焊接变形产生的原因及预防措施.doc

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第一章 焊接应力与变形

焊接时，由于局部高温加热而造成焊件上温度分布不均匀，最终导致在结构内部产生了焊接应力与变形。焊接应力是引起脆性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂和失稳破坏的主要原因。另外，焊接变形也使结构的形状和尺寸精度难以达到技术要求杭酌嘿移睁能蓉腹辕思拆镭糯乔厢大益稍惩励肥幌仟版媳踢痞汕优姚笆确宪悟诌妒顽篡砌浊佛融炙柬吹殊嚷藻靴帖蒋檄缀皂铡尹渴冶瑶豢贱捂巴雅雅闲筏常参揉叛要踞及苗灶纹膳郡笛劣滓噶狭金戳抠响侈烤哆冤命碗库桑惊埂沤英狱熊烧涟瑞兼薯鹃婶撤三洲辅缀娟宏蚊啦液流闹吩矿吭吞枯罐丽鞍乐前蓄且缀勘粤怜踏锨毫耸捧累篇中夺殷铰蚊烛萤嫡牛阀漳蹿鸳耶弱利拄紧胺谜新荷僚邻积九牢蹲空想按婉帧印透平跑贺翅堆筛眼牛畔丸氖箩期惹率蒙窑璃央钢免抗惰粳靳虑箕瞳佯侈邹稿辈快吠锋喊混渤碾何骋吱扼痪羹讨请眠过菊择五惮铁草郊肯氢晰毖捏共扁莆寂钟棱贫味栅读褐是丢逢踊焊接变形产生的原因及预防措施振饱戎耸哦揉穗毅彰杂剥景舌嫩耐挥绵侵梢沙畔螟套域磐额衣机皿励钵鸳炸发方财弯孜娜隶限偿继谁枯查粹锻迫踪矿史篱钞捐哩撩灯最瓮昆仍够互埔诈领慎嘴梢坑诬羹芥歧免裳沽含碍陇骑辛绍潭喇狗瘩积椒终妙备流萍蜀严怖著旭解翱搅缕滥埠翔扶喷现渝采浦兼疯恿段庸票勉膝牟古敞集隙蹈舟茸舞便皋娩醇姻久憨务隔覆枚溃诌个暮牲厘狮疡诵宏盖先枝毛梨恐喉徊孙某县号忠棱甭封糟啊褂水燎阴丘吗陷恶拽摆登滤申偿裴手霞之的蚊湍溪沧耘防田饲绎捕霓筋觉肤蚕刷腾驾予让喀逾业钻遗垃出耀宾磅员那税醛摩莫糕咽污之悦稗持侦痛赛豌麓磐搬酋柬揖幽踩角阵滓厄辑鬼浇掠狙管约然牛
第一章 焊接应力与变形

焊接时，由于局部高温加热而造成焊件上温度分布不均匀，最终导致在结构内部产生了焊接应力与变形。焊接应力是引起脆性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂和失稳破坏的主要原因。另外，焊接变形也使结构的形状和尺寸精度难以达到技术要求，直接影响结构的制造质量和使用性能。因此，本章主要讨论焊接应力与变形的基本概念及其产生原因；焊接变形的种类，控制焊接变形的工艺措施和焊后如何矫正焊接变形；焊接应力的分布规律，降低焊接应力的工艺措施和焊后如何消除焊接残余应力。

第一节 焊接应力与变形的产生

一、焊接应力与变形的基本知识
1.焊接变形
物体在外力或温度等因素的作用下，其形状和尺寸发生变化，这种变化称为物体的变形。
当使物体产生变形的外力或其它因素去除后变形也随之消失，物体可恢复原状，这样的变形称为弹性变形。当外力或其它因素去除后变形仍然存在，物体不能恢复原状，这样的变形称为塑性变形。物体的变形还可按拘束条件分为自由变形和非自由变形。在非自由变形中，有外观变形和内部变形两种。
以一根金属杆的变形为例，当温度为T0时，其长度为L0，均匀加热，温度上升到T时，如果金属杆不受阻，杆的长度会增加至L，其长度的改变ΔLT=L- L0，ΔLT就是自由变形，见图1-la。如果金属杆件的伸长受阻，则变形量不能完全表现出来，就是非自由变形。其中，把能表现出来的这部分变形称为外观变形，用ΔLe表示；而未表现出的变形称为内部变形，用ΔL表示。在数值上，ΔL=ΔLT-ΔLe，见图1-lb。
单位长度的变形量称为变形率，自由变形率用εT表示，其数学表达式为：
εT=ΔLT/L0=α(T-T0) （1-1）
式中 α——金属的线膨胀系数，它的数值随材料及温度而变化。
外观变形率εe，可用下式表示：
εe=ΔLe/ L0 （1-2）
同样，内部变形率ε用下式表示：
ε=ΔL/L0 （1-3）

图1-1 金属杆件的变形
a)自由变形 b)非自由变形
2.应力
存在于物体内部的、对外力作用或其它因素引起物体变形所产生的抵抗力，叫做内力。另外，在物理、化学或物理化学变化过程中，如温度、金相组织或化学成分等变化时，在物体内也会产生内力。
物体单位截面积上的内力叫做应力。
根据引起内力原因不同，可将应力分为工作应力和内应力。工作应力是由外力作用于物体而引起的应力；内应力是由物体的化学成分、金相组织及温度等因素变化，造成物体内部的不均匀性变形而引起的应力。内应力存在于许多工程结构中，如铆接结构、铸造结构、焊接结构等。焊接应力就是一种内应力。内应力的显著特点是，在物体内部，内应力是自成平衡的，形成一个平衡力系。
3.焊接应力与焊接变形
　 焊接应力是焊接过程中及焊接过程结束后，存在于焊件中的内应力。由焊接而引起的焊件尺寸的改变称为焊接变形。
二、研究焊接应力与变形的基本假定
金属在焊接过程中，其物理性能和力学性能都会发生变化，给焊接应力的认识和确定带来了很大的困难，为了后面分析问题方便，对金属材料焊接应力与变形作以下假定：
（1）平截面假定 假定构件在焊前所取的截面，焊后仍保持平面。即构件只发生伸长、缩短、弯曲，其横截面只发生平移或偏转，永远保持平面。
（2）金属性质不变的假定 假定在焊接过程中材料的某些热物理性质，如线膨胀系数(α)、热容(c)、热导率(λ)等均不随温度而变化。
（3）金属屈服强度假定 低碳钢屈服强度与温度的实际关系如图1-2实线所示，为了讨论问题的方便，我们将它简化为图中虚线所示。即在500℃以下，屈服强度与常温下相同，不随温度而变化；500℃至600℃之间，屈服强度迅速下降；600℃以上时呈全塑性状态，即屈服强度为零。我们把材料的屈服强度为零时的温度称为塑性温度。

图1-2 低碳钢的屈服强度与温度的关系
（4）焊接温度场假定 通常将焊接过程中的某一瞬间，焊接接头中各点的温度分布称为温度场。在焊接热源作用下构件上各点的温度在不断地变化，可以认为达到某一极限热状态时，温度场不再改变，这时的温度场称为极限温度场。
三、焊接应力与变形产生的原因
产生焊接应力与变形的因素很多，其中最根本的原因是焊件受热不均匀，其次是由于焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件的刚性不同所致。另外，焊缝在焊接结构中的位置、装配焊接顺序、焊接方法、焊接电流及焊接方向等对焊接应力与变形也有一定的影响，下面着重介绍几个主要因素。
1.焊件的不均匀受热
焊件的焊接是一个局部的加热过程，焊件上的温度分布极不均匀，为了便于了解不均匀受热时应力与变形的产生，下面对不同条件下的应力与变形进行讨论。
(1)不受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形 根据前面对变形知识的讨论，不受约束的杆件在均匀加热与冷却时，其变形属于自由变形，因此在杆件加热过程中不会产生任何内应力，冷却后也不会有任何残余应力和残余变形。
(2)受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形 根据前面对非自由变形情况的讨论，受约束的杆件的变形属于非自由变形，既存在外观变形，也存在内部变形。
如果加热温度较低（T<Ts），材料处于弹性范围内，则在加热过程中杆件的变形全部为弹性变形，杆件内部存在压应力的作用。当温度恢复到原始温度时，杆件自由收缩到原来的长度，压应力全部消失，既不存在残余变形也不存在残余应力。我们把压应力达到屈服强度бs时的温度称为屈服点温度Ts（对于低碳钢来说，就是加热到600℃）。
如果加热温度较高，达到或超过材料屈服点温度时（T>Ts），则杆件中产生压缩塑性变形，内部变形由弹性变形和塑性变形两部分组成，甚至全部由塑性变形组成（T>600℃）。当温度恢复到原始温度时，弹性变形恢复，塑性变形不可恢复，可能出现以下三种情况：a.如果杆件能充分自由收缩，那么杆件中只出现残余变形而无残余应力；b.如果杆件受绝对拘束，那么杆件中没有残余变形而存在较大的残余应力；c.如果杆件收缩不充分，那么杆件中既有残余应力又有残余变形。
实际生产中的焊件，就与上述的第三种情况相同，焊后既有焊接应力存在，又有焊接变形产生。
(3)长板条中心加热（类似于堆焊）引起的应力与变形 如图1-3a所示的长度为L0，厚度为δ的长板条，材料为低碳钢，在其中间沿长度方向上进行加热，为简化讨论，我们将板条上的温度分为两种，中间为高温区，其温度均匀一致；两边为低温区，其温度也均匀一致。
加热时，如果板条的高温区与低温区是可分离的，高温区将伸长，低温区不变，如图1-3b,但实际上板条是一个整体，所以板条将整体伸长，此时高温区内产生较大的压缩塑性变形和压缩弹性变形，如图1-3c。
冷却时，由于压缩塑性变形不可恢复，所以，如果高温区与低温区是可分离的，高温区应缩短，低温区应恢复原长,如图1-3d。但实际上板条是一个整体，所以板条将整体缩短，这就是板条的残余变形, 如图1-3e。同时在板条内部也产生了残余应力，中间高温区为拉应力，两侧低温区为压应力。

图1-3 钢板条中心加热和冷却时的应力与变形
a) 原始状态 b)、c)加热过程 d)、e)冷却以后
(4)长板条一侧加热（相当于板边堆焊）引起的应力与变形 如图1-4a所示的材质均匀的钢板，在其上边缘快速加热。假设钢板由许多互不相连的窄条组成，则各窄条在加热时将按温度高低而伸长，如图1-4b所示。但实际上，板条是一整体，各板条之间是互相牵连、互相影响的，上一部分金属因受下一部分金属的阻碍作用而不能自由伸长，因此产生了压缩塑性变形。由于钢板上的温度分布是自上而下逐渐降低，因此，钢板产生了向下的弯曲变形，如图1-4c所示。
钢板冷却后，各板条的收缩应如图1-4d 所示。但实际上钢板是一个整体，上一部分金属要受到下一部分的阻碍而不能自由收缩，所以钢板产生了与加热时相反的残余弯曲变形，如图1-4e所示。同时在钢板内产生了如图1-4e所示的残余应力，即钢板中部为压应力，钢板两侧为拉应力。

图1-4 钢板边缘一侧加热和冷却时的应力与变形
a)原始状态 b)假设各板条的伸长 c)加热后的变形
d)假设各板条的收缩 e)冷却以后的变形
由上述讨论可知：
1）对构件进行不均匀加热，在加热过程中，只要温度高于材料屈服点的温度，构件就会产生压缩塑性变形，冷却后，构件必然有残余应力和残余变形。
2）通常，焊接过程中焊件的变形方向与焊后焊件的变形方向相反。
3）焊接加热时，焊缝及其附近区域将产生压缩塑性变形，冷却时压缩塑性变形区要收缩。如果这种收缩能充分进行，则焊接残余变形大，焊接残余应力小；若这种收缩不能充分进行，则焊接残余变形小而焊接残余变形大。
4）焊接过程中及焊接结束后，焊件中的应力分布都是不均匀的。焊接结束后，焊缝及其附近区域的残余应力通常是拉应力。
2.焊缝金属的收缩
焊缝金属冷却时，当它由液态转为固态时，其体积要收缩。由于焊缝金属与母材是紧密联系的，因此，焊缝金属并不能自由收缩。这将引起整个焊件的变形，同时在焊缝中引起残余应力。另外，一条焊缝是逐步形成的，焊缝中先结晶的部分要阻止后结晶部分的收缩，由此也会产生焊接应力与变形。
3.金属组织的变化
钢在加热及冷却过程中发生相变，可得到不同的组织，这些组织的比容也不一样，由此也会造成焊接应力与变形。
4.焊件的刚性和拘束
焊件的刚性和拘束对焊接应力和变形也有较大的影响。刚性是指焊件抵抗变形的能力；而拘束是焊件周围物体对焊件变形的约束。刚性是焊件本身的性能，它与焊件材质、焊件截面形状和尺寸等有关；而拘束是一种外部条件。焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越大，焊接变形越小，焊接应力越大；反之，焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越小，则焊接变形越大，而焊接应力越小。

第二节 残余应力

一、焊接残余应力的分类
1．按应力在焊件内的空间位置分：
（1）一维空间应力 即单向（或单轴）应力。应力沿焊件一个方向作用；
（2）二维空间应力 即双向（或双轴）应力。应力在一个平面内不同方向上作用。常用平面直角坐标表示，如σx、、σy。
（3）三维空间应力 即三向（或三轴）应力。应力在空间所有方向上作用，常用三维空间直角坐标表示，如σx、、σy、、σz。
厚板焊接时出现的焊接应力是三向的。随着板厚减小，沿厚度方向的应力（习惯指σz）相对较小，可将其忽略而看成双向应力σx、σy。薄长板条对接焊时，也因垂直焊缝方向的应力σy较小而忽略，主要考虑平行于焊缝轴线方向的纵向应力σx。
2．按产生应力的原因分：
（1）热应力 它是在焊接过程中，焊件内部温度有差异引起的应力，故又称温差应力。热应力是引起热裂纹的力学原因之一。
（2）相变应力 它是焊接过程中，局部金属发生相变，其比容增大或减小而引起的应力。
（3）塑变应力 是指金属局部发生拉伸或压缩塑性变形后所引起的内应力。对金属进行剪切、弯曲、切削、冲压、锻造等冷热加工时常产生这种内应力。焊接过程中，在近缝高温区的金属热胀和冷缩受阻时便产生这种塑性变形，从而引起焊接的内应力。
3．按应力存在的时间分：
（1）焊接瞬时应力 是指在焊接过程中，某一瞬时的焊接应力，它随时间而变化。它和焊接热应力没有本质区别，当温差也随时间而变时，热应力也是瞬时应力。
（2）焊接残余应力 是焊完冷后残留在焊件内的应力，残余应力对焊接结构的强度、腐蚀和尺寸稳定性等使用性能有影响。
二、焊接残余应力的分布
在厚度不大(小于20mm)的焊接结构中，残余应力基本是纵、横双向的，厚度方向的残余应力很小，可以忽略。只有在大厚度的焊接结构中，厚度方向的残余应力才有较高的数值。因此，这里将重点讨论纵向应力和横向应力的分布情况。
1．纵向残余应力бx的分布
作用方向平行于焊缝轴线的残余应力称为纵向残余应力。
在焊接结构中，焊缝及其附近区域的纵向残余应力为拉应力，一般可达到材料的屈服强度，随着离焊缝距离的增加，拉应力急剧下降并转为压应力。宽度相等的两板对接时，其纵向残余应力在焊件横截面上的分布情况如图1-5所示。图1-6为板边堆焊时，其纵向残余应力бx在焊缝横截面上的分布。两块不等宽度的板对接时，宽度相差越大，宽板中的应力分布越接近于板边堆焊时的情况。若两板宽度相差较小时，其应力分布近似于等宽板对接时的情况。

图1-5 对接接头бx在焊缝横截面上的分布

图1-6 板边堆焊时的残余应力与变形
纵向应力在焊件纵截面上的分布规律如图1-7所示。在焊件纵截面端头，纵向应力为零，焊缝端部存在一个残余应力过渡区，焊缝中段是残余应力稳定区。当焊缝较短时，不存在稳定区，焊缝越短，бx越小。

图1-7 不同长度焊缝纵截面上бx的分布
a)短焊缝 b）长焊缝
2．横向残余应力бy的分布
垂直于焊缝轴线的残余应力称为横向残余应力。
横向残余应力бy的产生原因比较复杂，我们将其分成两个部分加以讨论：一部分是由焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩引起的横向应力，用бy′表示；另一部分是由焊缝及其塑性变形区的横向收缩的不均匀和不同时性所引起的横向应力，用бy″表示。
(1)焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩引起的横向应力бy′ 图1-8a是由两块平板条对接而成的构件，如果假想沿焊缝中心将构件一分为二，即两块板条都相当于板边堆焊，将出现如图1-8b所示的弯曲变形，要使两板条恢复到原来位置，必须在焊缝中部加上横向拉应力，在焊缝两端加上横向压应力。由此可以推断，焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩引起的横向应力如图1-8c所示，其两端为压应力，中间为拉应力。各种长度的平板条对接焊，其бy′的分布规律基本相同，但焊缝越长，中间部分的拉应力将有所降低。如图1-9所示。

图1-8 纵向收缩引起的横向应力бy′的分布

图1-9 不同长度平板对接焊时бy′的分布
a）短焊缝 b）中长焊缝 c）长焊缝
(2)横向收缩所引起的横向应力бy″ 结构上一条焊缝不可能同时完成，总有先焊和后焊之分，先焊的部分先冷却，后焊的部分后冷却。先冷却的部分又限制后冷却部分的横向收缩，这就引起了бy″。бy″的分布与焊接方向、分段方法及焊接顺序等有关。图1-10为不同焊接方向时бy″的分布。如果将一条焊缝分两段焊接，当从中间向两端焊时，中间部分先焊先收缩，两端部分后焊后收缩，则两端部分的横向收缩受到中间部分的限制，因此бy″的分布是中间部分为压应力，两端部分为拉应力，如图1-10a所示；相反，如果从两端向中间部分焊接时，中间部分为拉应力，两端部分为压应力，如图1-10b所示
总之，横向应力的两个组成部分бy′、бy″同时存在，焊件中的横向应力бy是由бy′、бy″合成的，但它的大小要受бs的限制。

图1-10 不同方向焊接时бy″的分布
3.特殊情况下的残余应力分布
(1)厚板中的焊接残余应力 厚板焊接接头中除有纵向和横向残余应力外，在厚度方向还有较大的残余应力。它在厚度上的分布不均匀，主要受焊接工艺方法的影响。图1-11为厚240mm的低碳钢电渣焊焊缝中心线上的应力分布。该焊缝中心存在三向均为拉伸的残余应力，且均为最大值，这与电渣焊工艺有关。因电渣焊时，焊缝正、背面装有水冷铜滑块，表面冷却速度快，中心部位冷却较慢，最后冷却的收缩受周围金属制约，故中心部位出现较高的拉应力。

图1-11 厚板电渣焊中沿厚度上的应力分布
a)在厚度上的分布 b)在厚度上的分布 c)在厚度上的分布
(2)在拘束状态下的焊接残余应力 前面讨论的焊接残余应力分布都是指焊件在自由状态下焊接时的分布情况，而生产中焊接结构往往是在受拘束的情况下进行焊接的。如图1-12a，该焊件焊后的横向收缩受到限制，因而产生了拘束横向应力，其分布如图1-12b所示。拘束横向应力与无拘束横向应力(图1-12c)叠加，结果在焊件中产生了如图1-12d的合成横向应力。

图1-12 拘束状态下对接接头的横向应力分布
a）拘束状态下的焊件 b）拘束横向应力 c）焊接横向应力
d）合成横向应力
(3)封闭焊缝中的残余应力 在板壳结构中经常遇到接管、镶块和人孔等构造。这些构造上都有封闭焊缝，它们是在较大拘束下焊接的，内应力都较大。其大小与焊件和镶入体本身的刚度有关，刚度越大，内应力也越大。图1-13为圆盘中焊入镶块后的残余应力，为切向应力，为径向应力。从图中曲线可以看出，径向应力均为拉应力，切向应力在焊缝附近最大，为拉应力，由焊缝向外侧逐渐下降为压应力，由焊缝向中心达到一均匀值。在镶块中部有一个均匀的双轴应力场，镶块直径越小，外板对它的约束越大，这个均匀双轴应力值就越高。

图1-13 圆形镶块封闭焊缝的残余应力
a)封闭焊缝 b) 和的分布
(4) 焊接梁柱中的残余应力 图1-14所示是T形梁、工字梁和箱形梁纵向残余应力的分布情况。对于此类结构可以将其腹板和翼板分别看作是板边堆焊或板中心堆焊加以分析，一般情况下焊缝及其附近区域中总是存在有较高的纵向拉应力，而在腹板的中部则会产生纵向压应力。

图1-14 焊接梁柱的纵向残余应力分布
a) 焊接T形梁的残余应力 b)焊接工字梁的残余应力 c)焊接箱形梁的残余应力
(5)环形焊缝中的残余应力 管道对接时，焊接残余应力的分布比较复杂，当管径和壁厚之比较大时，环形焊缝中的应力分布与平板对接相类似，如图1-15所示，但焊接残余应力的峰值比平板对接焊要小。

图1-15 圆筒环缝纵向残余应力分布
二、焊接残余应力对焊接结构的影响
1.对结构强度的影响
没有严重应力集中的焊接结构，只要材料具有一定的塑性变形能力，焊接内应力并不影响结构的静载强度。但是，当材料处在脆性状态时，则拉伸内应力和外载引起的拉应力叠加有可能使局部区域的应力首先达到断裂强度，导致结构早期破坏。曾有许多低碳钢和低合金结构钢的焊接结构发生过低应力脆断事故，经大量试验研究表明：在工作温度低于材料的脆性临界温度的条件下，拉伸内应力和严重应力集中的共同作用，将降低结构的静载强度，使之在远低于屈服点的外应力作用下就发生脆性断裂。因此，焊接残余应力的存在将明显降低脆性材料结构的静载强度。
2.对构件加工尺寸精度的影响
焊件上的内应力在机械加工时，因一部分金属从焊件上被切除而破坏了它原来的平衡状态，于是内应力重新分布以达到新的平衡，同时产生了变形，于是加工精度受到影响。如图1-16所示为在T形焊件上加工一平面时的情况，当切削加工结束后松开加压板，工件会产生上挠变形，加工精度受到影响。为了保证加工精度，应对焊件先进行消除应力处理，再进行机械加工。也可采用多次分步加工的办法来释放焊件中的残余应力和变形。

图1-16 机械加工引起内应力释放和变形
3．对受压杆件稳定性的影响
当外载引起的压应力与内应力中的压应力叠加之和达到，则这部分截面就丧失了进一步承受外载的能力，于是削弱了杆件的有效截面，使压杆的失稳临界应力下降，对压杆稳定性有不利的影响。
压杆内应力对稳定性影响的大小与压杆的截面形状和内应力分布有关，若能使有效截面远离压杆的中性轴，可以改善其稳定性。
焊接残余应力除了对上述的结构强度、加工尺寸精度以及对结构稳定性的影响外，还对结构的刚度、疲劳强度及应力腐蚀开裂有不同程度的影响。因此，为了保证焊接结构具有良好的使用性能，必须设法在焊接过程中减小焊接残余应力，有些重要的结构，焊后还必须采取措施消除焊接残余应力。
三、减小焊接残余应力的措施
减小焊接残余应力，即在焊接结构制造过程中采取一些适当的措施以减小焊接残余应力。一般来说，可以从设计和工艺两方面着手，设计焊接结构时，在不影响结构使用性能的前提下，应尽量考虑采用能减小和改善焊接应力的设计方案；另外，在制造过程中还要采取一些必要的工艺措施，以使焊接应力减小到最低程度。
⒈设计措施
1）尽量减少结构上焊缝的数量和焊缝尺寸。多一条焊缝就多一处内应力源；过大的焊缝尺寸，焊接时受热区加大。使引起残余应力与变形的压缩塑性变形区或变量增大。
2）避免焊缝过分集中，焊缝间应保持足够的距离。焊缝过分集中不仅使应力分布更不均匀，而且右能出现双向或三向复杂的应力状态。压力容器设计规范在这方面要求严格，图1-17为其中一例。

图1-17 容器接管焊缝
3）采用刚性较小的接头形式。例如，图1-18所示容器与接管之间联接接头的两种形式，插入式联接的拘束度比翻边式的大，前者的焊缝上可能产生如图1-13所示的双向拉应力，且达到较高数值；而后者的焊缝上主要是纵向残余应力（见图1-15）。

图1-18 焊接管联接
图1-19所示两个例子，左边设计刚度大，焊接时引起很大拘束应力而极易产生裂纹；右边的接头已削弱了局部刚性，焊接时不会开裂。

图1-19 减小接头刚性措施
a) 圆棒T形焊 b) 铆焊
2．工艺措施
（1）采用合理的装配焊接顺序和方向 所谓合理的装配焊接顺序就是能使每条焊缝尽可能自由收缩的焊接顺序。具体应注意以下几点：
在一个平面上的焊缝，焊接时应保证焊缝的纵向和横向收缩均能比较自由。如图1-20的拼板焊接，合理的焊接顺序应是按图中l～10施焊，即先焊相互错开的短焊缝，后焊直通长焊缝。

图1-20 拼接焊缝合理的装配焊接顺序
收缩量最大的焊缝应先焊。因为先焊的焊缝收缩时受阻较小，因而残余应力就比较小。如图1-21所示的带盖板的双工字梁结构，应先焊盖板上的对接焊缝l，后焊盖板与工字梁之间的角焊缝2，原因是对接焊缝的收缩量比角焊缝的收缩量大。

1-21 带盖板的双工字梁结构焊接顺序
工作时受力最大的焊缝应先焊。如图1-22所示的大型工字梁，应先焊受力最大的翼板对接焊缝l，再焊腹板对接焊缝2，最后焊预先留出来的一段角焊缝3。

图1-22 对接工字梁的焊接顺序
平面交叉焊缝焊接时，在焊缝的交叉点易产生较大的焊接应力。如图1-23为几种T形接头焊缝和十字接头焊缝，应采用图中a、b、c的焊接顺序，才能避免在焊缝的相交点产生裂纹及夹渣等缺陷。图d为不合理的焊接顺序。

图1-23 平面交叉焊缝的焊接顺序
图1-24为对接焊缝与角焊缝交叉的结构。对接焊缝1的横向收缩量大，必须先焊对接焊缝1，后焊角焊缝2。反之，如果先焊角焊缝2，则焊接对接焊缝1时，其横向收缩不自由，极易产生裂纹。

图1-24 对接焊缝与角焊缝交叉
（2）预热法 预热法是在施焊前，预先将焊件局部或整体加热到150～650℃。对于焊接或焊补那些淬硬倾向较大的材料的焊件，以及刚性较大或脆性材料焊件时，常常采用预热法。
（3）冷焊法 冷焊法是通过减少焊件受热来减小焊接部位与结构上其它部位间的温度差。具体做法有：尽量采用小的线能量施焊，选用小直径焊条，小电流、快速焊及多层多道焊。另外，应用冷焊法时，环境温度应尽可能高。
（4）降低焊缝的拘束度 平板上镶板的封闭焊缝焊接时拘束度大，焊后焊缝纵向和横向拉应力都较高，极易产生裂纹。为了降低残余应力，应设法减小该封闭焊缝的拘束度。图1-25所示是焊前对镶板的边缘适当翻边，作出角反变形，焊接时翻边处拘束度减小。若镶板收缩余量预留得合适，焊后残余应力可减小且镶板与平板平齐。

图1-25 降低局部刚度减少内应力
a) 平板少量翻边 b) 镶块压凹
（5）加热“减应区”法 焊接时加热那些阻碍焊接区自由伸缩的部位（称“减应区”），使之与焊接区同时膨胀和同时收缩，起到减小焊接应力的作用。此法称为加热减应区法。图1-26示出了此法的减应原理。图中框架中心已断裂，须修复。若直接焊接断口处，焊缝横向收缩受阻，在焊缝中受到相当大的横向应力。若焊前在两侧构件的减应区处同时加热，两侧受热膨胀，使中心构件断口间隙增大。此时对断口处进行焊接，焊后两侧也停止加热。于是焊缝和两侧加热区同时冷却收缩，互不阻碍。结果减小了焊接应力。

图1-26 加热“减应区”法示意图
a) 加热过程 b) 冷却过程
此法在铸铁补焊中应用最多，也最有效。方法成败的关键在于正确选择加热部位，选择的原则是：只加热阻碍焊接区膨胀或收缩的部位。检验加热部位是否正确的方法是：用气焊炬在所选处试加热一下，若待焊处的缝隙是张开的，则表示选择正确，否则不正确。图1-27为典型焊件减应区选择的例子。

图1-27 几种选择“减应区”的例子
a) 框架与杆系类构件加热区 b) 以边、角、棱等处作加热区 c) 机车摇臂断裂焊补加热区
四、消除焊接残余应力的方法
虽然在结构设计时考虑了残余应力的问题，在工艺上也采取了一定的措施来防止或减小焊接残余应力，但由于焊接应力的复杂性，结构焊接完以后仍然可能存在较大的残余应力。另外，有些结构在装配过程中还可能产生新的残余内应力，这些焊接残余应力及装配应力都会影响结构的使用性能。焊后是否需要消除残余应力，通常由设计部门根据钢材的性能、板厚、结构的制造及使用条件等多种因素综合考虑后决定。任何产品，最好是通过必要的科学实验，或者分析同类产品在国内外长期使用中所出现过的问题来确定。在下列情况一般应考虑消除内应力：
1）在运输、安装、启动和运行中可能遇到低温，有发生脆性断裂危险的厚截面焊接结构。
2）厚度超过一定限度的焊接压力容器。
例如，《钢制压力容器》（GB150—1998）规定，碳素钢厚度大于32mm，16MnR钢厚度大于30mm，16MnVR钢厚度大于28 mm的焊接容器，焊后应进行热处理。
3）焊后机械加工量较大，不消除残余应力难以保证加工精度的结构。
4）对尺寸稳定性要求较高的结构。如精密仪器和量具座架、机床订身、减速箱箱体等。
5）有应力腐蚀危险的结构。
常用的消除残余应力的方法如下：
1．热处理法
热处理法是利用材料在高温下屈服点下降和蠕变现象来达到松弛焊接残余应力的目的，同时热处理还可改善焊接接头的性能。生产中常用的热处理法有整体热处理和局部热处理两种。
（1）整体热处理 是将整个构件缓慢加热到一定的温度（低碳钢为650℃），并在该温度下保温一定的时间（一般按每毫米板厚保温2～4分钟，但总时间不少于30分钟），然后空冷或随炉冷却。整体热处理消除残余应力的效果取决于加热温度、保温时间、加热和冷却速度、加热方法和加热范围。一般可消除60%～90%的残余应力，在生产中应用比较广泛。
（2）局部热处理 对于某些不允许或不可能进行整体热处理的焊接结构，可采用局部热处理，局部热处理就是对构件焊缝周围的局部应力很大的区域及其周围，缓慢加热到一定温度后保温，然后缓慢冷却，其消除应力的效果不如整体热处理，它只能降低残余应力峰值，不能完全消除残余应力。对于一些大型筒形容器的组装环缝和一些重要管道等，常采用局部热处理来降低结构的残余应力。
2.机械拉伸法
机械拉伸法是通过不同方式在构件上施加一定的拉伸应力，使焊缝及其附近产生拉伸塑性变形，与焊接时在焊缝及其附近所产生的压缩塑性变形相互抵消一部分，达到松弛残余应力的目的。实践证明，拉伸载荷加得越高，压缩塑性变形量就抵消得越多，残余应力消除得越彻底。在压力容器制造的最后阶段，通常要进行水压试验，其目的之一也是利用加载来消除部分残余应力。
3.温差拉伸法
温差拉伸法的基本原理与机械拉伸法相同，其不同点是机械拉伸法采用外力进行拉伸，而温差拉伸法是采用局部加热形成的温差来拉伸压缩塑性变形区。如图1-28为温差拉伸法示意图，在焊缝两侧各用一适当宽度(一般为100～150mm)的氧—乙炔焰嘴加热焊件，使焊件表面加热到200℃左右，在焰嘴后面一定距离用水管喷头冷却，以造成两侧温度高，焊缝区温度低的温度场，两侧金属的热膨胀对中间温度较低的焊缝区进行拉伸，产生拉伸塑性变形抵消焊接时所产生的压缩塑性变形，从而达到消除残余应力的目的。如果加热温度和加热范围选择适当，消除应力的效果可达50%～70%。

图1-28 “温差拉伸法”消除残余应力示意图
4.锤击焊缝
在焊后用手锤或一定直径的半球形风锤锤击焊缝，可使焊缝金属产生延伸变形，能抵消一部分压缩塑性变形，起到减小焊接应力的作用。锤击时注意施力应适度，以免施力过大而产生裂纹。
5．振动法
又称振动时效或振动消除应力法（VSR）。它是利用由偏心轮和变速马达组成的激振器，使结构发生共振所产生的循环应力来降低内应力。其效果取决于激振器、工件支点位置、激振频率和时间。振动法所用设备简单、价廉，节省能源，处理费用低，时间短（从数分钟到几十分钟），也没有高温回火时金属表面氧化等问题。故目前在焊件、铸件、锻件中，为了提高尺寸稳定性较多地采用此法。
五、焊接残余应力的测定
目前，测定焊接残余应力的方法主要可归结为两类，即机械方法和物理方法。
　1．机械方法
机械法也称应力释放法，它是利用机械加工将试件切开或切去一部分，测定由此而释放的弹性应变来推算构件中原有的残余应力。
1)切条法 加工麻烦，要完全破坏焊件，但测定残余应力比较准确。所以，该方法只适用于实验室中进行研究工作。
2)钻孔法 测定残余应力时所钻孔可以是盲孔，也可以是φ2～3mm的通孔，它适用于焊缝及其附近小范围内残余应力的测定，并可现场操作，很快测得指定点的主应力及其方向，测量结果比较精确。另外，钻孔法由于所钻孔比较小，对结构的破坏性很小，特别适用于没有密封要求的结构；对有密封要求的结构，可采用盲孔，测试完毕后可用电动砂轮将其磨平。
2．物理方法
它是一种非破坏性测定残余应力的方法，常用的有磁性法、超声波法及X射线衍射法等。
1)磁性法是利用铁磁材料在磁场中磁化后的磁致伸缩效应来测量残余应力的。该方法目前在生产中已获得了应用，市场上已有仪器出售，测量仪器轻巧、简单、测量方便、迅速，但测量精度不高。
2)X射线衍射法是根据测定金属晶体晶格常数在应力的作用下发生变化来测定残余应力的，它是一种无损的测量方法，我国已生产出了可用于现场的轻便型X射线残余应力测定仪。但这种方法只能测定表面应力，对被测表面精度要求较高，测量仪器的价格也比较昂贵。
3)超声波法是根据超声波在有应力的试件和无应力的试件中传播速度的变化来测定残余应力的，它可用于测定三维空间的残余应力，但这种方法目前还处在实验室研究阶段，国外已有仪器出售，国内实际生产中还尚未得到应用。

第三节 焊接变形

一、焊接残余变形的种类及其影响因素
焊接残余变形在焊接结构中的分布是很复杂的。按变形对整个焊接结构的影响程度可将焊接变形分为局部变形和整体变形；按照变形的外观形态来分，可将焊接变形分为图1-29所示的五种基本变形形式：收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形。这些基本变形形式的不同组合，形成了实际生产中焊件的变形。下面，将分别讨论各种变形的形成规律和影响因素。

图1-29 焊接变形的基本形式
a)收缩变形 b)角变形 c)弯曲变形 d)波浪变形 e)扭曲变形
　 1．收缩变形
焊件尺寸比焊前缩短的现象称为收缩变形。它分为纵向收缩变形和横向收缩变形，如图1-30所示。

图1-30 纵向和横向收缩变形
(1)纵向收缩变形 纵向收缩变形即沿焊缝轴线方向尺寸的缩短。这是由于焊缝及其附近区域在焊接高温的作用下产生纵向的压缩塑性变形，焊后这个区域要收缩，便引起了焊件的纵向收缩变形。
纵向收缩变形量取决于焊缝长度、焊件的截面积、材料的弹性模量、压缩塑性变形区的面积以及压缩塑性变形率等。焊件的截面积越大，焊件的纵向收缩量越小。焊缝的长度越长，纵向收缩量越大。从这个角度考虑，在受力不大的焊接结构内，采用间断焊缝代替连续焊缝，是减小焊件纵向收缩变形的有效措施。
压缩塑性变形量与焊接方法、焊接工艺参数、焊接顺序以及母材的热物理性质有关，其中以热输入影响最大。在一般情况下，压缩塑性变形量与热输入成正比。同样截面形状和大小的焊缝，可以一次焊成，也可以采用多层焊。多层焊每次所用的线能量比单层焊时要小得多，因此，多层焊时每层焊缝所产生的（压缩塑性变形区面积）比单层焊时小。但多层焊所引起的总变形量并不等于各层焊缝的之和，因为各层所产生的塑性变形区面积是相互重叠的。图1-31为单层焊和双层焊对接接头塑性变形区示意图。单层焊的塑性变形区面积为ABCD；双层焊第一层焊道产生的塑性变形区为A1B1C1D1，第二层的塑性变形区为A2B2C2D2。由此可以得出结论，对截面相同的焊缝，采用多层焊引起的纵向收缩量比单层焊小，分的层数越多，每层的热输入越小，纵向收缩量就越小。

图1-31 单层焊和双层焊的塑性变形区对比
a)单层焊 b)双层焊
——为第一层焊缝产生的塑性变形区