第四章焊接應力與變形第四章焊接應力與變形由于焊接局部高溫加熱而造成焊件上溫度分布不均勻，導致在焊接結構內部產生了焊接應力與變形。焊接應力是引起脆性斷裂、疲勞斷裂、應力腐蝕斷裂和失穩破壞的主要原因，焊接變形使結構的形狀和尺寸精度難以達到技術要求，直接影響結構的制造質量和使用性能。第一節概述1）、

應力

存在于物體內部的、受外力作用或其他因素引起物體內部之間相互作用力，叫做內力。物體單位截面積上的內力叫做應力。應力與變形的基本概念1工作應力內應力特點：在物體內部，內應力是自成平衡的，形成一個平衡力系。特點：當構件有外力作用時構件內部即存在工作應力，相反同時消失。工作應力是指外力施加給構件的。內應力是在沒有外力的條件下平衡于物體內部的應力。第一節概述應力與變形的基本概念1相變應力塑變應力熱應力（溫差應力）內應力(a)熱應力（溫差應力）溫差應力：由于構件受熱不均勻引起的內應力。產生條件：受熱不均勻溫度不均勻結果：應力殘留或消失！(如果溫度應力不高，即低于材料的屈服極限，，亦即溫度應力在彈性范圍內時，在框架中不產生塑性變形，當框架的溫度均勻化后，熱應力隨之消失。)舉例：框架結構的溫度應力平衡特點第一節概述應力與變形的基本概念1(b)殘余應力殘余應力：溫度恢復到原始狀態均勻后殘存在物體內部的應力。產生原因：不均勻加熱產生條件：局部區域產生塑性變形或相變舉例：金屬框架因此：①任何原因引起的伸長變形受阻時，則該伸長部分受壓應力，阻礙構件伸長的其它部分則受拉應力。②任何原因引起的收縮變形受阻時，則收縮部分受拉應力，而阻礙收縮的構件的其它部分則受壓應力。第一節概述應力與變形的基本概念1加熱－膨脹－受拘束－產生溫度應力（壓應力）＋壓縮屈服變形冷卻－收宿－受拘束－產生殘余應力（拉應力）＋拉伸屈服變形(c)相變應力相變應力：材料在加熱或凝固冷卻過程中，由于組織轉變，帶來體積尺寸變化，產生的應力。產生原因：組織轉變第一節概述應力與變形的基本概念1自由變形：當金屬物體溫度發生變化，或發生了相變，其尺寸和形狀就要發生變化，如果這種變化沒有受到外界的阻礙而自由的進行。自由變形量：自由變形率：

物體在外力或溫度等因素的作用下,其形狀和尺寸發生變化，這種變化稱物體的變形。第一節概述2）、

變形彈性變形；塑性變形；自由變形；非自由變形。（外部和內部）內部變形：當金屬物在溫度變化過程中受到阻礙，把未表現出來的那部分變形，稱為內部變形;把表現出來的變形成為外觀變形。內部變形量：內部變形率：第一節概述外觀變形率：

綜上可知，壓縮塑性變形會使得金屬材料在環境載荷消失后收縮變短，收縮變形量約等于壓縮而產生的壓縮塑性變形量。同理可知，拉伸塑性變形也將會使得金屬材料在環境載荷消失后延伸變長，伸長變形量約等于已產生的拉伸塑性變形量。對于低碳鋼，當變形在彈性范圍內時應力和應變可用胡克定律來計算：σ＝E

·ε

＝E（εe

－εT

）

當變形超出彈性范圍，低碳鋼桿件中的應力達到材料的屈服強度

后不再升高。則有σ＝σs式中

σ—應力；E—材料的彈性模量。金屬在焊接過程中，其物理性能和力學性能都會發生復雜的變化，為了分析問題方便，對金屬材料焊接應力與變形作以下假定：1.平截面假定：假定構件在焊前所取的截面，焊后仍保持平面。2.金屬性質不變的假定：假定在焊接過程中材料的某些熱物理性質（如：線脹系數、比熱容、熱導率等）不隨溫度而變化。3.焊接溫度場假定：假定焊接溫度場不隨時間而改變。4.金屬屈服點假定：在500℃以下，屈服點σS與常溫相同，不隨溫度而變化；500℃~600℃之間，屈服點σS迅速下降至零；600℃以上時呈全塑性狀態，即屈服點為零。——加熱時按此規律進行變化，冷卻時也按此規律進行變化低碳鋼的屈服點與溫度的關系4.金屬屈服點假定：1.焊件的不均勻受熱：2.焊縫金屬的收縮：3.金屬組織的變化：鋼在加熱與冷卻過程中發生相變可得到不同的組織，這些組織的比體積不一樣，由此造成焊接應力與變形。4.焊件的剛性和拘束：焊件自身的剛性及受周圍的拘束程度越大，焊接變形越小，焊接應力越大。返回第二節焊接應力與變形產生的原因焊件的不均勻受熱（1）不受約束的桿件在均勻加熱時的應力與變形：冷卻后不會有任何殘余應力與變形。（2）受約束的桿件在均勻加熱時的應力與變形：1）當加熱溫度T<Ts時，冷卻后即不存在殘余變形也不存在殘余應力。2）當加熱溫度T>Ts時，可能出現以下三種情況：a)如果桿件能充分自由收縮，那么桿件中只出現殘余變形而無殘余應力。b)如果桿件受絕對拘束，那么桿件中沒有殘余變形而存在較大的殘余應力。c)如果桿件收縮不充分，那么桿件中既有殘余應力又有殘余變形。（3）長板條中心加熱引起的應力與變形：如圖4-3。（4）長板條一側加熱引起的應力與變形：如圖4-4。（5）在長板條正中加熱不均勻時的應力和變形：如圖4-5下一頁圖4-3鋼板條中心加熱和冷卻時的應力與變形a)原始狀態b)、c)加熱過程d)、e)冷卻過程返回★鋼板條中心加熱和冷卻時的應力和變形圖4-4鋼板邊緣一側加熱和冷卻時的應力與變形a)原始狀態b)假設各板條的伸長c)加熱后的變形d)假設各板條的收縮e)冷卻后的變形a)b)c)d)e)返回★鋼板邊緣一側加熱和冷卻時的應力和變形★在長板條正中加熱不均勻時的應力和變形溫度場：在板中間沿長度方向上用電阻絲進行加熱，則在板條寬度方向上出現中間高兩側低的不均勻溫度場，而在板厚和長度方向可視為均勻的溫度場。圖4-5長板條正中加熱不均勻時的應力和變形由平面假設，變形時截面保持平面可見：板條中心ε＜0，受壓；板條兩側ε＞0，受拉。假設：該板條由若干個互不相連的窄板條組成，加熱平衡時，溫度場在板條上呈拋物線變化；每個小板條自由伸長，其規律為中間伸出最長，像階梯一樣，與溫度場分布規律一樣。?加熱平衡時冷卻后，應力和應變消失；即無殘余應力和殘余變形冷卻時當溫度較低，無塑性變形，即當溫度較高，板件中產生塑性變形，即冷卻后，應力和應變不能完全消失(存在壓縮塑性變形)，即板條中間部位出現殘余拉應力，板條兩側出現殘余壓應力。返回1）對構件進行不均勻加熱，在加熱過程中，只要溫度高于材料屈服點的溫度，構件就會產生壓縮塑性變形，冷卻后，構件必然有殘余應力和殘余變形。2）通常，焊接過程中焊件的變形方向與焊后焊件的變形方向相反。3）焊接加熱時，焊縫及其附近區域將產生壓縮塑性變形，冷卻時壓縮塑性變形區要收縮。4）焊接過程中及焊接結束后，焊件中的應力分布是不均勻的。焊接結束后，焊縫及其附近區域的殘余應力通常是拉應力。由上述討論可知：第三節焊接殘余應力及分布知識要點掌握程度相關內容焊接殘余應力

掌握焊接殘余應力的類型及其在各種截面上的應力分布狀態。掌握焊接殘余應力對焊接結構力學行為的影響規律

縱向殘余應力、橫向殘余應力以及厚度方向殘余應力沿焊縫長度、寬度和厚度方向上的基本分布規律縱向應力σx：沿焊縫方向上的應力橫向應力σy：垂直于焊縫方向上的應力

σz：厚度方向上的應力4.3.1、焊接殘余應力的分布在厚度小于20mm的對接接頭結構中，厚度方向應力較小，可以不計。(1)σx在縱向上的分布1.縱向殘余應力σx的分布原因：板條兩端的邊界條件與中間部分不同，拘束度和熱循環特性不盡相同，使兩端的縱向殘余應力出現過渡區。總結：板條中部區，焊縫縱向殘余應力基本保持不變。在板條的端部存在一個內應力的過渡區，縱向殘余應力逐漸降至零。圖4-6低碳鋼板件熔化焊對接接頭殘余應力分布圖4-8不同長度低碳鋼板焊接縱向應力分布圖4-9不同焊縫長度σx值的變化隨著焊縫的長度增加，穩定區也增長，當焊縫的長度較短時無穩定區，則<。焊縫越短

越小。(2)σx在橫截面上的分布圖4-9對接焊縫各截面中σx的分布(3)圓筒環形焊圖4-10圓筒環焊縫縱向殘余應力的分布低碳鋼：圓筒直徑與壁厚之比較大時，分布與平板相似，σx=σs圓筒直徑與壁厚之比較小時，σx<σs圖4-11環焊縫縱向應力與圓筒半徑及焊接塑性變形區寬度的關系取決于圓筒的半徑R、壁厚δ、塑變區的寬度bp

σ’y

由焊縫及其附近的塑性變形區的縱向收縮引起的σy=

σ’’y由焊縫及其附近的塑性變形區的橫向收縮引起的2.橫向殘余應力σy的分布橫向應力σy：垂直于焊縫方向上的應力兩塊平板對接焊件，其縱向應力的分布是焊縫及其附近的塑性變形區為拉應力，兩側為壓應力。若沿焊縫中心將構件一分為二，相當于板邊堆焊變形、向外側彎曲(1)σ’y分析：--+圖4-12縱向應力σx引起的橫向應力σ’y不同材料、工藝會形成不同的應力分布圖4-13不同長度焊縫中的橫向殘余應力（σ’y）的分布焊縫焊接有先后之分，不同時完成。先焊先冷(受壓應力)，后焊后冷(受拉應力)。同時，先冷卻的部分有限制后冷卻部分的橫向收縮。(2)σ’’y分析：★σ’’y

的分布與焊接方向、分段方法、焊接順序有關。

123T1T2恢復彈性階段全塑性階段熔化態階段1231234對接過程中，設將焊縫分為三個區域，電弧位于某點時，區段I的焊縫金屬恢復彈性，區段II的焊縫金屬處于完全塑性狀態，區段III的焊縫金屬處于熔化狀態。開始，區段I的焊縫金屬橫向收縮不會受到區段II和區段III的拘束，此時屬于自由變形，不會產生橫向殘余應力，只是接頭寬度有微量縮小。中間過程，區段II的焊縫金屬恢復到彈性狀態并開始橫向收縮，將受到區段I的拘束，在II段的上端和區段I的下端產生橫向拉伸應力，在區段I和II的結合處產生橫向壓應力，此時區段III的焊縫金屬處于完全塑性狀態，對區段II的橫向收縮不起約束作用。當區段III恢復彈性時，其收縮受到區段I和II約束，使σ’’y擴展。σs圖4-14不同焊接順序對橫向應力的影響？思考：從一端向另一端的直通焊焊接殘余應力的分布情況。不同焊接順序對橫向應力σ’’y的影響從中間向兩端焊從兩端向中間焊(3)總的σy大小受σs的限制

※從減小總橫向應力σy來看，應合理地選用不同的分段和不同的焊接方向。厚板中的殘余應力：σx

σy

σz三者均在厚度方向上有很大不同，不同的焊接工藝差別很大3.厚板中的殘余應力圖4-15電渣焊俯視圖厚鋼板焊縫水冷銅滑塊圖4-16厚板電渣焊接現場(1)電渣焊YσZXZσXσY+++240mm180MPa240MPa300MPa圖4-17厚板電渣焊厚度(Z)方向的殘余應力分布(2)厚板對接焊多層多道焊的三向殘余應力ZYX-125MPa厚度方向應力σz－240MPa230MPa280MPa縱向應力σx＋125MPa85MPa420MPa橫向應力σy＋圖4-18厚板V形坡口多層焊時沿厚度上的應力分布應力集中塑性絞鏈中心角變形多層焊的熱疲勞焊根裂紋圖4-19厚板焊接接頭缺陷內應力：焊縫及近縫區，拉應力；遠離焊縫，壓應力外應力：總應力：內應力+外應力4.3.2、焊接殘余應力對焊接結構性能的影響1.焊接殘余應力對靜載強度的影響

熔化焊必然會帶來焊接殘余應力，焊接殘余應力在鋼結構中并非都是有害的。根據鋼結構在工程中的受力情況、使用的材料、不同的結構設計等，正確選擇焊接工藝，將不利的因素變為有利的因素。同時要做到具體情況具體分析。塑性材料：有足夠的塑性變形能力，無影響外應力與內應力疊加，當拉應力峰值達到材料的屈服極限σs后，該區域的應力不再增加，而產生塑性變形。繼續增加外力，構件中尚未屈服的區域的應力值繼續增加并逐漸屈服，直至整個截面上應力完全達到σs，應力就全面均勻化了。由于初始內應力是平衡的，即拉應力和壓應力的面積相等。所以使構件截面完全屈服所需要施加的外力與無內應力而使構件完全屈服所需要施加的外力是相等的。塑性材料焊件兩側受壓應力會隨著拉應力

的增加，壓應力逐漸減小而轉變為拉應力。脆性材料：材料發生局部破壞，有影響，降低靜載強度脆性材料當外載荷增加時，由于材料不能發生塑性變形而使構件上的應力均勻化，因而殘余應力峰值不斷增加，一直達到材料的抗拉強度。這將造成局部破壞，從而導致整個構件斷裂。

焊接應力穩定性：即焊接應力是否會在長期存放過程中隨時間變化，而影響已經加工完畢的工件尺寸的精度。

2.焊接殘余應力對構件精度和尺寸穩定性的影響原因：焊件在不經過焊后消應力處理，內部存在著相互平衡的應力，當進行機械加工時，如切削掉焊件的一部分承受殘余應力金屬，則焊件會重新變形（二次變形）以使殘余應力重新分布來保持平衡，焊件不斷的切削，就會不斷的變形，加工精度難以保證。圖4-20機械加工引起的內應力釋放和變形

造成構件尺寸不穩定的原因主要有兩方面：一是蠕變和應力松弛；二是不穩定組織的存在。為保證尺寸穩定，焊后要進行熱處理，使組織穩定，并使殘余應力消除，然后再進行機械加工。受壓焊接柱的彈性區與拉伸殘余應力相對應，如果能使殘余拉應力區遠離截面中性軸，則會大大提高有效截面慣性距，從而提高臨界應力。氣體火焰加熱翼板邊緣兩板疊焊H形焊接桿件的內應力分布。3.焊接殘余應力對桿件受壓穩定性的影響如果H形桿件中的翼板采用火焰切割，或者翼板由幾塊疊焊起來的，則可能在翼板邊緣產生拉伸應力，其失穩臨界應力比一般焊接的H形截面高。圖4-21殘余應力對焊接桿件受壓失穩強度的影響內應力的影響只在構件的一定的長細比范圍內起作用。即30<λ<150范圍內較明顯。4.焊接殘余應力對應力腐蝕裂紋的影響

金屬材料在某些特定介質和拉應力的共同作用下發生的延遲開裂現象，稱為應力腐蝕裂紋。采用熔化焊焊接的構件，焊接殘余應力是不可避免的。焊件在特定的腐蝕介質中，盡管拉應力不一定很高，都會產生應力腐蝕開裂。※殘余拉應力大小對腐蝕速度有很大的影響，當焊接殘余應力與外載荷產生的拉應力疊加后的拉應力值越高，產生應力腐蝕裂紋的傾向就高，發生應力腐蝕開裂的時間就越短。因此，在腐蝕介質中服役的焊件：1）首先要選擇抗介質腐蝕性能好的材料；2）對鋼結構的焊縫及其周圍處可進行錘擊，使焊縫延展開，消除焊接殘余應力。（對條件允許焊接加工的鋼結構，在使用前進行消除應力退火等）剛度：構件在外力作用下抵抗變形的能力；伸長單位長度所需的外力。E：彈性模量；L：構件長度；F：外力；A：構件截面積。伸長量剛度5.焊接殘余應力對剛度的影響(1)拉伸殘余應力

剛度減小加載過程b區域：B-b區域：外力作用消失，各區的應力均勻下降卸載過程回彈量()卸載后，相對于卸載前伸長了b區域：B-b區域：假使構件中存在著與外力方向一致的內應力，而內應力的數值又達到，則在外力作用下剛度將降低，而且在卸載后構件的原來尺寸也不能完全恢復。剛度的降低程度與b/B的比值有關，b所占的比例越大，對剛度的影響也越大。重要結論(2)拉伸殘余應力加載過程卸載過程即焊接構件經過一次加載和卸載后，如再加載，只要其大小不超過前一次，內應力就不再起作用，外載也不影響內應力的分布。只適用于靜載，對頻率較高、次數較多的變載荷另當別論，重要結論第四節減小和消除焊接殘余應力的方法1.設計措施（1）盡量減少結構上焊縫的數量和焊縫尺寸：（2）避免焊縫過分集中，焊縫間應保持足夠的距離：如圖4-22（3）采用剛度較小的接頭形式：如圖4-232.工藝措施（1）采用合理的裝配焊接順序和方向：（2）預熱法：（3）冷焊法：盡量采用小的焊接熱輸入，選用小直徑焊條、小電流、快速焊及多層多道焊。（4）降低焊縫的拘束度：如圖4-29（5）加熱“減應區”法：此法在鑄鐵補焊中應用最多，如圖4-30

下一頁圖4-22容器接管焊縫返回圖1-18b)a)b)圖4-23焊接管的連接a)插入式b)翻邊式返回采用合理的裝配焊接順序和方向a)應保證焊縫縱向和橫向收縮均能比較自由，即先焊相互錯開的短焊縫，后焊直通長焊縫，如圖4-24b)收縮量最大的焊縫應先焊：如圖4-25c)工作時受力最大的焊縫應先焊：如圖4-26

d)平面交叉焊縫的焊接順序：如圖4-27e)對接焊縫與角接焊縫交叉的結構：如圖4-28返回圖4-24拼接焊縫合理的裝配焊接順序123456789返回圖4-25帶蓋板的雙工字梁結構焊接順序返回圖4-26對接工字梁的焊接順序返回圖1-23圖4-27平面交叉焊縫的焊接順序a)b)c)d)返回圖4-28對接焊縫與角焊縫交叉返回a)b)圖4-29降低局部剛度減少內應力a)平板少量翻邊b)鑲板壓凹返回圖1-26受熱后冷卻收縮區熱膨脹或冷卻收縮方向圖4-30加熱“減應區”法示意圖a)加熱過程b)冷卻過程被加熱的減應區返回在下列情況中一般應考慮消除內應力1）在運輸、安裝、起動和運行中可能遇到低溫，有發生脆性斷裂危險的厚截面焊接結構。2）厚度超過一定限度的焊接壓力容器。3)焊后機械加工量較大，不消除殘余應力難以保證加工精度的結構。4）對尺寸穩定性要求較高的結構。5）有應力腐蝕危險的結構。

消除焊接殘余應力的方法1.熱處理法（1）整體熱處理（2）局部熱處理2.錘擊焊縫：3.振動法：4.機械拉伸法：在構件上施加一定的拉應力，使焊縫及其附近產生拉伸塑性變形，與焊接時在焊縫及其附近所產生的壓縮塑性變形相抵消一部分，達到松弛焊接殘余應力的目的。對于同一種材料，回火溫度越高，保溫時間越長，殘余應力越小。對碳鋼及中、低合金鋼，加熱溫度為580～680℃；鑄鐵為600—650℃，保溫時間一般根據每毫米板厚保溫l～2min計算，但總時間不少于30min，最長不超過3h。焊后采用帶小圓頭面的手錘錘擊焊縫及近縫區，使焊縫及近縫區的金屬得到延展變形，用來補償或抵消焊接時所產生的壓縮塑性變形，使焊接殘余應力降低。振動消除法是利用由偏心輪和變速馬達組成的激振器，鋼結構焊接件在激振器上發生共振所產生的循環應力來減低內應力的。第五節常見的焊接殘余變形及產生原因知識要點掌握程度相關內容焊接殘余變形

掌握焊接殘余變形的類型、產生原因、影響因素

縱向收縮變形、橫向收縮變形、角變形、彎曲變形、錯邊變形和扭曲變形

鋼結構因焊接和其他加工產生變形可降低其承載能力，部件變形會造成裝配困難，甚至無法使用；原材料變形會導致加工工序尺寸精度下降等。因此，對變形的成因應加以研究并進行嚴格的控制。縱向收縮變形橫向收縮變形彎曲變形角變形波浪變形錯邊變形扭曲變形焊接殘余變形分為七類焊接殘余變形：焊接后殘存于結構中的變形。1）縱向收縮變形：焊后在沿焊縫長度方向發生的收縮變形。縱向變形結果1.縱向收縮變形壓縮塑性變形：焊縫近縫區金屬在高溫下的自由變形受到阻礙，產生了壓縮塑性變形；收縮變形：焊縫區液態金屬在冷卻過程中形成固態焊縫，產生收縮變形。2）

縱向收縮變形產生的原因縱向收縮變形產生的根本主要原因這兩個區域統稱為收縮變形區收縮變形區的存在使構件相當于受到一個假想外力Ff的作用而縮短△L3）

縱向收縮變形的影響因素焊縫的長度：L↑→

△L↑(間斷焊＜連續焊)構件的截面積：A↑→△L↓壓縮塑性變形：？規范：焊接熱輸入↑→∫AP↑→△L↑工藝措施：①焊接層數：(熱輸入)多層焊＜單層焊

→

(△L)多層焊＜單層焊②間斷焊：間斷焊向焊件輸入的熱量最小，塑性

變形區的面積

也最小，變形也就最小。

實踐證明：在受力不大的鋼結構中，用間斷焊縫代替連續焊縫是降低縱向收縮變形的有效措施之一。焊接方法：不同焊接方法，熱源集中程度不同，HAZ不同，即AP不同材料性質：α↑→△L↑4-31精確計算：的計算，←溫度場、物理、機械性能工程計算：近似估計4）

縱向收縮量的估算AH

為單層或一層對接焊縫金屬或一條角焊縫的塑性變形區面積；k1為單層對接焊縫時考慮的系數，與焊接方法和材料有關；k2為多層對接焊縫時考慮的系數；或雙面角焊縫T型接頭時考慮的系數。L

—焊件長度；A—焊縫的截面積。1)橫向收縮變形：焊后在垂直于焊縫方向發生的收縮變形。橫向變形結果2.橫向收縮變形2）

橫向收縮變形的分布分布：沿焊縫長度的分布不均勻。沿焊縫方向由小到大逐漸增長，一定長度后趨于穩定。原因：先焊的焊縫的橫向收縮對后焊的焊縫產生擠壓作用，使后者產生更大的橫向壓縮變形。壓縮塑性變形：焊縫近縫區金屬在高溫下的自由變形受到阻礙，產生了壓縮塑性變形；收縮變形：焊縫區液態金屬在冷卻過程中形成固態焊縫，產生收縮變形。這兩個區域統稱為收縮變形區3)橫向收縮變形產生的原因橫向收縮變形產生的根本主要原因即在熱源附近的金屬受熱膨脹，但將受周圍溫度較低的金屬的約束而承受壓應力，這樣在板寬方向上產生壓縮塑性變形，并使其厚度增加，最終結果表現為橫向收縮。留有間隙的對接焊：

加熱，膨脹，間隙減小；

冷卻，收縮；→橫向收縮不留間隙的對接焊：板的膨脹引起板邊的擠壓，使厚度方向變形→橫向收縮焊接熱輸入：q↑→△B↑焊縫截面積：A↑→q↑→△B↑板厚：堆焊：δ↑

→

△B↓

對接：δ↑

→

A↑→△B↑坡口形式：θ↑

→

A↑

→

△B↑焊接層數：焊接層數↑→

△B↓4)橫向收縮變形的影響因素

影響焊件橫向收縮變形的因素有線能量、接頭形式、裝配間隙、板厚、焊接方法以及焊件的剛度等。附：一般講，隨著裝配間隙的增大，橫向收縮量也增加。橫向收縮變形量的對比1）彎曲變形：構件焊后向某一方向發生彎曲的現象。用f表示其大小。圖4-31彎曲變形（a）由縱向收縮引起的彎曲變形（b）由橫向收縮引起的彎曲變形3.彎曲變形應力抗彎截面中心彎曲變形2）產生原因：產生壓應力的部位相對于構件中性軸不對稱（a）

縱向收縮引起的彎曲變形(1)產生原因焊縫在構件中的位置相對于其截面中性軸不對稱→

Pf是個偏心力式中：e-偏心距，mm;L-焊件的長度，mm;E-焊件材料的彈性模量，MPa;I-焊件截面慣性矩，mm4(2)影響因素構件的剛度EI：EI↑→f↓焊縫位置：不對稱↑，e↑→

f↑假想力Ff：裝焊順序【例4-1】如下圖所示，工字梁的制造一般有兩種裝焊順序，兩種裝焊順序產生的彎曲變形大小不同。方向相反焊后會表現出較大的彎曲變形(1)裝焊順序：⊥→工如果焊接前先將腹板和上下翼板點固成工字梁，施焊時按照括號內的順序進行，則會使焊接過程中結構的慣性矩II和偏心距eI基本保持不變，這樣就可以使兩對角焊縫引起的彎曲變形相互抵消，能夠保持構件的基本平直。說明，通過調整裝配和焊接順序，可以對彎曲變形的程度進行調整，可以根據實際情況要求，降低構件的彎曲撓度。(2)焊前先點固成工字形截面，則近似地有：f⊥=f工焊縫在構件上分布不均勻，其橫向收縮變形會引起結構的彎曲變形。(1)產生原因（b）

橫向收縮變形引起的彎曲變形(2)影響因素構件的結構形式剛度焊縫的位置裝配焊接順序影響橫向收縮變形的因素(3)彎曲撓度的估算下撓的數值可以根據每對角焊縫產生的橫向收縮變形量來估算式中：b-焊件寬度，mm;L-焊件的長度，mm;△B-焊件的橫向收縮量。焊后構件的平面圍繞焊縫產生的角位移稱為角變形。用β代表角變形的大小。圖4-32角變形4.角變形角變形產生的根本原因：

橫向收縮變形在厚度方向上的不均勻分布。主要發生在堆焊、搭接接頭、對接接頭和T形接頭焊接中。①堆焊時產生的角變形

堆焊是指在板材上平鋪焊縫。平板堆焊高溫區金屬的熱膨脹受到附近溫度較低區金屬的阻礙受擠壓，壓縮塑性變形。焊接面壓縮塑性變形>背面

角變形。影響因素：

a.角變形的大小取決于壓縮塑性變形的大小和分布情況，同時也取決于板的剛度。b.焊接線能量與板厚的影響.圖4-33平板表面火焰加熱的線能量與其角變形的關系曲線②對接接頭的角變形影響因素：坡口形式、角度焊縫截面形狀焊接方式

焊接順序坡口截面形狀不對稱的焊縫，其角變形較大，采用坡口截面形狀對稱代替不對稱的坡口有利于減小角變形。坡口角度越大，填充焊縫金屬量越大，橫向收縮量沿板厚越不均勻，角變形越大。合理地安排焊接順序是減小角變形的重要措施。不對稱坡口如果焊接順序合理，產生角變形傾向就小。如果對稱坡口焊接順序不合理，產生角變形的傾向反而大。③T形接頭角焊縫所產生的角變形T形接頭的角變形筋板與主板的角變形主板自身的角變形角變形的大小取決于角焊縫的焊角尺寸

厚δ。圖4-34總之，角變形的影響因素有：溫度場分布焊接熱輸入板厚焊接方法坡口角度焊接層數焊接順序圖4-35構件焊后呈現出波浪形狀稱為波浪變形或失穩變形。圖4-36波浪變形圖4-37薄板受壓失穩5.波浪變形(1)產生原因薄板在承受壓力時，當其中的壓應力達到某一臨界數值時，薄板將因出現波浪變形而喪失承載能力，這種現象稱之為失穩。焊接波浪變形的形成原因：焊后存在于平板中的內應力，一般情況下在焊縫附近是拉應力，離開焊縫較遠的區域為壓應力。在壓應力的作用下，如果，薄板可能失穩，產生波浪變形。(2)影響因素壓應力：降低壓應力，減小塑性變形區。臨界應力：提高臨界應力，增加板厚和減小板寬。焊接角變形也可能產生類似的波浪形變形：施加預拉應力——最有效的方法在焊接過程中，兩焊接件的熱膨脹不一致，可能引起長度方向上的錯邊和厚度方向上的錯邊。有效斷面減小應力集中加大焊接填充量加大6.錯邊變形(1)產生原因焊接過程中對接邊的熱量不平衡，裝配不善。兩種材料的熱膨脹的差異圖2-32焊接過程中對接邊的熱輸入不平衡的典型例子工件與夾具一邊接觸較緊，導熱較快，另一邊接觸不良，導熱較慢；b)工件與夾具間一邊導熱不良，另—邊導熱良好；c)焊接熱源偏離中心，一邊熱輸入量大，另一邊熱輸入量小；d)對接邊一邊熱容量大，導熱快，另一邊熱容量小，導熱慢。圖4-38對接縫兩邊剛度不同封頭剛度大，變形小筒身剛度小，變形大圖2-33封頭與筒身環焊縫對接邊錯邊的產生過程圖4-39焊后在結構上出現的扭曲現象稱為扭曲變形，也稱為螺旋形變形。7.扭曲變形（1）扭曲變形的產生原因根源：與焊接角變形沿長度上的分布不均勻性和工件的縱向錯邊有關。

①焊縫角變形沿長度方向上的分布不均勻所造成。

②焊縫長度方向上的錯邊變形造成。（2）影響因素凡是影響角變形和焊接錯邊的因素均會影響扭曲變形。第六節防止和減少焊接變形的措施知識要點掌握程度相關內容焊接變形和應力的調控措施

掌握焊接變形與焊接殘余應力調控的基本措施以及兩者之間的關系

控制焊接變形和應力的焊前措施，在焊接過程中控制焊接變形和應力的焊中措施，以及焊后調節焊接變形和應力的焊后措施一、

焊前預防措施——設計措施在焊接設計的時候就要考慮到的防止和減少焊接變形和應力的措施。這會在很大程度上降低構件后續加工的難度并有利于保證構件的質量。(1)合理選擇焊縫形式和尺寸設計原則：在保證結構有足夠承載能力的前提下，盡量選用應力集中小的焊接接頭，并采用較小的焊縫尺寸焊縫尺寸大，不但焊接量大，而且焊接變形也大但并不是焊縫越小越好，因為焊接尺寸太小的焊縫，冷卻速度過大，容易產生一系列焊接缺陷，如裂紋、HAZ硬度過高等。圖4-40

a)角變形大b)角變形小圖4-42

T形接頭的坡口圖4-41相同承載能力的十字接頭避免應力集中：焊縫不要設計在高應力和斷面突變的地方圖4-43焊縫設計位置分析采用剛性較小的接頭形式，減小接頭拘束度，減小焊縫殘余應力圖4-44接頭形式對拘束度及焊接殘余應力的影響(2)盡可能減少焊縫的數量

設計原則：在焊接結構中應該力求減少焊縫數量和總長度，避免不必要的焊縫。圖4-45軸承的加固形式用型鋼代替鋼板，用斷續焊代替連續焊。（a）壓形板（b）拼焊板圖4-46兩種隔艙板的形式采用壓型結構代替肋板結構，防止薄板結構變形(3)合理安排焊縫的位置

設計原則：焊縫盡可能對稱于截面中性軸或接近中性軸；盡量避免焊縫的密集與交叉。減少彎曲變形圖4-47箱形梁的焊縫布置圖4-48避免焊縫交叉的措施與最優焊接順序二、

焊中控制措施——工藝措施指在焊接過程中同步采取的防止和減小焊接應力和變形的措施。在焊接過程中對焊接變形和應力進行隨時的調控具有重要的意義，同時也是調控焊接變形和應力的重要措施。合理選擇焊接方法選擇合理的焊接規范合理安排裝配焊接順序1、合理選擇焊接方法、焊接規范和裝配順序一般情況下焊縫深寬比大的焊接方法，其焊接變形要小。(1)合理選擇焊接方法圖4-49防止非對稱截面彎曲變形的焊接(2)選擇合理的焊接規范e1,2>e3,4f1,2>f3,4選擇線能量較低的焊接方法采用多層焊代替單層焊選擇高能量密度的焊接方法采用冷卻方式限制、縮小焊接熱場(3)合理安排裝配焊接順序圖4-50帶蓋板的雙槽鋼焊接梁的焊接順序第一種焊接順序：焊縫3、1、2彎曲變形：f1+f2+f3第二種焊接順序：焊縫1、2、3彎曲變形：f1+f2-f3’第三種焊接順序：焊縫2、1、3彎曲變形：f1-f3’’（4）合理選擇焊縫的截面和坡口形式開坡口和不開坡口的T形和十字接頭，當強度相等時，開坡口填充的金屬量要少于不開坡口的，這對減少焊接變形是有利的。設計時應盡量采用焊縫截面尺寸小的焊縫。但要防止因焊縫尺寸過小，造成的裂紋、氣孔、夾渣等缺陷。因此，應根據板厚、焊接方法、焊接工藝等合理地選擇焊縫尺寸。?

要根據鋼結構的形狀、尺寸大小等選擇坡口形式。如平板對接焊縫，一般選用對稱的坡口，對于直徑和板厚都較大的圓形對接簡體，可采用非對稱坡口形式控制變形。在選擇坡口形式時還應考慮坡口加工的難易、焊接材料用量、焊接時工件是否能夠翻轉及焊工的操作方便等問題。如直徑比較小的筒體，由于在內部操作困難，所以縱焊縫或環焊縫可開單面V或U形坡口。

?

開坡口的對接焊縫，不同的坡口形式所需的焊縫金屬相差很大，選擇填充焊縫金屬少的坡口，有利于減小焊接變形。三、

制定合理的工藝措施1.鋼材的運輸堆放吊運薄板和細長桿件時，不能任意鉤吊，必須合理布置吊點數量，制作專用吊具，吊運中避免發生碰撞、脫鉤、斷繩等事故，在吊運重量很大的有棱構件時，鋼絲繩和棱之間要墊以木塊或圓滑墊板，以免利棱將鋼絲繩切斷。在中途運輸細長型材時，要相互進行捆綁，連成一體，要有足夠的支撐點或專用托架；堆放時鋼材應分層堆放，最底層的鋼材不得直接放在地面上，應放在由方木或型鋼組成的墊架上，墊木厚度要基本一樣，（a）正確（a）不正確為防止焊前鋼材變形，對一些不馬上使用的鋼材在生產場地應將其放置整齊不允許隨意堆放，相互疊壓。為防止焊件在自重下發生彎曲、焊接后焊件產生扭曲和錯邊，焊件應有足夠多的支撐點，保證板與板、桿件與桿件對齊。支撐點的位置應盡量設置在焊件的重心附近和結構剛性較大的部位。2.焊前準備一般來講，線能量越大，對焊件輸入的熱量越多，焊件的變形也大。用多層焊代替單層單道焊，用斷續焊、退焊、跳焊等代替連續焊，在保證焊縫質量的前提下焊接線能量盡量選得小一些（尤其是薄板和易淬火鋼）等措施，可減少對焊件的熱量輸入，將變形控制在最小范圍。此外，應嚴格控制焊角尺寸，不得隨意超差。焊接中焊接速度要均勻，焊縫寬窄一致，否則會使焊接輸入的熱量不均勻，變形增大。3.選擇合理的焊接線能量4.選擇合理的焊接裝配順序(1)裝配焊接原則對于簡單沿中性軸對稱構件要一次對稱裝配、對稱焊接，不得采用邊裝邊焊；

對于細長桿件結構，如工字梁、T形梁、箱形梁等，利用分段退焊、跳焊、對稱焊等來減少焊接變形；對于沿中性軸不對稱的簡單構件可利用調整焊接次序的辦法減小變形，一般先焊焊縫少的一側；拼接大面積薄板時，應先焊內部錯開的短焊縫，由里向外進行焊接，最后焊接外部直通的長焊縫；對于結構比較復雜的鋼結構，首先將鋼結構分成大部件，再分成小部件，分解時要盡量按對稱結構劃分。圖4-52圓筒體的對稱焊接順序

焊縫1和2離中性軸的距離大于3和4，所以焊后會產生下撓變形。為了減小變形，焊接1和2焊縫時，可采用小的線能量，多層焊；焊接3和4焊縫時，采用單層焊，選擇大的線能量，用于抵消產生的撓曲變形。圖4-53非對稱截面工字梁返回這種方法是將待焊接的構件設法固定，限制焊接變形，用于防止角變形和波浪變形效果較好，但對于防止彎曲變形效果不如反變形法。

基本原理：力圖使焊縫區在冷卻過程產生較大的拉伸塑性變形，以抵償加熱過程產生的熱壓縮塑性變形。

基本應用：適用于控制薄板波浪變形和角變形！基本分類：胎具固定法、卡具固定法、局部增加剛性法等。5.剛性固定法形狀比較復雜、定形批量生產的焊件，可采用專用胎具當焊件比較簡單或不宜用胎具固定時，常采用簡單的夾具來固定焊件。

應用舉例：工件壓板

控制薄板T形接頭的角變形!圖4-54剛性固定法焊接法蘭盤（a）采用壓鐵（b）用角鋼臨時增加近縫區剛性圖4-55防止薄板波浪變形的輔助措施6.散熱法

散熱法又稱強制冷卻法，就是利用冷水或傳熱快的金屬，在焊接處將焊接中產生的熱量迅速傳走，減小焊縫及其附近受熱區的受熱程度，達到減小焊接變形的目的。圖4-56所示為兩種散熱法的示意。

圖4-56(a)是噴水法散熱；圖4-56（b)是用純銅墊板中鉆孔通水來散熱。圖4-56兩種散熱法四、

加工中防止變形1、制造零件或部件留余量

在設計和編制工藝時，應將加工中的變形當作一項重要的技術內容進行考慮，否則將會給后續的工序帶來許多麻煩，或者使產品達不到技術要求。

(1)預留焊接、熱矯正和加工余量法

影響焊接收縮量的因素有鋼材的物理性能、焊件的幾何尺寸、焊接方法、焊接規范、焊縫的層數和長度等。預留量可先用經驗公式計算出來，最后進行修正。

可以將焊件焊接、熱矯正、焊后加工需要的余量通過計算，或者通過經驗確定出來，在下料時將零件的原有長度、寬度尺寸與余量相加，得出的結果就是最后的尺寸。(2)編制有利于減小變形的工藝(3)加工時要確保尺寸精度為防止剪切產生的變形，對窄而長的鋼板應先將板接長，增加其剛性，然后再切成板條；對邊緣不得有砸傷痕跡要求的焊件，可采用將該部位的尺寸加大，待焊接、矯正之后再按設計要求將多余部分切去。加工零件時，應嚴格按照零件圖中給出的形狀、尺寸和技術要求進行加工，不得超差，不得采用加工不合格的零件組裝部件。此法的要點是事先估算好結構變形的大小和方向，再給予與焊接變形相抵的反向變形。2、焊前反變形法下料反變形措施對于縱向收縮和橫向收縮—反映在長度與寬度尺寸上—預先加余量；對于撓曲變形—預制拱度；b）焊后殘余變形下撓

上拱

平直反變形法舉例：

a）按圖紙下料c）預制反變形裝配反變形舉例：

a）沒有預制反變形

b）預制反變形焊前焊前焊后焊后1）無外力作用下的反變形，平板對接焊產生角變形時，可按圖4-47a所示方法；電渣焊產生終焊端橫向變形大于始焊端問題，可以在安裝定位時，使對縫的間隙下小上大，如圖4-47b所示；T形接頭焊后平板產生角變形，可以預先把平板壓形，使之具有反方向的變形，然后進行焊接，見圖4-47c所示；留收縮余量本質上也屬反變形，例如橋式吊車箱形梁，上蓋板與大小筋板焊接時，如圖4-47e所示，若每條筋板角焊縫橫向收縮0.5mm，有20條角焊縫，則上蓋板在備料時在長度上必須預留出10mm的余量，并均攤到各筋板距之間。為了克服該箱形梁后期加工引起下撓變形問題，在預制腹板時，就作出如圖4-47f所示的預上拱度f的變形，

因焊縫集中于上側，焊后將產生彎曲變形。采用如圖4-49e所示的轉胎，使兩根相同截面的構件“背靠背”地，兩端夾緊中間墊高，于是每根構件均處在反向彎曲情況下施焊。該轉胎使施焊方便，而且還提高生產效率。圖4-49彈性支撐法a)、b)、c)具有單面縱向焊縫的空心梁d)具有單面橫焊縫的空心梁e)在焊接轉胎上焊接3、裝配中防止變形

裝配是部件、產品的最后環節，裝配質量的好壞對其變形影響很大。在裝配工序中如能采取適當工藝措施，對防止和控制變形會起很重要的作用。（1）裝配前對裝配平臺上的焊點、焊渣打磨清理干凈；支撐點要穩定可靠、位置正確、數量充足；（2）裝配前，應認真對所裝配的零件按技術要求進行審查，尤其零件的對角線、垂直度是否控制在技術要求范圍；坡口形狀和尺寸是否符合要求等，所有裝配零件的變形要控制在允許的范圍內；（3）每種產品都有幾種裝配焊接順序，應選擇既能控制變形又比較經濟的方案；（4）裝配中要嚴格按照裝配順序進行，保證每個零件的準確位置，裝配間隙要合乎要求，要綜合考慮所有零件的積累間隙，裝配后產品的幾個重要尺寸認真復查；（5）對封閉容器和箱體，因斷面尺寸較小無法進入進行矯正的結構，裝配前要充分考慮變形問題，以免焊接后給矯正帶來困難；（6）裝配中選用的裝配工具要得當、合理，要防止因工具使用不合理或使勁過大強迫變形，造成裝配應力或局部變形等。

隨焊溫度場調控方法該方法是通過加熱或者冷卻不同的部位，調整焊接溫度場，控制焊縫和近縫區塑性應變的發展，減小塑性變形的大小和范圍，達到控制焊接變形和調整焊接應力的目的。隨焊溫差拉伸法隨焊激冷法(1)隨焊溫差拉伸法

方法要點：三要素—

位置、形狀、溫度。

在焊縫兩側母材帶狀加熱至200℃左右。利用加熱帶自身的熱脹效應，對焊縫產生直接的拉伸作用并產生拉伸塑性變形，從而松弛應力。圖2-70溫差拉伸專用夾具

火焰加熱器(2)隨焊激冷法圖2-71隨焊激冷法的原理基本原理是利用與焊接加熱過程相反的方法，采用冷卻介質使焊接區獲得比相鄰區域（母材）更低的負溫差，在冷卻過程中，焊接區由于受到周圍金屬的拉伸而產生伸長塑性變形，從而抵消焊接過程中形成的壓縮塑性變形，達到消除殘余應力的目的。

隨焊逆變形調控法通過在焊接過程中引入一些特殊的機械手段，使不均勻的焊接溫度場造成的焊縫及近縫區不均勻的變形均勻化，從而達到調控焊接變形和殘余應力的目的。預拉伸法

隨焊碾壓法

隨焊錘擊法

隨焊沖擊碾壓法

通過在近縫區施加拉伸載荷，使得焊縫和近縫區由于受熱不均造成的不均勻變形均勻化，從而達到調控焊接變形和殘余應力的作用。應用對象：對塑性好的材料適用。圖2-72施加預拉伸載荷的幾種方案(1)預拉伸法(2)隨焊碾壓法隨焊碾壓法是將碾壓方法與焊接過程同時進行,采用本方法的主要目的是為了減小焊接變形和降低殘余應力，可以用平面輪或凸面輪直接碾壓焊縫金屬或近縫區。圖2-73隨焊碾壓示意圖(3)隨焊錘擊法將錘擊方法在焊接進行的過程中使用就構成了本方法。焊槍2-汽錘3-固定平臺4-錘頭5-工件圖2-74隨焊錘擊實施方案(4)隨焊沖擊碾壓法這種方法是將隨焊錘擊的錘頭換成可以轉動的小尺寸碾壓輪，碾壓輪在沖擊載荷作用的間隙內向前滾動，它保持了隨焊錘擊的優點，并克服了焊縫表面質量不佳的問題。第七節焊接變形的矯正知識要點掌握程度相關內容焊接變形的補救與矯正措施

掌握常用的冷加工法和熱加工法

冷加工法、熱加工法

焊件矯正方法有冷加工法和熱加工法。冷加工包括手工矯正和機械矯正。冷加工法矯正有時會使金屬產生冷作硬化，并且會引起附加應力，一般對尺寸較小、變形較小的零件可以采用。對于變形較大、結構較大的應采用熱加工法矯正（火焰矯正）。利用外力使構件產生與焊接變形方向相反的塑性變形，使兩者相互抵消，這是減小和消除焊接應力與變形的基本思路之一。手工矯正法機械矯正法機械拉伸法振動時效法

一、

冷加工法第七節焊接變形的矯正手工矯正就是利用手錘等工具，錘擊變形件合適的位置使焊件的變形減小。由于用手錘錘擊力量有限，所以，對一些薄板、變形小、細長的焊件可采用手工矯正。如薄板產生的波浪變形、角變形、撓曲變形等。(a)三點彎曲矯