轴线的角位移。

（4）挠曲变形：构件中性轴上下不对称的收缩引起的弯曲变形。

（5）失稳变形：薄壁结构在焊接残余压应力的作用下，局部失稳而产生波浪形；

（6）错边变形：焊接边缘在焊接过程中，因膨胀不一致而产生的厚度方向的错边。

（7）扭曲变形：由于装配不良、施焊程序不合理而使焊缝的纵向、横向收缩没有规律所引起的变形。

焊接变形的预防和控制

焊接变形的大小与焊缝的尺寸、数量和布置有关。首先从设计上合理地确定焊缝的数量、坡口的形状和尺寸，并恰当地安排焊缝的位置，对于减少变形十分重要。在工艺上采用高能量密度的焊接方法和小线能量的工艺参量，例如多层焊对减少焊缝的纵、横向收缩以及由此引起的挠曲和失稳变形是有利的。但多层焊对角变形不利。采用合理的装配、焊接顺序、反变形和刚性固定可以减少焊接变形。

焊接变形的矫正

焊接变形常采用机械方法矫正。对于由长而规则的对接焊缝引起的薄板壳结构的变形，用钢轮辗压焊缝及其两侧，可获得良好的矫正效果。利用局部加热产生压缩塑性变形使较长的焊件在冷却后收缩的火焰矫正法，具有机动性强、设备简单的优点，得到广泛采用。

参考书目

1. 田锡唐主编：《焊接结构》，机械工业出版社，北京，1982。

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