焊接變形和焊接應力
焊接變形和焊接應力
焊接是一種局部加熱的加工方法，熱源集中在焊縫處加熱，因而造成焊件上溫分布不均勻，最終導致在焊接結構內部產生了焊接變形與焊接應力。
一、焊接變形
1. 焊接變形的概念
由焊接而引起的焊件尺寸和形狀的改變稱為焊接變形。焊接過程結束后，殘國在焊接結構中的變形，稱為焊接殘余變形。本書中提到的焊接變形指的是焊接殘余變形。
2. 焊接變形的類型及產生原因
焊接變形可分為收縮變形、角變形、彎曲變形、波浪變形、扭曲變形等幾種形式焊件局部（焊縫和焊縫附近的金屬）不均勻加熱和冷卻是產生焊接變形的根本用因。焊接時，加熱是通過移動的高溫電弧熱源進行的，焊縫和焊縫附近的金屬溫度很高，受熱金屬要膨脹，其余大部分金屬不受熱，受熱金屬的膨脹受到阻礙和抑制，生了壓縮塑性變形。焊完冷卻后，焊縫和附近的金屬因收縮而變短，卻又受到周圍受熱金屬的限制，就使焊件產生了內應力，以致產生變形。
各類焊接變形的具體原因各不相同，與焊縫在焊件中的位置、加熱方法、焊接序等因素密切相關。焊接變形的類型及產生原因見表2-3-7。
3. 預防和矯正焊接變形的方法及措施
（1）預防焊接變形的方法及措施
預防焊接變形可以從焊接結構設計和焊接工藝兩方面進行。
在焊接結構設計時要在保證結構有足夠強度的前提下，盡量減小焊縫的數(shù)量和尺寸;對稱布置焊縫;必要時預先留出收縮余量;采用沖壓結構代替焊接結構;將焊縫布置在最大工作應力之外等。
預防焊接殘余變形的工藝措施主要有∶
1）選擇合理的裝配焊接順序。裝配焊接順序對焊接結構變形的影響很大。對稱焊接、不對稱焊縫先焊焊縫少的一側和減少長道直焊縫等都可以很大程度上減少焊接變形量。如圖2-3-13所示的工字梁，當采用1、2、3、4的焊接順序時，雖然結構的焊縫對稱，焊后仍將產生較大的上拱彎曲變形，但如果改為將工字梁1、2焊縫的長度分成若干段，采取分段、跳焊的對稱焊接，先焊完總長度的60%～70%，然后將工字果翻轉180°焊接3、4焊縫，也采取分段、跳焊的對稱焊將3、4焊縫全部焊完。再將工字梁翻轉，采取同樣的焊法，焊完1、2焊縫，彎曲變形可以降到很小。
2）反變形法。根據焊件的變形規(guī)律，焊前預先將焊件向著與焊接變形的相反方向進行人為的變形，使之與焊接變形相抵消。反變形法主要用于控制焊件的角變形和彎曲變形。鋼板對接焊縫的反變形如圖 2-3-14 所示。
3）剛性固定法。將焊件固定在具有足夠剛度的胎架機具上，或者臨時裝焊支撐，來增加焊件的剛度或拘束度，以達到減小焊接變形的目的。薄板剛性固定法如圖 2-3-15 所示。
4）留余量法。在下料時，將零件的長度或寬度尺寸比設計尺寸適當加大，以補償焊件的收縮。留余量法主要是用于防止焊件的收縮變形。
5）選擇合適的焊接方法和焊接參數(shù)。由于各種焊接方法的熱輸入不同，因而產生的焊接變形也不一樣。能量集中和熱輸入較低的焊接方法，可有效地降低焊接變形。6）熱平衡法。對于某些焊縫不對稱布置的結構，焊后往往會產生彎曲變形。如果在與焊縫對稱的位置上采用氣體火焰與焊接同步加熱，只要加熱的工藝參數(shù)選擇適當，就可以減小或防止構件的彎曲變形。如圖2-3-16所示，采用熱平衡法對邊梁箱形結構的焊接變形進行控制。
7）散熱法。散熱法就是通過各種方式將焊縫及其附近處的熱量迅速帶走，減小焊縫及其附近的受熱區(qū)，達到減小焊接變形的目的，如圖2-3-17所示。
（2）焊接變形的矯正
零件或部件的焊接變形給裝配帶來困難，進而影響后續(xù)焊接質量，降低焊接接頭的性能和承載能力。因此，當焊接變形超出要求后，需要對變形進行矯正。 1）手工矯正法。手工矯正法是利用錘子等工具錘擊焊件的變形處，使材料產生延伸以補償焊接收縮量，主要用于一些小型簡單焊件的變形矯正。
2）機械矯正法。機械矯正法是在機械力的作用下使部分金屬得到延伸，產生拉伸塑性變形，使變形的構件恢復到所要求的形狀。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。工字梁的機械矯正如圖 2-3-18 所示。
3）火焰矯正法�；鹧娉C正法是采用火焰對焊件進行局部加熱，使焊件產生新的變形以抵消原先的焊接變形。火焰矯正法設備簡單，操作方便，在生產中應用廣泛�；鹧娉C正法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。
火焰加熱的方式有點狀加熱、線狀加熱和三角形加熱三種，用于不同對象的矯正，如圖2-3-19 所示。
二、焊接應力
1. 焊接應力的概念
焊接應力是在焊接過程中及焊接過程結束后存在于焊件中的內應力。
2. 焊接應力的分類及產生原因
（1）按造成焊接應力的原因分
1）溫度應力（熱應力）。由于焊接時焊件受熱不均勻導致焊件熱脹冷縮不均勻而引起的應力。
2）相變應力。焊接時局部金屬金相組織發(fā)生轉變，體積發(fā)生變化，而周圍的金屬阻礙其體積變化，在金屬內部將產生內應力。
（2）按焊接殘余應力的作用方向分
1）縱向應力。方向平行于焊縫軸線的應力。
2）橫向應力。方向垂直于焊縫軸線的應力。
（3）按焊接應力的空間方向分
1）單向應力。在焊件中只沿一個方向存在的應力。
2）雙向應力（平面應力）。指兩個應力存在于焊件一個平面的不同方向上。
3）三向應力（體積應力）。指沿空間三個方向存在的應力。
3. 控制和減少焊接應力的方法和措施
焊接應力不僅會影響焊件的結構強度、尺寸加工精度以及結構的穩(wěn)定性，而且也會影響結構的疲勞強度和抗應力腐蝕性。為保證焊接結構具有良好的使用性能，在焊接過程中，必須設法減小焊接應力;重要結構在焊后還必須采取措施消除焊接殘余應力。
（1）控制焊接應力的工藝措施
1）選擇合理的焊接順序。焊接順序對焊接應力的產生影響很大，焊接時盡可能使焊縫自由收縮，以減少焊接結構在施焊時受到的拘束;焊縫數(shù)量較多時，先焊收縮量大、焊后可能產生較大的焊接應力的焊縫，使焊縫收縮時的拘束小;交叉焊縫先焊短焊縫，后焊直通長焊縫，保證短焊縫在焊后有自由收縮的可能，焊完第一條焊縫后需將交匯處的焊縫去除，再焊接第二條焊縫，如圖 2-3-20 所示。
2）預熱。在焊前對焊件的全部（或局部）進行加熱的工藝措施稱為預熱。一般預熱的溫度為150~350℃，其目的是減小焊接區(qū)和結構整體的溫度差，以使焊縫區(qū)與結構整體盡可能地均勻冷卻，從而減小內應力。淬硬傾向較大的材料焊前經常需要預熱，預熱溫度與材料、厚度、環(huán)境溫度等有關。
3）加熱"減應區(qū)"法。在焊接時加熱那些阻礙焊接區(qū)自由伸縮的部位（稱"減應區(qū)"），使之與焊接區(qū)同時膨脹和同時收縮，起到減小焊接應力的作用，此法稱為加熱"減應區(qū)"法。如圖2-3-22 所示，框架中心已斷裂，若直接焊接斷口處，焊縫橫向收縮受阻，在焊縫中受到相當大的橫向應力。若焊前在兩側構件的"減應區(qū)"處同時加熱，兩側受熱膨脹，使中心構件斷口間隙增大，再對斷口處進行焊接，焊后兩側也停止加熱，于是焊縫和兩側加熱區(qū)同時冷卻收縮，互不阻礙，結果減小了焊接應力。
4）敲擊法。在焊后冷卻過程中，當溫度為 100～150℃或400℃以上時用錘子或風錘敲擊焊縫，使它產生塑性變形，以抵消焊縫的一部分收縮量，這樣就能起到減小焊接殘余應力的作用。敲擊法要避免在 200～300℃之間的藍脆性階段進行;多層焊時，為了避免根部裂紋不敲擊第一層焊道，最后一層也不敲擊，以保持焊縫表面的美觀。
（2）減少焊接應力的方法
雖然在結構設計時以及在工藝上可采取一定的措施來防止或減小焊接應力，但由于焊接應力的復雜性，結構焊接完以后仍然可能存在較大的殘余應力，影響結構的使用性能，因此，焊后經常需要消除焊接殘余應力。常用的降低殘余應力的方法如下∶
1）熱處理法。熱處理法是利用材料在高溫下屈服強度下降和蠕變現(xiàn)象來達到松弛焊接殘余應力的目的，同時熱處理還可改善焊接接頭的性能。生產中常用的熱處理法有高溫回火和去應力退火兩種，可根據工件大小采用整體熱處理或局部熱處理的方式進行。高溫回火是把工件焊后加熱到 500~650℃，保溫一段時間后，以適當?shù)乃俣壤鋮s的熱處理方法。去應力退火是將工件焊后加熱至A，以下某一溫度，保溫一定時間后冷卻，使工件發(fā)生回復，從而消除殘余內應力的熱處理方法。淬硬傾向大的焊件可以采用去應力退火處理，以減少因冷卻速度較快導致淬硬組織的生成。
2）機械拉伸法。對塑性好的焊接構件進行加載，使焊后產生的壓縮殘余變形得到拉伸，可減小由焊接引起的局部壓縮塑性變形量，使內應力降低。如壓力容器的水壓試驗就屬于機械拉伸，既對容器進行了水壓試驗，又對材料進行了一次拉伸，從而消除了部分殘余應力。
3）溫差拉伸法。溫差拉伸法的基本原理與機械拉伸法相同，其不同點是機械拉伸法采用外力進行拉伸，而溫差拉伸法是采用局部加熱形成的溫差來拉伸壓縮塑性變形區(qū)。溫差拉伸法如圖 2-3-23 所示。
