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第七章焊接应力与变形金属结构在焊接过程中，产生的焊接应力和各种焊接变形，往往使焊接产品的质量下降，使下一道工序无法顺利进行。更重要的是焊接应力或焊接残余应力往往是造成裂纹的直接原因，即使不造成裂纹，也会降低焊接结构的承载能力和使用寿命。焊接变形不仅造成焊件尺寸、形状的变化，而且在焊后要进行大量复杂的矫正工作，严重的会使焊件报废、但是，如果从中找出它们的规律，那么就可以大大减少焊接应力与变形的危害。第一节：焊接应力和变形的基本概念一、内应力和变形在物体受到外力作用发生变形的同时，在其内部会出现一种抵抗变形的力，这种力叫做内力。物体由于受到外力的作用，在单位截面积上出现的内力叫做应力。但应力并不都是由外力引起的，如物体在加热膨胀或冷却收缩过程中受到阻碍，就会在其内部出现应力，这种情况在不均匀加热或不均匀冷却过程中就会出现。当没有外力存在时，物体内部存在的应力叫做内应力。物体在受到外力的作用时，会出现形状、尺寸的变化，称为物体的变形。若在外力去除后，物体能恢复到原来的形状和尺寸，这种变形称弹性变形，反之称塑性变形。在焊接过程中，往往在没有外力的作用下，也会造成物体的变形。由于焊接热过程而引起的应力和变形，就是焊接应力和焊接变形。应力和变形之间也存在着一定的关系，如果对同一种材料而不同截面的物体加上同样大小的力时，我们会发现截面越小的物体变形越大。可见物体的变形与物体的截面积有关，即变形的大小是由外力所引起的应力大小来决定的。所以，通常说物体受外力超大，所引起的应力与变形也越大。二、应力和变形的形成焊接是一个加热和冷却的热循环过程，焊接时金属受热和冷却的整个热循环温度范围通常在1500℃以上。随着温度的变化，金属的物理性能和力学性能也随之发生剧烈的变化。低碳钢的塑性参数，随温度（＞３00℃）的提高，塑性也明显提高，而强度参数却随着温度的提高而下降。屈服强度在加热初期缓慢下降，随着加热温度的升高，曲线下降转快。当温度达到600～650ºC时，屈服强度接近于零。当温度在０～500℃时，σs可看作为一个常数，而在500～600Ｃ时，σs按直线规律减小到零。依据这种假定，低碳钢在600℃及600℃以上时，就变为塑性材料。这对焊接应力与变形有着重大影响。焊接时的应力和变形的形成主要是取决于焊接热过程，及焊件在焊接过程中受拘束的条件。１．均匀加热时引起应力与变形的原因为了便于了解焊接时应力与变形产生的原因，首先对均匀加热时产生的应力与变形进行讨论。(1）自由状态的杆件：假设有一根钢杯，搁在两端无约束的支点上（自身重量不计），当对钢杯均匀加热后。钢杆便出现了线膨胀和体膨胀，然后均匀冷却，钢杆将恢复到原来的形状和尺寸。因为在整个热胀和冷缩的过程中，钢杆始终处在自由无约束的状态下，所以最终将不会出现应力和变形。（２）热伸长受阻而冷却收缩自由假设钢杆两端被阻于两壁之间，限制了它在加热时的伸长，而允许在冷却时自由地缩短。同时假定：杆件在受到纵向压力时不产生弯曲；加热杆件与两壁之间没有热传导；两壁为绝对刚性，不产生任何变形，整个杆件为均匀加热、均匀冷却。当杆件受热温度升高时，杆件将伸长但由于杆件两端受阻，实际上没有伸长，相当于将杆件在自由状态下加热后，伸长了，然后加压使杆件缩短了。按照虎克定律，在弹性限度以内，杆件在力的作用下伸长或缩短的距离与所加的力成正比。可见，当加热时，杆件存在相对变形和应力。如果，此时应力小于屈服点，说明均匀加热时的压缩变形属于弹性变形的范围内。那么，当杆件又均匀冷却时，杆件的热伸长没有了，压缩变形消失了，杆件中也不再存在压缩内应力，杆件仍恢复到初始状态。但是，如果相对变形应力大于该温度下杆件屈服强度σs所对应的相对变形时，即此时的相对变形超出了弹性限度，此时即产生塑性变形。那么，当温度下降到时，杆件的长度将小于原有的长度，也就是杆件具有残余的（压缩塑性）变形。（３）热伸长和冷却收缩均受阻的杆件假设钢杆两端完全固定，加热时既不能自由膨胀，冷却时也不能自由收缩。如果应力大于屈服点，那么冷却后，杆件按理将出现残余相对（收缩）变形。但是，由于杆件两端固定而使其无法收缩，这就使杆件相当于受到拉伸，这样，在杆件内就会出现拉伸应力，即所谓拉伸残应力，当此应力大于杆件的屈服点时，那么杆件便出现残余拉伸塑性变形。如果残余应力大于杆件所固有的强度极限时，杆件还将出现断裂现象。这就是金属材料在经过加热、冷却和由于特定的外界条件而出现内应力的实质。经过计算，低碳钢杆如果处于绝对刚性条件下，只要升高温度１００℃，杆件中的压缩应力就达到屈服点，也即升高温度１００℃，杆件中就产生压缩塑性变形了。２．不均匀加热及焊接过程引起应力与变形的原因假设有一块钢板，它是由许多可以自由伸缩的小板条组成。若在钢板的一侧加热，由于是不均匀加热，距加热边越远的小板条受热温度越低。因为，金属在加热时的伸长量与温度成正比，因此，它们的伸长将相似于温度分布曲线的形状。这只是理论伸长曲线，因为事实上所假设的无数小板条是一个整体互相牵制的。因此，温度高、伸长大的板条要受到温度低、伸长小的板条牵制；而温度低、伸长小的板条却受到温度高、伸长大的板条的拉伸。故实际上钢板的伸长情况是不均匀的。这种不均匀加热温度超过１００℃时，事实上的变形中就有塑性变形。当钢板在冷却时，互相牵制的小板条都在收缩，由于原来温度高的部分被“压缩”的伸长量大，因此在冷却时的收缩也较大，其余部分逐次减小，实际变形情况。由于收缩是在受拘束的状况下进行，所以钢板在冷却后，原来温度高的部分产生拉应力，温度低的部分产生压应力。最后，上述单边加热的钢板，除去加热边的纵向缩短外。还有弯曲变形。钢板中间堆焊或对接时的应力与变形情况。假设钢板也是由许多能自由伸缩的小板条组成，在焊接过程中，由于钢板经受了不均匀的加热，其加热温度为中间高两边低。而实际上由于假想小板条是互为一体并相互牵制的，因此实际伸长情况是钢板的边缘被拉伸了，这样，在边缘上就出现了拉伸应力。钢板中间被“压缩”了，除去压缩弹性变形外已产生了塑性变形的部分。可见钢板中间的焊缝区，不仅产生了压应力，而且还产生了压缩塑性变形。当冷却时，由于钢板中间在加热时产生压缩变形的缘故，所以最后的钢板长度要比原来短。但事实上由于中间部分的收缩受到两边的牵制，所以实际的收缩变形在钢板的边缘出现了压应力，而在钢板中间，因没能完全收缩。则出现了拉伸应力。这就是焊接过程引起应力与变形的实现情况。第二节：焊接残余变形焊接热过程是一个不均匀加热的过程，以致在焊接过程中出现应力和变形，焊后便导致焊接结构产生焊接残余应力和焊接残余变形。一、焊接残余变形分类及产生原因焊接残余变形分类，一般可按基本变形形式划分和焊接结构变形形式划分。按基本变形形式可分为纵向变形、横向变形、弯曲变形、角变形、波浪变形和扭曲变形等几种；按焊接结构变形形式可分为局部变形和整体变形。焊接结构的局部变形是指其某一部分发生的变形，它主要包括角变形和波浪变形两种。这种变形对结构影响较小，也易于矫正。焊接结构的整体变形是指整体发生形状和尺寸的变化，它包括纵向和横向变形、弯曲变形、扭曲变形等。现就焊接残余变形的几种基本形式，来分析产生残余变形的原因。１．纵向及横向变形（１）纵向变形这类变形的原因已在前节介绍了，焊后产生的纵向变形主要是纵向缩短。焊缝的纵向收缩量一般是随焊缝长度的增加而增加。另外，母材线膨胀系数大，其焊后焊缝纵向收缩量也大，如不锈钢和铝的焊后收缩量就比碳钢大；多层焊时，第一层引起的收缩量最大，这是因为焊第一层时焊件的刚性较小。如果焊件在夹具固定的条件下焊接，其收缩量可减小４０％～７０％，但焊后将引起较大的焊接应力。（２）横向变形焊后产生的横向变形主要是横向缩短。由于是不均匀加热，且因钢板的自重等原因，而使焊缝和母材的受热部分在膨胀和冷却收缩时都受到拘束。与纵向焊接变形原因类似，最终导致焊后产生横向缩短。一般对接焊的横向收缩，随着板厚的增加而增加；同样板厚，坡口角度越大，横向收缩量也越大。在生产实践中，同样焊接一条对接直缝，如果在焊接次序和方向上不同，会出现不同的横向焊接残余变形。在同一条焊缝（直）中，最后焊的部分横向变形最大。在两块留有一定间隙而未被固定的钢板的一端，焊上焊点Ａ，这相当于整条焊缝的始焊部分。由于此时钢板能自由伸缩，因此冷却后钢板的间隙变化不大；在焊第二点Ｂ时，由于钢板的上端尚能移动（钢板可以Ａ点为支点转动），在受热膨胀时，上端间隙被召大，由于焊点Ｂ及附近的金属没有受到明显的压缩变形，所以在冷却收缩后，间隙也没有明显的缩小；当第三点Ｃ焊上去时，由于焊点Ｃ其附近的金属受热膨胀已不能像焊前两点那样较自由的伸缩，它受到Ａ、Ｂ两焊点的阻碍，所以在受热膨胀时，焊点附近受热金属均受到了压缩。这样在冷却后Ｃ点及附近金属就出现了较大的横向收缩变形，这就是由于焊接次序的不同，而出现不同横向残余变形的原因。２．弯曲变形弯曲变形常见于焊接梁、柱、管道等焊件，对这类焊接结构的生产造成较大的危害。弯曲交形的大小以挠度来衡量。（１）由纵向收缩变形造成的弯曲变形：如：钢板单边施焊后产生的弯曲形，这是由直缝纵向收缩引起总体弯曲变形的一个实例。（２）由横向收缩变形造成的弯曲变形３．角变形在焊接（单面）较厚钢板时，在钢板厚度方向上的温度分布是不均匀的，温度高的一面受热膨胀较大，另一方面膨胀小甚至不膨胀。由于焊接面膨胀受阻，出现了较大的横向压缩塑性变形。这样，在冷却时就产生了在钢板厚度方向上收缩不均匀的现象，焊接一面收缩大，另一面收缩小。这种在焊后由于焊缝的横向收缩使得两连接件间相对角度发生变化的变形叫做角变形。波浪变形则容易在薄板焊接结构中产生。有两种产生原因：一种是由于薄板结构焊接时，纵向和横向的压应力使薄板失去稳定而造成波浪形的变形；另一种原因是由角焊缝的横向收缩，引起角变形形成波浪变形。５．扭曲变形扭曲变形的产生原因较复杂：装配质量不好．即在装配之后焊接之前的焊件位置和尺寸不符合图样的要求；构件的零部件形状不正确，而强行装配；焊件在焊接时位置搁置不当。焊接顺序及方向不当。通过对上述几种基本变形形式的分析可知，产生焊接残余变形的根本原因是，焊后焊缝的纵向和横向应力造成的。二、影响焊接残余变形的因素１、焊缝在结构中的位置焊缝在焊接结构上的位置不对称，往往是造成结构整体弯曲变形的主要因素当焊缝处在焊件中性轴的一侧时，焊件在焊后将向焊缝一侧弯曲，且焊缝距中性轴越远，焊件就越易产生弯曲变形；在整个焊接结构中，如中性轴两侧焊缝的数目各不相同，且焊缝距中性轴的距离也各不相同，也易引起结构的弯曲变形。２、焊接结构的刚性某些金属结构在力的作用下，不容易发生变形，就说它的刚性大。衡量焊接接头刚性大小的一个定量指标是拘束度，拘束度有拉伸拘束度和弯曲拘束度两类。拘束度越大，即刚性越大，焊接结构就越不易变形。金属结构的刚性主要取决于结构的截面形状及其尺寸的大小。（１）结构抵抗拉伸的刚性主要决定于结构截面积的大小，截面积越大，拉伸拘束度就越大，则抵抗拉伸的刚性就越大，变形就越小。（２）结构抵抗弯曲的刚性主要看结构的截面形状和尺寸大小。就梁来说，一般封闭截面抗弯刚性大；板厚大（即截面积大）抗弯刚性也大；截面形状、面积、尺寸完全相同的两根梁，长度小，抗弯刚性大；同一根封闭截面的箱形梁，垂直放置比横向放置时的抗弯刚性大（在受相同力的情况下）。（３）结构抵抗扭曲的刚性除了决定于结构的尺寸大小外，最主要的是结构截面形状。如结构截面是封闭形式的，则抗扭曲刚性比不封闭截面的大。综前所述，一般短而粗的焊接结构，刚性较大；细而长的构件，抗弯刚性小。对于焊接结构由于刚性的影响而产生的变形，必须综合考虑上述的几个方面，才能得出比较符合实际的估计。３、焊接结构的装配及焊接顺序焊接结构的刚性是在装配和焊接过程中逐渐增大的，结构整体的刚性比它的零、部件刚性大。所以，尽可能先装配成整体，然后再焊接，可减少焊接结构的变形。以工字梁为例、先整体装配再焊接，其焊后的上拱弯曲变形，要比边装边焊顺序所产生的弯曲变形小得多。但是，并不是所有焊接结构都可以采用先总装后焊接的方法。有了合理的装配方法，若没