焊接結(jié)構(gòu)焊接應力與變形及其控制第1頁/共142頁2023/4/1722023/4/172第二章焊接應力與變形及其控制【能力目標】熟悉焊接應力與變形的概念、產(chǎn)生的原因、分布規(guī)律及控制措施，掌握簡單的焊接變形的矯正方法。了解焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂和疲勞破壞的原因。

【內(nèi)容提示】結(jié)構(gòu)件在焊接時，由于局部加熱而造成溫度分布不均勻，進而造成不均勻分布的塑性變形，最終導致焊件產(chǎn)生殘余應力和變形。本章主要介紹焊接應力和變形的基本概念及產(chǎn)生的原因，焊接應力的分布規(guī)律，降低和消除焊接殘余應力的方法，焊接變形的種類和控制焊接變形的措施，以及焊接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞和脆性斷裂的有關(guān)知識。第2頁/共142頁2023/4/1732023/4/173第一節(jié)焊接應力與變形產(chǎn)生的原因一、焊接應力與變形的基本知識

1．應力物體受外力作用或由其他因素引起的物體內(nèi)部的相互作用力叫做內(nèi)力。物體單位面積上的內(nèi)力叫做應力。根據(jù)引起內(nèi)力的原因不同，可將應力分為工作應力和內(nèi)應力，工作應力是由外力作用于物體而引起的應力；內(nèi)應力是由于物體的化學成分、金相組織及溫度等因素變化，造成物體內(nèi)部不均勻性變形而引起的應力。內(nèi)應力存在于許多工程結(jié)構(gòu)中，如沖壓結(jié)構(gòu)、鍛造結(jié)構(gòu)、焊接結(jié)構(gòu)等。第3頁/共142頁2023/4/1742023/4/174

2．變形物體在外力、溫度等因素的作用下，其形狀或尺寸發(fā)生變化稱為物體的變形。變形分為彈性變形和塑性變形，當使物體產(chǎn)生變形的外力或其他因素消除后，變形也隨之消失，物體能恢復原狀，這樣的變形稱為彈性變形；當外力或其他因素消除后，變形的物體不能恢復原狀，這樣的變形稱為塑性變形。

3．焊接應力與焊接變形焊接構(gòu)件由焊接而產(chǎn)生的內(nèi)應力叫焊接應力，焊接結(jié)束后殘留在焊件中的焊接應力叫焊接殘余應力。由焊接而引起的焊件形狀或尺寸改變稱為焊接變形。焊接變形及應力第4頁/共142頁2023/4/1752023/4/175二、焊接應力與變形產(chǎn)生的原因影響焊接應力與變形的因素很多，其中，最根本的原因是焊件受熱不均勻，其次是由于焊縫金屬的收縮、金相組織的變化及焊件的剛度不同所致。另外，焊縫在焊接結(jié)構(gòu)中的位置、裝配一焊接順序、焊接方法、焊接電流及焊接方向等對焊接應力與變形也有一定的影響，下面著重介紹幾個主要因素。

1．焊件的不均勻受熱焊接是一個局部加熱的過程，焊件上溫度分布極不均勻，為了便于了解不均勻受熱時應力與變形的產(chǎn)生，下面對不同條件下的應力與變形進行討論。第5頁/共142頁2023/4/1762023/4/176(1)長板條中心加熱(類似于堆焊)引起的應力與變形如圖2-l-la所示，長度為L。，厚度為δ的長板條，材料為低碳鋼，在其中間沿長度方向進行加熱，為簡化討論，將板條上的溫度區(qū)分為兩種，中間為高溫區(qū)，其溫度均勻一致；兩側(cè)為低溫區(qū)，其溫度也均勻一致。圖2-1-1長板條中心加熱和冷卻時的應力與變形第6頁/共142頁2023/4/177加熱時，如果板條的高溫區(qū)與低溫區(qū)是可分離的，高溫區(qū)將伸長，低溫區(qū)不變，如圖2-l-lb所示。但實際上板條是一個整體，所以板條將整體伸長，此時高溫區(qū)內(nèi)產(chǎn)生較大的壓縮塑性變形和壓縮彈性變形，如圖2-1-lc所示。圖2-1-1長板條中心加熱和冷卻時的應力與變形第7頁/共142頁2023/4/1782023/4/178冷卻時，由于壓縮塑性變形不可恢復，所以，如果高溫區(qū)與低溫區(qū)是可分離的，高溫區(qū)應縮短，低溫區(qū)應恢復原長，如圖2-l-1d所示。因為板條是一個整體，所以板條將整體縮短，這就是板條的殘余變形，如圖2-1-le所示。同時，在板條內(nèi)部也產(chǎn)生了殘余應力，中間高溫區(qū)為拉應力，兩側(cè)低溫區(qū)為壓應力。圖2-1-1長板條中心加熱和冷卻時的應力與變形第8頁/共142頁2023/4/179

a)原始狀態(tài)b)，c)加熱時d)，e)冷卻時圖2-1-1長板條中心加熱和冷卻時的應力與變形第9頁/共142頁2023/4/17102023/4/1710(2)長板條一側(cè)加熱(相當于板邊堆焊)引起的應力與變形如圖2-1-2a所示，在一塊材質(zhì)均勻的鋼板的上邊緣快速加熱。假設鋼板由許多互不相連的窄板條組成，則各板條在加熱時將根據(jù)溫度高低而不同程度地伸長，圖2-1-2鋼板邊緣一側(cè)加熱和冷卻時的應力與變形第10頁/共142頁2023/4/1711如圖2-l-2b所示。但實際上，鋼板是一個整體，各板條之間是互相牽連、互相影響的，上部板條因受下部板條的阻礙作用而不能自由伸長，因此產(chǎn)生了壓縮塑性變形。由于鋼板的溫度分布是自上而下逐漸降低的，因此，鋼板產(chǎn)生向下的彎曲變形，如圖2-1-2c所示。圖2-1-2鋼板邊緣一側(cè)加熱和冷卻時的應力與變形第11頁/共142頁2023/4/1712鋼板冷卻時，各板條若是分離的，收縮狀態(tài)應如圖2-l-2d所示。但鋼板是一個整體，上部分板條要受到下部分板條的阻礙而不能自由收縮，所以鋼板產(chǎn)生了與加熱時相反的殘余變形，如圖2-l-2e所示。同時，在鋼板內(nèi)產(chǎn)生了殘余應力，即鋼板中部為壓應力，鋼板兩側(cè)為拉應力。

圖2-1-2鋼板邊緣一側(cè)加熱和冷卻時的應力與變形第12頁/共142頁2023/4/17132023/4/1713圖2-1-2鋼板邊緣一側(cè)加熱和冷卻時的應力與變形

a)原始狀態(tài)b)假設狀態(tài)下各板條的伸長c)加熱后的實際變形與應力

d)假設狀態(tài)下各板條的收縮e)冷卻后的實際變形與應力由上述分析可知，對構(gòu)件進行不均勻加熱，在加熱過程中，只要溫度高于材料屈服點的溫度，冷卻后，構(gòu)件必然有殘余應力和殘余變形。第13頁/共142頁2023/4/17142023/4/1714

2．焊縫金屬的收縮焊縫金屬冷卻時，當它由液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)，其體積要收縮。由于焊縫金屬與母材金屬是緊密聯(lián)系的，因此，焊縫金屬并不能自由收縮。這將引起整個焊件的變形，同時在焊縫中引起殘余應力。另外，一條焊縫是逐步形成的，焊縫中先結(jié)晶的部分要阻止后結(jié)晶部分的收縮，由此也會產(chǎn)生焊接應力與變形。第14頁/共142頁2023/4/1715

3．金屬組織的變化鋼在加熱及冷卻過程中發(fā)生相變，可得到不同的組織，這些組織的比容也不一樣，由此也會產(chǎn)生焊接應力與變形。

4．焊件的剛性和拘束焊件的剛性和拘束對焊接應力和變形也有較大的影響，剛性是指焊件抵抗變形的能力，而拘束是指焊件周圍物體對焊件變形的約束。剛性是焊件本身的性能，它與焊件材質(zhì)、焊件截面形狀和尺寸等有關(guān)，而拘束是一種外部條件。拘束度是衡量焊接接頭剛性大小的一個定量指標，焊件的拘束度越大，焊接變形越小，焊接應力越大；反之，焊件的拘束度越小，則焊接變形越大，而焊接應力越小。第15頁/共142頁2023/4/17162023/4/1716第二節(jié)焊接殘余應力及其控制

一、焊接殘余應力的分類

1．按產(chǎn)生應力的原因分類

(1)熱應力熱應力是指在焊接過程中，由焊件內(nèi)部溫度差異引起的應力，故又稱溫度應力，它隨著溫差消失而消失。熱應力是引起熱裂紋的主要原因之一。

(2)相變應力相變應力是指在焊接過程中局部金屬發(fā)生相變，其密度增大或減小而引起的應力。第16頁/共142頁2023/4/17172023/4/1717(3)塑變應力塑變應力是指局部金屬發(fā)生拉伸或壓縮塑性變形后所引起的內(nèi)應力。對金屬進行剪切、沖壓、彎曲、切削、鍛造等冷熱加工時，都會產(chǎn)生這種內(nèi)應力。焊接過程中，近縫高溫區(qū)的金屬熱脹和冷縮受阻時，便產(chǎn)生塑性變形，從而引起塑變應力。第17頁/共142頁2023/4/171818

2．按應力存在的時間分類

(1)焊接瞬時應力焊接瞬時應力是指在焊接過程中某一瞬時產(chǎn)生的焊接應力，它隨時間而變化。焊接瞬時應力和焊接熱應力沒有本質(zhì)區(qū)別，當溫差也隨時間而變化時，熱應力也是瞬時應力。

(2)焊接殘余應力焊接殘余應力是焊接結(jié)束后殘留在焊件內(nèi)的應力，殘余應力對焊接結(jié)構(gòu)的強度、耐腐蝕性和尺寸穩(wěn)定性等性能均有影響。第18頁/共142頁2023/4/1719

3．按焊接殘余應力在結(jié)構(gòu)中的作用方向分類

(1)單向應力單向應力是指焊接應力在焊件中只沿一個方向產(chǎn)生，即焊件中的應力是單方向的，也稱線應力，如薄板焊接和圓柱對接時。第19頁/共142頁2023/4/1720(2)雙向應力雙向應力是指焊接應力存在于焊件中一個平面的不同方向上，如薄板十字對接焊縫和較厚鋼板對接時，焊件中的應力存在于一個平面上，也稱為平面應力。(3)體積應力體積應力是指焊接應力在焊件中沿空間三個方向發(fā)生，也稱三向應力，如厚板對接焊縫。第20頁/共142頁2023/4/1721

二、焊接殘余應力的分布在厚度小于20mm的焊接結(jié)構(gòu)中，殘余應力基本是縱、橫雙向的，厚度方向的殘余應力很小，可以忽略。只有在大厚度的焊接結(jié)構(gòu)中，厚度方向的殘余應力才有較高的數(shù)值。因此，這里將重點討論縱向應力和橫向應力的分布情況。

第21頁/共142頁2023/4/1722

1．縱向殘余應力的分布作用方向平行于焊縫軸線的殘余應力稱為縱向殘余應力。在焊接結(jié)構(gòu)中，焊縫及其附近區(qū)域的縱向殘余應力為拉應力，一般可達到材料的屈服點，隨著與焊縫間距離的增大，拉應力急劇下降并轉(zhuǎn)化為壓應力。寬度相等的兩板對接時，縱向殘余應力在焊件橫截面上的分布情況如圖2-2-1所示。圖2-2-1縱向殘余應力在焊件橫截面上的分布情況第22頁/共142頁2023/4/1723

2．橫向殘余應力的分布作用方向垂直于焊縫軸線的殘余應力稱為橫向殘余應力。橫向殘余應力的產(chǎn)生原因比較復雜，可將其分成兩個部分加以討論：一部分是由焊縫及其附近塑性變形區(qū)的縱向收縮引起的橫向應力，用表示；另一部分是由焊縫及其附近塑性變形區(qū)橫向收縮的不均勻性所引起的橫向應力，用表示。第23頁/共142頁2023/4/1724(1)縱向收縮引起的橫向應力如圖2-2-2a所示是由兩塊平板條對接而成的焊件，如果假想沿焊縫中心將焊件一分為二，即兩塊板條都相當于板邊堆焊，將出現(xiàn)如圖2-2-2b所示的彎曲變形，要使兩板條恢復到原來形狀，必須在焊縫中部施加橫向拉應力，在焊縫兩端施加橫向壓應力。由此可以推斷，焊縫及其附近塑性變形區(qū)的縱向收縮引起的橫向應力如圖2-2-2c所示，其兩端為壓應力，中間為拉應力。圖2-2-2縱向收縮引起的橫向應力的分布第24頁/共142頁2023/4/1725第25頁/共142頁2023/4/1726圖2-2-3不同焊接方向時的分布總之，橫向應力的兩個組成部分、同時存在，焊件中橫向應力是由、合成的，但它的大小要受屈服點的限制。第26頁/共142頁2023/4/1727

三、焊接殘余應力對焊接結(jié)構(gòu)的影響

1．對結(jié)構(gòu)強度的影響應力集中不嚴重的焊接結(jié)構(gòu)，只要材料具有一定的塑性變形能力，焊接內(nèi)應力并不影響結(jié)構(gòu)的靜載強度。但是，當材料為脆性狀態(tài)時，則拉伸內(nèi)應力和外力引起的拉應力疊加，有可能使局部區(qū)域的應力首先達到斷裂極限，導致結(jié)構(gòu)早期破壞。因此，焊接殘余應力的存在將明顯降低脆性材料結(jié)構(gòu)的強度。第27頁/共142頁2023/4/1728

2．對焊件加工尺寸精度的影響在機械加工時，因一部分金屬從焊件上被切除而破壞了內(nèi)應力原來的平衡狀態(tài)，于是內(nèi)應力重新分布以達到新的平衡，同時產(chǎn)生了變形，于是加工精度受到影響。如圖2-2-4所示為機械加工引起的內(nèi)應力釋放和變形。在T形焊件上加工平面時，當切削加工結(jié)束后松開加壓板，工件會產(chǎn)生上撓變形，加工精度受到影響。為了保證加工精度，應對焊件先進行消除應力處理，再進行機械加工。也可采用多次分步加工的辦法來釋放焊件中的殘余應力。第28頁/共142頁2023/4/1729圖2-2-4機械加工引起的內(nèi)應力釋放和變形機械加工后，原內(nèi)應力的平衡打破，工件將產(chǎn)生變形第29頁/共142頁2023/4/1730

3．對受壓桿件穩(wěn)定性的影響焊接工字梁或箱形梁時，腹板的中心部位存在較大的壓應力，這種壓應力的存在，往往會導致高大梁結(jié)構(gòu)的局部或整體失穩(wěn)，產(chǎn)生波浪變形。焊接殘余應力除了對上述的結(jié)構(gòu)強度、加工尺寸精度以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有影響外，還對結(jié)構(gòu)剛度、疲勞強度等有不同程度的影響。因此，為了保證焊接結(jié)構(gòu)具有良好的使用性能，必須設法在焊接過程中減小焊接殘余應力，對某些重要的結(jié)構(gòu)，焊后還必須采取消除焊接殘余應力的措施。第30頁/共142頁2023/4/1731

四、控制焊接殘余應力的措施控制焊接殘余應力，即在焊接結(jié)構(gòu)制造過程中，采取一些適當?shù)拇胧┮詼p小焊接殘余應力。一般可以從設計和工藝兩方面著手：設計焊接結(jié)構(gòu)時，在不影響結(jié)構(gòu)使用性能的前提下，應盡量考慮采用能減小和改善焊接應力的設計方案；在制造過程中還要采取一些必要的工藝措施，以使焊接應力減小。焊接變形及應力第31頁/共142頁2023/4/1732

1．設計措施

(1)盡量減少結(jié)構(gòu)上焊縫的數(shù)量和減小焊縫尺寸多一條焊縫就多一處內(nèi)應力源；過大的焊縫尺寸使焊接時受熱區(qū)加大，殘余應力與殘余變形量明顯增大。

(2)避免焊縫過分集中，焊縫間應保持足夠的距離焊縫過分集中不僅使應力分布更不均勻，而且可能出現(xiàn)復雜的雙向或多向應力狀態(tài)。壓力容器的設計在這方面要求嚴格，如圖2-2-5所示。圖2-2-5容器接管焊接第32頁/共142頁2023/4/1733

(3)采用剛度較小的接頭形式對于厚度大、剛度大的焊件，在不影響結(jié)構(gòu)強度的前提下，可在焊縫附近進行局部加工，以降低焊件局部剛度，達到減小焊接殘余應力的目的，如圖2-2-6所示。圖2-2-6減小接頭剛度的措施第33頁/共142頁2023/4/1734

2．工藝措施

(1)采用合理的裝配一焊接順序和方向所謂合理的裝配一焊接順序就是指能使每條焊縫盡可能自由收縮的焊接順序。在確定焊接順序時應注意以下幾點：

1)在一個平面上的焊縫，焊接時應保證焊縫的縱向和橫向收縮均比較自由。如圖2-2-7所示的拼板焊接，合理的裝配一焊接順序是按圖中①～⑨的順序施焊，即先焊相互錯開的短焊縫，后焊直通長焊縫。圖2-2-7拼板焊接合理的裝配--焊接順序第34頁/共142頁2023/4/17352)收縮量最大的焊縫應先焊。因為先焊的焊縫收縮時受阻力較小，因而殘余應力就比較小。如圖2-2-8所示為帶蓋板的雙工字梁結(jié)構(gòu)，應先焊蓋板上的對接焊縫①，后焊蓋板與工字梁之間的角焊縫②，原因是對接焊縫的收縮量比角焊縫的收縮量大。圖2-2-8帶蓋板的雙工字梁結(jié)構(gòu)第35頁/共142頁2023/4/1736

3)工作時受力最大的焊縫應先焊。如圖2-2-9所示的大型對接工字梁，應先焊受力最大的翼板對接焊縫①，再焊腹板對接焊縫②，最后焊預先留出來的一段角焊縫③。

圖2-2-9大型對接工字梁第36頁/共142頁2023/4/17374)平面交叉焊縫焊接時，在焊縫的交叉點易產(chǎn)生較大的焊接應力。如圖2-2-10所示為平面交叉焊縫，對這幾種T形接頭和十字接頭，應采用如圖2-2-10a，b，c所示的焊接順序，才能避免在焊縫的交叉點產(chǎn)生裂紋及夾渣等缺陷。如圖2-2-10d所示為不合理的焊接順序。

a)．b)，c)合理的焊接順序d)不合理的焊接順序圖2-2-10平面交叉焊縫第37頁/共142頁2023/4/17385)如圖2-2-11所示為對接焊縫與角焊縫交叉焊接。對接焊縫①的橫向收縮量大，必須先焊，后焊角焊縫②。反之，如果先焊角焊縫②，則焊接對接焊縫①時，其橫向收縮受限制，極易產(chǎn)生裂紋。圖2-2-11對接焊縫與角焊縫交叉焊接第38頁/共142頁2023/4/1739

(2)預熱法預熱法是在施焊前，預先將焊件局部或整體加熱到150～650℃焊接或焊補淬硬傾向較大或脆性的材料，以及剛度較大的焊件時，常常采用預熱法。預熱溫度視材料、結(jié)構(gòu)剛度等具體情況而定。瑞典鐵路鋼軌鋁熱焊接現(xiàn)場第39頁/共142頁2023/4/1740

(3)冷焊法冷焊法是指焊接前或焊接過程中不加熱的工藝。具體做法為：盡量采用小的熱輸入施焊，選用小直徑焊條，進行小電流、快速焊及多層多道焊。另外，應用冷焊法時，外境溫度應盡可能高。超精密冷焊修補法第40頁/共142頁2023/4/1741(4)降低焊縫的拘束度對于平板上鑲板的封閉焊縫，焊接時拘束度大，焊后焊縫縱向和橫向拉應力都較大，極易產(chǎn)生裂紋。為了降低殘余應力，應設法減小該封閉焊縫的拘束度。如圖2-2-12a所示，焊前對鑲板的邊緣適當翻邊，做出反變形，焊接時翻邊處拘束度減小。若鑲板收縮余量預留得合適，焊后殘余應力可減小，且鑲板與平板平齊。如圖2-2-12b所示為鑲板圖2-2-12降低局部剛度減小內(nèi)應力

a)鑲板的邊緣少量翻邊b)鑲板壓凹第41頁/共142頁2023/4/1742(5)加熱“減應區(qū)”法焊接時加熱那些阻礙焊接區(qū)自由伸縮的部位(稱為“減應區(qū)”)，使之與焊接區(qū)同時膨脹或同時收縮，起到減小焊接應力的作用，此法稱為加熱“減應區(qū)”法。如圖2-2-13所示為加熱“減應區(qū)”法原理圖，圖中框架中心斷裂，需要修復。若直接焊接斷口處，焊縫橫向收縮受阻，在焊縫中將產(chǎn)生相當大的橫向應力。若焊前在構(gòu)件兩側(cè)的減應區(qū)同時加熱，兩側(cè)受熱膨脹，使中心斷口間隙增大。此時，對斷口處進行焊接，焊后兩側(cè)也停止加熱。于是焊縫和兩側(cè)加熱區(qū)同時冷卻收縮，互不阻礙，減小了焊接應力。第42頁/共142頁2023/4/1743圖2-2-13加熱“減應區(qū)”法原理圖a)加熱過程b)冷卻過程第43頁/共142頁2023/4/1744

五、減小焊接殘余應力的方法雖然在焊件結(jié)構(gòu)設計時考慮了殘余應力的問題，在工藝上也采取了一定的措施來控制焊接殘余應力，但由于焊接應力的復雜性，結(jié)構(gòu)在焊接完以后仍然可能存在較大的殘余應力。另外，有些結(jié)構(gòu)在裝配過程中還可能產(chǎn)生新的應力，這些焊接殘余應力及裝配應力都會影響結(jié)構(gòu)的使用性能。焊后是否需要消除殘余應力，通常由設計部門根據(jù)鋼材的性能、板厚、結(jié)構(gòu)的制造及使用條件等多種因素綜合考慮后決定。常用的減小焊接殘余應力的方法有熱處理法、機械拉伸法、溫差拉伸法、錘擊焊縫法、振動法等。第44頁/共142頁2023/4/1745

1．熱處理法熱處理法是利用材料在高溫下屈服點下降和蠕變的現(xiàn)象來達到松弛焊接殘余應力的目的，同時還可改善焊接接頭的性能。生產(chǎn)中常用的熱處理法有整體熱處理和局部熱處理兩種。

(1)整體熱處理整體熱處理是將整個構(gòu)件緩慢加熱到一定的溫度(例如，低碳鋼為600～680℃

，并在該溫度下保溫一定的時間(一般，每毫米板厚保溫l～2min，但總時間不少于30min，不高于3h)，然后空冷或隨爐冷卻。整體熱處理消除殘余應力的效果取決于加熱溫度、加熱方法、加熱范圍、保溫時間、加熱和冷卻速度。一般可消除80％～90％的殘余應力，在生產(chǎn)中應用比較廣泛。走進北方重工熱處理第45頁/共142頁2023/4/1746

(2)局部熱處理對于某些不允許或不可能進行整體熱處理的焊接結(jié)構(gòu)，可采用局部熱處理，局部熱處理就是對構(gòu)件焊縫周圍應力較大的局部區(qū)域，緩慢加熱到一定溫度后保溫，然后緩慢冷卻，其消除應力的效果不如整體熱處理，它只能減小殘余應力，不能完全消除殘余應力。對于一些大型筒形容器的組裝環(huán)縫和一些重要管道等，常采用局部熱處理來降低結(jié)構(gòu)的殘余應力。第46頁/共142頁2023/4/1747

2．機械拉伸法機械拉伸法是通過不同方式在構(gòu)件上施加一定的拉伸應力，使焊縫及其附近區(qū)域產(chǎn)生拉伸塑性變形，與焊接時在焊縫及其附近區(qū)域所產(chǎn)生的壓縮塑性變形相互抵消一部分，以達到松弛殘余應力的目的。實踐證明，拉伸載荷加得越大，壓縮塑性變形量就抵消得越多，殘余應力消除得越徹底。在壓力容器制造的最后階段，通常要進行水壓試驗，其目的之一也是利用加載來抵消部分殘余應力。第47頁/共142頁2023/4/17483．溫差拉伸法溫差拉伸法的基本原理與機械拉伸法相同，不同的是機械拉伸法利用外力進行拉伸，而溫差拉伸法是利用局部加熱形成的溫差來拉伸壓縮塑性變形區(qū)。如圖2-2-14所示為溫差拉伸法示意圖，在焊縫兩側(cè)各用一適當寬度(一般為100～150mm)的火焰加熱焊件，將焊件表面加熱到200℃左右，在焰嘴后面一定距離用水管噴頭冷卻，使焊縫兩側(cè)金屬溫度高，焊縫區(qū)溫度低，兩側(cè)金屬的熱膨脹對中間溫度較低的焊縫區(qū)進行拉伸，產(chǎn)生拉伸塑性變形抵消焊接時所產(chǎn)生的壓縮塑性變形，從而達到消除殘余應力的目的。如果加熱溫度和加熱范圍選擇適當，可消除50％～70％的應力。第48頁/共142頁2023/4/1749圖2-2-14溫差拉伸法示意圖第49頁/共142頁2023/4/1750

4．錘擊焊縫法在焊接后用錘子或一定直徑的半球形風錘錘擊焊縫，或邊焊邊錘擊，可使焊縫金屬產(chǎn)生延伸變形，抵消一部分壓縮塑性變形，起到減小焊接應力的作用。錘擊時應注意力度，以免施力過大而產(chǎn)生裂紋。錘擊用的錘子質(zhì)量一般約為0．5kg，錘的尖端帶有R5mm的圓角，錘擊時溫度應在300℃以上或100～150℃的范圍內(nèi)，應避開200～300℃溫度區(qū)，多層焊時，除第一層和最后一層外，每層都要錘擊。第50頁/共142頁2023/4/1751

5．振動法振動法又稱振動時效或振動消除應力法。它是利用由偏心輪和變速電動機組成的激振器，使結(jié)構(gòu)發(fā)生振動，產(chǎn)生循環(huán)應力來降低內(nèi)應力。振動法所用設備簡單、價廉，節(jié)省能源，處理費用低，時間短，沒有高溫熱處理造成的金屬表面氧化等問題，故目前在焊接、鑄造、鍛造中，為了提高制件尺寸穩(wěn)定性較多地采用此法。振動消除應力處理技術(shù)第51頁/共142頁2023/4/1752第三節(jié)焊接殘余變形及其控制

一、焊接變形的種類及其影響因素焊接變形在焊接結(jié)構(gòu)中的分布是很復雜的。根據(jù)變形對整個焊接結(jié)構(gòu)的影響程度，可將焊接變形分為局部變形和整體變形；根據(jù)變形的外觀形態(tài)，可將焊接變形分為收縮變形、角變形、彎曲變形、波浪變形和扭曲變形五種基本形式，如圖2-3-1所示。這些基本形式的不同組合，形成了實際生產(chǎn)中焊件的復雜變形。下面將分別討論各種變形的形成規(guī)律和影響因素第52頁/共142頁2023/4/1753圖2-3-1焊接變形的基本形式a)收縮變形b)角變形c)彎曲變形d)波浪變形e)扭曲變形第53頁/共142頁2023/4/1754

1．收縮變形焊件尺寸比焊前縮短的現(xiàn)象稱為收縮變形，分為縱向收縮變形和橫向收縮變形，如圖2-3-2所示。

(1)縱向收縮變形縱向收縮變形即沿焊縫軸線方向尺寸縮短。這是由于焊縫及其附近區(qū)域在焊接高溫的作用下產(chǎn)生縱向的塑性變形，焊后這個區(qū)域要收縮，便引起了焊件的縱向收縮變形?？v向收縮變形量缸取決于焊縫長度、焊件截面積、材料的彈性模量、壓縮塑性變形區(qū)的面積以及壓縮塑性變形率等。焊件截面積越大，焊件的縱向收縮量越??；焊縫的長度越大，縱向收縮量越大。從這個角度考慮，在受力不大的焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)，采用斷續(xù)焊縫代替連續(xù)焊縫，是減小焊件縱向收縮變形的有效措施。第54頁/共142頁2023/4/1755

(2)橫向收縮變形橫向收縮變形即沿垂直于焊縫軸線方向尺寸縮短。構(gòu)件焊接時，不僅產(chǎn)生縱向收縮變形，同時也產(chǎn)生橫向收縮變形，如圖2-3-2中的△y。產(chǎn)生橫向收縮變形的過程比較復雜，影響因素很多，如熱輸入、接頭形式、裝配間隙、焊件厚度、焊接方法，以及焊件的剛度等，其中，以熱輸入、裝配間隙、接頭形式等因素的影響最為明顯。圖2-3-2收縮變形

a)對接焊縫b)角焊縫第55頁/共142頁2023/4/1756不論何種接頭形式，其橫向收縮變形量總是隨焊接熱輸入增大而增大的。裝配問隙對橫向收縮變形量的影響也較大，且情況復雜。一般來說，隨著裝配問隙的增大，橫向收縮變形量也增大。對于相同厚度的鋼板，坡口角度越大，橫向收縮變形量越大。另外，橫向收縮變形量沿焊縫長度方向分布不均勻，因為一條焊縫是逐步形成的，先焊的焊縫冷卻收縮對后焊的焊縫有一定擠壓作用，使后焊的焊縫橫向收縮變形量更大。一般情況下，焊縫的橫向收縮變形量沿焊接方向由小到大，逐漸增大到一定程度后便趨于穩(wěn)定。因此，生產(chǎn)中常將一條焊縫的兩端頭間隙取不同值，后半部分比前半部分要大1～3mm。橫向收縮變形量的大小還與裝配時的定位焊和裝夾情況有關(guān)，定位焊焊縫越長，裝夾的拘束度越大，橫向收縮變形量就越小。第56頁/共142頁2023/4/1757

2．角變形中厚板對接焊、堆焊、搭接焊及T形接頭焊接時，都可能產(chǎn)生角變形，角變形產(chǎn)生的根本原因是焊縫的橫向收縮變形沿板厚分布不均勻，角變形的大小用角度α表示。焊縫接頭形式不同，其角變形的特點也不同。如圖2-3-3所示為焊接接頭的角變形。圖2-3-3焊接接頭的角變形a)堆焊b)對接接頭c)T形接頭第57頁/共142頁2023/4/1758對接接頭角變形主要與坡口形式、坡口角度、焊接方式等有關(guān)。坡口截面不對稱的焊縫，其角變形大，因而用X形坡口代替V形坡口，有利于減小角變形；坡口角度越大，焊縫橫向收縮變形沿板厚分布得越不均勻，角變形越大，在同樣板厚和坡口形式的條件下，多層焊比單層焊角變形大，焊接層數(shù)越多，角變形越大，多層多道焊比多層焊角變形大。第58頁/共142頁2023/4/1759T形接頭(見圖2-3-4a)角變形可以看成是由立板相對于水平板的回轉(zhuǎn)與水平板本身的角變形兩部分組成。T形接頭不開坡口焊接時，其立板相對于水平板的回轉(zhuǎn)相當于坡口角度為90°的對接接頭角變形α＇，如圖2-3-4b所示；水平板本身的角變形相當于水平板上堆焊引起的角變形α＂，如圖2-3-4c所示。圖2-3-4T形接頭的角變形第59頁/共142頁2023/4/1760這兩種角變形綜合的結(jié)果是使T形接頭兩板間的角度發(fā)生如圖2-3-4d所示的變化。為了減小T形接頭角變形，可通過開坡口來減小立板與水平板間的焊縫夾角，減小α＇值；還可以通過減小焊腳尺寸來減少焊縫金屬量，減小α＂值。圖2-3-4T形接頭的角變形第60頁/共142頁2023/4/1761

3．彎曲變形彎曲變形是由于焊縫的中心線與結(jié)構(gòu)截面的中性軸不重合或不對稱、焊縫的收縮沿焊件寬度方向分布不均勻而引起的，彎曲變形的大小用撓度f表示。彎曲變形分為兩種，焊縫縱向收縮引起的彎曲變形和焊縫橫向收縮引起的彎曲變形。第61頁/共142頁2023/4/1762(1)焊縫縱向收縮引起的彎曲變形如圖2-3-5所示為不對稱布置焊縫的縱向收縮所引起的彎曲變形。彎曲變形撓度f

的大小與焊縫在結(jié)構(gòu)中的偏心距s

及假想偏心力FP成正比，與焊件的剛度成反比。而假想偏心力又與壓縮塑性變形有關(guān)，凡影響壓縮塑性變形的因素均影響偏心力FP的大小。偏心距s

越大，彎曲變形越嚴重。焊縫位置對稱或接近于截面中性軸時，則彎曲變形就比較小。圖2-3-5不對稱布置焊縫的縱向收縮所引起的彎曲變形L-焊件長度δ-焊件厚度b-焊件寬度S-偏心距f-撓度FP-假想偏心力第62頁/共142頁2023/4/1763

(2)焊縫橫向收縮引起的彎曲變形焊縫的橫向收縮在結(jié)構(gòu)上分布不對稱時，也會引起焊件的彎曲變形。如工字梁上布置若干短肋板(見圖2-3-6)，由于肋板與腹板、肋板與上翼板的角焊縫均分布于結(jié)構(gòu)中性軸的上部，它們的橫向收縮將引起工字梁的下?lián)献冃巍D2-3-6焊縫的橫向收縮引起的彎曲變形第63頁/共142頁2023/4/1764

4．波浪變形波浪變形常發(fā)生于板厚小于6mm的薄板焊接過程中，又稱為失穩(wěn)變形。大面積平板拼接，如船體甲板、大型油罐底板等，極易產(chǎn)生波浪變形。防止波浪變形可從兩方面著手：一是減小焊接殘余壓應力，如采用能使塑性變形區(qū)較小的焊接方法，選用較小的焊接熱輸入等；二是提高焊件失穩(wěn)臨界應力，如給焊件增加肋板，適當增加焊件的厚度等。焊接角變形也可能產(chǎn)生類似的波浪變形，如圖2-3-7所示，采用大量肋板的結(jié)構(gòu)，每塊肋板的角焊縫引起的角變形，連貫起來就形成波浪變形。第64頁/共142頁2023/4/1765圖2-3-7焊接角變形引起的波浪變形第65頁/共142頁2023/4/17665．扭曲變形產(chǎn)生扭曲變形的原因主要是焊縫角變形沿焊縫長度方向分布不均勻。如圖2-3-8所示的工字梁，若按圖示①～④的順序和方向焊接，則會產(chǎn)生圖示的扭曲變形，這主要是角變形沿焊縫長度方向逐漸增大的結(jié)果。如果改變焊接順序和方向，使兩條相鄰的焊縫同時向同一方向焊接，就可以克服這種扭曲變形。圖2-3-8工字梁的扭曲變形第66頁/共142頁2023/4/1767以上五種變形是焊接變形的基本形式，在這五種變形中，最基本的形式是收縮變形，收縮變形再加上不同的影響因素，就形成了其他四種變形形式。焊接結(jié)構(gòu)的變形對其生產(chǎn)有極大的影響。首先，零件或部件的焊接變形，將給裝配帶來困難，進而影響后續(xù)焊接作業(yè)的質(zhì)量；其次，對過大的焊接變形還要進行矯正，增加了結(jié)構(gòu)的制造成本；再次，焊接變形也會降低焊接接頭的性能和承載能力。因此，實際生產(chǎn)中，必須設法控制焊接變形，把變形控制在技術(shù)要求所允許的范圍之內(nèi)。第67頁/共142頁2023/4/1768二、控制焊接變形的措施從焊接結(jié)構(gòu)的設計階段開始，就應考慮控制變形可采取的措施。進入生產(chǎn)階段，可采取預防焊接變形的措施，以及在焊接過程中，可采取相應的工藝措施。

第68頁/共142頁2023/4/1769

1．設計措施

(1)選擇合理的焊縫形狀和尺寸

1)選擇最小的焊縫尺寸。在保證結(jié)構(gòu)有足夠承載能力的前提下，應盡量采用較小的焊縫尺寸。尤其是角焊縫的尺寸，最容易盲目加大。焊接結(jié)構(gòu)中有些僅起聯(lián)系作用或受力不大的角焊縫，并經(jīng)強度計算其尺寸很小，這時應按板厚盡可能地選取工藝上的最小尺寸。對受力較大的T形或十字接頭，在保證強度相同的前提下，可采用開坡口的焊縫，與不開坡口而采用一般角焊縫相比，可減少焊縫金屬，對減小角變形有利，如圖2-3-9所示。第69頁/共142頁2023/4/1770圖2-3-9相同承載能力的十字接頭

a)不開坡口b)開坡口第70頁/共142頁2023/4/17712)選擇合理的坡口形式。相同厚度的平板對接，單面V形坡口的角變形大于雙面V形坡口。因此，對于可翻轉(zhuǎn)焊接的結(jié)構(gòu)，宜選用兩面對稱的坡口形式。T形接頭立板端開半邊U形(J形)坡口比開半邊V形坡口角變形小，如圖2-3-10所示。圖2-3-10T形接頭的坡口

a)角變形大b)角變形?。?）減少焊縫數(shù)量在條件允許的情況下，多采用型材、沖壓件；焊縫多且密集處，可以采用鑄-焊聯(lián)合結(jié)構(gòu)，以減少焊縫數(shù)量。此外，適當增加壁板厚度以減少肋板數(shù)量，或者采用壓型結(jié)構(gòu)代替肋板結(jié)構(gòu)，都對防止薄板結(jié)構(gòu)變形有利。第71頁/共142頁2023/4/1772

(3)合理安排焊縫位置梁、柱等焊接構(gòu)件，常因焊縫偏心配置而產(chǎn)生彎曲變形。合理的設計是盡量把焊縫安排在結(jié)構(gòu)截面的中性軸上或靠近中性軸，力求中性軸兩側(cè)的變形大小相等、方向相反，起到相互抵消作用。如圖2-3-11所示為箱形結(jié)構(gòu)的焊縫位置，圖2-3-11a中焊縫集中于中性軸一側(cè)，彎曲變形大，圖2-3-llb的焊縫安排合理。圖2-3-11箱形結(jié)構(gòu)的焊縫位置

a)不合理b)合理第72頁/共142頁2023/4/1773如圖2-3-12a所示的肋板設計，使焊縫集中在截面的中性軸下方，肋板焊縫的橫向收縮集中在下方，將引起上拱的彎曲變形。改成如圖2-3-12b所示的設計，就能減小或防止這種變形。圖2-3-12合理安排焊縫位置防止變形

a)不合理b)合理第73頁/共142頁2023/4/1774

2．工藝措施

(1)留余量法此法就是在下料時將零件的長度或?qū)挾瘸叽绨丛O計尺寸適當加大，留出余量以補償焊件的收縮，余量的大小可根據(jù)公式并結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗來確定。留余量法主要適用于防止焊件的收縮變形。(2)反變形法此法就是根據(jù)焊件的變形規(guī)律，焊前預先將焊件向著與焊接變形相反的方向人為地進行變形(反變形量與焊接變形量相等)，使之達到相互抵消的目的。此法對控制焊接變形很有效，但必須準確地估計焊后可能的變形方向和變形量，可根據(jù)焊件的結(jié)構(gòu)特點和生產(chǎn)條件靈活運用。第74頁/共142頁2023/4/1775反變形法主要用于控制角變形和彎曲變形，如圖2-3-l3所示，V形坡口單面對接焊時，可利用反變形法防止角變形，圖2-3-13a所示是不采取反變形的情況，焊后構(gòu)件將發(fā)生角變形；圖2-3-13b所示是焊前預先將坡口處墊起，形成反變形，然后再焊接，焊后構(gòu)件達到基本平直。圖2-3-13V形坡口單面對接焊時的反變形法a)不采取反變形b)采取反變形第75頁/共142頁2023/4/1776(3)剛性固定法采用適當辦法來增加焊件的拘束度，以達到減小其變形的目的，這就是剛性固定法。然而，剛性固定法會增大接頭中的殘余應力，對于一些焊后易裂的材料應慎用。常用的剛性固定法有以下幾種：第76頁/共142頁2023/4/17771)將焊件固定在剛性平臺上。薄板焊接時，可用定位焊將其固定在剛性平臺上，并且用壓鐵壓住焊縫附近區(qū)域，如圖2-3-14所示，待焊縫全部焊完冷卻后，再鏟除定位焊縫，這樣可減小薄板焊接時產(chǎn)生的波浪蠻形。圖2-3-14薄板拼按時的剛性固定

1-平臺2-焊件

3-壓鐵4-定位焊縫第77頁/共142頁2023/4/17782)將焊件組合成拘束度更大的或?qū)ΨQ的結(jié)構(gòu)。T形梁焊接時容易產(chǎn)生角變形和彎曲變形，如圖2-3-15所示，將兩根T形梁組合在一起，使焊縫對稱于結(jié)構(gòu)截面的中性軸，同時大大地增加了結(jié)構(gòu)的剛度，并配合反變形法(如圖2-3-15中所示采用墊鐵)，采用合理的焊接順序，以防止彎曲變形和角變形。圖2-3-15T形梁的剛性固定與反變形第78頁/共142頁2023/4/17793)利用焊接夾具增加結(jié)構(gòu)的拘束度。如圖2-3-l6所示為利用夾緊器將焊件固定，以增大焊件的枸束度，防止構(gòu)件產(chǎn)生角變形和彎曲變形的應用實例。圖2-3-16對接焊時的剛性固定第79頁/共142頁2023/4/1780

4)利用臨時支撐增大結(jié)構(gòu)的拘束度。單件生產(chǎn)中采用專用夾具，在經(jīng)濟效益方面不合理。因此，可在容易發(fā)生變形的部位焊上一些臨時支撐或拉桿，增加局部剛度，以有效地減小焊接變形。如圖2-3-17所示是防護罩焊接時的臨時支撐。圖2-3-17防護罩焊接時的臨時支撐1-底板2-立板3-緣口板4-臨時支撐第80頁/共142頁2023/4/1781

(4)選擇合理的裝配--焊接順序裝配--焊接順序?qū)附咏Y(jié)構(gòu)變形的影響很大。因此，在無法使用焊接胎夾具的情況下施焊，一般都須選擇合理的裝配--焊接順序，使焊接變形減至最小。為了控制和減小焊接變形，裝配--焊接順序應符合以下原則：第81頁/共142頁2023/4/1782

1)化整為零，分步施焊。大型而復雜的焊接結(jié)構(gòu)，若條件允許，可把它分成若干個結(jié)構(gòu)簡單的部件，單獨進行焊接，然后再總裝成整體。這種“化整為零，集零為整”的裝配一焊接方案，其優(yōu)點是：部件的尺寸和剛度已減小，利用焊接胎夾具克服變形的可能性增加；交叉對稱施焊所要求的焊件翻轉(zhuǎn)與變位也變得容易；更重要的是，可以把對總體結(jié)構(gòu)變形影響最大的焊縫分散到部件中焊接，把它的不利影響減小或消除。應當注意的是，所劃分的部件應易于控制焊接變形，部件總裝時焊接量少，同時也便于控制總變形。第82頁/共142頁2023/4/17832)對稱結(jié)構(gòu)的合理施焊。正在施焊的焊縫應盡量靠近結(jié)構(gòu)截面的中性軸。如圖2-3-18a所示為橋式起重機的主梁結(jié)構(gòu)，梁的大部分焊縫處于箱形梁的上半部分，其橫向收縮會引起梁的下?lián)蠌澢冃?，而該梁的制造技術(shù)中要求箱形主梁具有一定的上撓度，為了解決這一矛盾，除了將左右腹板預制上撓度外，還應選擇最佳的裝配一焊接順序，使下?lián)系膹澢冃巫钚?。圖2-3-18橋式起重機主梁的裝配-焊接a)橋式起重機的主梁結(jié)構(gòu)b)Π形梁的裝配-焊接方案

1，2-腹板3-上蓋板4-大肋板5-小肋板第83頁/共142頁2023/4/1784根據(jù)該梁的結(jié)構(gòu)特點，一般先將上蓋板與兩腹板裝成Π形梁，最后裝下蓋板，組成封閉的箱形梁。Π形梁的裝配-焊接順序是影響主梁上撓度的關(guān)鍵因素，應先將各長、短肋板與上蓋板裝配，焊接焊縫A，然后，同時裝配兩塊腹板，焊接焊縫B和C。這時，產(chǎn)生的下?lián)蠌澢冃巫钚　Ｒ驗棣靶瘟寒a(chǎn)生下?lián)蠌澢冃蔚闹饕蚴呛缚pA的收縮，焊縫A離Π形梁截面中性軸越近，引起的彎曲變形越小。該方案中，在裝配腹板之前焊接焊縫A，結(jié)構(gòu)中性軸最低，因為焊縫A距梁的截面中性軸最近，引起的下?lián)蠌澢冃巫钚?。因此，該方案是最佳的裝配一焊接順序，也是目前類似結(jié)構(gòu)在實際生產(chǎn)中廣泛采用的一種方案。第84頁/共142頁2023/4/1785圖2-3-18橋式起重機主梁的裝配-焊接a)橋式起重機的主梁結(jié)構(gòu)b)Π形梁的裝配-焊接方案

1，2-腹板3-上蓋板4-大肋板5-小肋板第85頁/共142頁2023/4/1786

3)非對稱結(jié)構(gòu)的合理施焊。對于焊縫非對稱布置的結(jié)構(gòu)，裝配一焊接時應先焊焊縫少的一側(cè)。如圖2-3-19a所示的壓力機壓型上模，截面中性軸以上的焊縫多于中性軸以下的焊縫，裝配-焊接順序不合理，最終將產(chǎn)生下?lián)蠌澢冃?。解決的辦法是先由兩人對稱地焊接焊縫1和1′

(見圖2-3-19b)，此時，將產(chǎn)生較大的上撓彎曲變形(變形量為f1)，并增大了結(jié)構(gòu)的剛度；再按如圖2-3-19c所示的位置焊接焊縫2和2′，產(chǎn)生下?lián)蠌澢冃?變形量為f2)；最后，按如圖2-3-19d所示的位置焊接焊縫3和3′，產(chǎn)生下?lián)蠌澢冃?變形量為f3)。這樣,f1

≈f2

+f3

，由于方向相反，彎曲變形基本相互抵消。第86頁/共142頁2023/4/1787圖2-3-19壓力機壓型上模的裝配-焊接

a)壓力機壓型上模b)，c)，d)焊接順序第87頁/共142頁2023/4/1788

4)對稱焊縫的合理施焊。焊縫對稱布置的結(jié)構(gòu)，應由偶數(shù)個焊工對稱地施焊，如圖2-3-20所示為圓筒體對接焊縫焊接順序，此圓筒體應由2名或4名焊工對稱施焊。圖2-3-20圓筒體對接焊縫焊接順序第88頁/共142頁2023/4/17895)長焊縫的合理施焊。1m以上長焊縫可采用如圖2-3-21所示的順序和方向進行焊接，以減小焊接后的收縮變形，優(yōu)先選擇圖2-3-21a，b所示的施焊順序，在實際生產(chǎn)中圖2-3-21b所示的焊接順序用得較多。圖2-3-21長焊縫的焊接順序和方向第89頁/共142頁2023/4/1790(5)選擇合理的焊接方法和焊接參數(shù)由于各種焊接方法的熱輸入不相同，因而產(chǎn)生的變形也不一樣，能量集中和熱輸入較低的焊接方法可有效地減小焊接變形。在常用的焊接方法中，焊接變形由大到小的順序為：氣焊、電渣焊、埋弧焊、焊條電弧焊、氣體保護焊等。采用C02氣體保護焊焊接中厚鋼板的變形比氣焊和焊條電弧焊小得多，更薄的板可以采用脈沖鎢極氬弧焊、激光焊等方法焊接。電子束焊的焊縫很窄，變形極小，一般用于經(jīng)精加工的工件，焊后仍具有較高的精度。第90頁/共142頁2023/4/1791焊接熱輸入是影響變形量的關(guān)鍵因素，當焊接方法確定后，可通過調(diào)節(jié)焊接參數(shù)來控制熱輸入。在保證熔透和焊縫無缺陷的前提下，應盡量采用小的焊接熱輸入。根據(jù)焊件結(jié)構(gòu)特點，可以靈活地運用熱輸入影響變形的規(guī)律，去控制變形。如圖2-3-22所示的不對稱截面梁，因焊縫①，②離結(jié)構(gòu)截面中性軸的距離s大于焊縫③，④到中性軸的距離s′，所以焊后會產(chǎn)生下?lián)蠌澢冃?。如果在焊接焊縫①，②時，采用多層焊，每層選擇較小的熱輸入；焊接焊縫③，④時，采用單層焊，選擇較大的熱輸入，這樣焊接焊縫①，②時所產(chǎn)生的下?lián)献冃闻c焊接焊縫③，④時所產(chǎn)生的上撓變形基本相互抵消，焊后構(gòu)件基本平直。第91頁/共142頁2023/4/1792圖2-3-22不對稱截面梁第92頁/共142頁2023/4/1793(6)熱平衡法對于某些焊縫不對稱的結(jié)構(gòu)，焊后往往會產(chǎn)生彎曲變形。如果在與焊縫對稱的位置上采用氣體火焰加熱與焊接同步進行，只要加熱的工藝參數(shù)選擇適當，就可以減小或防止焊件的彎曲變形。如圖2-3-13所示，采用熱平衡法對箱形結(jié)構(gòu)的焊接變形進行控制。圖2-3-23采用熱平衡法防止焊接變形第93頁/共142頁2023/4/1794(7)散熱法散熱法就是利用各種辦法將施焊處的熱量迅速散走，使受熱區(qū)的溫度大大降低，達到減小焊接變形的目的。如圖2-3-24a所示是水浸散熱法，如圖2-3-24b所示是噴水散熱法，如圖2-3-24c所示是采用純銅板中鉆孔通水的散熱墊散熱法。圖2-3-24散熱法示意圖

a)水浸散熱法b)噴水散熱法c)散熱墊散熱法1，6-焊件2-水槽3-支撐架4-焊炬5-噴水管7，8-純銅板第94頁/共142頁2023/4/1795以上所述為控制焊接變形的常用方法。在焊接結(jié)構(gòu)的實際生產(chǎn)過程中，應充分估計各種變形，分析各種變形的規(guī)律，根據(jù)現(xiàn)場條件選用一種或幾種方法，有效地控制焊接變形。

三、焊接變形的矯正方法在焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中，首先應采取各種措施防止和控制焊接變形。但是焊接變形是難以避免的，因為影響焊接變形的因素很多，生產(chǎn)中無法兼顧。當焊接結(jié)構(gòu)的變形超出技術(shù)要求允許的變形范圍時，就必須對焊件的變形進行矯正。常用的焊接變形的矯正方法有手工矯正法、機械矯正法、火焰加熱矯正法等。第95頁/共142頁2023/4/1796

1．手工矯正法手工矯正法就是利用錘子等工具錘擊焊件的變形處，主要用于矯正一些小型簡單焊件的彎曲變形和薄板的波浪變形。a)中部凸起變形b)邊緣呈波浪變形第96頁/共142頁2023/4/1797

2．機械矯正法機械矯正法就是利用機器或工具來矯正焊接變形，也就是用千斤頂、拉緊器、壓力機等裝置將焊件頂直或壓平。機械矯正法一般適用于塑性比較好的材料及形狀簡單的焊件，如圖2-3-25所示。圖2-3-25機械矯正法矯正梁的彎曲變形a)用千斤頂矯正b)用拉緊器矯正第97頁/共142頁2023/4/1798

3．火焰加熱矯正法火焰加熱矯正法就是利用火焰對焊件進行局部加熱，使焊件產(chǎn)生新的變形去抵消焊接變形?；鹧婕訜岢C正法在生產(chǎn)中應用廣泛，主要用于矯正彎曲變形、角變形、波浪變形等，也可用于矯正扭曲變形?；鹧婕訜岬姆绞接悬c狀加熱、線狀加熱和三角形加熱。第98頁/共142頁2023/4/1799(1)點狀加熱如圖2-3-26所示，加熱點的數(shù)量應根據(jù)焊件的結(jié)構(gòu)形狀和變形情況而定。厚板的加熱點直徑d

應大些，薄板的加熱點直徑則應小些，一般加熱點直徑不小于15mm，兩點間距為50～100mm。變形量大時，加熱點之間的距離a應小一些；變形量小時，加熱點之間距離應大一些。圖2-3-26點狀加熱第99頁/共142頁2023/4/17100(2)線狀加熱火焰沿直線緩慢移動或同時作橫向擺動，形成一個加熱帶的加熱方式，稱為線狀加熱。線狀加熱有直線加熱、鏈狀加熱和帶狀加熱三種形式，如圖2-3-27所示。線狀加熱可用于矯正波浪變形、角變形和彎曲變形等，多用于矯正變形量大、剛度大的構(gòu)件。圖2-3-27線狀加熱第100頁/共142頁2023/4/17101(3)三角形加熱三角形加熱就是指加熱區(qū)域呈三角形，一般用于矯正剛度大、厚度較大的結(jié)構(gòu)的彎曲變形。加熱時．三角形的底邊應在焊件的拱邊上，頂點朝向焊件的彎曲方向，如圖2-3-28所示。三角形加熱與線狀加熱聯(lián)合使用，對大而厚的焊件的焊接變形矯正效果更佳。圖2-3-28三角形加熱第101頁/共142頁2023/4/17102

(4)影響火焰加熱法矯正效果的因素火焰加熱法矯正焊接變形的效果取決于以下三個因素：

1)加熱方式。加熱方式的確定取決于焊件的結(jié)構(gòu)形狀和焊接變形形式，一般薄板的波浪變形應采用點狀加熱，焊件的角變形可采用線狀加熱，彎曲變形多采用三角形加熱。

2)加熱位置。確定加熱位置是火焰加熱矯正法的關(guān)鍵，若加熱位置不正確，不僅起不到矯正的作用，反而會加重變形。加熱位置的選擇應根據(jù)焊接變形的形式和變形方向而定。第102頁/共142頁2023/4/171033)加熱溫度和加熱區(qū)的面積。加熱溫度和加熱區(qū)的面積應根據(jù)焊件的變形量及焊件材質(zhì)確定，當焊件變形量較大時，加熱溫度應高一些，加熱區(qū)的面積應大一些。加熱溫度一般控制在600～800℃，防止過燒?，F(xiàn)場測溫不方便，一般通過觀察加熱部位的顏色來判斷加熱溫度。第103頁/共142頁2023/4/17104第四節(jié)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞和脆性斷裂焊接結(jié)構(gòu)在使用中，除結(jié)構(gòu)強度不夠時會導致破壞外，還有其他形式的破壞，如疲勞破壞、脆性斷裂等。

一、疲勞破壞在交變循環(huán)應力作用下，所引起的裂紋產(chǎn)生和緩慢擴展而發(fā)生結(jié)構(gòu)突然斷裂的現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞裂紋多發(fā)生在承受重復載荷結(jié)構(gòu)中的應力集中部位，由于疲勞裂紋發(fā)展的最后階段---失穩(wěn)擴展(斷裂)是突然發(fā)生的，難以采取預防措施，所以疲勞裂紋對結(jié)構(gòu)的安全性有很嚴重的威脅。第104頁/共142頁2023/4/17105在交變循環(huán)應力作用下，會由于裂紋引發(fā)或擴展而發(fā)生疲勞破壞。疲勞破壞一般在應力集中處發(fā)生，而焊接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞又往往從焊接接頭處產(chǎn)生。

1．影響疲勞強度的因素影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的因素包括應力集中、殘余應力、焊接缺陷等。

(1)應力集中焊接結(jié)構(gòu)中，在接頭部位由于具有不同類型的應力集中，它們對焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度會產(chǎn)生不同程度的不利影響。第105頁/共142頁2023/4/17106對接接頭的應力集中程度比其他形式接頭的小，但過大的余高和過小的過渡角都會增大應力集中程度，使接頭的疲勞強度下降。

T形(十字)接頭在焊縫向母材過渡處截面有明顯的變化，其應力集中系數(shù)要比對接接頭的應力集中系數(shù)高，因此，T形(十字)接頭的疲勞強度遠遠低于對接接頭。在搭接接頭中應力集中很嚴重，其疲勞強度也很低。第106頁/共142頁2023/4/17107(2)殘余應力殘余應力對結(jié)構(gòu)疲勞強度的影響取決于殘余應力的分布狀態(tài)。在工作應力較大的區(qū)域，如應力集中處，若殘余應力是拉力，則降低疲勞強度；反之，若該處存在壓縮殘余應力，則提高疲勞強度。第107頁/共142頁2023/4/17108(3)焊接缺陷焊接缺陷對疲勞強度的影響大小與缺陷的種類、尺寸、方向和位置有關(guān)，片狀缺陷(如裂紋、未熔合、未焊透)比帶圓角的缺陷(如氣孔)影響大；表面缺陷比內(nèi)部缺陷影響大；位于應力集中區(qū)的缺陷比在應力均勻區(qū)的同樣缺陷影響大；與作用力方向垂直的片狀缺陷的影響比其他方向的大；位于殘余拉應力區(qū)內(nèi)的缺陷比殘余壓應力區(qū)內(nèi)的缺陷影響大。焊接缺陷第108頁/共142頁2023/4/17109

2．提高疲勞強度的措施提高焊接接頭的疲勞強度，一般采用下列措施：

(1)降低應力集中程度

1)采用合理的結(jié)構(gòu)形式，降低應力集中程度，以提高疲勞強度。

2)盡量采用應力集中系數(shù)小的焊接接頭，如對接接頭。為進一步提高對接接頭的疲勞強度，還可以用機械加工的方法打磨母材與焊縫之間的過渡區(qū)，并注意打磨方向，應順著作用力傳遞方向打磨，若垂直作用力傳遞方向打磨，往往將取得相反的效果。

第109頁/共142頁2023/4/171103)當采用角焊縫時，須采取綜合措施(機械加工焊縫端部，合理選擇角焊縫形式，焊縫根部保證焊透等)來提高接頭的疲勞強度。4)用表面機械加工方法消除焊縫及其附近的各種刻槽，降低表面粗糙度值。(2)調(diào)整殘余應力區(qū)消除焊接接頭應力集中處的殘余應力或使該處產(chǎn)生殘余壓縮應力，都可以提高接頭的疲勞強度。這種方法可分為兩種方式：一種是結(jié)構(gòu)整體處理，另一種是接頭部分局部處理。

第110頁/共142頁2023/4/171111)整體處理包括整體退火或超載預拉伸法。在循環(huán)應力較小或應力循環(huán)系數(shù)較小，應力集中程度較大時，殘余拉應力的不利影響增大，退火往往是有利的。采用超載預拉伸法可降低殘余拉應力，甚至在某些條件下，在缺口尖端處可產(chǎn)生殘余壓應力。因此，往往可以提高接頭的疲勞強度。

2)局部加熱或擠壓可以調(diào)節(jié)焊接殘余應力區(qū)，在應力集中處產(chǎn)生殘余壓應力。(3)改善材料的力學性能通過表面強化處理，用小輥擠壓或用錘輕打焊縫表面及過渡區(qū)，或噴丸處理焊縫區(qū)，利用形變或強化以提高接頭的疲勞強度。第111頁/共142頁2023/4/17112

二、焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂脆性斷裂一般都是在材料應力低于結(jié)構(gòu)的設計應力和沒有明顯塑性變形的情況下發(fā)生的，并瞬時擴展到結(jié)構(gòu)整體，事先不易發(fā)現(xiàn)和預防，因此，往往造成人身傷亡和巨大的財產(chǎn)損失。

1．影響金屬脆斷的主要因素同一種材料，在不同條件下可以顯示出不同的破壞形式。金屬脆斷主要是受到材料狀態(tài)的內(nèi)部因素以及應力狀態(tài)、溫度和加載速度等外界條件的影響。

(1)材料狀態(tài)的影響焊接結(jié)構(gòu)選材時，首先要了解材料本身狀態(tài)對脆性斷裂的重要影響。第112頁/共142頁2023/4/171131)材料厚度對脆性斷裂的影響。厚板在缺口處容易形成三向應力使材料脆性變大，因為沿厚度方向的收縮和變形受到較大的限制。而當板較薄時，材料在厚度方向能比較自由地收縮，減小厚度方向的應力，使之接近于平面應力。從冶金方面分析，薄板生產(chǎn)時壓延量大，軋制溫度低，組織致密；而厚板的軋制次數(shù)少，終軋溫度高，組織疏松，內(nèi)、外層均勻性差。

第113頁/共142頁2023/4/171142)脆性斷裂通常發(fā)生在體心立方和密排六方晶格的金屬和合金中，只有在特殊情況下，如應力腐蝕條件下才在面心立方晶格金屬中發(fā)生。因此，面心立方晶格金屬(如奧氏體不銹鋼)可以在很低的溫度下工作而不發(fā)生脆性斷裂。

3)鋼中的C、N、0、H、S、P等元素均會增大鋼的脆性，如果加入適量的Mn、Ni、Cr、V等元素，則有助于減小鋼的脆性。第114頁/共142頁2023/4/17115(2)應力狀態(tài)的影響物體受外載荷作用時，在主平面上作用有最大正應力σmax，與主平面成45°的平面上作用有最大切應力τmax。如果在τmax

達到屈服點前，σmax先達到抗拉強度極限值，則發(fā)生脆斷；反之，如τmax先達到屈服點，則發(fā)生塑性變形或延性斷裂。實際結(jié)構(gòu)中，若處于單向或雙向拉應力作用下，結(jié)構(gòu)一般呈塑性狀態(tài)。當處于三向拉應力作用下，結(jié)構(gòu)因不易發(fā)生塑性變形而呈脆性狀態(tài)。三向應力的產(chǎn)生主要與結(jié)構(gòu)幾何不連續(xù)性以及承受三向載荷等因素的影響有關(guān)。第115頁/共142頁2023/4/17116例如，雖然整個結(jié)構(gòu)處于單向、雙向拉應力狀態(tài)下，但其局部區(qū)域由于設計不佳、工藝不當，往往出現(xiàn)形成局部三向應力狀態(tài)的缺口效應。當構(gòu)件受均勻的拉應力時，其中一個缺口根部出現(xiàn)高值的應力和應變集中，缺口越深、越尖，其局部應力和應變也越大。在受力過程中，缺口根部材料的伸長，必然要引起此處材料沿寬度和厚度方向的收縮，第116頁/共142頁2023/4/17117如圖2-4-l所示。但由于缺口尖端以外的材料受到的應力較小，它們將引起較小的橫向收縮。由于橫向收縮不均勻，缺口根部橫向收縮受阻，結(jié)果產(chǎn)生寬度和厚度方向的拉應力σx和，σz也就是說缺口根部產(chǎn)生了三向拉應力。圖2-4-1缺口根部應力分布示意圖第117頁/共142頁2023/4/17118(3)溫度的影響如果把一組開有同樣缺口的試樣在不同溫度下進行試驗，就會看到隨著溫度的降低，它們的破壞方式將從塑性破壞變?yōu)榇嘈云茐摹τ谝欢ǖ募虞d方式(應力狀態(tài))，當溫度降至某一臨界值時，將出現(xiàn)塑性斷裂到脆性斷裂的轉(zhuǎn)變，這個溫度稱為脆性轉(zhuǎn)變溫度。韌性（塑性）斷裂實物脆性斷裂實物第118頁/共142頁2023/4/17119(4)加載速度的影響提高加載速度能促使材料脆性破壞，其作用相當于降低溫度。在同樣加載速率下，當結(jié)構(gòu)中有缺口時，在應力集中的影響下，應變速率將呈現(xiàn)出加倍的不利影響，從而大大降低了材料的局部塑性。這也說明了為什么結(jié)構(gòu)件一旦發(fā)生脆性斷裂，就很容易產(chǎn)生擴展現(xiàn)象。當缺口根部小范圍金屬材料發(fā)生斷裂時，則新裂紋前端的材料立即突然受到高應力和高應變載荷。換句話說，一旦缺口根部開裂，就有高的應變速率，而不管其原始加載條件是動載還是靜載，此時隨著裂紋加速擴展，應變速率更急劇增大，致使結(jié)構(gòu)最后破壞。第119頁/共142頁2023/4/171202．預防焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂的措施

(1)正確選用材料選材的基本原則是既要保證結(jié)構(gòu)安全使用，又要考慮經(jīng)濟效益，使選用的鋼材和焊接用填充金屬在使用溫度下具有合格的缺口韌性。

1)在焊接結(jié)構(gòu)的工作條件下，焊縫、熱影響區(qū)、熔合區(qū)是最容易產(chǎn)生脆斷的部位，因此，要求母材應具有一定的止裂性能。

2)隨著鋼材強度的提高，斷裂韌性和工藝性一般都有所下降。因此，不宜采用比實際需要強度更高的材料，特別不應該單純追求強度指標而忽視其他性能。材料的選擇可通過缺口韌性試驗或斷裂韌性試驗確定。第120頁/共142頁2023/4/17121

(2)采用合理的焊接結(jié)構(gòu)設計設計有脆性斷裂傾向的焊接結(jié)構(gòu)時，應當注意以下幾個原則：

1)盡量減少結(jié)構(gòu)或焊接接頭部位的應力集中現(xiàn)象。

2)在滿足結(jié)構(gòu)使用條件的前提下，盡量減小結(jié)構(gòu)的剛度，以降低應力集中程度和減小附加應力。

3)不應通過降低許用應力值來減小脆性斷裂的危險性，因為這樣將使厚度過分增大，從而提高鋼材的脆件轉(zhuǎn)變溫度．降低其韌性．反而易引起脆性斷裂。

4)對于附件或不受力焊縫的設計，應與主要受力焊縫一樣給予足夠重視，防止這些接頭部位產(chǎn)生脆性裂紋，以致擴展到主要的受力元件中，致使結(jié)構(gòu)破壞。

5)減小和消除焊接殘余拉應力的不利影響。必要時應考慮進行消除應力的處理。第121頁/共142頁2023/4/17122實訓課題1

焊接撓曲變形的測量試驗

一、試驗目的觀察在試板一側(cè)堆焊時試板撓度的變化過程，通過對變形的分析，理解焊接熱循環(huán)對材料變形的影響。

二、試驗儀器、裝置和工具

1．電焊機(交流或直流)。

2．百分表(量程為O～10mm)及百分表安裝支架。

3．秒表或自動記錄儀。

4．焊接撓曲變形測量架。

5．遮擋用薄鐵板。

6．安裝工具(扳手等)。焊接撓曲變形測量架是一個自制的用于固定試板的金屬支架，以方便試板的安裝和測量．可參照圖S-1-1制作。第122頁/共142頁2023/4/17123圖s-1-1焊接撓曲變形測量架結(jié)構(gòu)圖第123頁/共142頁2023/4/17124

三、試板試板可按圖S-1-2所示加工制作，板材為Q235或20鋼。圖S-1-2試板第124頁/共142頁2023/4/17125

四、試驗步驟1．將試板用螺栓固定在焊接撓曲變形測量架上(見圖S-1-3)。圖S-1-3焊接撓曲變形測量架1-測量架2-試板3-百分表4-磁力表座第125頁/共142頁2023/4/171262．將電焊機電纜線的一端可靠地連接在焊接撓曲變形測量架上。

3．在百分表支架上安裝百分表，將百分表的觸頭與試板的端部接觸，并使百分表的測量桿產(chǎn)生約5mm的預壓量，然后撥動百分表的表盤使指針歸零。百分表的安裝參見圖S-l-3。

4．用薄鐵板將百分表及其支架遮擋起來，以防止焊接飛濺物濺到百分表上。但要注意不要妨礙試板的變形以及對百分表的觀察和讀數(shù)。5．在試板的上側(cè)進行堆焊，焊接參數(shù)可參考表S-l-1選取。第126頁/共142頁2023/4/17127表S-1-1堆焊焊接參數(shù)焊條(mm)焊接電流(A)焊接電壓(V)焊接速度(mm／min)普通酸性

φ3.2～4.0

150

30～40

≈506．在焊接開始時按下秒表或自動記錄儀開始計時，一邊觀察試板的撓度變化，一邊觀察百分表，并按一定的時間間隔記錄百分表的讀數(shù)，填寫在表S-1-2中，直至試板焊后完全冷卻為止。若按焊接lmin，冷卻1min計算，以每隔5S記錄一次為宜，即記錄25個點左右。