焊接应力和变形

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），焊缝上的残余应力可达到材料的屈服强度（图1）。垂直于焊缝方向的横向残余应力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经常为压应力（图2）。厚板焊缝厚度方向的残余应力与焊接方法有关。电渣焊缝中为拉应力。多层焊缝则较低。在厚度上的分布是中心部位最高，逐渐向表面过渡到零。和在焊缝厚度上的分布也是不均匀的。电渣焊缝中心部位和的数值大于表层。 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和，因而是更为危险的内应力。

焊接应力和变形焊接应力和变形焊接应力和变形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/和循环应力的最大值有关。其影响随应力集中系数的降低而减弱,随/的降低而加剧（例如对交变疲劳强度的影响大于脉冲疲劳）,随的增加而减弱。当接近于屈服强度时，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。2100433B

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。

根据焊接应力产生时期的不同，可把焊接应力分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。焊接瞬时应力是焊接时随温度变化而变化的应力；焊接残余应力则是被焊工件冷却到初始温度后所残留的应力。根据焊接应力在被焊工件中的方位不同，可将焊接应力分为纵向应力、横向应力和厚向应力。实际上，焊接应力都是三维应力，但对于薄板，厚向应力相对较小，可按二维应力处理。焊接过程中被焊工件受到不均匀温度场的作用而产生的形状、尺寸变化称为焊接变形。随温度变化而变化的称为焊接瞬时变形；被焊工件完全冷却到初始温度时的改变，称为焊接残余变形。焊接变形有7种形式（见图）。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，局部失稳而产生的波浪形。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。一般说来，焊接残余应力和变形都是有害的：①使结构材料处于脆性状态，降低静载强度。②引起失稳断裂应力下降。③使被焊工件的疲劳强度降低。④对应力腐蚀开裂和氢致开裂有明显影响。⑤焊接残余应力与工作应力相叠加，使焊接构件局部先期屈服，降低焊接构件的刚性。⑥焊接残余应力具有时效特点，对焊接结构的尺寸稳定性和机加工精度产生影响。焊接残余变形的不良影响有：降低焊接结构的形状和尺寸精度；在外载荷作用下引起应力集中和附加应力，降低结构的承载能力；损害焊接结构的美观。为了减小和调节焊接残余应力，在设计上，应尽量减小焊缝的数量和尺寸；避免焊缝布置过分集中；避免三轴交叉焊缝；采用刚性较小的接头形式；尽量避免将焊缝布置在工作应力最大的区域；在残余拉应力区域内避免几何不连续性引起内应力的进一步增高。在工艺上，应采取合理的焊接顺序和方向，先焊接工作时受力大、收缩量大的焊缝，尽量使焊缝收缩比较自由，后焊直通的长焊缝；采用反变形，降低接头的刚度；及时锤击焊缝；在适当部位进行局部加热。焊后消除焊接残余应力的常用方法有整体高温回火，还有局部高温加火、机械拉伸法、温差拉伸法、振动法、爆炸法等。防止焊接变形的措施有：①设计上尽可能减少焊缝数量，选择合理的焊缝尺寸和形状，合理选择结构形式和安排焊缝位置。②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；焊接不对称的焊件时，通过选择不同的焊接参数，控制和调节焊件的弯曲变形；选择合理的装配、焊接顺序；采用反变形和刚性固定措施；采用预拉伸法防止薄板焊接变形等。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，用钢轮碾压焊缝及其两侧，可获得良好的矫正效果。利用局部加热产生压缩塑性变形区，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。 2100433B

《焊接应力变形有限元计算及其工程应用》系统介绍了采用有限元计算方法研究材料与结构焊接过程中产生的焊接应力变形问题的基本方法与结果，重点对有限元计算实现技巧和程序设计、焊接应力变形特点表征进行详细描述。主要包括焊接过程温度场的有限元计算过程，焊接应力变形计算过程，焊接应力变形有限元计算精度及其影响因素，焊接应力变形高效有限元计算方法，基于有限元计算的焊接应力变形机理及其影响因素，大型焊接结构应力变形有限元计算工程应用。

《焊接应力、变形的控制工艺与操作技巧》为《焊接应力、变形的控制工艺与操作技巧》，全书共分八章，分别介绍了焊接应力与变形的产生原因和规律、焊接结构的设计、合理选择装配与焊接程序、焊接变形的估算及反变形法的实施以及其他焊接变形控制工艺、典型结构的装配与焊接、焊后残余变形的矫正和焊接残余应力的防止与消除等内容。其中第二至第七章重点介绍焊接变形的减小与消除工艺与措施，第八章重点介绍焊接应力的防止与消除。《焊接应力、变形的控制工艺与操作技巧》采取工艺与操作相结合的形式，简明扼要地介绍生产中焊接应力、变形的控制工艺与操作技巧，并配以大量实例及图示，以利于读者更好地学习吸收，并从中得到启发，从而能在实际生产中起到借鉴作用。