焊接應(yīng)力和變形概述

焊接過程的不均勻溫度場以及由它引起的局部塑性變形和比容不同的組織是產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形的根本原因。當(dāng)焊接引起的不均勻溫度場尚未消失時，焊件中的這種應(yīng)力和變形稱為瞬態(tài)焊接應(yīng)力和變形；焊接溫度場消失后的應(yīng)力和變形稱為殘余焊接應(yīng)力和變形。在沒有外力作用的條件下，焊接應(yīng)力在焊件內(nèi)部是平衡的。焊接應(yīng)力和變形在一定條件下會影響焊件的功能和外觀，因此是設(shè)計和制造中必須考慮的問題。

焊接殘余應(yīng)力的主要研究內(nèi)容包括應(yīng)力的分布、影響以及消除和調(diào)整的方法。

焊接殘余應(yīng)力的分布　在厚度不大的焊件中，焊接殘余應(yīng)力基本上是平面應(yīng)力，厚度方向的應(yīng)力很小。在自由狀態(tài)下焊接的平板，沿焊縫方向的縱向殘余應(yīng)力在焊縫及其附近一般為拉應(yīng)力，在遠離焊縫處則為壓應(yīng)力。對于低碳鋼和強度不高的低合金結(jié)構(gòu)鋼（屈服強度小于 400兆帕），焊縫上的殘余應(yīng)力可達到材料的屈服強度（圖1）。垂直于焊縫方向的橫向殘余應(yīng)力的分布與焊接順序和方向有關(guān)，后焊的區(qū)段一般為拉應(yīng)力，但平板對接焊時焊縫兩端的經(jīng)常為壓應(yīng)力（圖2）。厚板焊縫厚度方向的殘余應(yīng)力與焊接方法有關(guān)。電渣焊縫中為拉應(yīng)力。多層焊縫則較低。在厚度上的分布是中心部位最高，逐漸向表面過渡到零。和在焊縫厚度上的分布也是不均勻的。電渣焊縫中心部位和的數(shù)值大于表層。 多層焊縫則與此相反，表層應(yīng)力大于中心部位（圖3）。在拘束狀態(tài)下進行焊接（如封閉焊縫）時，則可能在比自由狀態(tài)下大得多的范圍內(nèi)出現(xiàn)較高的拉應(yīng)力和，因而是更為危險的內(nèi)應(yīng)力。

焊接應(yīng)力和變形焊接應(yīng)力和變形焊接應(yīng)力和變形由于焊接殘余應(yīng)力受多種因素的影響，在實際工作中常常需要通過實驗測定殘余應(yīng)力的大小和分布。

焊接殘余應(yīng)力的影響　焊接殘余應(yīng)力對焊件有6個方面的影響。①對強度的影響：如果在高殘余拉應(yīng)力區(qū)中存在嚴重的缺陷，而焊件又在低于脆性轉(zhuǎn)變溫度下工作，則焊接殘余應(yīng)力將使靜載強度降低。在循環(huán)應(yīng)力作用下,如果在應(yīng)力集中處存在著殘余拉應(yīng)力,則焊接殘余拉應(yīng)力將使焊件的疲勞強度降低。焊件的疲勞強度除與殘余應(yīng)力的大小有關(guān)外,還與焊件的應(yīng)力集中系數(shù)、應(yīng)力循環(huán)特征系數(shù)/和循環(huán)應(yīng)力的最大值有關(guān)。其影響隨應(yīng)力集中系數(shù)的降低而減弱,隨/的降低而加?。ɡ鐚蛔兤趶姸鹊挠绊懘笥诿}沖疲勞）,隨的增加而減弱。當(dāng)接近于屈服強度時，殘余應(yīng)力的影響逐漸消失。②對剛度的影響：焊接殘余應(yīng)力與外載引起的應(yīng)力相疊加，可能使焊件局部提前屈服產(chǎn)生塑性變形。焊件的剛度會因此而降低。③對受壓焊件穩(wěn)定性的影響：焊接桿件受壓時，焊接殘余應(yīng)力與外載所引起的應(yīng)力相疊加，可能使桿件局部屈服或使桿件局部失穩(wěn)，桿件的整體穩(wěn)定性將因此而降低。殘余應(yīng)力對穩(wěn)定性的影響取決于桿件的幾何形狀和內(nèi)應(yīng)力分布。殘余應(yīng)力對非封閉截面（如工字形截面）桿件的影響比封閉截面（如箱形截面）的影響大。④對加工精度的影響：焊接殘余應(yīng)力的存在對焊件的加工精度有不同程度的影響。焊件的剛度越小，加工量越大，對精度的影響也越大。⑤對尺寸穩(wěn)定性的影響：焊接殘余應(yīng)力隨時間發(fā)生一定的變化，焊件的尺寸也隨之變化。焊件的尺寸穩(wěn)定性又受到殘余應(yīng)力穩(wěn)定性的影響。⑥對耐腐蝕性的影響：焊接殘余應(yīng)力和載荷應(yīng)力一樣也能導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂。

焊接殘余應(yīng)力的消除和調(diào)整　為了消除和減小焊接殘余應(yīng)力，應(yīng)采取合理的焊接順序，先焊接收縮量大的焊縫。焊接時適當(dāng)降低焊件的剛度，并在焊件的適當(dāng)部位局部加熱，使焊縫能比較自由地收縮，以減小殘余應(yīng)力。熱處理(高溫回火)是消除焊接殘余應(yīng)力的常用方法。整體消除應(yīng)力的熱處理效果一般比局部熱處理好。焊接殘余應(yīng)力也可采用機械拉伸法（預(yù)載法）來消除或調(diào)整，例如對壓力容器可以采用水壓試驗，也可以在焊縫兩側(cè)局部加熱到200℃，造成一個溫度場,使焊縫區(qū)得到拉伸，以減小殘余應(yīng)力。

焊接過程中引起的焊件變形直接影響焊件的性能和使用，因此需要采用不同的焊接工藝來控制和預(yù)防焊件的變形，并對產(chǎn)生焊接變形的構(gòu)件進行矯正。

變形的種類焊接變形有7種形式（圖4）。①縱向收縮變形：沿焊縫長度方向的收縮。②橫向收縮變形：垂直于焊縫方向的橫向收縮。③角變形：繞焊縫軸線的角位移。④撓曲變形：構(gòu)件中性軸上下不對稱的收縮引起的彎曲變形。⑤失穩(wěn)變形：薄壁結(jié)構(gòu)在焊接殘余壓應(yīng)力的作用下，局部失穩(wěn)而產(chǎn)生波浪形；⑥錯邊變形：焊接邊緣在焊接過程中，因膨脹不一致而產(chǎn)生的厚度方向的錯邊。⑦扭曲變形：由于裝配不良、施焊程序不合理而使焊縫的縱向、橫向收縮沒有規(guī)律所引起的變形。

焊接變形的預(yù)防和控制　焊接變形的大小與焊縫的尺寸、數(shù)量和布置有關(guān)。首先從設(shè)計上合理地確定焊縫的數(shù)量、坡口的形狀和尺寸，并恰當(dāng)?shù)匕才藕缚p的位置，對于減少變形十分重要。在工藝上采用高能量密度的焊接方法和小線能量的工藝參量，例如多層焊對減少焊縫的縱、橫向收縮以及由此引起的撓曲和失穩(wěn)變形是有利的。但多層焊對角變形不利。采用合理的裝配、焊接順序、反變形和剛性固定可以減少焊接變形。

焊接變形的矯正　焊接變形常采用機械方法矯正。對于由長而規(guī)則的對接焊縫引起的薄板殼結(jié)構(gòu)的變形，用鋼輪輾壓焊縫及其兩側(cè)，可獲得良好的矯正效果。利用局部加熱產(chǎn)生壓縮塑性變形使較長的焊件在冷卻后收縮的火焰矯正法，具有機動性強、設(shè)備簡單的優(yōu)點，得到廣泛采用。2100433B

根據(jù)焊接應(yīng)力產(chǎn)生時期的不同，可把焊接應(yīng)力分為焊接瞬時應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力。焊接瞬時應(yīng)力是焊接時隨溫度變化而變化的應(yīng)力；焊接殘余應(yīng)力則是被焊工件冷卻到初始溫度后所殘留的應(yīng)力。根據(jù)焊接應(yīng)力在被焊工件中的方位不同，可將焊接應(yīng)力分為縱向應(yīng)力、橫向應(yīng)力和厚向應(yīng)力。實際上，焊接應(yīng)力都是三維應(yīng)力，但對于薄板，厚向應(yīng)力相對較小，可按二維應(yīng)力處理。焊接過程中被焊工件受到不均勻溫度場的作用而產(chǎn)生的形狀、尺寸變化稱為焊接變形。隨溫度變化而變化的稱為焊接瞬時變形；被焊工件完全冷卻到初始溫度時的改變，稱為焊接殘余變形。焊接變形有7種形式（見圖）。①縱向收縮變形：沿焊縫長度方向的收縮。②橫向收縮變形：垂直于焊縫方向的橫向收縮。③角變形：繞焊縫軸線的角位移。④撓曲變形：構(gòu)件中性軸上下不對稱的收縮引起的彎曲變形。⑤失穩(wěn)變形：薄壁結(jié)構(gòu)在焊接殘余壓應(yīng)力的作用下，局部失穩(wěn)而產(chǎn)生的波浪形。⑥錯邊變形：焊接邊緣在焊接過程中，因膨脹不一致而產(chǎn)生的厚度方向的錯邊。⑦扭曲變形：由于裝配不良、施焊程序不合理而使焊縫的縱向、橫向收縮沒有規(guī)律所引起的變形。一般說來，焊接殘余應(yīng)力和變形都是有害的：①使結(jié)構(gòu)材料處于脆性狀態(tài)，降低靜載強度。②引起失穩(wěn)斷裂應(yīng)力下降。③使被焊工件的疲勞強度降低。④對應(yīng)力腐蝕開裂和氫致開裂有明顯影響。⑤焊接殘余應(yīng)力與工作應(yīng)力相疊加，使焊接構(gòu)件局部先期屈服，降低焊接構(gòu)件的剛性。⑥焊接殘余應(yīng)力具有時效特點，對焊接結(jié)構(gòu)的尺寸穩(wěn)定性和機加工精度產(chǎn)生影響。焊接殘余變形的不良影響有：降低焊接結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸精度；在外載荷作用下引起應(yīng)力集中和附加應(yīng)力，降低結(jié)構(gòu)的承載能力；損害焊接結(jié)構(gòu)的美觀。為了減小和調(diào)節(jié)焊接殘余應(yīng)力，在設(shè)計上，應(yīng)盡量減小焊縫的數(shù)量和尺寸；避免焊縫布置過分集中；避免三軸交叉焊縫；采用剛性較小的接頭形式；盡量避免將焊縫布置在工作應(yīng)力最大的區(qū)域；在殘余拉應(yīng)力區(qū)域內(nèi)避免幾何不連續(xù)性引起內(nèi)應(yīng)力的進一步增高。在工藝上，應(yīng)采取合理的焊接順序和方向，先焊接工作時受力大、收縮量大的焊縫，盡量使焊縫收縮比較自由，后焊直通的長焊縫；采用反變形，降低接頭的剛度；及時錘擊焊縫；在適當(dāng)部位進行局部加熱。焊后消除焊接殘余應(yīng)力的常用方法有整體高溫回火，還有局部高溫加火、機械拉伸法、溫差拉伸法、振動法、爆炸法等。防止焊接變形的措施有：①設(shè)計上盡可能減少焊縫數(shù)量，選擇合理的焊縫尺寸和形狀，合理選擇結(jié)構(gòu)形式和安排焊縫位置。②在工藝上，采用高能量密度的焊接方法和小線能量的工藝參量；焊接不對稱的焊件時，通過選擇不同的焊接參數(shù)，控制和調(diào)節(jié)焊件的彎曲變形；選擇合理的裝配、焊接順序；采用反變形和剛性固定措施；采用預(yù)拉伸法防止薄板焊接變形等。焊接變形常采用機械方法矯正。對于由長而規(guī)則的對接焊縫引起的薄板殼結(jié)構(gòu)的變形，用鋼輪碾壓焊縫及其兩側(cè)，可獲得良好的矯正效果。利用局部加熱產(chǎn)生壓縮塑性變形區(qū)，使較長的焊件在冷卻后收縮的火焰矯正法，具有機動性強、設(shè)備簡單的優(yōu)點，得到廣泛采用。 2100433B

《焊接應(yīng)力變形有限元計算及其工程應(yīng)用》系統(tǒng)介紹了采用有限元計算方法研究材料與結(jié)構(gòu)焊接過程中產(chǎn)生的焊接應(yīng)力變形問題的基本方法與結(jié)果，重點對有限元計算實現(xiàn)技巧和程序設(shè)計、焊接應(yīng)力變形特點表征進行詳細描述。主要包括焊接過程溫度場的有限元計算過程，焊接應(yīng)力變形計算過程，焊接應(yīng)力變形有限元計算精度及其影響因素，焊接應(yīng)力變形高效有限元計算方法，基于有限元計算的焊接應(yīng)力變形機理及其影響因素，大型焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形有限元計算工程應(yīng)用。

《焊接應(yīng)力、變形的控制工藝與操作技巧》為《焊接應(yīng)力、變形的控制工藝與操作技巧》，全書共分八章，分別介紹了焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生原因和規(guī)律、焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計、合理選擇裝配與焊接程序、焊接變形的估算及反變形法的實施以及其他焊接變形控制工藝、典型結(jié)構(gòu)的裝配與焊接、焊后殘余變形的矯正和焊接殘余應(yīng)力的防止與消除等內(nèi)容。其中第二至第七章重點介紹焊接變形的減小與消除工藝與措施，第八章重點介紹焊接應(yīng)力的防止與消除。《焊接應(yīng)力、變形的控制工藝與操作技巧》采取工藝與操作相結(jié)合的形式，簡明扼要地介紹生產(chǎn)中焊接應(yīng)力、變形的控制工藝與操作技巧，并配以大量實例及圖示，以利于讀者更好地學(xué)習(xí)吸收，并從中得到啟發(fā)，從而能在實際生產(chǎn)中起到借鑒作用。