第6章 焊接应力与变形

1、6-1 基本概念基本概念6-2 焊接变形焊接变形 6-3 焊接应力焊接应力l一、内应力及其性质一、内应力及其性质l1、何为内应力？、何为内应力？l 在没有外载荷作用时，平衡于物体内部的应力叫内应力。l2、内应力的性质、内应力的性质l（1）自身平衡）自身平衡l满足静力平衡条件，即所有应力的合力等于零，满足静力平衡条件，即所有应力的合力等于零，F=0；l对任意点的合力矩等于零，对任意点的合力矩等于零，M=0。l（2）不稳定性）不稳定性l受到外界因数作用时，如外载荷、温度变化时，受到外界因数作用时，如外载荷、温度变化时，自身平衡被打破，当外界作用消失后，内应力自身平衡被打破，当外界作用消失后，内应力

2、数值发生变化，但仍保持自身平衡。数值发生变化，但仍保持自身平衡。l（3）由此可以得出一个推论；内应力的波形）由此可以得出一个推论；内应力的波形图至少应该是三波形的，因为单波形，两波形图至少应该是三波形的，因为单波形，两波形都不能满足合力为零，合力矩为零。都不能满足合力为零，合力矩为零。l3、内应力的分类、内应力的分类l按内应力产生的原因来分：有热应力和组织按内应力产生的原因来分：有热应力和组织应力应力l（1）热应力）热应力l热应力也叫温度应力，是由于构件受热不均热应力也叫温度应力，是由于构件受热不均匀而引起的应力，我觉得叫温度应力是不准匀而引起的应力，我觉得叫温度应力是不准确的，叫温差应力比较

3、合适，因为并不是任确的，叫温差应力比较合适，因为并不是任何物体有温度就有应力的，只有物体上的温何物体有温度就有应力的，只有物体上的温度分布不均匀，有温度梯度时才有应力。度分布不均匀，有温度梯度时才有应力。l 为什么温度分布不均匀会引起应力呢？举为什么温度分布不均匀会引起应力呢？举个简单的例子来说明：个简单的例子来说明：l 有一个金属的框架结构，如果让框架的中有一个金属的框架结构，如果让框架的中心杆件受热，而两侧杆件的温度保持不变，则心杆件受热，而两侧杆件的温度保持不变，则中心杆件由于温度上升而伸长，而两侧由于温中心杆件由于温度上升而伸长，而两侧由于温度不变保持原来的长度，这样中间杆件的伸长度不

4、变保持原来的长度，这样中间杆件的伸长就会受到两侧杆件的阻碍，不能自由的进行，就会受到两侧杆件的阻碍，不能自由的进行，因此中间杆件就会受到压缩，产生压应力，而因此中间杆件就会受到压缩，产生压应力，而两侧杆件在阻碍中心杆件膨胀伸长的同时受到两侧杆件在阻碍中心杆件膨胀伸长的同时受到中心杆件的反作用而产生拉应力，这些应力是中心杆件的反作用而产生拉应力，这些应力是由于中心杆件与两则杆件的温度不同即中心杆由于中心杆件与两则杆件的温度不同即中心杆件的温度高于两则杆件造成的，换句话说，就件的温度高于两则杆件造成的，换句话说，就是构件内温度分布不均匀造成的。是构件内温度分布不均匀造成的。l（2）组织应力）组织应

5、力l 金属冷却时，在刚性恢复温度之下产生相金属冷却时，在刚性恢复温度之下产生相变导致体积变化而引起的应力叫组织应力。变导致体积变化而引起的应力叫组织应力。l 我们知道金属加热冷却时，材料内部组织我们知道金属加热冷却时，材料内部组织要发生相变，而相变时体积也将发生变化，冷要发生相变，而相变时体积也将发生变化，冷却时的相变往往是体积增大，如果这个增大是却时的相变往往是体积增大，如果这个增大是发生在金属的刚性恢复温度之下，那么周围恢发生在金属的刚性恢复温度之下，那么周围恢复了刚性的部分金属将阻碍这个体积增大，这复了刚性的部分金属将阻碍这个体积增大，这就将产生新的应力：组织应力，也叫相变应力。就将产生

6、新的应力：组织应力，也叫相变应力。l 对于低碳钢，刚性恢复温度是对于低碳钢，刚性恢复温度是600度，而它度，而它的奥氏体转变温度是的奥氏体转变温度是600700度之间，度之间，600度以度以下没有相变发生，所以低碳钢不存在组织应力。下没有相变发生，所以低碳钢不存在组织应力。有不少合金元素能降低金属的相变点，所以合有不少合金元素能降低金属的相变点，所以合金钢焊接时往往产生组织应力。金钢焊接时往往产生组织应力。l按内应力产生的时间来分按内应力产生的时间来分：l 有瞬时应力和残余应力有瞬时应力和残余应力l 在焊接热循环中随着时间的变化焊在焊接热循环中随着时间的变化焊接温度场也在不断的变化，由此引起焊

7、接温度场也在不断的变化，由此引起焊接热应力和组织应力也在不断的变化，接热应力和组织应力也在不断的变化，这种随时间不断变化的应力叫瞬时应力。这种随时间不断变化的应力叫瞬时应力。l 当温度恢复到原始状态后，焊接应当温度恢复到原始状态后，焊接应力将趋近一个稳定的值，这时的应力叫力将趋近一个稳定的值，这时的应力叫残余应力。残余应力。l二、自由变形、外观变形和内部变形二、自由变形、外观变形和内部变形l1、自由应变（、自由应变（T）l 当某一金属物体的温度有了改变，或发生当某一金属物体的温度有了改变，或发生了相变，它的尺寸和形状就要发生变化，如果了相变，它的尺寸和形状就要发生变化，如果这种变化没有受到外界

8、的任何阻碍而自由地进这种变化没有受到外界的任何阻碍而自由地进行，这种变形称之为自由变形。行，这种变形称之为自由变形。l 以单位长度的金属杆为例，当温度由以单位长度的金属杆为例，当温度由T0升升至至T1时，如果热膨胀量不受阻碍，则由温度变时，如果热膨胀量不受阻碍，则由温度变化而引起的自由变形为：化而引起的自由变形为：LT = L0(T1-T0)l自由应变（自由变形率即单位长度上的自由变自由应变（自由变形率即单位长度上的自由变形量）为：形量）为：T = (T1-T0)l2、外观应变、外观应变e（可见应变）和内部应变（可见应变）和内部应变（不（不可见应变）可见应变）l对于上述杆件的加温过程，如果我们

9、增加一个对于上述杆件的加温过程，如果我们增加一个拘束条件，使其一端与一个刚性壁连接，另一拘束条件，使其一端与一个刚性壁连接，另一端与另一个刚性壁相距端与另一个刚性壁相距e ，同样使温度由，同样使温度由T0升升至至T1 ，则由于刚性壁的阻碍自由应变，则由于刚性壁的阻碍自由应变T 就不就不能完全表现出来，而只能表现出能完全表现出来，而只能表现出e 这部分，所这部分，所以我们就叫这表现出来的部分为外观应变以我们就叫这表现出来的部分为外观应变e也也叫可见应变，而未表现出来的部分就叫内部应叫可见应变，而未表现出来的部分就叫内部应变变，也叫不可见应变。，也叫不可见应变。l3、弹性内部应变（、弹性内部应变（

10、）和塑性内部应变（）和塑性内部应变（”）l 不可见应变既然没有表现出来，它就一定不可见应变既然没有表现出来，它就一定会以另一种形式顽强的表现自己，这种形式就会以另一种形式顽强的表现自己，这种形式就是应力，它以应力的形式存在于物体内部，应是应力，它以应力的形式存在于物体内部，应力的大小服从虎克定律，即力的大小服从虎克定律，即=E,应力的大小应力的大小与内部应变量与内部应变量成正比，当内部应变量成正比，当内部应变量不太大不太大的话，它产生的应力小于屈服极限的话，它产生的应力小于屈服极限S ,这时的这时的内部应变是弹性的内部应变是弹性的,叫弹性内部应变，以叫弹性内部应变，以表示，表示，弹性内部应变是

11、可以恢复的，也就是说，当温弹性内部应变是可以恢复的，也就是说，当温度由度由T1恢复到恢复到T0时，随着温度的下降，时，随着温度的下降，和和将逐步减小并消失。将逐步减小并消失。l 当温度由当温度由T0上升时，上升时，和和都同时增大，当都同时增大，当增加到增加到屈服点时，弹性内部应变量达到最大值，我们以屈服点时，弹性内部应变量达到最大值，我们以S表示，表示，也就是说小于也就是说小于S 的内部应变都是弹性内部应变。的内部应变都是弹性内部应变。l 如果温度继续增加如果温度继续增加超过超过S ，杆件内部的应力达到，杆件内部的应力达到S ，应力就不再继续增加了，这是材料已处于塑性状，应力就不再继续增加了，

12、这是材料已处于塑性状态，所以超过态，所以超过S 部分的内部应变叫塑性内部应变，我们部分的内部应变叫塑性内部应变，我们以以”表示，大家知道塑性变形是不可恢复的，所以在温表示，大家知道塑性变形是不可恢复的，所以在温度恢复到度恢复到T0 之后，塑性内部应变将保留下来，这样原之后，塑性内部应变将保留下来，这样原杆件将缩短杆件将缩短”。l 这里杆件的缩短可能不好理解，大家也可以这样看，这里杆件的缩短可能不好理解，大家也可以这样看，先认为对应于先认为对应于T2的自由变形完全表现出来，然后用一个的自由变形完全表现出来，然后用一个刚性壁来进行压缩，压缩一点就产生一点内部变形，杆刚性壁来进行压缩，压缩一点就产生

13、一点内部变形，杆件内部就产生一点压应力，当压缩所产生的内部变形量件内部就产生一点压应力，当压缩所产生的内部变形量等于等于S时，压应力达到时，压应力达到S，整个杆件达到塑性状态，这，整个杆件达到塑性状态，这时再继续压缩杆件就会产生塑性变形，出现塑性缩短了，时再继续压缩杆件就会产生塑性变形，出现塑性缩短了，当温度恢复以后这个塑性缩短当温度恢复以后这个塑性缩短”将保留下来。将保留下来。l三、研究焊接应力与变形的基本假设三、研究焊接应力与变形的基本假设 l1、热物理性能的简化、热物理性能的简化l 设材料的热物理参数不随温度变化。设材料的热物理参数不随温度变化。l 金属的线膨胀系数金属的线膨胀系数（1/

14、）、比热）、比热C（J / g ）、密度）、密度（g/ cm3）、容积比热）、容积比热C(J/cm3)等等热物理参数实际上是随温度等等热物理参数实际上是随温度变化而变化的，并不是常量，那么我们为什么变化而变化的，并不是常量，那么我们为什么能假设他们为常量呢？这是因为随着温度的上能假设他们为常量呢？这是因为随着温度的上升，线膨胀系数升，线膨胀系数增大、容积比热增大、容积比热C也增大，也增大，但是实验表明在很大的一个温度范围内，他们但是实验表明在很大的一个温度范围内，他们的比值的比值/C变化不大，基本上是恒定的，而我变化不大，基本上是恒定的，而我们在计算中要用到的正是这个比值，所以这个们在计算中要

15、用到的正是这个比值，所以这个假设是合理的，不会给分析计算带来大的误差。假设是合理的，不会给分析计算带来大的误差。lT、C/C不变不变lT、EE不变不变l 金属材料的屈服极限金属材料的屈服极限s在不同的温在不同的温度下有不同的值度下有不同的值,一般来讲随着温度的上一般来讲随着温度的上升屈服极限升屈服极限s下降，当温度升到某一限下降，当温度升到某一限度时，材料将丧失弹性，即：度时，材料将丧失弹性，即：s。对于低碳钢来说，它的屈服极限对于低碳钢来说，它的屈服极限s与温与温度的关系通过实验得出，如下图所示：度的关系通过实验得出，如下图所示：这个不规则的曲线给我们的分析计算代这个不规则的曲线给我们的分析

16、计算代来很大的麻烦，所以有必要进行简化，来很大的麻烦，所以有必要进行简化，简化为：在简化为：在度以下认为屈服极度以下认为屈服极限限s为常量，为常量，之间，之间，线性下降到大于线性下降到大于度认为材度认为材料丧失弹性料丧失弹性l四、三等分板条的力学模型四、三等分板条的力学模型l研究对象：研究对象：3S 宽的矩型板，温度为宽的矩型板，温度为T0 。（做图（做图1）l 首先假设板条的首先假设板条的3等份之间是绝热的，等份之间是绝热的，此时给中间部分均匀加热，温度由此时给中间部分均匀加热，温度由T0。T1，两边仍保持原来的温度，两边仍保持原来的温度T0，并假想三等份之间没有联系，则中，并假想三等份之间

17、没有联系，则中间部分就要产生与温度相对应的热膨胀，间部分就要产生与温度相对应的热膨胀，即自由变形，其值为即自由变形，其值为（T1- T0）。（做）。（做图图2）l 实际上该板条是个整体，两边的部分对中间实际上该板条是个整体，两边的部分对中间是有拘束作用的，不会让他自由的膨胀伸长，也是有拘束作用的，不会让他自由的膨胀伸长，也就是说两边的部份会阻碍中间的伸长，给他一个就是说两边的部份会阻碍中间的伸长，给他一个压力，而中间部分也会反作用于两边，给两边一压力，而中间部分也会反作用于两边，给两边一个拉力，使其产生伸长作用，这样，最终整个板个拉力，使其产生伸长作用，这样，最终整个板的端面将会平衡于某个位置

18、，也就是整个板都伸的端面将会平衡于某个位置，也就是整个板都伸长了长了e。（做图。（做图3）l 大家看，中间的部分应当膨胀出大家看，中间的部分应当膨胀出（T1- T0），），而实际上只膨胀出了而实际上只膨胀出了e，应当膨胀出来的，应当膨胀出来的（T1- T0）是自由变形，实际膨胀出来的）是自由变形，实际膨胀出来的e是可见变形，是可见变形，受两边的阻碍而没有表现出来的就是不可见变形，受两边的阻碍而没有表现出来的就是不可见变形，不可见变形将转化为应力此处为压应力，两边为不可见变形将转化为应力此处为压应力，两边为拉应力。拉应力。l 此时如果中间部分的温度上升比较少的话，此时如果中间部分的温度上升比较少

19、的话，出现的不可见变形处于弹性范围内，这时如果出现的不可见变形处于弹性范围内，这时如果温度恢复到原始状态，则刚才出现的应力和变温度恢复到原始状态，则刚才出现的应力和变形都会消失形都会消失,不会有残余应力和变形出现不会有残余应力和变形出现.l 如果中间部分的温度上升比较多的话如果中间部分的温度上升比较多的话,使得使得中间板条出现了塑性内部变形的话中间板条出现了塑性内部变形的话,如图所示如图所示,由于塑性变形是不可恢复的变形由于塑性变形是不可恢复的变形,中间板由于出中间板由于出现了压缩塑性变形就相当于它的长度缩短了，现了压缩塑性变形就相当于它的长度缩短了，所以此时如果温度再恢复的原始温度时所以此时

20、如果温度再恢复的原始温度时,如果我如果我们假设俩侧的板对中间板的收缩没有阻碍的话，们假设俩侧的板对中间板的收缩没有阻碍的话，中间板就会收缩的比原始长度要短中间板就会收缩的比原始长度要短,形成一个凹形成一个凹陷的空间陷的空间,l 实际上该板条是个整体，两边的部分对实际上该板条是个整体，两边的部分对中间是有拘束作用的，不会让他自由的缩中间是有拘束作用的，不会让他自由的缩短，也就是说两边的部份会阻碍中间的缩短，也就是说两边的部份会阻碍中间的缩短，给他一个拉应力，将其拉长短，给他一个拉应力，将其拉长,而中间部而中间部分也会反作用于两边，给两边一个压力，分也会反作用于两边，给两边一个压力，使其产生缩短作

21、用，这样，最终整个板的使其产生缩短作用，这样，最终整个板的端面将会平衡于某个位置，也就是整个板端面将会平衡于某个位置，也就是整个板都缩短了都缩短了e。（做图。（做图5）l 此时中间部分由于受到俩边的拉伸此时中间部分由于受到俩边的拉伸,是是拉应力拉应力,l 俩侧部分由于受到中间部分的压力俩侧部分由于受到中间部分的压力,是是压应力压应力.l一、焊接变形的分类一、焊接变形的分类 l（一）按焊接变形的特点可分为（一）按焊接变形的特点可分为l 纵向收缩变形纵向收缩变形 l 横向收缩变形横向收缩变形 l 弯曲变形弯曲变形 l 角变形角变形l 波浪变形波浪变形l 扭曲变形扭曲变形l一、纵向收缩变形以及他所引

22、起的绕曲变形一、纵向收缩变形以及他所引起的绕曲变形l1、型式、型式:l焊缝的纵向收缩和横向收缩是以焊缝为参照系的焊缝的纵向收缩和横向收缩是以焊缝为参照系的,而与而与焊件的纵横无关焊件的纵横无关.l纵向收缩纵向收缩: 平行与焊缝方向的收缩平行与焊缝方向的收缩l横向收缩横向收缩: 垂直与焊缝方向的收缩垂直与焊缝方向的收缩l同样我们后面要介绍的纵向应力和横向应力也是以焊同样我们后面要介绍的纵向应力和横向应力也是以焊缝为参照系的缝为参照系的,即即:l应力方向平行与焊缝方向的叫应力方向平行与焊缝方向的叫: 纵向应力纵向应力l应力方向垂直与焊缝方向的叫应力方向垂直与焊缝方向的叫: 横向应力横向应力l由由纵

23、向收缩引起的绕曲变形纵向收缩引起的绕曲变形l由于焊缝布置与截面中性轴不对称而引起由于焊缝布置与截面中性轴不对称而引起的结构纵向或横向轴线的弯曲；的结构纵向或横向轴线的弯曲； l、产生机理、产生机理l不均匀加热不均匀加热压缩塑性变形压缩塑性变形相相当与力当与力缩短缩短l力偏离构件中心力偏离构件中心弯曲弯曲l焊接的不均匀加热使焊缝及近缝区产生压焊接的不均匀加热使焊缝及近缝区产生压缩塑性变形缩塑性变形,这个塑性变形的存在使结构相这个塑性变形的存在使结构相当于受到一个外加压力的作用而缩短当于受到一个外加压力的作用而缩短,l当该假想力的作用线与构件中心线不重合当该假想力的作用线与构件中心线不重合时则产生

24、弯曲变形时则产生弯曲变形.l3、影响纵向变形的因素、影响纵向变形的因素l (1)线能量线能量 l 线能量是指单位长度上的焊缝所得到线能量是指单位长度上的焊缝所得到的实际能量的实际能量,公式为公式为:l线能量线能量qn变形变形。这是因为线能。这是因为线能量下降表示焊件的热输入下降量下降表示焊件的热输入下降,产生的压产生的压缩塑性变形就少缩塑性变形就少,所以纵向收缩变形就小。所以纵向收缩变形就小。焊接速度电弧的有效功率viuqn焊接速度电弧的有效功率viuqn焊接速度电弧的有效功率viuqnl（2）焊缝层数）焊缝层数l多层焊的焊接纵向变形比单层焊小多层焊的焊接纵向变形比单层焊小,这是这是因为多层焊

25、所用的焊接线能量小因为多层焊所用的焊接线能量小,塑性变塑性变形区的面积小，且各层的塑性变形区的形区的面积小，且各层的塑性变形区的面积是相互重合的，所以它造成的焊接面积是相互重合的，所以它造成的焊接纵向收缩变形就小。纵向收缩变形就小。l多层焊各层线能量不相同时取最大的一多层焊各层线能量不相同时取最大的一个，相同时只取一层的计算变形个，相同时只取一层的计算变形.l（3）预热）预热l预热温度上升预热温度上升,纵向收缩变形上升纵向收缩变形上升.l提高预热温度相当与加大线能量提高预热温度相当与加大线能量,使塑性变形区使塑性变形区的面积扩大的面积扩大,变形也增大变形也增大l但是当预热温度过高时但是当预热温

26、度过高时,可能出现相反的结果可能出现相反的结果,因因为随着预热温度的增加，塑性变形区虽然扩大，为随着预热温度的增加，塑性变形区虽然扩大，但与此同时，由于较高的预热温度减小了焊接但与此同时，由于较高的预热温度减小了焊接上的温度不均匀程度上的温度不均匀程度,温度趋于均匀化温度趋于均匀化,使得压缩使得压缩塑性反而下降塑性反而下降,从而使纵向收缩变形减小从而使纵向收缩变形减小.l（4）间断焊的纵向收缩变形比连续焊小）间断焊的纵向收缩变形比连续焊小,l原因是它的当量线能量小.l（5）热膨胀系数大的变形也大）热膨胀系数大的变形也大,如奥氏体钢的变形大于低炭钢l（6）构件中心与焊缝中心距离大的，弯）构件中心

27、与焊缝中心距离大的，弯曲变形也大曲变形也大，这是因为这个距离大，促使焊件变形的力的力矩也越大.l二、横向收缩变形以及他所引起的绕曲变形二、横向收缩变形以及他所引起的绕曲变形l 横向收缩变形的产生过程比较复杂，现分横向收缩变形的产生过程比较复杂，现分堆焊和对接接头堆焊和对接接头2种情况进行分析：种情况进行分析：l1、堆焊、堆焊l（1）原因：）原因：l加热不同时加热不同时 前后各点温度不同前后各点温度不同 膨胀受阻膨胀受阻 压缩塑变压缩塑变 横向收缩横向收缩l 在实际焊接过程中，在焊缝长度上的加热在实际焊接过程中，在焊缝长度上的加热并不是同时进行的，因此焊缝长度方向上各点并不是同时进行的，因此焊缝

28、长度方向上各点的温度不一致，在热源附近的金属膨胀变形，的温度不一致，在热源附近的金属膨胀变形，不但受到板厚深处，而且受到前后温度较低处不但受到板厚深处，而且受到前后温度较低处的金属的限制和拘束，使之承受压力而在宽度的金属的限制和拘束，使之承受压力而在宽度方向上产生压缩塑性变形由此产生横向收缩变方向上产生压缩塑性变形由此产生横向收缩变形。形。l（2）影响因素：）影响因素：l线能量线能量qn：qnB l板厚板厚： B l 这是因为板厚增加，使得板的刚度增加抵这是因为板厚增加，使得板的刚度增加抵抗变形的能力增加。抗变形的能力增加。l 横向变形沿焊缝长度上的分布也是不均匀横向变形沿焊缝长度上的分布也是

29、不均匀的，他是沿着焊接方向从小到大逐渐增长，到的，他是沿着焊接方向从小到大逐渐增长，到一定长度后趋于稳定。这是因为先焊的焊缝的一定长度后趋于稳定。这是因为先焊的焊缝的横向收缩对后焊的焊缝产生一个挤压作用，使横向收缩对后焊的焊缝产生一个挤压作用，使后者产生一个更大的横向压缩变形。后者产生一个更大的横向压缩变形。 l2、对接接头、对接接头l（1）原因）原因l 有两个原因：有两个原因：l 一方面：焊接时随热源的移动，焊件被加一方面：焊接时随热源的移动，焊件被加热膨胀，使焊接间隙减小热膨胀，使焊接间隙减小,单位厚度焊接线能量单位厚度焊接线能量越大越大,热膨胀越大热膨胀越大,间隙变化也越大。冷却过程间隙

30、变化也越大。冷却过程中焊缝金属由于很快凝固，随后又恢复弹性，中焊缝金属由于很快凝固，随后又恢复弹性，因此阻碍试件的焊接边收缩到原来的位置，这因此阻碍试件的焊接边收缩到原来的位置，这样冷却后就产生了横向收缩变形。样冷却后就产生了横向收缩变形。l 热膨胀热膨胀 间隙间隙 横向收缩横向收缩l另一方面：焊缝的纵向收缩亦能影响横向变形。另一方面：焊缝的纵向收缩亦能影响横向变形。l 纵向变形纵向变形 间隙间隙 横向收缩横向收缩l 对接接头的两块板可以看着是在两板相对对接接头的两块板可以看着是在两板相对的一侧进行堆焊，则两板都将产生绕曲变形，的一侧进行堆焊，则两板都将产生绕曲变形，使间隙上升，横向收缩将下降

31、。使间隙上升，横向收缩将下降。l 所用的焊机功率越大、焊接速度越快，沿所用的焊机功率越大、焊接速度越快，沿焊缝长度方向的塑性温度区间就越长，板的转焊缝长度方向的塑性温度区间就越长，板的转动就越大，间隙的扩张也就越大，横向收缩将动就越大，间隙的扩张也就越大，横向收缩将减小。减小。l 由此看：功率、焊速由此看：功率、焊速 横向收缩横向收缩l 以上两个因素是相互矛盾的，最终的变形以上两个因素是相互矛盾的，最终的变形是两个因素的综合结果。是两个因素的综合结果。 l（2）影响因素：）影响因素：l坡口形式：坡口角度坡口形式：坡口角度、间隙、间隙 横向收缩横向收缩 l焊缝金属量焊缝金属量 横向收缩横向收缩l

32、一般地说：线能量一般地说：线能量 横向收缩横向收缩l 三、角变形三、角变形l1、型式、型式l2、原因：、原因：l 横向收缩变形在厚度方向上的不均匀分布。横向收缩变形在厚度方向上的不均匀分布。焊缝正面的横向收缩大，背面的横向收缩小，焊缝正面的横向收缩大，背面的横向收缩小，这样就造成了构件平面的偏转变形。这样就造成了构件平面的偏转变形。l3、影响因素：、影响因素：l 基本原因虽然相同，但是不同的接头形式具基本原因虽然相同，但是不同的接头形式具有不同的特点，我们分开谈：有不同的特点，我们分开谈：l（1）堆焊：）堆焊： l 角变形的大小取决于两个因素：角变形的大小取决于两个因素：la）塑性变形区的大小

33、及其沿厚度方向上的分布，）塑性变形区的大小及其沿厚度方向上的分布，lb）板的刚度（厚度）板的刚度（厚度）l 高温区越宽，变形量越大；高温区越宽，变形量越大；l 塑性变形在厚度上的分布越不均匀角变形越塑性变形在厚度上的分布越不均匀角变形越大。大。l 具体的来讲是和线能量具体的来讲是和线能量qn和板厚和板厚有关；有关；l线能量：线能量：qn 正反面塑性变形量的差值正反面塑性变形量的差值角变角变形形l qn 正反面塑性变形量的差值正反面塑性变形量的差值角角变形变形l板厚：板厚： 正反面塑性变形量的差值正反面塑性变形量的差值角变形角变形l 刚度刚度角变形角变形l 角变形随板厚角变形随板厚的变化同样是随

34、板厚的上升角变的变化同样是随板厚的上升角变形由小到大，达到峰值后又下降。形由小到大，达到峰值后又下降。l 这是因为板厚这是因为板厚很小时，试件正反两面的温度差很小时，试件正反两面的温度差较小，塑性变形在板厚上的分布比较均匀，所以角变较小，塑性变形在板厚上的分布比较均匀，所以角变形较小；当板厚增大时，试件正反两面的温度差将增形较小；当板厚增大时，试件正反两面的温度差将增大，塑性变形在板厚上的分布的不均匀性增加，角变大，塑性变形在板厚上的分布的不均匀性增加，角变形增大；当板厚进一步增大时，试件的刚度的增加上形增大；当板厚进一步增大时，试件的刚度的增加上升为主要矛盾，这时虽然不均匀程度也在增加，但是

35、升为主要矛盾，这时虽然不均匀程度也在增加，但是厚板较大的刚度将使他变形困难。所以角变形反而下厚板较大的刚度将使他变形困难。所以角变形反而下降。降。 l（2）对接接头）对接接头l 对接接头影响角变形的主要因素是坡口角度、对接接头影响角变形的主要因素是坡口角度、焊接层数以及焊缝截面形状。焊接层数以及焊缝截面形状。l 坡口角度坡口角度上下收缩差上下收缩差角变角变形形l 坡口角度越大，接头上部及下部横向收缩量坡口角度越大，接头上部及下部横向收缩量的差别就越大，角变形就越大；的差别就越大，角变形就越大；l 自动焊的熔深比手工焊大的多，所需要的坡自动焊的熔深比手工焊大的多，所需要的坡口角度比手工焊小，激光

36、焊、电子束焊和电渣焊口角度比手工焊小，激光焊、电子束焊和电渣焊不需要开坡口，所以角变形小。不需要开坡口，所以角变形小。l 对于同样的坡口形式多层焊比单层焊角变形对于同样的坡口形式多层焊比单层焊角变形大，焊接层数越多，角变形越大。大，焊接层数越多，角变形越大。l 用对称坡口如：用对称坡口如：X型坡口、双型坡口、双U型坡口取代型坡口取代型坡口有利于减少角变形。最好是在垂直位置两型坡口有利于减少角变形。最好是在垂直位置两面同时施焊。面同时施焊。l 4、波浪变形、波浪变形l由于板中局部区域焊接压应力由于板中局部区域焊接压应力超过板的临界失稳应力造成板的局超过板的临界失稳应力造成板的局部失稳而形成的波浪

37、形部失稳而形成的波浪形 ；l波浪变形产生的原因是波浪变形产生的原因是: （焊接残余压应力）（焊接残余压应力） wcr （薄板的抗失稳（薄板的抗失稳临界压应力），临界压应力），l若想提高板架结构的抗失稳能力就必须降低若想提高板架结构的抗失稳能力就必须降低焊接残余压应力焊接残余压应力w，增大薄板的抗失稳临界，增大薄板的抗失稳临界压应力压应力cr l降低焊接残余压应力降低焊接残余压应力w的方法：的方法：a)采用小的焊接线能量：采用小的焊接线能量：b)采用间断焊采用间断焊c)采用能量密度高的焊接方法，二氧化碳采用能量密度高的焊接方法，二氧化碳气体保护焊的能量密度要比手工焊高气体保护焊的能量密度要比手工

38、焊高,变形也比手工焊小变形也比手工焊小,气焊的能量密度最气焊的能量密度最低低,所以变形大所以变形大.l增大薄板的抗失稳临界压应力增大薄板的抗失稳临界压应力cr的方法：的方法：l a)增加板厚：浪费材料，经济性差。增加板厚：浪费材料，经济性差。l b)增加骨架，减小骨架间距：浪费材增加骨架，减小骨架间距：浪费材料，增加焊缝使得焊接残余应力增加。料，增加焊缝使得焊接残余应力增加。l 所以对薄板框架结构很难做到焊后不所以对薄板框架结构很难做到焊后不失稳，应当寻找一种新型来取代薄板框失稳，应当寻找一种新型来取代薄板框架结构，这就是新型的压筋结构，例如：架结构，这就是新型的压筋结构，例如：l5、焊接错边

39、、焊接错边l(1)、型式、型式l厚度上的错边（简图）厚度上的错边（简图）l纵向错边纵向错边l(2)、原因：、原因：l装配不善装配不善l对接边的热不平衡，刚度不等。受热大的一边对接边的热不平衡，刚度不等。受热大的一边变形大，受热小的一边变形小，所以产生错边。变形大，受热小的一边变形小，所以产生错边。l产生热不平衡主要有这么几种情况：产生热不平衡主要有这么几种情况：l（1）工件和夹具间的导热两边不等；一边接）工件和夹具间的导热两边不等；一边接触紧，一边接触不良。触紧，一边接触不良。l（2）热源偏离焊缝中心；一边热输入量大，）热源偏离焊缝中心；一边热输入量大，一边热输入量小。一边热输入量小。l（3）

40、工件两边的热容量不同。）工件两边的热容量不同。l焊接错边在长焊缝上有逐步积累作用，所以一焊接错边在长焊缝上有逐步积累作用，所以一般不宜用直通焊焊长焊缝，可采用跳焊、分段般不宜用直通焊焊长焊缝，可采用跳焊、分段退焊；对于环形焊缝应当对称施焊，跳焊退焊；对于环形焊缝应当对称施焊，跳焊,而不而不是顺着一个方向焊是顺着一个方向焊,以防错边积累。以防错边积累。l6、扭曲变形、扭曲变形l指焊后结构发生扭曲指焊后结构发生扭曲 。l扭曲变形的产生与焊接顺序有关扭曲变形的产生与焊接顺序有关 。l（二）按焊接变形作用于结构的范（二）按焊接变形作用于结构的范围大小可分为围大小可分为l l 1、总体焊接变形、总体焊接

41、变形l 2、局部焊接变形、局部焊接变形1、总体焊接变形、总体焊接变形 指引起整个指引起整个构件和结构的形构件和结构的形状及尺寸变化的状及尺寸变化的变形，包括：变形，包括：l纵向和横向收缩纵向和横向收缩变形、弯曲变形、变形、弯曲变形、扭曲变形扭曲变形 l2、局部焊接变形、局部焊接变形 l指引起构件或结构某部分的横指引起构件或结构某部分的横断面形状及尺寸改变，而不明显地断面形状及尺寸改变，而不明显地反映在整个构件反映在整个构件(或结构或结构)总体的那些总体的那些焊接变形。焊接变形。l包括：包括：角变形及局部波浪形角变形及局部波浪形 二、控制焊接变形的措施二、控制焊接变形的措施l1、设计、设计l 措

42、施措施 l在保证结构有足够承载能力的前提在保证结构有足够承载能力的前提下，应采用小尺寸的焊缝下，应采用小尺寸的焊缝 l因为因为:焊接变形与线能量成正比焊接变形与线能量成正比l如：如：l用用K=4mm的角焊缝可满足要求的角焊缝可满足要求 l若选用若选用K=6mm ，尺寸增大，尺寸增大1.5倍倍l焊接变形将增大焊接变形将增大1.52=2.25倍倍l2、工艺措施、工艺措施l（1）焊接接头收缩补偿焊接接头收缩补偿 l 在放样下料时预留出焊接接头在放样下料时预留出焊接接头收缩的补偿裕量收缩的补偿裕量 l（2）反变形）反变形l l（3）选用合适的焊接方法和参数选用合适的焊接方法和参数 l 在焊接薄板时应尽

43、量选择能量在焊接薄板时应尽量选择能量比较集中的焊接热源，如：比较集中的焊接热源，如：l CO2气保护焊、气保护焊、MIG焊、焊、TIG焊、焊、等离子弧焊的等等离子弧焊的等l（4）制定正确的装配焊接程序）制定正确的装配焊接程序 l 3、焊接残余变形的矫正、焊接残余变形的矫正 l 矫正方法分为：矫正方法分为：l （1）加热矫正）加热矫正l （2）机械矫正）机械矫正l l八、矫正焊接变形的方法八、矫正焊接变形的方法l1、机械矫正法、机械矫正法l 机械矫正法是利用外力使构件产生与焊接机械矫正法是利用外力使构件产生与焊接变形相反的变形，使两者抵消。变形相反的变形，使两者抵消。l 焊接变形是由于塑性区缩短

44、而造成的，而焊接变形是由于塑性区缩短而造成的，而机械矫正法就是通过外力使那些缩短的部分拉机械矫正法就是通过外力使那些缩短的部分拉长，以此来矫正焊接变形，外力通常是采用压长，以此来矫正焊接变形，外力通常是采用压力机。力机。l 短短长长l 此外还可以用锤击法来延展焊缝及附近区此外还可以用锤击法来延展焊缝及附近区域的金属，以减小变形。域的金属，以减小变形。l 还可用碾压法，碾压焊缝及两侧使之伸长。还可用碾压法，碾压焊缝及两侧使之伸长。运用此法，对冷作硬化大的材料要引起注意，运用此法，对冷作硬化大的材料要引起注意，高强钢要注意冷脆。高强钢要注意冷脆。机械矫正机械矫正辊压矫正辊压矫正l2、火焰矫正法、火

45、焰矫正法l 该法是利用火焰局部加热时产生的压缩塑该法是利用火焰局部加热时产生的压缩塑性变形使较长部位的金属缩短来达到矫正变形性变形使较长部位的金属缩短来达到矫正变形的目的。所以说本法的基本原理与前者正好相的目的。所以说本法的基本原理与前者正好相反，前者是使短的部分拉长而后者是使长的部反，前者是使短的部分拉长而后者是使长的部位缩短。位缩短。 l 长长短短l 具体做法是用气焊焊炬在工件较长的部位具体做法是用气焊焊炬在工件较长的部位加热，加热， 为了提高矫形效率，可以在加热的同时为了提高矫形效率，可以在加热的同时在加热点周围喷水冷却来限制火焰加热的范围，在加热点周围喷水冷却来限制火焰加热的范围，提高对加热点的挤呀压作用。提高对加热点的