第3講焊接應(yīng)力與變形

1、第3講 焊接應(yīng)力與變形金屬結(jié)構(gòu)在焊接過程產(chǎn)生各式各樣的焊接變形和大小不同的焊接應(yīng)力。若焊件在焊接時(shí)能自由收縮，則焊后焊件的變形較大，而應(yīng)力較小，如果由于外力的限制或自身剛性較大，焊件不能自由收縮，則焊后焊件的變形較小而應(yīng)力較大。在實(shí)際生產(chǎn)中，焊后總會產(chǎn)生一定的變形，并存在一定的焊接殘余應(yīng)力，變形和應(yīng)力兩者在焊接時(shí)同時(shí)產(chǎn)生。3.1 焊接應(yīng)力及變形產(chǎn)生的原因和影響因素3.1.1 焊接應(yīng)力與焊接變形的概念物體受到外力作用時(shí)，在其單位截面積上所受的力稱為應(yīng)力。當(dāng)沒有外力存在時(shí)，物體內(nèi)部所出現(xiàn)的應(yīng)力稱為內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力在物體內(nèi)部是相互平衡的，如物體內(nèi)有拉伸內(nèi)應(yīng)力，就必然有壓縮內(nèi)應(yīng)力，這是內(nèi)應(yīng)力的重要特征。

2、在焊接過程中，由于不均勻加熱和冷卻，使焊件內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力，稱為焊接內(nèi)應(yīng)力，又名焊接殘余應(yīng)力，過大的焊接應(yīng)力能引起焊件或焊縫產(chǎn)生裂紋，降低結(jié)構(gòu)承載能力，并使結(jié)構(gòu)在腐蝕介質(zhì)中產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。當(dāng)物體受到外力作用時(shí)，它的形狀發(fā)生變化，這種形狀變化稱為變形。當(dāng)外力消失后，物體形狀恢復(fù)原樣，這種變形稱為彈性變形；如果物體所產(chǎn)生變形在外力消失后不能恢復(fù)原狀，這種變形稱為塑性變形。在焊接應(yīng)力的作用下，結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的形狀和尺寸的變化稱為焊接變形，它造成下一道工序施工困難，為矯正焊接變形往往要消耗很多人力和物力，嚴(yán)重的焊接變形，會影響結(jié)構(gòu)承受外力的能力和使用性能，甚至因變形嚴(yán)重?zé)o法矯正而報(bào)廢。因此焊工必須了解焊接應(yīng)力

3、、變形的規(guī)律，掌握減少焊接應(yīng)力和控制焊接變形的措施，以保證結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量。3.1.2 焊接應(yīng)力與焊接變形的形成產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形的原因很多，下面分析一下其中的主要原因。1. 焊接時(shí)焊件不均勻加熱由于焊接時(shí)局部加熱到熔化狀態(tài)，形成焊件上溫度不均勻分布。下面來看看由手工電弧焊溫度不均勻分布而引起的焊接應(yīng)力和變形的過程。設(shè)有一塊鋼板，沿邊緣進(jìn)行堆焊，見圖3-1。如果鋼板是由無數(shù)塊互相能自由滑動的板條組成，板條受熱而伸長，伸長的多少與溫度的高低成正比。圖3-1 鋼板邊緣堆焊時(shí)的應(yīng)力與變形實(shí)際上鋼板是一整體，受熱部分金屬要受到下面未受熱部分金屬的約束，不能自由伸長。因此，堆焊部分金屬伸長時(shí)，帶著整塊鋼板

4、繞中性面向上彎曲變形，受到壓縮應(yīng)力。當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，壓縮應(yīng)力繼續(xù)增加。鋼板隨溫度升高，屈服極限不斷降低，在600左右屈服極限幾乎接近于零。因此，堆焊部分的金屬在壓縮應(yīng)力作用下產(chǎn)生塑性變形。冷卻時(shí)，堆焊金屬逐漸收縮而使內(nèi)部的壓縮應(yīng)力逐漸消失，同時(shí)，在高溫產(chǎn)生的壓縮變形保留下來，即堆焊金屬冷卻下來后比原始長度要縮短。同樣道理，縮短時(shí)也受到原來末加熱部分金屬的約束，其結(jié)果使整塊鋼板產(chǎn)生向下彎曲變形；同時(shí)，堆焊處金屬受到拉伸應(yīng)力。由上面分析可以看到，焊件局部不均勻受熱是產(chǎn)生變形和應(yīng)力的主要原因。焊接后，在焊縫以及焊縫附近金屬受拉應(yīng)力，離焊縫較遠(yuǎn)處的金屬受壓應(yīng)力。2. 熔敷金屬的收縮焊縫金屬在凝固和冷

5、卻過程中，體積要發(fā)生收縮，這種收縮使焊件產(chǎn)生變形和內(nèi)應(yīng)力，焊縫金屬的收縮量決定于熔化金屬的數(shù)量。例如焊接V型坡口對接接頭時(shí)，焊縫上部寬，熔化金屬多，收縮量大。上下收縮量不一致，故發(fā)生角變形。3. 金屬組織的變化金屬加熱到很高溫度并隨后冷卻下來，金屬內(nèi)部組織要發(fā)生變化。由于各種組織的比容不同，鋼中常見組織的比容見表3-1。所以，金屬冷卻下來時(shí)要發(fā)生體積的變化。表3-1 鋼中常見組織的比容鋼中常見組織奧氏體鐵素體珠光體滲碳體馬氏體比容/（cm3/g）0.1230.1250.1270.1290.1300.1270.1314. 焊件的剛性焊件的剛性本身就限制了焊件在焊接過程中的變形，所以剛性不同的焊接

6、結(jié)構(gòu)，焊后變形的大小不同。焊件夾持在卡具中進(jìn)行焊接，由于夾具夾緊力的限制，焊件不能隨溫度的變化自由膨脹和收縮，這樣也就有效地減少了焊件的變形，但焊件中產(chǎn)生了較大的內(nèi)應(yīng)力。在焊接過程中多種因素影響著應(yīng)力與變形的變化，如焊接方法、焊接速度、焊件的裝配間隙、對口質(zhì)量、焊件的自重等，特別是裝配順序和焊接順序?qū)附幼冃闻c應(yīng)力有較大的影響。3.1.3 影響焊接變形與焊接應(yīng)力的因素3.1.3.1 焊接加熱量的影響1. 焊接線能量焊接工藝參數(shù)會影響構(gòu)件的受熱程度，而受熱程度是用線能量來衡量的。決定線能量的主要參數(shù)是焊接電流I、電弧電壓U和焊接速度v等三個(gè)方面。輸入的熱量愈大，則焊接變形與應(yīng)力也就愈大。2. 焊

7、接方法不同的焊接方法（氣焊、焊條電弧焊、埋弧焊、CO2氣體保護(hù)焊）加熱區(qū)的大小不同，因而對焊接變形與應(yīng)力的影響也完全不同。焊接相同厚度的鋼板時(shí)，埋弧焊比焊條電弧焊變形小，因?yàn)榍罢吆附铀俣瓤欤娏髅芏却?，加熱集中，熔深大。焊接薄板結(jié)構(gòu)時(shí)，氣焊的變形最大，焊條電弧焊次之，CO2氣體保護(hù)焊最小。因?yàn)镃O2氣體保護(hù)焊用細(xì)焊絲，電流密度大，加熱集中，而氣焊火焰加熱區(qū)域?qū)挘瑹崃坎患小?. 焊縫尺寸與焊縫熱量焊縫尺寸大，數(shù)量多，則焊接變形與應(yīng)力就增大。因此應(yīng)按規(guī)定的焊縫尺寸施焊，不要任意加大焊縫尺寸。因?yàn)檫@樣熔化金屬量多，就是輸入的熱量大，則焊接變形也就明顯增大。4. 焊縫的位置焊縫的位置是影響結(jié)構(gòu)的彎曲

8、變形的主要因素。在焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)使焊縫盡量對稱布置，如果實(shí)際情況不可能對稱布置，在焊接時(shí)設(shè)法采用合理的焊接順序或反變形措施。3.1.3.2 結(jié)構(gòu)剛度的影響1. 構(gòu)件的尺寸和形狀結(jié)構(gòu)的剛度是結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力，與構(gòu)件的變形及其尺寸大小有關(guān)。結(jié)構(gòu)剛度愈大，抵抗變形的能力就愈大，構(gòu)件內(nèi)殘余應(yīng)力也就愈大，則焊接變形愈小。但結(jié)構(gòu)剛度過大，有時(shí)在焊接時(shí)會導(dǎo)致焊縫開裂，在焊接厚板或嵌補(bǔ)板時(shí)，尤其容易出現(xiàn)。因此，焊接具有較大剛度的鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)的工藝措施。2. 胎卡具的影響為了提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品裝焊質(zhì)量，在生產(chǎn)上常常采用胎卡具固定被焊構(gòu)件，藉以提高結(jié)構(gòu)剛度，防止和減少焊接變形。但胎卡具固定作用可

9、能增大構(gòu)件的焊接殘余應(yīng)力，消耗一部分材料的塑性。因此，對塑性比較差的鋼材，不能用胎卡具固定得太牢，以免引起過大的焊接殘余應(yīng)力。3. 裝配、焊接順序裝配、焊接順序?qū)附幼冃闻c焊接應(yīng)力有很大的影響，不同的裝配次序，不僅使結(jié)構(gòu)具有不同的剛度，而且使焊縫和結(jié)構(gòu)中性軸的相對位置也發(fā)生變化，對焊接變形將產(chǎn)生很大的影響?，F(xiàn)舉例如下。例一：圖3-2為長度L=12m的一根焊接工字梁，由零件1、2、3三部分組成。由于上下翼板寬度不同，可以有三種不同的裝配焊接方案。方案a：先將零件1、2裝配焊接之后，再與零件3裝配焊接在一起，焊后測得縱向彎曲變形撓度為21.1mm。方案b：先將零件2、3裝配焊接之后，再與零件1裝配

10、焊接在一起。焊后測得縱向彎曲變形撓度為6.8mm。方案c：將零件1、2、3全裝配在一起，最后焊接。焊后測得縱向彎曲變形撓度為4.7mm。a) b) c)圖3-2 不對稱工字梁裝焊順序?qū)附幼冃蔚挠绊?、3上下翼板 2腹板例二：圖3-3為兩種不同的拼板焊接順序：方案a：若先焊接3、4兩條焊縫，再焊接焊接5、6兩條焊縫，則由于5、6兩條焊縫的橫向收縮受到限制，平焊縫中將產(chǎn)生很大的焊接拉應(yīng)力，在焊縫附近的鋼板上，有時(shí)還會產(chǎn)生皺折。這是一種錯(cuò)誤的焊接順序，見圖3-3（a）。方案b：在確定拼板焊接順序時(shí)，即要考慮焊接變形，也要考慮焊接應(yīng)力，在保證焊接變形較小的情況下，盡量保證每條焊縫能自由收縮，以減少焊

11、接殘余應(yīng)力，見圖3-3（b）。 a) b)圖3-3 平板拼焊時(shí)的焊接順序a)錯(cuò)誤 b)正確1、2、3、4、5、6焊接順序例三：圖3-4所示為兩種不同的工字梁對接焊接順序。方案a：按圖上所示的焊接順序，則在上下兩翼板中產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力。工字梁承受載荷時(shí)，其下翼板受拉伸，腹板的上部受壓縮，因此工作應(yīng)力與焊接殘余應(yīng)力是相互疊加的，這對工字梁的工作狀況是很不利的，是一種錯(cuò)誤的焊接順序。方案b：先焊翼板，后焊腹板，則在翼板中出現(xiàn)壓應(yīng)力，而在腹板中出現(xiàn)拉應(yīng)力。當(dāng)工字梁承受載荷時(shí)，下翼板受拉伸，可以與原來的壓應(yīng)力抵消一部分。而腹板上半部的壓應(yīng)力又可與原來的拉應(yīng)力抵消一部分，從而減少腹板發(fā)生皺折（失穩(wěn)）的可能

12、性。此方案是比較好的。a) b)圖3-4 不同的工字梁對接時(shí)的焊接順序a)錯(cuò)誤 b)正確1，2，3焊接順序3.2 焊接變形的種類和應(yīng)力分布焊接時(shí)所產(chǎn)生的變形分為兩大類，有局部變形和整體變形。所謂局部變形是指這種變形僅發(fā)生在焊接結(jié)構(gòu)的某一局部，例如角變形波浪形；所謂整體變形是指焊接時(shí)產(chǎn)生遍及整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形，例如撓度和扭曲。焊接結(jié)構(gòu)的變形過大會影響結(jié)構(gòu)的使用，因此，在設(shè)計(jì)和制造過程中，必須設(shè)法使結(jié)構(gòu)變形最小。3.2.1 焊接變形的種類3.2.1.1 縱向收縮變形表現(xiàn)為焊后構(gòu)件在焊縫長度方向上發(fā)生收縮，使長度縮短，如圖3-5中的L所示?？v向收縮是一種面內(nèi)變形。3.2.1.2 橫向收縮變形表現(xiàn)為焊后構(gòu)

13、件在垂直焊縫長度方向上發(fā)生收縮，如圖3-5中的B所示。橫向收縮也是一種面內(nèi)變形。圖3-5 縱向和橫向收縮變形3.2.1.3 撓曲變形是指構(gòu)件焊后發(fā)生撓曲。撓曲可以由縱向收縮引起，也可以由橫向收縮引起，見圖3-6。撓曲變形是一種面內(nèi)變形。圖3-6 撓曲變形a）由縱向收縮引起的撓曲變形 b）由橫向收縮引起的撓曲變形3.2.1.4 角變形表現(xiàn)為焊后構(gòu)件的平面圍繞焊縫產(chǎn)生角位移，是由于焊縫截面形狀上下不對稱使焊縫的橫向縮短上下不均勻所引起。圖3-7給出了角變形的常見形式。角變形是一種面外變形。圖3-7 角變形3.2.1.5 波浪變形指構(gòu)件的平面焊后呈現(xiàn)出高低不平的波浪形式，這是一種在薄板焊接時(shí)易于發(fā)生

14、的變形形式，如圖3-8所示。波浪變形也是一種面外變形。圖3-8 波浪變形3.2.1.6 錯(cuò)邊變形指由焊接所導(dǎo)致的構(gòu)件在長度方向或厚度方向上出現(xiàn)錯(cuò)位，見圖3-9。長度方向的錯(cuò)邊變形是面內(nèi)變形，厚度方向上的錯(cuò)邊變形為面外變形。3.2.1.7 螺旋形變形又叫扭曲變形，表現(xiàn)為構(gòu)件在焊后出現(xiàn)扭曲，見圖3-10。扭曲變形是一種面外變形。圖3-9 錯(cuò)邊變形a）長度方向的錯(cuò)邊 b）厚度方向的錯(cuò)邊圖3-10 螺旋形變形在實(shí)際焊接生產(chǎn)過程中，各種焊接變形常常會同時(shí)出現(xiàn)，互相影響。這一方面是由于某些種類的變形的誘發(fā)原因是相同的，因此這樣的變形就會同時(shí)表現(xiàn)出來。另一方面，構(gòu)件作為一個(gè)整體，在不同位置焊接不同性質(zhì)、不同

15、數(shù)量和不同長度的焊縫，每條焊縫所產(chǎn)生的變形要在構(gòu)件內(nèi)相互制約和相互協(xié)調(diào)，因而相互影響。3.2.2 焊接殘余應(yīng)力分布構(gòu)件焊接后存在殘余應(yīng)力，根據(jù)產(chǎn)生的原因來分有：溫度殘余應(yīng)力、相交殘余應(yīng)力和裝配殘余應(yīng)力。一般焊接結(jié)構(gòu)制造所用材料的厚度相對于長和寬都很小，在板厚小于20mm的薄板和中厚板制造的焊接結(jié)構(gòu)中，厚度方向上的焊接應(yīng)力很小，殘余應(yīng)力基本上是雙軸的，即為平面應(yīng)力狀態(tài)。只有在大型結(jié)構(gòu)厚截面焊縫中，在厚度方向上才有較大的殘余應(yīng)力。通常，將沿焊縫方向上的殘余應(yīng)力稱為縱向應(yīng)力，以x表示；將垂直于焊縫方向上的殘余應(yīng)力稱為橫向應(yīng)力，以y表示；對厚度方向上的殘余應(yīng)力以z表示。3.2.2.1 縱向殘余應(yīng)力的分

16、布平板對接焊件中的焊縫及近縫區(qū)等經(jīng)歷過高溫的區(qū)域中存在縱向殘余拉應(yīng)力，其縱向殘余應(yīng)力沿焊縫長度方向的分布如圖3-11所示。當(dāng)焊縫比較長時(shí)，在焊縫中段會出現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定區(qū)，對于低碳鋼材料來說，穩(wěn)定區(qū)中的縱向殘余應(yīng)力x將達(dá)到材料的屈服極限s。在焊縫的端部存在應(yīng)力過度區(qū)，縱向應(yīng)力x逐漸減小，在板邊處x=0。這是因?yàn)榘宓亩嗣?-0截面處是自由邊界，端面之外沒有材料，其內(nèi)應(yīng)力值自然為零，因此端面處的縱向應(yīng)力x=0。一般來說，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力的方向垂直于材料邊界時(shí)，則在該邊界處的與邊界垂直的應(yīng)力值必然等于零。如果應(yīng)力的方向與邊界不垂直，則在邊界上就會存在一個(gè)切應(yīng)力分量，因而不等于零。當(dāng)焊縫長度比較短時(shí)，應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)將消

17、失，僅存在過度區(qū)。并且焊縫越短縱向應(yīng)力x的數(shù)值就越小?？v向應(yīng)力沿板材橫截面上的分布表現(xiàn)為中心區(qū)域是拉應(yīng)力，兩邊為壓應(yīng)力，拉應(yīng)力和壓應(yīng)力在截面內(nèi)平衡。圖3-11 平板對接時(shí)焊縫上縱向應(yīng)力沿焊縫長度方向上的分布3.2.2.2 橫向殘余應(yīng)力的分布橫向殘余應(yīng)力產(chǎn)生的直接原因是來自焊縫冷卻時(shí)的橫向收縮，間接原因是來自焊縫的縱向收縮。另外，表面和內(nèi)部不同的冷卻過程以及可能疊加的鑲邊過程也會影響橫向應(yīng)力的分布。1. 縱向收縮的影響考慮邊緣無拘束（橫向可以自由收縮）時(shí)平板對接焊的情況。如果將焊件自焊縫中心線一分為二，就相當(dāng)于兩塊板同時(shí)受到板邊加熱的情形。由前述分析可知，兩塊板將產(chǎn)生相對的彎曲。（見圖3-12b

18、），由于兩塊板實(shí)際上已經(jīng)連接在一起，因而必將在焊縫的兩端部分產(chǎn)生壓應(yīng)力而中心部分產(chǎn)生拉應(yīng)力，這樣才能保證板不彎曲。所以焊縫上的橫向應(yīng)力y”應(yīng)表現(xiàn)為兩端受壓、中間受拉的形式，壓應(yīng)力的值要比拉應(yīng)力大得多。當(dāng)焊縫較長時(shí)，中心部分的拉應(yīng)力值將有所下降，并逐漸趨近于零（見圖3-13）。圖3-12 由縱向收縮所引起的橫向應(yīng)力的分布圖3-13 不同長度焊縫上的橫向應(yīng)力的比較2. 橫向收縮的影響對于邊緣受拘束的板，焊縫及其周圍區(qū)域受拘束的橫向收縮對橫向應(yīng)力起主要作用。由于一條焊縫的各個(gè)部分不是同時(shí)完成的，先焊接的部分先冷卻并恢復(fù)彈性，會對后冷卻的部分的橫向收縮產(chǎn)生阻礙作用，因而產(chǎn)生橫向應(yīng)力?；谶@一分析可以發(fā)

19、現(xiàn)，焊接的方向和順序?qū)M向應(yīng)力必然產(chǎn)生影響。例如：平板對接時(shí)如果從中間向兩邊施焊，中間部分先于兩邊冷卻。后冷卻的兩邊在冷卻收縮過程中會對中間先冷卻的部分產(chǎn)生橫向擠壓作用，使中間部分受到壓應(yīng)力；而中間部分會對兩端的收縮產(chǎn)生阻礙，使兩端承受拉應(yīng)力。所以在這種情況下，y”的分布表現(xiàn)為中間部分承受壓應(yīng)力，兩端部分承受拉應(yīng)力（見圖3-14a）。如果將焊接方向改為從兩端向中心施焊，造成兩端先冷卻并阻礙中心部分冷卻時(shí)的橫向收縮，就會對中間部分施加拉應(yīng)力并同時(shí)承受中間部分收縮所帶來的壓應(yīng)力。因此，在這種情況下y”的分布表現(xiàn)為中間部分承受拉應(yīng)力，兩端部分承受壓應(yīng)力（見圖3-14b），與前一種情況正好相反。圖3-

20、14 不同焊接方向?qū)M向應(yīng)力分布的影響對于直通焊縫來說，焊縫尾部最后冷卻，因而其橫向收縮受到已經(jīng)冷卻的先焊部分的阻礙，故表現(xiàn)為拉應(yīng)力，焊縫中段則為壓應(yīng)力。而焊縫初始段由于要保持截面內(nèi)應(yīng)力的平衡，也表現(xiàn)為拉應(yīng)力，其橫向應(yīng)力的分布規(guī)律如圖3-14c）所示。采用分段退焊和分段跳焊，y”的分布將出現(xiàn)多次交替的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力區(qū)。焊縫縱向收縮和橫向收縮是同時(shí)存在的，因此橫向應(yīng)力的兩個(gè)組成部分y和y”也是同時(shí)存在的。橫向應(yīng)力y應(yīng)是上述兩部分應(yīng)力y和y”綜合作用的結(jié)果。橫向應(yīng)力在與焊縫平行的各截面上的分布與在焊縫中心線上的分布相似，但隨著離開焊縫中心線距離的增加，應(yīng)力值降低，在板的邊緣處y=0（見圖3-15）

21、。由此可以看出，橫向應(yīng)力沿板材橫截面的分布表現(xiàn)為，焊縫中心應(yīng)力幅值大，兩側(cè)應(yīng)力幅值小，邊緣處應(yīng)力值為零。圖3-15 橫向應(yīng)力沿板寬方向的分布3. 厚板中的殘余應(yīng)力厚板焊接接頭中除存在縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力外還存在較大的厚度方向的應(yīng)力z。另外，板厚增加后，縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力在厚度方向上的分布也會發(fā)生很大的變化，此時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)不再滿足平面應(yīng)力模型，而應(yīng)該用平面應(yīng)變模型來分析。厚板焊接多為開坡口多層多道焊接，后續(xù)焊道在（板平面內(nèi)）縱向和橫向都遇到了較高的收縮抗力，其結(jié)果是在縱向和橫向均產(chǎn)生了較高的殘余應(yīng)力。而先焊的焊道對后續(xù)焊道具有預(yù)熱作用，因此對殘余應(yīng)力的增加稍有抑制作用。由于強(qiáng)烈彎曲效應(yīng)的疊加，使先

22、焊焊道承受拉伸，而后焊焊道承受壓縮。橫向拉伸發(fā)生在單邊多道對接焊縫的根部焊道，這是由于在焊縫根部的角收縮傾向較大，如果角收縮受到約束則表現(xiàn)為橫向壓縮。板厚方向的殘余應(yīng)力比較小，因而多道焊明顯避免了三軸拉伸殘余應(yīng)力狀態(tài)。圖3-16給出了V形坡口對接焊縫厚板的三個(gè)方向應(yīng)力的分布。a)b)c)圖3-16 厚板V形坡口對接焊縫的三個(gè)方向殘余應(yīng)力的分布a)橫向殘余應(yīng)力y b)厚向殘余應(yīng)力z c)縱向殘余應(yīng)力x對于厚板對接單側(cè)多層焊縫中的橫向殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，可利用圖3-17a所示的模型來分析。隨著坡口中填充層數(shù)的增加，橫向收縮應(yīng)力y也隨之沿z軸向上移動，并在已經(jīng)填充的坡口的縱截面上引起薄膜應(yīng)力及彎曲應(yīng)

23、力。如果板邊無拘束，厚板可以自由彎曲，則隨著坡口填充層數(shù)的積累，會產(chǎn)生明顯的角變形，導(dǎo)致如圖3-17b所示的應(yīng)力分布，在焊縫根部會產(chǎn)生很高的拉應(yīng)力。相反，如果厚板被剛性固定，限制角變形的發(fā)生，則橫向殘余應(yīng)力的分布如圖3-17c所示，在焊縫根部就會產(chǎn)生壓應(yīng)力。圖3-17 厚板對層焊時(shí)橫向殘余應(yīng)力分布的分析模型4. 拘束狀態(tài)下焊接的內(nèi)應(yīng)力實(shí)際構(gòu)件多數(shù)情況下都是在受拘束的狀態(tài)下進(jìn)行焊接的，這與在自由狀態(tài)下進(jìn)行焊接有很大不同。構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力的分布與拘束條件有密切關(guān)系。這里舉一個(gè)簡單的例子加以說明。圖3-18為一金屬框架，如果在中心構(gòu)件上焊一條對接焊縫（見圖3-18a），則焊縫的橫向收縮受到框架的限制，在框

24、架的中心部分引起拉應(yīng)力f，這部分應(yīng)力并不在中間桿件內(nèi)平衡，而是在整個(gè)框架上平衡，這種應(yīng)力稱之為反作用內(nèi)應(yīng)力。此外，這條焊縫還會引起與自由狀態(tài)下焊接相似的橫向內(nèi)應(yīng)力y。反作用內(nèi)應(yīng)力f與y相疊加形成一個(gè)以拉應(yīng)力為主的橫向應(yīng)力場。如果在中間構(gòu)件上焊接一條縱向焊縫（見圖3-18b），則由于焊縫的縱向收縮受到限制，將產(chǎn)生縱向反作用內(nèi)應(yīng)力f。與此同時(shí)，焊縫還引起縱向內(nèi)應(yīng)力x，最終的縱向內(nèi)應(yīng)力將是兩者的疊加。當(dāng)然疊加后的最大值應(yīng)該小于材料的屈服極限，否則，應(yīng)力場將自行調(diào)整。a) b)圖3-18 拘束條件下焊接的內(nèi)應(yīng)力a)對接焊縫中的橫向應(yīng)力 b)縱向焊縫中的縱向應(yīng)力5. 封閉焊縫引起的內(nèi)應(yīng)力封閉焊縫是指焊道

25、構(gòu)成封閉回路的焊縫。在容器、船舶等板殼結(jié)構(gòu)中經(jīng)常會遇到這類焊縫，如接管、法蘭、人孔、鑲塊等焊縫。圖3-19給出了幾種典型的容器接管焊縫示意圖。圖3-19 容器接管焊縫分析封閉焊縫（特別是環(huán)形焊縫）的內(nèi)應(yīng)力時(shí)，一般使用徑向應(yīng)力r和周向應(yīng)力。徑向應(yīng)力r是垂直于焊接方向的應(yīng)力，所以其情況在一定程度上與y類似；周向應(yīng)力（或叫切向應(yīng)力）是沿焊縫方向的應(yīng)力，因此其情況在一定程度上可類比x。但是由于封閉焊縫與直焊縫的形式和拘束情況不同，因此其分布與x和y仍有差異。6. 相變應(yīng)力當(dāng)金屬發(fā)生相變時(shí)，其比容將發(fā)生突變。這是由于不同的組織具有不同的密度和不同的晶格類型，因而具有不同的比容。例如對于碳鋼來說，當(dāng)奧氏體

26、轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體或馬氏體時(shí)，其比容將由0.1230.125增加到0.1270.131。發(fā)生反方向相變時(shí)，比容將減小相應(yīng)的數(shù)值。如果相變溫度高于金屬的塑性溫度Tp（材料屈服極限為零時(shí)的溫度），則由于材料處于完全塑性狀態(tài)，比容的變化完全轉(zhuǎn)化為材料的塑性變形，因此，不會影響焊后的殘余應(yīng)力分布。對于低碳鋼來說，受熱升溫過程中，發(fā)生鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變，相變的初始溫度為Ac1，終了溫度為Ac3。冷卻時(shí)反向轉(zhuǎn)變的溫度稍低，分別為Ar1和Ar3（見圖3-20a）。在一般的焊接冷卻速度下，其正反向相變溫度均高于600（低碳鋼的塑性溫度Tp），因而其相變對低碳鋼的焊接殘余應(yīng)力沒有影響。圖3-20 鋼材加熱和冷卻時(shí)的

27、膨脹和收縮曲線a）相變溫度高于塑性溫度 b）相變溫度低于塑性溫度對于一些碳含量或合金元素含量較高的高強(qiáng)鋼，加熱時(shí)，其相變溫度Ac1和Ac3仍高于Tp；但冷卻時(shí)其奧氏體轉(zhuǎn)變溫度降低，并可能轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，而馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms遠(yuǎn)低于Tp（見圖3-20b）。在這種情況下，由于奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變使比容增大，不但可以抵消部分焊接時(shí)的壓縮塑性變形，減小殘余拉應(yīng)力，而且可能出現(xiàn)較大的焊接殘余壓應(yīng)力。當(dāng)焊接奧氏體轉(zhuǎn)變溫度低于Tp的板材時(shí)，在塑性變形區(qū)（bs）內(nèi)的金屬產(chǎn)生壓縮塑性變形，造成焊縫中心受拉伸，板邊受壓縮的縱向殘余應(yīng)力x。如果焊縫金屬為不產(chǎn)生相變的奧氏體鋼，則熱循環(huán)最高溫度高于Ac3的近縫區(qū)（bm）內(nèi)的

28、金屬在冷卻時(shí)，體積膨脹，在該區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力。而焊縫金屬為奧氏體，以及板材兩側(cè)溫度低于Ac1的部分均未發(fā)生相變，因而承受拉應(yīng)力。這種由于相變而產(chǎn)生的應(yīng)力稱之為相變應(yīng)力。縱向相變應(yīng)力mx的分布如圖3-21a所示。而焊縫最終的縱向殘余應(yīng)力分布應(yīng)為x與mx之和（見圖3-21a）。如果焊接材料為與母材同材質(zhì)的材料，冷卻時(shí)焊縫金屬和近縫區(qū)bm一樣發(fā)生相變，則其縱向相變應(yīng)力mx和最終的縱向殘余應(yīng)力x+mx如圖3-21b）所示。圖3-21 高強(qiáng)鋼焊接相變應(yīng)力對縱向殘余應(yīng)力分布的影響a)焊縫金屬為奧氏體鋼 b)焊縫成分與母材相近在bm區(qū)內(nèi)，相變所產(chǎn)生的局部縱向膨脹，不但會引起縱向相變應(yīng)力mx，而且也可以引起橫

29、向相變應(yīng)力my，如果沿相變區(qū)bm的中心線將板截開，則相變區(qū)的縱向膨脹將使截下部分向內(nèi)彎曲，為了保持平直，兩個(gè)端部將出現(xiàn)拉應(yīng)力，中部將出現(xiàn)壓應(yīng)力，見圖3-22a。同樣相變區(qū)bm在厚度方向的膨脹也將產(chǎn)生厚度方向的相變應(yīng)力mz。mz也將引起橫向相變應(yīng)力my，其在平板表面為拉應(yīng)力，在板厚中間為壓應(yīng)力，見圖3-22b。從上述分析可以看出，相變不但在bm區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力mx和mz，而且可以引起拉應(yīng)力my。相變應(yīng)力的數(shù)值可以相當(dāng)大，這種拉伸應(yīng)力是產(chǎn)生冷裂紋的原因之一。圖3-22 橫向相變應(yīng)力my的分布a)由mx引起的my沿縱向的分布 b)由mz引起的my在厚度上的分布3.3 焊接變形的控制與矯正為了減少和防止變

30、形，首先要設(shè)計(jì)合理的焊接結(jié)構(gòu)，在焊接施工時(shí)也應(yīng)采取適當(dāng)?shù)墓に嚧胧?.3.1 焊接變形的危害為了提高焊接結(jié)構(gòu)的制造質(zhì)量，必須對焊接變形加以控制。焊接變形對制造和使用的不利影響主要有如下幾方面。1. 降低裝配質(zhì)量部件的焊接變形將使組裝的裝配質(zhì)量下降，并造成焊接錯(cuò)邊，例如：（1）筒體縱縫橫向收縮變形，使筒徑變小，與封頭裝配時(shí)產(chǎn)生焊接錯(cuò)邊。而存在較大錯(cuò)邊量的焊件在外載作用下將會產(chǎn)生應(yīng)力集中和附加應(yīng)力。（2）球形容器環(huán)縫組裝時(shí)，每個(gè)環(huán)帶的所有縱縫橫向收縮的總和，使環(huán)帶直徑變小。若環(huán)帶直徑超出公差范圍，組裝時(shí)將產(chǎn)生較大焊接錯(cuò)邊。2.增加制造成本部件的焊接變形使組裝變得困難，需矯形后方可裝配，從而使生產(chǎn)率

31、下降，制造成本增加，并使矯形部位的性能降低。例如，簡體的縱縫角變形超出一定范圍后，需矯正方可與封頭裝配。而矯形既消耗了生產(chǎn)時(shí)間，又增加了制造成本。3.降低結(jié)構(gòu)的承載能力鍋爐及壓力容器中的焊接變形，如角變形、彎曲變形和波浪變形，不僅影響尺寸的精度和外觀質(zhì)量，而且在外載作用下會引起應(yīng)力集中和附加應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)承載能力下降。尤其應(yīng)當(dāng)引起重視的是，容器中的角變形過大而引起的附加應(yīng)力還可能導(dǎo)致脆斷事故。另一方面由于冷矯使焊接接頭區(qū)域經(jīng)受拉伸塑性變形，從而消耗材料一部分塑性，使材料性能有所下降。3.3.2 焊接變形的控制3.3.2.1 反變形法使焊件在焊前預(yù)先變形，變形的方位應(yīng)與焊接時(shí)所產(chǎn)生的變形方向相反，

32、而達(dá)到防止焊后變形的目的。例如在分段造船中合攏和大合攏中采用了反變形法。中合攏時(shí)，一般5m6m長的船底分段焊接的變形量為5mm8mm，見圖3-23。應(yīng)用反造法時(shí)，在組裝肋構(gòu)時(shí)，可將中龍骨或付龍骨水線由中部適當(dāng)按順序調(diào)高。在現(xiàn)代造船中，當(dāng)采用由堅(jiān)固的胎架強(qiáng)制的正造法時(shí)，也應(yīng)先將胎架做成反變形。a) b)圖3-23 船體底部分段反造法焊后的變形a）焊前 b）焊后3.3.2.2 利用裝配和焊接順序來控制變形采用合理的裝配焊接順序來減小變形具有重大意義。同樣一個(gè)焊接構(gòu)件采用不同的裝配順序，焊后產(chǎn)生的變形不一樣。圖3-24是“II”形梁兩種裝配焊接方案。圖中a是屬于邊裝邊焊的裝配順序，先上蓋板與大小隔板

33、裝配，焊接1縫，然后同時(shí)裝配兩塊腹板，焊接2縫和3縫。圖中b是屬于整裝后焊的裝配順序，首先把“II”形梁全部裝配好，然后焊接1縫，接著焊接2縫和3縫。比較結(jié)果是圖中a所示的邊裝邊焊的裝配方案焊后產(chǎn)生的彎曲變形最小，因此實(shí)際生產(chǎn)中都采用這個(gè)裝配方案。圖中b所示的方案產(chǎn)生彎曲變形比較大的原因是焊縫1的位置在“II”形梁截面上偏心較大。而圖中a所示的方案，焊縫1的位置幾乎與上蓋板截面重心重合，焊接1縫時(shí)對“II”形梁的彎曲變形沒有影響。所以對于焊縫在截面上布置不對稱的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，需要注意選擇合理的裝配順序。a）b）圖3-24 “II”形梁的兩種裝配方案3.3.2.3 剛性固定剛性大的構(gòu)件焊后變形一般都

34、較小。如果在焊接前加強(qiáng)焊件的剛性，那么焊后的變形可以減小。固定的方法很多，有的用簡單的夾具或支撐，有的采用專用的胎具，有的是臨時(shí)點(diǎn)固在剛性工作平臺上，有的甚至利用焊件本身去構(gòu)成剛性較大的組合體。剛性固定法對減小變形很有效，且焊接時(shí)不必過分考慮焊接順序。缺點(diǎn)是有些大件不易固定且焊后撤除固定后焊件還有少許變形。如果與反變形法配合使用則效果更好。例如圖3-25a丁字梁剛性較小，焊后主要產(chǎn)生上拱和角變形，有時(shí)也有旁彎。當(dāng)單件生產(chǎn)時(shí)，可以做一個(gè)臨時(shí)操作臺如圖3-25b，把丁字梁用螺旋卡具夾緊，為了防止角變形，可采用反變形法，在中間墊一小板條，在夾具力的作用下，造成角反變形。焊接順序可以任意進(jìn)行。也可以利

35、用丁字梁本身“背靠背”地進(jìn)行剛性固定如圖3-25c，同時(shí)采取反變形。圖3-25 丁字梁在剛性夾具下進(jìn)行焊接3.3.2.4 散熱法散熱法又稱強(qiáng)迫冷卻法，就是把焊接處的熱量迅速散走，使焊縫附近的金屬受熱面積大大減小，達(dá)到減小焊接變形的目的。圖3-26a是水浸法的示意圖，常用于表面堆焊和焊補(bǔ)。圖3-26b是應(yīng)用散熱墊的示意圖。散熱墊一般采用紫銅板，有的還鉆孔通水。這些墊板越靠近焊縫，防止變形的效果愈好。散熱法比較麻煩，而且對于具有淬火傾向的鋼材不宜采用，否則易裂。a) b)圖3-26 散熱法示意圖a）水浸法 b）散熱墊法3.3.2.5 錘擊焊縫法用圓頭小錘對焊縫敲擊的方法可以減小某些接頭的焊接變形和

36、應(yīng)力。因?yàn)楹附幼冃魏蛻?yīng)力主要是由于焊后焊縫發(fā)生縮短所引起，因此，對焊縫適當(dāng)鍛延使其伸長補(bǔ)嘗了這個(gè)縮短，就能減小變形和殘余焊接應(yīng)力。一般采用0.454kg0.680kg重的手錘，錘的端頭帶有R3mm5mm圓角。底層和表面層焊道一般不錘擊，避免金屬表面冷卻硬化。其余各焊道每焊完一道后，立刻錘擊，直至將焊縫表面打出均勻的密密麻麻的麻點(diǎn)為止。在冷焊補(bǔ)鑄鐵件時(shí)也經(jīng)常應(yīng)用錘擊焊縫的方法，但其主要目的是防止產(chǎn)生熱應(yīng)力裂紋。在實(shí)際生產(chǎn)中防止焊接變形的方法很多，上述僅僅是其中主要的幾種，而且在實(shí)際應(yīng)用中往往都不是單獨(dú)采用，而是聯(lián)合采用。選擇防止變形的方法，一定要根據(jù)焊件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸，并分析其變形情況而決定。

37、3.3.3 焊接變形的矯正對于焊接結(jié)構(gòu)，首先應(yīng)采取各種有效措施控制和防止變形。但由于各種原因，焊后往往會產(chǎn)生超出產(chǎn)品技術(shù)要求所允許的焊接變形。這時(shí)必須加以矯正，使之符合產(chǎn)品質(zhì)量要求。各種矯正變形的方法實(shí)質(zhì)上都是造成新的變形以抵消已經(jīng)發(fā)生的變形。生產(chǎn)中常用的矯形方法主要有機(jī)械矯形法和火焰矯形法。3.3.3.1 機(jī)械矯形法機(jī)械矯形法是將變形的零部件或結(jié)構(gòu)中尺寸較短的部分通過機(jī)械力的作用，使之產(chǎn)生塑性延展并于零部件結(jié)構(gòu)中尺寸較長的部分相適應(yīng)而恢復(fù)原來形狀或達(dá)到所要求的形狀。薄板焊接后，由于焊縫區(qū)金屬的冷卻收縮，使長度縮短，而薄板邊緣是冷金屬，不會發(fā)生縮短，這樣對邊緣金屬產(chǎn)生了壓縮力，使其出現(xiàn)皺褶，形

38、成波浪變形，如圖3-27a所示。矯正的辦法是將薄板置于滾板機(jī)內(nèi)，并在焊縫上放一塊鋼板條，由輥?zhàn)觼砘貪L壓，由于外力的作用，使焊縫金屬得到伸長，而對薄板邊緣的壓縮力相應(yīng)消失，使薄板平整，如圖3-27b所示。薄板波浪變形也可用錘擊焊縫的方法矯正，如圖3-27c所示。錘擊時(shí)，為了不使焊縫表面產(chǎn)生斑痕，需墊一平錘，使錘頭的打擊力通過平錘傳到焊縫上，使其延伸，達(dá)到矯正的目的。在實(shí)際生產(chǎn)中，工字梁焊接時(shí)由于焊接順序不合理或者防止焊接變形的措施不當(dāng)，焊后會產(chǎn)生彎曲變形，也可以采用機(jī)床或壓力機(jī)矯正工字梁彎曲變形。圖3-27 薄板波浪變形的機(jī)械矯正機(jī)械矯形法是通過冷加工塑性變形來矯形的。因此，發(fā)生冷加工塑性變形部

39、位的材料將消耗一部分塑性，并發(fā)生一定程度的脆化，降低了結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。通常適用于高塑性材料，較脆的高強(qiáng)度材料則不宜采用。當(dāng)焊接接頭存在有表面缺陷(如咬邊)時(shí)應(yīng)慎用。3.3.3.2 火焰矯形法火焰矯形法是將變形零部件或結(jié)構(gòu)中尺寸較長的部分進(jìn)行加熱，利用加熱時(shí)發(fā)生的壓縮塑性變形和冷卻時(shí)的收縮變形，使之與零部件或結(jié)構(gòu)中尺寸較短的部分相適應(yīng)而恢復(fù)原來的形狀或達(dá)到所要求的形狀。根據(jù)加熱方式的不同，可分為點(diǎn)狀加熱矯正焊接變形、線狀加熱矯正焊接變形和三角形加熱矯正焊接變形。圖3-28所示是以梅花式點(diǎn)狀加熱矯正箱形梁腹板變形的實(shí)例。箱形梁焊接后，由于焊縫的冷卻收縮，會在腹板的某些部位凸起鼓包?？梢悦坊ㄊ近c(diǎn)狀加

40、熱鼓包，并由中間向四周進(jìn)行，由于加熱膨脹受到周圍冷金屬的阻礙，使鼓包處的金屬纖維在冷卻后收縮而變短，鼓包趨向平整。有時(shí)在加熱一點(diǎn)后用水冷卻，可以得到更好的效果。圖3-28 箱形梁腹板變形的矯正3.4 焊接殘余應(yīng)力的控制與消除結(jié)構(gòu)在焊接以后不僅產(chǎn)生變形，而且內(nèi)部存在著焊接殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在對大多數(shù)焊接結(jié)構(gòu)的安全使用沒有影響，也就是焊后不必進(jìn)行消除應(yīng)力處理。有些情況下，需要消除焊接結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力。3.4.1 減小焊接應(yīng)力的幾種方法1. 采用合理的焊接順序除了防止彎曲及角變形要考慮合理安排焊接順序外，為了減小應(yīng)力也應(yīng)選擇合理的焊接順序。（1）平面上的焊縫焊接時(shí)，要保證焊縫的縱向及橫向（特別是

41、橫向）收縮能夠比較自由，而不是受到較大的約束。例如焊對接焊縫時(shí)，焊接方向要指向自由端。因此，分段退焊法雖能減少一些變形，但焊縫橫向收縮受阻較大，故焊接應(yīng)力較大。（2）收縮量最大的焊縫應(yīng)當(dāng)先焊，因?yàn)橄群傅暮缚p收縮時(shí)受阻較小，故應(yīng)力較小。例如，一個(gè)結(jié)構(gòu)上既有對接縫，也有角接縫時(shí)，應(yīng)先焊對接焊縫。因?qū)雍缚p的收縮量較大。（3）在對接平面上帶有交叉焊縫的接頭時(shí)，必須采用保證交叉點(diǎn)部位不易產(chǎn)生缺陷的焊接順序。2. 事先留出保證焊縫自由收縮的余量船體或容器上，常常要將已有的孔用鋼板堵焊起來，這種環(huán)焊縫沿著縱向和橫向均不能自由縮短，因此產(chǎn)生很大的焊接應(yīng)力，在焊縫區(qū)特別是在焊第一、二層焊縫時(shí)，很容易產(chǎn)生被應(yīng)力

42、撕裂的熱應(yīng)力裂紋。這種裂紋產(chǎn)生在溫度下降的過程中，總是沿著薄弱的斷面開裂?？朔姆椒ㄖ?，是將補(bǔ)板邊緣壓出一定的凹鼓形。焊后補(bǔ)板由于焊縫收縮而被拉成平直形，起到減小焊接應(yīng)力，避免裂紋產(chǎn)生的作用。3. 開緩和槽減小應(yīng)力法厚度大的工件剛性大，焊接時(shí)容易產(chǎn)生裂紋。在不影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能的前提下，可以采用在焊縫附近開緩和槽的方法。這個(gè)方法的實(shí)質(zhì)是減小結(jié)構(gòu)局部剛性，盡量使焊縫有自由收縮的可能。圖3-29a所示是一圓形封頭，需補(bǔ)焊上一塞塊。因鋼板較厚，又是封閉焊縫，焊后易裂。采取在靠近焊縫的地方開槽，見圖3-29b以減小該處的剛性，焊接時(shí)可避免裂紋。圖3-29 鍋爐封頭焊補(bǔ)4. 采用“冷焊”的方法這種方法的

43、原則是使整個(gè)結(jié)構(gòu)上的溫度分布盡可能均勻。即要求焊接部位這個(gè)“局部”的溫度應(yīng)盡量控制得低些，同時(shí)這個(gè)“局部”在結(jié)構(gòu)這一“整體”中所占的面積范圍應(yīng)盡量小些。與此同時(shí)，結(jié)構(gòu)的整體溫度則升溫愈高些愈好，例如冬季室內(nèi)比室外好；升溫3040的環(huán)境溫度比一般室溫好。這種造成結(jié)構(gòu)中溫度差別盡可能縮小的方法，能有效地減小焊接應(yīng)力和由此引起的熱應(yīng)力裂紋。具體做法如下。（1）采用焊條直徑較小，焊接電流偏低的焊接規(guī)范。（2）每次只焊很短的一道焊縫。例如焊鑄鐵每道只焊10mm40mm。焊剛度大的構(gòu)件，每次焊半根到一根焊條。等這道焊縫區(qū)域的溫度降到不燙手時(shí)才能焊下一道很短的焊縫。（3）同時(shí)采用錘擊焊縫的辦法。在每道焊縫的冷卻過程中，用小錘鍛打焊縫，使焊縫金屬受到鍛打減薄而向四周伸長，抵消一些焊縫的收縮，起到減小焊接應(yīng)力的作用。補(bǔ)板焊接也可以采用這種方法避免裂紋，但比起將補(bǔ)板事先加工成凹鼓形的工藝方法，效果差些。有時(shí)可把兩種辦法結(jié)合起來采用。注意在每道只焊半根到一根焊條的前提下，第一層焊縫斷面盡量厚大些。焊補(bǔ)鑄鐵件常從熔合線撕裂，故每一道焊縫