焊接應(yīng)力與變形教學(xué)課件PPT

1、 第二單元 焊接應(yīng)力與變形 學(xué)習(xí)目標(biāo)： 了解有關(guān)應(yīng)力與變形的相關(guān)知識(shí); 掌握焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原因; 熟悉焊接應(yīng)力與變形的危害; 掌握預(yù)防及控制焊接應(yīng)力與變形的措施。 綜合知識(shí)模塊一 焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生 焊接時(shí)一般采用集中熱源在局部加熱， 因此造成焊件上溫度分布不均勻，最終導(dǎo)致 在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生了焊接應(yīng)力與變形。 焊接應(yīng)力是形成各種焊接裂紋的重要因素， 焊接殘余應(yīng)力和變形在一定條件下還會(huì)嚴(yán)重 影響焊件的強(qiáng)度、剛度、受壓時(shí)的穩(wěn)定性、 加工精度和尺寸穩(wěn)定性等。 能力知識(shí)點(diǎn)1 應(yīng)力和變形基礎(chǔ)知識(shí) 1應(yīng)力 物體在受外力作用后，以及在物理、化學(xué)或 物理化學(xué)變化過程中，如溫度、金相組織或 化學(xué)成分等變化

2、時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生內(nèi)力。 作用在物體單位截面上的內(nèi)力叫做應(yīng)力。 根據(jù)引起內(nèi)力的原因不同，應(yīng)力分為工作應(yīng) 力和內(nèi)應(yīng)力。 物體由于外力的作用在其單位截面上出現(xiàn) 的內(nèi)力稱為工作應(yīng)力。 物體在無外力作用的情況下而存在于內(nèi)部 的應(yīng)力稱為內(nèi)應(yīng)力。 內(nèi)應(yīng)力的分類： 根據(jù)內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的原因不同，可分為熱應(yīng) 力、裝配應(yīng)力、相變應(yīng)力、焊接應(yīng)力等。 還可以根據(jù)內(nèi)應(yīng)力所涉及的范圍，將其分 為宏觀內(nèi)應(yīng)力、微觀內(nèi)應(yīng)力和超微觀內(nèi)應(yīng) 力。 2變形 定義：物體在外力或溫度等因素的作用 下，其形狀和尺寸發(fā)生變化，這種變化稱 為物體的變形。 分類： 按照物體變形的性質(zhì)不同，變形可以分為 彈性變形和塑性變形。 按拘束條件不同，物體的變形

3、還可分為自 由變形和非自由變形。 彈性變形和塑性變形 當(dāng)使物體產(chǎn)生變形的外力或其它因素去除 后，變形也隨之消失，即物體恢復(fù)原狀， 這樣的變形稱為彈性變形。 當(dāng)外力或其它因素去除后變形仍然存在， 物體不能恢復(fù)原狀，這樣的變形稱為塑性 變形。 自由變形和非自由變形 以圖2-1中的一根金屬桿為例， 當(dāng)溫度為t0時(shí)長(zhǎng)度為l0，均勻加熱， 溫度上升至t時(shí)，若金屬桿不受阻，桿的長(zhǎng) 度會(huì)增加至l， 其長(zhǎng)度的改變ltll0， lt就是自由變形，如圖2-l a所示。 圖2-1 金屬桿件的變形 a)自由變形 b)非自由變形 單位長(zhǎng)度的變形量稱為變形率， 自由變形率用t表示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： tlt/l0(tt0)

4、 式中 -金屬的線膨脹系數(shù)，它的數(shù)值隨材 料及溫度而變化。 非自由變形：如果金屬桿在溫度變化過程 中的伸長(zhǎng)受到阻礙，則變形量不能完全表 現(xiàn)出來，就是非自由變形，見圖2-lb。 外觀變形：能夠表現(xiàn)出來的這部分變形，用 le表示， 外觀變形率e可用下式表示： e=le/ l0 內(nèi)部變形：未表現(xiàn)出的變形，用l表示。 l=lt-le 同樣，內(nèi)部變形率用下式表示： =l/l0 3焊接應(yīng)力與焊接變形 焊接殘余應(yīng)力和變形直接影響結(jié)構(gòu)的制造質(zhì)量和 使用性能，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件的失效甚至報(bào)廢。 焊接應(yīng)力是焊接過程中及焊接過程結(jié)束后，存在 于焊件中的內(nèi)應(yīng)力。 由焊接而引起的焊件尺寸的改變稱為焊接變形。 焊接加熱及冷

5、卻過程中產(chǎn)生的應(yīng)力與變形，稱為 焊接瞬時(shí)應(yīng)力和焊接瞬時(shí)變形； 焊接過程結(jié)束后，殘留在焊接結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力與變 形，稱為焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形。 能力知識(shí)點(diǎn)2 研究焊接應(yīng)力與變形的幾個(gè)假定 （1）平截面假定 假定構(gòu)件在焊前所取的截面，焊后仍保持 平面。 即構(gòu)件只發(fā)生伸長(zhǎng)、縮短、彎曲， 構(gòu)件變形時(shí)其橫截面只發(fā)生平移或偏轉(zhuǎn)，永 遠(yuǎn)保持平面。 （2）金屬性能不變的假定 假定在焊接過程中材料的某些熱物理性 質(zhì)，如： 線膨脹系數(shù)()、熱容(c)、熱導(dǎo)率()等 均不隨溫度的變化而變化。 （3）金屬屈服點(diǎn)假定 低碳鋼屈服點(diǎn)與 溫度的關(guān)系，如 圖2-2中實(shí)線所 示， 為了討論問題的 方便， 可以將它簡(jiǎn)化為 圖2

6、-2中虛線所示。 低碳鋼的屈服強(qiáng)度 與溫度關(guān)系的假定 即在500以下，屈服點(diǎn)與常溫相同，不隨 溫度的變化而變化； 在500600之間，屈服點(diǎn)呈線性下降； 600以上時(shí)屈服點(diǎn)為零，呈全塑性狀態(tài)。 我們把材料屈服點(diǎn)為零時(shí)的溫度稱為塑性 溫度。 通常將焊接過程中的某一瞬間，焊接接頭 中各點(diǎn)的溫度分布稱為溫度場(chǎng)。 在焊接熱源作用下構(gòu)件上各點(diǎn)的溫度在不 斷地變化， 可以認(rèn)為達(dá)到某一極限熱狀態(tài)時(shí)， 溫度場(chǎng)不再改變，這時(shí)的溫度場(chǎng)稱為極限 溫度場(chǎng)。 （4）焊接溫度場(chǎng)假定 能力知識(shí)點(diǎn)3 焊接應(yīng)力 與變形產(chǎn)生的原因 焊接應(yīng)力和變形是由多種因素交互作用而 導(dǎo)致的結(jié)果。 主要因素包括焊件受熱不均勻、焊縫金屬 的收縮、

7、金相組織的變化及焊件剛性與拘 束的影響等，其中最根本的原因是焊件受 熱不均勻。 此外，焊縫在焊接結(jié)構(gòu)中的位置、裝配焊 接順序、焊接方法、焊接電流及焊接方向 等對(duì)焊接應(yīng)力與變形也有一定的影響。 1焊件的不均勻受熱 為了便于了解焊件在不均勻受熱時(shí)如何產(chǎn) 生應(yīng)力與變形， 首先對(duì)均勻加熱時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力與變形的情況 進(jìn)行討論。 （1）不受約束的 桿件在均勻加熱時(shí)的應(yīng)力與變形 根據(jù)前面對(duì)變形知識(shí)的討論， 不受約束的桿件在均勻加熱與冷卻時(shí)， 其變形屬于自由變形， 因此在桿件加熱過程中不會(huì)產(chǎn)生任何內(nèi)應(yīng)力， 冷卻后也不會(huì)有任何殘余應(yīng)力和殘余變形， 如圖2-3 a所示。 圖2-3 桿件均 勻加熱時(shí)的應(yīng) 力與變形 a）

8、自由狀態(tài) b）自由延伸- 限制收縮狀態(tài) c）限制延伸- 自由收縮狀態(tài) d）限制延伸- 限制收縮狀態(tài) （2）受約束的桿件在均勻加熱時(shí)的 應(yīng)力與變形 根據(jù)前面對(duì)非自由變形情況的討論， 受約束桿件的變形屬于非自由變形， 既存在外觀變形，也存在內(nèi)部變形。 當(dāng)加熱溫度較低時(shí) 加熱時(shí)：當(dāng)加熱沒有達(dá)到材料屈服點(diǎn)溫度 時(shí)（tts），則桿件中產(chǎn)生壓縮塑性 變形，內(nèi)部變形由彈性變形和塑性變形兩 部分組成，甚至全部由塑性變形組成 （t600）。 冷卻后：當(dāng)溫度恢復(fù)到原始溫度時(shí)，彈性 變形恢復(fù)，塑性變形不可恢復(fù)，可能出現(xiàn) 以下三種情況： 1）如果桿件加熱時(shí)自由延伸，冷卻時(shí)限制 收縮，那么冷卻后桿件內(nèi)既有殘余應(yīng)力又 有

9、殘余變形，如圖2-3 b所示。 2）如果桿件加熱時(shí)不能自由延伸，可以自 由收縮，那么桿件中沒有殘余應(yīng)力只有殘 余變形，如圖2-3 c所示。 3）如果桿件受絕對(duì)拘束，那么桿件中存在 殘余應(yīng)力而沒有殘余變形，如圖2-3 d所示。 實(shí)際生產(chǎn)中的焊件，與上述的第一種情況相似： 焊后既有焊接應(yīng)力存在，又有焊接變形產(chǎn)生。 以上所述的是一般桿件在均勻加熱時(shí)的應(yīng)力與 變形。 下面討論材料不均勻加熱時(shí)的應(yīng)力與變形。 （3）長(zhǎng)板條中心加熱（類似于堆焊） 引起的應(yīng)力與變形 如圖2-4 a所示的長(zhǎng)度為l0，厚度為的長(zhǎng) 板條，材料為低碳鋼，在其中間沿長(zhǎng)度方 向上進(jìn)行加熱。 為簡(jiǎn)化討論，我們將板條上的溫度區(qū)域分 為兩種，

10、中間為高溫區(qū)，其溫度均勻一 致；兩邊為低溫區(qū)，其溫度也均勻一致。 圖2-4 長(zhǎng)板條中心加熱 和冷卻時(shí)的應(yīng)力與變形 a) 原始狀態(tài) b)、c)加熱時(shí) d)、e)冷卻后 加熱時(shí)，如果板條的高溫區(qū)與低溫區(qū)是可 分離的， 高溫區(qū)將伸長(zhǎng)，低溫區(qū)長(zhǎng)度不變，如圖2-4 b所示， 但實(shí)際上板條是一個(gè)整體， 所以板條將整體伸長(zhǎng)， 此時(shí)高溫區(qū)內(nèi)產(chǎn)生較大的壓縮塑性變形和 壓縮彈性變形，如圖2-4 c所示。 冷卻時(shí)，由于壓縮塑性變形不可恢復(fù)， 所以，如果高溫區(qū)與低溫區(qū)是可分離的， 高溫區(qū)應(yīng)縮短，低溫區(qū)應(yīng)恢復(fù)原長(zhǎng)，如圖2- 4 d所示。 但實(shí)際上板條是一個(gè)整體， 所以板條將整體縮短，這就是板條的殘余 變形，如圖2-4

11、e所示。 同時(shí)在板條內(nèi)部也產(chǎn)生了殘余應(yīng)力， 中間高溫區(qū)為拉應(yīng)力，兩側(cè)低溫區(qū)為壓應(yīng) 力。 （4）長(zhǎng)板條一側(cè)加熱（相當(dāng)于板邊 堆焊）引起的應(yīng)力與變形 如圖2-5 a所示的材質(zhì)均勻的鋼板，在其上 邊緣快速加熱。 假設(shè)鋼板由許多互不相連的窄條組成， 則各窄條在加熱時(shí)將按溫度高低而有不同 的伸長(zhǎng)，如圖2-5 b所示。 圖2-5 鋼板邊緣一側(cè) 加熱和冷卻時(shí)的應(yīng)力與變形 b)假設(shè)各板條的伸長(zhǎng) d)假設(shè)各板條的收縮 a)原始狀態(tài) c)加熱后的變形 e)冷卻以后的變形 但實(shí)際上，板條是一整體， 各板條之間是互相牽連、互相影響的， 上一部分金屬因受下一部分金屬的阻礙作用而 不能自由伸長(zhǎng)， 因此產(chǎn)生了壓縮塑性變形。

12、 由于鋼板上的溫度分布是自上而下逐漸降低， 因此，鋼板產(chǎn)生了向下的彎曲變形，如圖2-5 c所示。 鋼板冷卻后，板條的收縮應(yīng)如圖2-5 d所示。 但實(shí)際上鋼板是一個(gè)整體， 上一部分金屬要受到下一部分的阻礙而不能自 由收縮， 所以鋼板產(chǎn)生了與加熱時(shí)相反的殘余彎曲變 形，如圖2-5 e所示； 并在鋼板內(nèi)產(chǎn)生如圖2-5 e所示的殘余應(yīng)力， 即鋼板中部為壓應(yīng)力，鋼板兩側(cè)為拉應(yīng)力。 由上述討論可知： 1）對(duì)構(gòu)件進(jìn)行不均勻加熱， 在加熱過程中，只要溫度高于材料屈服點(diǎn) 的溫度，構(gòu)件就會(huì)產(chǎn)生壓縮塑性變形， 冷卻后，構(gòu)件必然有殘余應(yīng)力和殘余變形。 2）通常，焊接過程中焊件的變形方向與焊后 焊件的變形方向相反。 3

13、）焊接加熱時(shí)，焊縫及其附近區(qū)域?qū)a(chǎn)生 壓縮塑性變形，冷卻時(shí)壓縮塑性變形區(qū)要 收縮。 如果這種收縮能充分進(jìn)行，則焊接殘余變 形大，焊接殘余應(yīng)力?。?若這種收縮不能充分進(jìn)行，則焊接殘余變 形小而焊接殘余應(yīng)力大。 4）焊接過程中及焊接結(jié)束后，焊件中的應(yīng)力 分布都是不均勻的。 焊接結(jié)束后，焊縫及其附近區(qū)域的殘余應(yīng) 力通常是拉應(yīng)力。 2焊縫金屬的收縮 當(dāng)焊縫金屬冷卻，由液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)時(shí)，其 體積要收縮。 由于焊縫金屬與母材是緊密聯(lián)系的，因 此，焊縫金屬并不能自由收縮。 這將引起整個(gè)焊件的變形，同時(shí)在焊縫中 引起殘余應(yīng)力。 另外，一條焊縫是逐步形成的， 焊縫中先結(jié)晶的部分要阻止后結(jié)晶部分的 收縮，由此也會(huì)產(chǎn)

14、生焊接應(yīng)力與變形 3金屬組織的變化 鋼在加熱及冷卻過程中發(fā)生相變，可得到 不同的組織，這些組織的比容各不相同， 由此也會(huì)造成焊接應(yīng)力與變形。 定義：在焊接過程中，局部金屬發(fā)生相 變，其比容增大或減小而引起的應(yīng)力稱為 相變應(yīng)力。 4焊件的剛性和拘束 剛性是指焊件抵抗變形的能力， 是焊件本身的性能，它與焊件材質(zhì)、焊件 截面形狀和尺寸等有關(guān)； 而拘束是焊件周圍物體對(duì)焊件變形的約 束，是一種外部條件。 焊件的剛性和拘束對(duì)焊接應(yīng)力和變形也有 較大的影響。 焊件自身的剛性及受周圍的拘束程度越 大，焊接變形越小，焊接應(yīng)力越大； 反之，焊件自身的剛性及受周圍的拘束程 度越小，則焊接變形越大，而焊接應(yīng)力越 小。

15、 4剛性和拘束對(duì) 焊接應(yīng)力及變形的影響 綜合知識(shí)模塊二 焊接殘余變形 能力知識(shí)點(diǎn)1 焊接變形的分類及其影響因 素 按焊接變形對(duì)整個(gè)焊接結(jié)構(gòu)的影響程度， 可分為局部變形和整體變形； 按焊接變形的特征，可分為收縮變形、角 變形、彎曲變形、波浪變形和扭曲變形， 這五種基本變形形式如圖2-6所示。 圖2-6 焊接變 形的基本形式 a）收縮變形 b）角變形 c）彎曲變形 d）波浪變形 e）扭曲變形 1收縮變形 焊件在焊后所 發(fā)生的尺寸縮 短現(xiàn)象，稱為 收縮變形。它 分為縱向收縮 變形和橫向收 縮變形。 圖2-7 縱向和 橫向收縮變形 （1）縱向收縮變形 如圖2-7所示，沿焊縫軸線方向尺寸的縮短 稱為縱向

16、收縮變形，用 x表示。 產(chǎn)生原因：這是由于焊縫及其附近區(qū)域在 焊接高溫的作用下產(chǎn)生縱向的壓縮塑性變 形，焊件冷卻后這個(gè)區(qū)域要收縮，于是引 起縱向收縮變形。 焊件縱向收縮的影響因素 縱向收縮變形量一般隨長(zhǎng)度的增加而增加； 焊件的截面積越大，焊件的縱向收縮量越 ??； 縱向收縮變形量還取決于材料的彈性模量、 壓縮塑性變形區(qū)的面積和壓縮塑性變形量等。 哪些因素會(huì)影響壓縮塑性變形量？ 壓縮塑性變形量與縱向收縮變形量成正 比， 其大小與焊接方法、焊接參數(shù)、焊接順序 以及母材的熱物理性質(zhì)有關(guān)， 其中以熱輸入影響最大。 一般情況下，壓縮塑性變形量與熱輸入成 正比。 熱輸入的影響 對(duì)于同樣截面的焊縫，可以一次焊

17、成，也 可以采用多層焊。 多層焊每層所用的熱輸入比單層焊時(shí)要小 得多， 因此，多層焊時(shí)每層焊縫所產(chǎn)生的壓縮塑 性變形區(qū)面積比單層焊時(shí)小。 但多層焊所引起的總變形量并不等于各層 焊縫之和，因?yàn)楦鲗铀a(chǎn)生的塑性變形區(qū) 面積是相互重疊的。 圖2-8所示為單層焊和雙層焊對(duì)接接頭塑性 變形區(qū)示意圖。 單層焊的塑性變形區(qū)面積為abcd； 雙層焊第一層的塑性變形區(qū)為a1b1c1d1， 第二層的塑性變形區(qū)為a2b2c2d2。 由此可以得出結(jié)論： 對(duì)截面相同的焊縫，采用多層焊引起的縱 向收縮量比單層焊??； 分的層數(shù)越多，每層的熱輸入越小，縱向 收縮量就越小。 圖2-8 單層焊 和雙層焊的塑性變形區(qū)對(duì)比 a）單層

18、焊 b）雙層焊 原始溫度對(duì)焊件縱向收縮的影響 一般來說，焊件的原始溫度提高，相當(dāng)于 熱輸入增大，焊后縱向收縮量增大。 但是，當(dāng)原始溫度高到某一程度，可能會(huì) 出現(xiàn)相反的情況， 因?yàn)殡S著原始溫度的提高，焊件上的溫差 減小，溫度趨于均勻化， 壓縮塑性變形率下降，可使壓縮塑性變形 量減小，從而使縱向收縮量減小。 焊件材料的線膨脹系數(shù)的影響 線膨脹系數(shù)大的材料，焊后縱向收縮量 大，如不銹鋼和鋁比碳鋼焊件的收縮量大 等。 （2）橫向收縮變形 沿垂直于焊縫軸線方向尺寸的縮短即為橫 向收縮變形，如圖2-7中的 y。 構(gòu)件焊接時(shí)，不僅產(chǎn)生縱向收縮變形，同 時(shí)也產(chǎn)生橫向收縮變形。 產(chǎn)生橫向收縮變形的過程比較復(fù)雜，

19、影響 因素很多，如熱輸入、接頭形式、裝配間 隙、板厚、焊接方法以及焊件的剛性等， 其中以熱輸入、裝配間隙、接頭形式等影 響最為明顯。 橫向收縮變形的影響因素 不管何種接頭形式，其橫向收縮變形量總 是隨焊接熱輸入增大而增加。 裝配間隙對(duì)橫向收縮變形量的影響也比較 大，且情況復(fù)雜。 一般來說，隨著裝配間隙的增大，橫向收 縮也增加。 另外，橫向收縮量沿焊縫長(zhǎng)度方向分布是 不均勻的。 因?yàn)橐粭l焊縫是逐步形成的，先焊的焊縫 冷卻收縮對(duì)后焊的焊縫有一定擠壓作用， 使后焊的焊縫橫向收縮量更大。 一般來說，焊縫的橫向收縮沿焊接方向是 由小到大，逐漸增大到一定長(zhǎng)度后便趨于 穩(wěn)定。 由于這個(gè)原因，生產(chǎn)中常將一條焊

20、縫的兩 端頭間隙取不同值，后半部分比前半部分 要大13mm。 其他影響因素 橫向收縮的大小還與裝配后定位焊和裝夾 情況有關(guān)， 定位焊焊縫越長(zhǎng)，裝夾的拘束程度越大， 橫向收縮變形量就越小。 對(duì)接接頭的橫向收縮量 對(duì)接接頭的橫向收縮量隨焊縫金屬量的增 加而增大； 熱輸入、板厚和坡口角度增大，橫向收縮 量也增加， 但是板厚的增大會(huì)使接頭的剛度增大，可 以限制焊縫的橫向收縮，使橫向收縮量減 少。 對(duì)接接頭的橫向收縮量 另外，多層焊時(shí)，先焊的焊道引起的橫向 收縮較明顯，后焊焊道引起的橫向收縮量 逐層減小。 焊接方法對(duì)橫向收縮量也有影響： 如相同尺寸的構(gòu)件，采用埋弧自動(dòng)焊比采 用焊條電弧焊時(shí)橫向收縮量??；

21、 氣焊的橫向收縮量比電弧焊的大。 角焊縫的橫向收縮 角焊縫的橫向收縮要比對(duì)接焊縫的橫向收 縮小得多。 同樣的焊縫尺寸，板越厚，橫向收縮變形 越小。 2角變形 焊后由于焊縫的橫向收縮使得兩連接件間相對(duì) 角度發(fā)生變化的變形叫角變形。 中厚板對(duì)接焊、堆焊、搭接焊及t形接頭焊接 時(shí)，都可能產(chǎn)生角變形。 焊縫接頭形式不同，其角變形的特點(diǎn)也不同。 焊接結(jié)構(gòu)的角變形，如圖2-9所示。 圖2-9 幾種接頭的角變形 a）堆焊 b）對(duì)接接頭 c）t形接頭 （1）平板堆焊的角變形 平板堆焊時(shí)，在鋼板厚度方向上的溫度分 布是不均勻的。 溫度高的一面受熱膨脹較大，另一面膨脹 小甚至不膨脹。 由于焊接面膨脹受阻，出現(xiàn)較大

22、的壓縮塑 性變形，這樣，冷卻時(shí)在鋼板厚度方向上 產(chǎn)生收縮不均勻的現(xiàn)象， 焊接一面收縮大，另一面收縮小， 所以產(chǎn)生如圖2-9 a所示的角變形。 角變形的影響因素 角變形的大小與焊接熱輸入、板厚等因素 有關(guān)，當(dāng)然也與焊件的剛性有關(guān)。 當(dāng)熱輸入一定，板厚越大，厚度方向上的 溫差越大，角變形增加； 但當(dāng)板厚增大到一定程度，此時(shí)構(gòu)件的剛 性增大，抵抗變形的能力增強(qiáng)，角變形反 而減小。 角變形的影響因素 另外，板厚一定時(shí)，熱輸入增大，壓縮塑 性變形量增加，角變形增加； 但熱輸入增大到一定程度，堆焊面與背面 的溫差減小，角變形反而減小。 （2）對(duì)接接頭的角變形 對(duì)接接頭的角變形如圖2-9 b所示， 主要與坡

23、口形式、坡口角度、焊接層數(shù)、 焊接順序等有關(guān)。 坡口截面不對(duì)稱的焊縫，其角變形大，因 而用x形坡口代替v形坡口，有利于減小角 變形； 坡口角度越大，焊縫橫向收縮沿板厚分布 越不均勻，角變形越大。 同樣板厚和坡口形式下，多層焊比單層焊 角變形大，多層多道焊比多層焊角變形大。 另外，坡口截面對(duì)稱，采用不同的焊接順 序，產(chǎn)生的角變形大小也不相同， 圖2-10 a所示為x形坡口對(duì)接接頭， 先焊完一面后翻轉(zhuǎn)再焊另一面， 焊第二面時(shí)，焊件剛性增加，焊接時(shí)所產(chǎn) 生的角變形小于第一面產(chǎn)生的角變形， 最終產(chǎn)生一定的殘余角變形。 圖2-10 角變形與焊接順序的關(guān)系 a)對(duì)稱坡口非對(duì)稱焊 b)對(duì)稱坡口對(duì)稱交替焊 c

24、)對(duì)稱坡口非對(duì)稱焊 d)非對(duì)稱坡口非對(duì)稱焊 如果采用正反面各層對(duì)稱交替焊，圖2-10 b 所示， 這樣正反面的角變形可相互抵消， 但是焊件翻轉(zhuǎn)次數(shù)比較多，不利于提高生產(chǎn) 率。 比較好的辦法 如圖2-10 c所示， 先在一面少焊幾層， 然后翻轉(zhuǎn)過來焊滿另一面， 使其產(chǎn)生的角變形稍大于先焊的一面， 最后再翻轉(zhuǎn)過來焊滿第一面， 這樣就能以最少的翻轉(zhuǎn)次數(shù)來獲得最小的 角變形。 非對(duì)稱坡口的焊接，如圖2-10 d所示， 應(yīng)先焊焊接量少的一面， 后焊焊接量多的一面， 并且注意每一層的焊接方向應(yīng)相反。 薄板焊接時(shí)，正反面的溫差小，且薄板的剛 度小， 焊接過程中，在壓應(yīng)力作用下易產(chǎn)生失穩(wěn)， 使角變形方向不定，

25、沒有明顯規(guī)律性。 （3）t形接頭角變形 t形接頭的角變形， 可以看成是由立板相對(duì)于水平板的回轉(zhuǎn)， 與水平板本身的角變形兩部分組成， 如圖2-11a所示。 t形接頭不開坡口焊接時(shí)，其立板相對(duì)于水 平板的回轉(zhuǎn)相當(dāng)于坡口角度為90的對(duì)接接 頭角變形，如圖2-11 b所示； 水平板本身的角變形相當(dāng)于水平板上堆焊 引起的角變形，如圖2-11 c所示。 這兩種角變形綜合的結(jié)果，使t形接頭兩板 間的角度發(fā)生如圖2-11 d所示的變化。 如何減小t形接頭角變形 為了減小t形接頭角變形： 一方面可以通過開坡口來減小立板與水平 板間的焊縫夾角，減小值； 另一方面還可以通過減小焊腳尺寸來減少 焊縫金屬量，降低值。

26、3彎曲變形 產(chǎn)生原因：彎曲變形是由于焊縫的中心線 與結(jié)構(gòu)截面的中性軸不重合或不對(duì)稱，焊 縫的收縮沿構(gòu)件寬度方向分布不均勻而引 起的。 分類：由于焊縫的收縮分縱向收縮和橫向 收縮，因此彎曲變形分兩種： 縱向收縮引起的彎曲變形 和橫向收縮引起的彎曲變形 （1）縱向收縮引起的彎曲變形 如圖2-12所示板邊的堆焊，由于焊縫的中 心線在結(jié)構(gòu)截面中性軸的一側(cè)，其焊縫的 縱向收縮沿寬度方向不均勻分布，因而引 起彎曲變形。 彎曲變形的影響因素 通過研究表明： 彎曲變形的大小與塑性變形區(qū)的中心線到 焊件截面中性軸的距離s成正比，s越大， 彎曲變形越嚴(yán)重； 焊縫位置對(duì)稱或接近于截面中性軸，則彎 曲變形就比較小。

27、縱向收縮引起的彎曲變形還與焊件的剛度 成反比。 （2）橫向收縮引起的彎曲變形 如果焊縫的橫向收縮在結(jié)構(gòu)上分布不對(duì)稱 時(shí)，也會(huì)引起構(gòu)件的彎曲變形，如圖2-13 所示。 4波浪變形 波浪變形常發(fā)生于板厚小于6mm的薄板焊 接過程中，又稱之為失穩(wěn)變形。 大面積平板拼接，如船體甲板、大型油罐 罐底板等，極易產(chǎn)生波浪變形。 防止波浪變形的措施 防止波浪變形可從兩方面著手： 一是盡量減少產(chǎn)生波浪變形的外部因素， 即降低焊接殘余壓應(yīng)力，如采用減小塑性 變形區(qū)的焊接方法，選用較小的焊接熱輸 入等； 二是通過增加焊件剛度和拘束度來提高焊 件失穩(wěn)臨界應(yīng)力，如給焊件增加肋板，適 當(dāng)增加焊件的厚度等。 圖2-14 焊

28、接角變形引起的波浪變形 如圖2-14所示，采用大量肋板的結(jié)構(gòu)，每 塊肋板的角焊縫引起的角變形，連貫起來 就造成波浪變形。 這種波浪變形與失穩(wěn)的波浪變形有本質(zhì)的 區(qū)別，要有不同的解決辦法。 5扭曲變形 在一些框架、桿件或梁柱等剛性較大的焊 接構(gòu)件上，往往會(huì)發(fā)生扭曲變形。 在圖2-15中，工字梁上有四條縱向焊縫， 如果按圖中14順序和方向焊接，因?yàn)榻?焊縫引起的角變形在焊縫長(zhǎng)度方向逐漸增 大，則會(huì)產(chǎn)生扭曲變形。 若兩條角焊縫同時(shí)同向焊接，或在夾具中 進(jìn)行焊接，則可以減小或防止扭曲變形。 圖2-15 工字梁的扭曲變形 能力知識(shí)點(diǎn)2 焊接變形的危害 首先，零件或部件的焊接殘余變形，給裝 配帶來困難，進(jìn)

29、而影響后續(xù)焊接的質(zhì)量。 在生產(chǎn)中有時(shí)為了保證焊接后需要進(jìn)行機(jī) 械加工的工件尺寸，片面地多留余量，加 大坯料尺寸，增加了材料消耗和機(jī)械加工 工時(shí)。 其次過大的殘余變形還要進(jìn)行矯正，增加 結(jié)構(gòu)的制造成本。 另外，焊接變形還會(huì)降低焊接接頭的性能 和承載能力。 例如圖2-16中所示壓力容器筒體縱縫的焊 接角變形，如果不進(jìn)行修復(fù)，將可能導(dǎo)致 結(jié)構(gòu)破壞最終造成事故。 因此，實(shí)際生產(chǎn)中，必須設(shè)法控制焊接變 形，使變形控制在技術(shù)要求所允許的范圍 之內(nèi)。 圖2-16 壓力容器筒體縱縫角變形 能力知識(shí)點(diǎn)3 控制焊接變形的措施 從焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)開始，就應(yīng)考慮控制變 形可能采取的措施。 進(jìn)入生產(chǎn)階段，可采用焊前預(yù)防變

30、形的措 施，以及在焊接過程中“積極”的工藝措施。 而在焊接完成后，只能選擇相應(yīng)的“消極”矯 正措施來減少或消除發(fā)生的殘余變形。 1控制焊接變形的設(shè)計(jì)措施 （1）選擇合理的焊縫尺寸和坡口形式 1）選擇合理的焊縫截面尺寸。 焊接變形與焊縫金屬的多少有很大關(guān)系， 因此對(duì)結(jié)構(gòu)焊縫進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，在保證結(jié)構(gòu) 承載能力和焊接質(zhì)量的前提下， 應(yīng)根據(jù)板的厚度選取工藝上合理的最小焊 縫截面尺寸。 尤其是角焊縫尺寸，最容易盲目加大。 圖2-17 相同承載能力的十字接頭 對(duì)受力較大的t字形或 十字形接頭，在保證強(qiáng) 度相同的條件下，采用 開坡口的焊縫可減少焊 縫金屬，對(duì)減小角變形 有利，見圖2-17。 a）不開坡口 b）

31、開坡口 2）選擇合理的坡口形式 對(duì)接焊縫，選用對(duì)稱的坡口形式比非對(duì)稱 的坡口形式容易控制角變形。 因此，具有翻轉(zhuǎn)條件的結(jié)構(gòu)，宜選用雙v形 等對(duì)稱的坡口形式。 t形接頭立板端開j形坡口比開單邊v形坡口 產(chǎn)生的角變形小，見圖2-18。 圖2-18 t形接頭的坡口 a）角變形大b）角變形小 （2）合理選擇焊縫長(zhǎng)度和數(shù)量 由于焊縫長(zhǎng)度對(duì)焊接變形有影響， 所以在滿足強(qiáng)度和密封性要求的前提下， 用斷續(xù)焊縫代替連續(xù)焊縫，可以減小焊接 變形。 另外，在設(shè)計(jì)過程中還要盡可能減少焊縫 數(shù)量，多采用型材、沖壓件代替焊接件； 焊縫多且密集處，可以采用鑄焊聯(lián)合結(jié) 構(gòu)，以減少焊縫數(shù)量； 此外，適當(dāng)增加壁板厚度，以減少肋板

32、數(shù) 量； 或者采用壓型結(jié)構(gòu)代替筋板結(jié)構(gòu)，都對(duì)防 止薄板結(jié)構(gòu)的變形有利。 （3）合理安排焊縫位置 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)盡量使焊縫中心線與 結(jié)構(gòu)截面的中性軸重合或靠近中性軸，力 求在中性軸兩側(cè)的變形量大小相等方向相 反，起到相互抵消的作用。 圖2-19所示箱形結(jié)構(gòu)， 圖2-19a中焊縫集中于中性軸一側(cè)，彎曲變 形大， 圖2-19b、圖2-19c中的焊縫安排合理。 圖2-19 箱形結(jié)構(gòu)的焊縫安排 a)不合理b)、c)合理 圖2-20 a的肋板設(shè)計(jì)， 使焊縫集中在截面的中性軸下方， 肋板焊縫的橫向收縮將引起結(jié)構(gòu)上拱的彎 曲變形； 改成圖2-20 b的設(shè)計(jì)形式，可以減小和防止 這種變形。 圖2-20 肋板

33、焊縫的合理安排 a)不合理b)合理 2控制焊接變形的工藝措施 （1）留余量法 此法就是在下料時(shí)，將零件的長(zhǎng)度或?qū)挾?尺寸比設(shè)計(jì)尺寸適當(dāng)加大，以補(bǔ)償焊件的 收縮。 余量的多少可根據(jù)公式并結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來 確定。 留余量法主要是用于防止焊件的收縮變形。 （2）反變形法 是根據(jù)焊件的變形規(guī)律，焊前預(yù)先將焊件 向著與焊接變形的相反方向進(jìn)行人為的變 形，使之與焊接變形相抵消。 此法很有效，但必須準(zhǔn)確地估計(jì)焊后可能 產(chǎn)生的變形方向和大小，并根據(jù)焊件的結(jié) 構(gòu)特點(diǎn)和生產(chǎn)條件靈活地運(yùn)用。 如圖2-21所示為控制平板對(duì)接焊產(chǎn)生角變 形的方法。 圖2-21 反變形法 反變形法主要用于控制焊件的角變形和彎 曲變形。 （

34、3）剛性固定法 將焊件固定在具有足夠剛性的胎架機(jī)具 上，或者臨時(shí)裝焊支撐，來增加焊件的剛 度或拘束度，以達(dá)到減小焊接變形的目 的，這就是剛性固定法。 常用的剛性固定法有以下幾種： 1）將焊件固定在剛性平臺(tái)上。 薄板焊接時(shí)，為避免產(chǎn)生波浪變形， 可將其用定位焊縫固定在剛性平臺(tái)上， 并且用壓鐵壓住焊縫附近， 如圖2-22所示。 圖2-22 薄板拼接時(shí)的剛性固定 2）將焊件組合成 剛性更大或?qū)ΨQ的結(jié)構(gòu) t形梁焊接時(shí)控制角變形和彎曲變形的措施 如下： 如圖2-23所示，將兩根t形梁組合在一起， 使焊縫對(duì)稱于結(jié)構(gòu)截面的中性軸， 同時(shí)增加了結(jié)構(gòu)的剛性， 并配合反變形法（采用墊鐵）， 采用合理的焊接順序。

35、圖2-23 t形梁在剛性?shī)A緊下焊接 3）利用焊接夾具 增加結(jié)構(gòu)的剛性和拘束 如圖2-24所示， 利用夾緊器將構(gòu)件固定，增加構(gòu)件的拘束， 可以防止構(gòu)件產(chǎn)生角變形和彎曲變形。 4）利用臨時(shí)支撐增加結(jié)構(gòu)的拘束 單件生產(chǎn)中采用專用夾具，在經(jīng)濟(jì)上不合 理。 因此，可在容易發(fā)生變形的部位焊上一些 臨時(shí)支撐或拉桿，增加局部的剛度，能有 效地減小焊接變形。 如圖2-25所示，是防護(hù)罩用臨時(shí)支撐來增 加拘束的應(yīng)用實(shí)例。 圖2-25 防護(hù)罩焊接時(shí)的臨時(shí)支撐 （4）選擇合理的裝配焊接順序 由于裝配焊接順序?qū)附咏Y(jié)構(gòu)變形的影響 很大， 因此，在無法使用胎夾具的情況下施焊， 采用合理的裝配和焊接順序，也可使焊接 變形減

36、至最小。 為了控制和減小焊接變形，裝配焊接順序 應(yīng)按以下原則進(jìn)行。 1）正在施焊的焊縫 應(yīng)盡量靠近結(jié)構(gòu)截面的中性軸。 橋式起重機(jī)的主梁結(jié)構(gòu)如圖2-26所示。 梁的大部分焊縫處于結(jié)構(gòu)中性軸的上方， 其橫向收縮會(huì)引起梁下?lián)系膹澢冃危?而梁制造技術(shù)中要求該箱形主梁具有一定 的上拱度， 為了解決這一矛盾，除了在左右腹板下料 時(shí)預(yù)制上拱度外， 還應(yīng)選擇最佳的裝配焊接順序，使下?lián)系?彎曲變形最小。 圖2-26 橋式起重機(jī)箱形主梁 主形梁的裝配焊接順序 根據(jù)該梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 一般先將上翼板與兩腹板裝成“”形梁，如 圖2-27所示， 最后裝下翼板，組成封閉的箱形梁。 圖2-27 主梁裝配焊接 a）形梁 結(jié)構(gòu)

37、 b）形梁 的裝配焊 接方案 “”形梁的裝焊 “”形梁的裝配焊接順序是影響主梁上拱度 的關(guān)鍵， 應(yīng)先將大、小肋板與上翼板裝配，焊a焊 縫，此時(shí)焊縫a基本接近結(jié)構(gòu)截面的中性 軸，變形最??； 然后同時(shí)裝配左右腹板，焊c和b焊縫，由 于焊縫基本對(duì)稱于結(jié)構(gòu)截面的中性軸，下 撓變形很小。 “”形梁的裝焊 “”形梁裝配完畢后， 先不焊接上翼板與左右腹板的角焊縫， 等到下翼板裝配完畢后，再焊接左右腹板 與上下翼板的四條角焊縫， 這樣由于四條角焊縫基本對(duì)稱于結(jié)構(gòu)截面 的中性軸，可以使焊接變形控制在最小。 因此，該方案是最佳的裝配焊接順序，也 是目前類似結(jié)構(gòu)在實(shí)際生產(chǎn)中廣泛采用的 一種方案。 2）焊縫非對(duì)稱布置

38、的結(jié)構(gòu)， 先焊焊縫少的一側(cè)。 如圖2-28所示壓力機(jī)的壓型上模， 截面中性軸xx以上有四條焊縫， 多于中性軸xx以下的兩條焊縫， 如果裝配焊接順序不合理，最終將產(chǎn)生下 撓的彎曲變形。 圖2-28 壓力機(jī)壓型上模的焊接順序 a)壓型上模結(jié)構(gòu)圖 b)、c)、d)焊接順序 壓力機(jī)壓型上模的焊接 如圖2-28 b所示，先由兩人對(duì)稱地焊接1和 l焊縫，此時(shí)將產(chǎn)生較大的上拱彎曲變形 1并增加了結(jié)構(gòu)的剛性， 再按圖2-28 c的位置焊接焊縫2和2，產(chǎn)生 下?lián)蠌澢冃?， 最后按圖2-28 d的位置焊接3和3，產(chǎn)生下 撓彎曲變形3， 這樣1近似等于2與3的和，并且方向相 反，彎曲變形基本相互抵消。 3）焊縫對(duì)

39、稱布置的結(jié)構(gòu)， 應(yīng)由偶數(shù)焊工對(duì)稱地施焊 如圖2-29所示 的圓筒體對(duì)接 焊縫，應(yīng)由兩 名焊工對(duì)稱地 施焊。 4）長(zhǎng)焊縫（1m以上）焊接 長(zhǎng)焊縫（1m以上）焊接時(shí)，可采用圖2-30 所示的方向和順序進(jìn)行焊接，來減小其焊 后的收縮變形。 5）相鄰焊縫的焊接方向和順序 相鄰兩條焊 縫，為了防 止產(chǎn)生扭曲 變形，應(yīng)按 圖2-31中正 確的方向和 順序焊接。 a)不正確 b)正確 （5）合理地選擇 焊接方法和焊接工藝參數(shù) 由于各種焊接方法的熱輸入不同，因而產(chǎn)生的焊 接變形也不一樣。 能量集中和熱輸入較低的焊接方法，可有效地降 低焊接變形。 用co2氣體保護(hù)焊焊接中厚鋼板所產(chǎn)生的變形比 用氣焊和焊條電弧焊

40、小得多。 更薄的板可以采用脈沖鎢極氬弧焊、激光焊等方 法焊接。 電子束焊的焊縫很窄，變形極小，一般經(jīng)精加工 的工件，焊后仍具有較高的精度。 焊接熱輸入對(duì)變形量的影響 焊接熱輸入是影響變形量的關(guān)鍵因素， 當(dāng)焊接方法確定后，可通過調(diào)節(jié)焊接工藝 參數(shù)來控制熱輸入。 在保證熔透和焊縫無缺陷的前提下，應(yīng)盡 量采用小的焊接熱輸入。 根據(jù)焊件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以靈活地運(yùn)用熱輸 入對(duì)變形影響的規(guī)律來控制焊接變形。 不對(duì)稱截面梁的焊接 如圖2-32所示的不對(duì)稱截面梁， 因焊縫1、2離結(jié)構(gòu)截面中性軸的距離s大于 焊縫3、4到中性軸的距離s，所以焊后會(huì) 產(chǎn)生下?lián)系膹澢冃巍?如果在焊接1、2焊縫時(shí)，采用多層焊，每 層選擇

41、較小的線能量，產(chǎn)生下?lián)献冃危?焊接3、4焊縫時(shí)，采用單層焊，選擇較大 的線能量，產(chǎn)生上拱變形， 二者相互抵消，焊后基本平直。 圖2-32 非對(duì)稱截面結(jié)構(gòu)的焊接 （6）熱平衡法 對(duì)于某些焊縫不對(duì)稱布置的結(jié)構(gòu)，焊后往 往會(huì)產(chǎn)生彎曲變形。 如果在與焊縫對(duì)稱的位置上采用氣體火焰 與焊接同步加熱， 只要加熱的工藝參數(shù)選擇適當(dāng)，就可以減 小或防止構(gòu)件的彎曲變形。 如圖2-33所示，采用熱平衡法對(duì)邊梁箱形 結(jié)構(gòu)的焊接變形進(jìn)行控制。 圖2-33 采用熱平衡法防止焊接變形 （7）散熱法 散熱法就是通過各種方式將焊縫及其附近 處的熱量迅速帶走， 減小焊縫及其附近的受熱區(qū)，達(dá)到減小焊 接變形的目的。 圖2-34a是

42、水浸法散熱示意圖， 圖2-34b是噴水法散熱， 圖2-34c是采用純銅板中鉆孔通水的散熱墊 法散熱。 圖2-33 采用熱平衡法防止焊接變形 a)水浸法 散熱 b)噴水法 散熱 c)散熱墊 法散熱 總結(jié) 以上所述為控制焊接變形的常用方法。 在焊接結(jié)構(gòu)的實(shí)際生產(chǎn)過程中， 應(yīng)充分估計(jì)各種變形， 分析各種變形的變形規(guī)律， 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件選用一種或幾種方法，有效 地控制焊接變形。 能力知識(shí)點(diǎn)4 矯正焊接變形的方法 在焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中，焊接變形十分復(fù)雜， 所以雖然在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝方面已經(jīng) 采取了各種措施， 但是構(gòu)件焊接后還是難以避免或大或小的 焊接變形。 當(dāng)焊接結(jié)構(gòu)中的殘余變形超出技術(shù)要求的 范圍時(shí)，就必

43、須對(duì)焊件的變形進(jìn)行矯正。 1手工矯正法 手工矯正法就是利用手錘、大錘等工具錘 擊焊件的變形處，使材料延伸補(bǔ)償焊接收 縮。 主要用于一些小型簡(jiǎn)單焊件的彎曲變形和 薄板的波浪變形。 2機(jī)械矯正法 機(jī)械矯正法就是在機(jī)械力的作用下使部分 金屬得到延伸，產(chǎn)生拉伸塑性變形，使變 形的構(gòu)件恢復(fù)到所要求的形狀。 具體地說，就是用千斤頂、拉緊器、壓力 機(jī)等將焊件頂直或壓平。 機(jī)械矯正法一般適用于塑性比較好的材料 及形狀簡(jiǎn)單的焊件，如圖2-35所示。 圖2-35 機(jī)械法矯正梁的彎曲變形 a）千斤頂 矯正 b）拉緊器 矯正 3火焰加熱矯正 就是利用火焰對(duì)焊件進(jìn)行局部加熱，使焊 件產(chǎn)生新的變形去抵消焊接變形。 火焰加

44、熱矯正法設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，所 以在生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。 主要用于矯正彎曲變形、角變形、波浪變 形等，也可用于矯正扭曲變形。 加熱火焰一般采用氧乙炔中性火焰， 火焰加熱的方式有點(diǎn)狀加熱、線狀加熱和 三角形加熱三種。 （1）點(diǎn)狀加熱 如圖2-36所示，加熱點(diǎn)的數(shù)目應(yīng)根據(jù)焊件 的結(jié)構(gòu)形狀和變形情況而定。 對(duì)于厚板，加熱點(diǎn)的直徑d應(yīng)大些；薄板的 加熱點(diǎn)直徑則應(yīng)小些。 一般來說，加熱點(diǎn)直徑不超過15mm。 變形大時(shí)，加熱點(diǎn)之間距離a應(yīng)小一些；變 形小時(shí)，加熱點(diǎn)之間距離則應(yīng)大一些。 一般a值取50100mm之間。 圖2-36 點(diǎn)狀加熱 （2）線狀加熱 火焰沿直線緩慢移動(dòng)或同時(shí)作橫向擺動(dòng)， 形成一個(gè)加熱帶的加

45、熱方式，稱為線狀加 熱。 線狀加熱有直通加熱、鏈狀加熱和帶狀加 熱三種形式，如圖2-37所示。 線狀加熱可用于矯正波浪變形，角變形和 彎曲變形等。 圖2-37 線狀加熱 a)直通加熱 b)鏈狀加熱 c)帶狀加熱 （3）三角形加熱 三角形加熱即加熱區(qū)域呈三角形， 一般用于矯正剛度大，厚度較大結(jié)構(gòu)的彎 曲變形。 加熱時(shí)，三角形的底邊應(yīng)在被矯正結(jié)構(gòu)的 拱邊上，頂端朝焊件的彎曲方向，如圖2- 38所示。 三角形加熱與線狀加熱聯(lián)合使用，對(duì)矯正 大而厚焊件的焊接變形，效果更佳。 圖2-38 工字梁彎曲變形的火焰矯正 影響火焰加熱矯正效果的因素 火焰矯正的效果取決于下列三個(gè)因素： 1）加熱方式?；鹧婕訜岱绞?/p>

46、取決于焊件的結(jié) 構(gòu)形狀和焊接變形形式， 一般薄板的波浪變形應(yīng)采用點(diǎn)狀加熱； 焊件的角變形可采用線狀加熱； 彎曲變形多采用三角形加熱。 2）加熱位置，應(yīng)根據(jù)焊接變形的形式和變 形方向來確定加熱位置。 3）加熱溫度和加熱區(qū)的面積，應(yīng)根據(jù)焊件 的變形量及焊件材質(zhì)確定。 當(dāng)焊件變形量較大時(shí)，加熱溫度應(yīng)高一 些，加熱區(qū)的面積應(yīng)大一些。 綜合知識(shí)模塊三 焊接殘余應(yīng)力 能力知識(shí)點(diǎn)1 焊接殘余應(yīng)力的分布 厚板焊接時(shí)出現(xiàn)的焊接應(yīng)力是三向的。 當(dāng)焊件厚度不大時(shí)（小于20mm），厚度方 向的應(yīng)力z相對(duì)較小，可將其忽略而看成 雙向應(yīng)力x、y。 薄長(zhǎng)板條對(duì)接焊時(shí)，因垂直焊縫方向的應(yīng) 力y較小而忽略，主要考慮平行于焊縫軸

47、 線方向的縱向應(yīng)力x。 1縱向殘余應(yīng)力的分布 作用方向平行于焊縫軸線的殘余應(yīng)力稱為縱 向殘余應(yīng)力，用x表示。 在焊接結(jié)構(gòu)中，焊縫及其附近區(qū)域的縱向殘 余應(yīng)力為拉應(yīng)力，一般可達(dá)到材料的屈服強(qiáng) 度。 離開焊縫區(qū)，拉應(yīng)力急劇下降并轉(zhuǎn)為壓應(yīng)力。 寬度相等的兩板對(duì)接時(shí)，其縱向殘余應(yīng)力在 焊件橫截面上的分布情況如圖2-39所示。 圖2-39 對(duì)接接 頭x在焊縫橫 截面上的分布 板邊堆焊的應(yīng)力與變形 圖2-40所示為板邊堆焊時(shí)， x在焊縫橫截 面上的分布。 兩塊不等寬度的板對(duì)接時(shí)，寬度相差越 大，寬板中的應(yīng)力分布越接近于板邊堆焊 時(shí)的情況。 若兩板寬度相差較小時(shí)，其應(yīng)力分布近似 于等寬板對(duì)接時(shí)的情況。 圖2

48、-40 板邊堆焊時(shí)的 殘余應(yīng)力與變形 x在焊件縱截面上的分布規(guī)律 縱向應(yīng)力x在焊件縱截面上的分布規(guī)律如 圖2-41所示。 在焊件縱截面端頭由于拘束很小， x為 零，焊縫端部存在一個(gè)殘余應(yīng)力過渡區(qū)， 焊縫中段是殘余應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)。 當(dāng)焊縫較短時(shí)，不存在穩(wěn)定區(qū)，焊縫越 短，x越小。 圖2-41 不同長(zhǎng)度焊縫 縱截面上x的分布 a）短焊縫 b）中長(zhǎng)焊縫 c）長(zhǎng)焊縫 2橫向殘余應(yīng)力的分布 垂直于焊縫軸線的殘余應(yīng)力稱為橫向殘余 應(yīng)力，用y表示。 橫向殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因比較復(fù)雜，一般 認(rèn)為它是由下面兩部分合成得來的。 焊縫及其附近塑性變形區(qū)的縱向收縮引起 的橫向應(yīng)力y， 焊縫及其塑性變形區(qū)的橫向收縮的不均勻

49、和不同時(shí)性所引起的橫向應(yīng)力y。 （1）縱向收縮引起的橫向應(yīng)力y 如圖2-42 a所示，該構(gòu)件由兩塊平板條對(duì)接 而成，如果假想沿焊縫中心將構(gòu)件一分為 二，即兩塊板條都相當(dāng)于板邊堆焊，將出 現(xiàn)如圖2-42b所示的彎曲變形， 要使兩板條恢復(fù)到原來位置，必須在焊縫 中部加上橫向拉應(yīng)力，在焊縫兩端加上橫 向壓應(yīng)力。 圖2-42 縱向收縮引起的y的分布 y的分布規(guī)律 由此可以推斷，焊縫及其附近塑性變形區(qū) 的縱向收縮引起的橫向應(yīng)力如圖2-42c所 示，其兩端為壓應(yīng)力，中間為拉應(yīng)力。 各種長(zhǎng)度的平板條對(duì)接焊，其y的分布規(guī) 律基本相同，但焊縫越長(zhǎng)，中間部分的拉 應(yīng)力將有所降低，如圖2-43所示。 圖2-43 不

50、同長(zhǎng)度平板 對(duì)接焊時(shí)y的分布 a）短焊縫b）中長(zhǎng)焊縫c）長(zhǎng)焊縫 （2）橫向收縮引起的橫向應(yīng)力y 在焊接結(jié)構(gòu)上，一條焊縫不可能同時(shí)完 成，先焊的部分先冷卻，后焊的部分后冷 卻。 先冷卻的部分，限制后冷卻部分的橫向收 縮，這就引起了y 。 y的分布與焊接方向、分段方法及焊接順 序等因素有關(guān)。 不同方向焊接時(shí)y的分布規(guī)律 圖2-44a中，焊縫中間部分先焊先收縮，兩 端部分后焊后收縮，則兩端部分的橫向收 縮受到限制，因此y的分布是中間部分為 壓應(yīng)力，兩端部分為拉應(yīng)力； 圖2-44b中，焊縫則是從兩端向中間進(jìn)行焊 接，中間部分為拉應(yīng)力，兩端部分為壓應(yīng) 力。 圖2-44 不同方向焊接時(shí)的分布 a）由中間向

51、兩端焊b）由兩端向中間焊 3特殊情況下的殘余應(yīng)力分布 （1）厚板中的焊接殘余應(yīng)力 厚板結(jié)構(gòu)中除了存在縱向殘余應(yīng)力和橫向 殘余應(yīng)力外，在厚度方向還存在較大的殘 余應(yīng)力。 研究表明，它們?cè)诤穸壬系姆植际遣痪鶆?的，主要受焊接工藝方法的影響。 厚板電渣焊時(shí)的應(yīng)力分布 圖2-45為厚240mm的低碳鋼電渣焊焊縫中心 線上的應(yīng)力分布。 該焊縫中心存在三向均為拉伸的殘余應(yīng)力， 且均為最大值，這與電渣焊工藝有關(guān)。 因電渣焊時(shí)，焊縫正、背面裝有水冷銅滑 塊，表面冷卻速度快，中心部位冷卻較慢， 最后冷卻的收縮受周圍金屬制約，故中心部 位出現(xiàn)較高的拉應(yīng)力。 圖2-45 厚板電渣焊中 沿厚度上的應(yīng)力分布 a)z在厚

52、度上的分布 b)x在厚度上的分布 c)y在厚度上的分布 （2）在拘束狀態(tài)下焊接殘余應(yīng)力 在生產(chǎn)中焊接結(jié)構(gòu)往往是在受拘束的情況 下進(jìn)行焊接的。 圖2-46a所示，焊件橫向加以剛性拘束， 焊后其橫向收縮受到限制，因而產(chǎn)生了拘 束橫向應(yīng)力，如圖2-46b所示。 圖2-46b與圖2-46c所示的橫向應(yīng)力疊加， 結(jié)果在焊件中產(chǎn)生了如圖2-46d所示的合成 橫向應(yīng)力。 圖2-46 拘束狀態(tài)下 對(duì)接接頭的橫向應(yīng)力分布 a)拘束狀態(tài)下的焊件 b)拘束橫向殘余應(yīng)力 c)焊接橫向殘余應(yīng)力 d)合成橫向殘余應(yīng)力 （3）封閉焊縫中殘余應(yīng)力 在板殼結(jié)構(gòu)中經(jīng)常遇到接管、鑲塊和人孔 法蘭等封閉焊縫焊接， 它們是在較大拘束下

53、焊接的，由此產(chǎn)生的 內(nèi)應(yīng)力都較大。 內(nèi)應(yīng)力的大小與焊件和鑲?cè)塍w本身的剛度 有關(guān)， 剛度越大，內(nèi)應(yīng)力也越大。 封閉焊縫中的殘余應(yīng)力 圖2-47所示為圓盤中焊入鑲塊后的殘余應(yīng) 力， 為切向應(yīng)力， r為徑向應(yīng)力。 從圖2-47b圖中曲線可以看出，徑向應(yīng)力均 為拉應(yīng)力，切向應(yīng)力在焊縫附近最大，為 拉應(yīng)力，由焊縫向外側(cè)逐漸下降為壓應(yīng) 力，由焊縫向中心達(dá)到一均勻值。 在鑲塊中部有一個(gè)均勻的雙軸應(yīng)力場(chǎng)，鑲 塊直徑越小，外板對(duì)它的約束越大，這個(gè) 均勻雙軸應(yīng)力值就越高。 圖2-47 圓形鑲塊 封閉焊縫的殘余應(yīng)力 a）封閉焊縫 b）和r的分布 （4）焊接梁柱中的殘余應(yīng)力 圖2-48所示為t形梁、工字梁和箱形梁縱向

54、 殘余應(yīng)力的分布情況。 對(duì)于此類結(jié)構(gòu)可以將其腹板和翼板分別看 作是板邊堆焊或板中心堆焊加以分析， 一般情況下焊縫及其附近區(qū)域中總是存在 有較高的縱向拉應(yīng)力，而在腹板的中部則 會(huì)產(chǎn)生縱向壓應(yīng)力。 圖2-48 焊接梁柱的 縱向殘余應(yīng)力分布 a）焊接t形梁的殘余應(yīng)力 b）焊接工字梁的殘余應(yīng)力 c）焊接箱形梁的殘余應(yīng)力 （5）環(huán)形焊縫中的殘余應(yīng)力 管道對(duì)接時(shí)，環(huán)形焊縫中的焊接殘余應(yīng)力 分布比較復(fù)雜， 當(dāng)管徑和壁厚之比較大時(shí)，環(huán)形焊縫中的 應(yīng)力分布與平板對(duì)接相類似，如圖2-49所 示，但焊接殘余應(yīng)力的峰值比平板對(duì)接焊 要小。 圖2-49 圓筒環(huán)縫縱縫 縱向殘余應(yīng)力分布 能力知識(shí)點(diǎn)2 焊接殘余應(yīng)力 對(duì)焊接

55、結(jié)構(gòu)的影響 焊接殘余應(yīng)力的存在，不僅會(huì)對(duì)焊件的結(jié) 構(gòu)強(qiáng)度、加工尺寸精度以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性帶 來影響， 同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度、疲勞強(qiáng)度及應(yīng)力腐蝕 開裂有不同程度的影響。 1對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響 沒有嚴(yán)重應(yīng)力集中的焊接結(jié)構(gòu)，只要材料 具有一定的塑性變形能力，焊接內(nèi)應(yīng)力并 不影響結(jié)構(gòu)的靜載強(qiáng)度。 但是，當(dāng)材料處于脆性狀態(tài)時(shí)，則殘余拉 應(yīng)力和外載引起的拉應(yīng)力疊加有可能使局 部區(qū)域的應(yīng)力首先達(dá)到斷裂強(qiáng)度，導(dǎo)致結(jié) 構(gòu)早期破壞。 因此，焊接殘余應(yīng)力的存在將明顯降低脆 性材料結(jié)構(gòu)的靜載強(qiáng)度。 2對(duì)構(gòu)件加工尺寸精度的影響 焊件上的殘余應(yīng)力在機(jī)械加工時(shí)， 由于一部分金屬?gòu)暮讣媳磺谐?，從而?壞了它原來的平衡狀態(tài)， 于是殘余

56、應(yīng)力會(huì)重新分布，以達(dá)到新的平 衡，與此同時(shí)構(gòu)件產(chǎn)生變形，于是加工精 度受到影響。 3對(duì)受壓桿件穩(wěn)定性的影響 當(dāng)外載引起的壓應(yīng)力與殘余壓應(yīng)力疊加之和 達(dá)到屈服極限， 使這部分截面喪失進(jìn)一步承受外載的能力， 于是削弱了桿件的有效截面，使壓桿的失穩(wěn) 臨界應(yīng)力值下降，對(duì)壓桿穩(wěn)定性有不利的影 響。 為保證焊接結(jié)構(gòu)具有良好的使用性能， 在焊接過程中，必須設(shè)法減小焊接殘余應(yīng) 力； 有些重要的結(jié)構(gòu)，焊后還必須采取措施消 除焊接殘余應(yīng)力。 能力知識(shí)點(diǎn)3 減小 焊接殘余應(yīng)力的措施 減小焊接殘余應(yīng)力，一般來說，可以從設(shè) 計(jì)和工藝兩方面著手： 設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，在不影響結(jié)構(gòu)使用性能 的前提下，應(yīng)盡量考慮采用能減小和改善

57、 焊接應(yīng)力的設(shè)計(jì)方案； 另外，在制造過程中還要采取一些必要的 工藝措施，以使焊接應(yīng)力減小到最低程度。 1設(shè)計(jì)措施 1）在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，盡量減少結(jié) 構(gòu)上焊縫的數(shù)量和焊縫尺寸。 2）避免焊縫過于集中，焊縫間應(yīng)保持足夠 的距離。焊縫過分集中不僅使應(yīng)力分布更 不均勻，而且可能出現(xiàn)雙向或三向復(fù)雜的 應(yīng)力狀態(tài)。 此外，焊縫不要布置在高應(yīng)力區(qū)及結(jié)構(gòu)截 面突變的地方，防止殘余應(yīng)力與外力疊 加，影響結(jié)構(gòu)的承載能力。 3）采用剛性較小的接頭形式 如圖2-50所示容器與接管之間連接接頭的 兩種形式， 插入式連接的拘束度比翻邊式的大， 插入式的焊縫上可能產(chǎn)生雙向拉應(yīng)力，且 達(dá)到較高數(shù)值； 而翻邊式的焊縫上主要

58、是縱向殘余應(yīng)力。 圖2-50 焊接管的連接 a）插入式b）翻邊式 2工藝措施 （1）采用合理的裝配焊接順序和方向 合理的裝配焊接順序應(yīng)該能使每條焊縫盡 可能自由收縮，具體應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： 1）在一個(gè)平面上的焊縫，焊接時(shí)應(yīng)保證焊 縫的縱向和橫向收縮均能比較自由。 如圖2-51的拼板焊接，合理的焊接順序應(yīng) 是按圖中l(wèi)10施焊，即先焊相互錯(cuò)開的短 焊縫，后焊直通長(zhǎng)焊縫。 圖2-51 拼接焊縫的裝配焊接順序 2）收縮量最大的焊縫先焊 因?yàn)橄群傅暮缚p收縮時(shí)受阻較小，因而殘 余應(yīng)力就比較小。 如圖2-52所示的帶蓋板的雙工字梁結(jié)構(gòu)， 應(yīng)先焊蓋板上的對(duì)接焊縫l， 后焊蓋板與工字梁之間的角焊縫2， 原因是對(duì)接

59、焊縫的收縮量比角焊縫的收縮 量大。 圖2-52 帶蓋板的 雙工字梁結(jié)構(gòu)焊接順序 3）工作時(shí)受力最大的焊縫先焊 如圖2-53所示的大型工字梁， 應(yīng)先焊受力最大的翼板對(duì)接焊縫l， 再焊腹板對(duì)接焊縫2， 最后焊預(yù)先留出來的一段角焊縫3。 圖2-53 對(duì)接工字梁的焊接順序 4）注意平面交叉焊縫的焊接順序 如圖2-54所示，為幾種t形接頭焊縫和十字 接頭焊縫， 應(yīng)采用圖2-54中a、b、c的焊接順序，才能 避免在焊縫的相交點(diǎn)產(chǎn)生裂紋及夾渣等缺 陷。 圖2-54d為不合理的焊接順序。 圖2-54 平面交叉焊縫的焊接順序 合理合理合理 不合理 對(duì)接焊縫與角焊縫交叉 圖2-55為對(duì)接焊縫與角焊縫交叉的結(jié)構(gòu)。

60、對(duì)接焊縫1的橫向收縮量大，必須先焊對(duì)接 焊縫1，后焊角焊縫2。 反之，如果先焊角焊縫2，則焊接對(duì)接焊縫 1時(shí)，其橫向收縮不自由，極易產(chǎn)生裂紋。 圖2-55 對(duì)接焊縫與角焊縫交叉 （2）縮小焊接區(qū) 與結(jié)構(gòu)整體之間的溫差 引起焊接應(yīng)力與變形的根本原因是焊件受 熱不均勻， 焊接區(qū)與結(jié)構(gòu)整體之間的溫差越大，則引 起的焊接應(yīng)力與變形越大。 工程中常用“預(yù)熱法”和“冷焊法”減小焊接區(qū) 與結(jié)構(gòu)整體之間的溫差。 預(yù)熱法 預(yù)熱法是在施焊前，預(yù)先將焊件局部或整 體加熱到150650。 對(duì)于焊接或焊補(bǔ)那些淬硬傾向較大的材料 的焊件，以及剛性較大或脆性材料焊件 時(shí)，常常采用預(yù)熱法。 冷焊法 冷焊法是通過減少焊件受熱來