焊接中的应力与变形

1、焊接应力与变形主要内容 焊接变形的种类及其影响因素 控制焊接变形的措施 矫正焊接变形的方法焊接变形的种类及其影响因素 按照变形的外观形态来分，可分为：收缩变形、角变形、弯曲变形、失稳变形(波浪变形)和扭曲变形，图1-291.收缩变形：焊件尺寸比焊前缩短的现象，如图1-302.角变形：产生的根本原因是由于焊缝的横向收缩沿板厚分布不均匀所致，如图1-343.弯曲变形：是由于焊缝的中心线与结构截面的中性轴不重合或不对称，波浪变形：常发生于板厚小于6mm的薄板焊接结构中，又称之为失稳变形。通过降低焊接残余应力和提高焊件失稳临界应力来防止波浪变形。此外，角变形也可能产生类似的波浪变形，如图1-39扭曲变

2、形：主要是因为焊缝的角变形沿焊缝长度方向分布不均匀所引起的。如图1-40图1-29a)b)c)d)e)图1-29 焊接变形的基本变形形式a)收缩变形 b)角变形 c)弯曲变形 d)波浪变形 e)扭曲变形返回收 缩 变 形（1）纵向收缩变形：沿焊缝轴线方向尺寸的缩短（2）横向收缩变形：沿垂直于焊缝轴线方向尺寸的缩短。纵向收缩变形的影响因素1）与截面积有关：焊件的截面积越大，焊件的纵向收缩量越小2）与长度有关：焊缝的长度越长，焊件的纵向收缩量越大3）与焊接层次有关：多层焊时每层焊缝所产生的压缩塑性变形比单层焊时小，如图1-314）与温度有关：焊件的原始温度提高，焊后纵向收缩量增大5）与材料性质有关

3、：线膨胀系数大的材料，焊后纵向收缩量大图1-31图1-31 单层焊和双层焊的塑性变形区对比a)单层焊 b)双层焊为第一层焊缝产生的塑性变形区为第二层焊缝产生的塑性变形区返回横向收缩变形的影响因素1）与热输入有关：横向收缩变形随焊接热输入增大而增加。2）与间隙有关：装配间隙增加，横向收缩也增加，如图1-323）与焊接长度有关：焊缝的横向收缩沿焊接方向由小到大，逐渐增大到一定程度后便趋于稳定。4）与拘束程度有关：定位焊缝越长，横向收缩变形量就越小5）与金属填充量有关：对接接头的横向收缩量随焊缝金属量的增加而增加大的6）与焊接方法有关：焊接方法对横向收缩量也有影响。7）与焊缝形式有关：角焊缝的横向收

4、缩要比对接焊缝小得多。图1-32图1-32 带间隙平板对接焊的横向收缩变形过程角变形的影响因素 与板厚有关：当热输入一定时，板厚越大，角变形越大； 与热输入有关：板厚一定，热输入增大，角变形也增； 与坡口形式有关：对接接头坡口截面不对称的焊缝，其角变形大；坡口角度越大，角变形越大 与焊接顺序有关：焊接顺序也会影响角变形的大小，如图1-35图1-34a)b)c)图1-34 几种接头的角变形a)堆焊 b)对接接头 c)T形接头图1-35a)b)c)d)图1-35 角变形与焊接顺序的关系a)对称坡口非对称焊 b)对称坡口对称交替焊 c)对称坡口对称焊 d)非对称坡口非对称焊 弯曲变形的影响因素（1）

5、纵向收缩引起的弯曲变形：如图1-37所示为不对称布置焊缝的纵向收缩所引起的弯曲变形。当焊缝位置对称或接近于截面中性轴，则弯曲变形就比较小。（2）横向收缩引起的弯曲变形：焊缝的横向收缩在结构上分布不对称时引起的，如图1-38图1-37图1-37 焊缝的纵向收缩引起的弯曲变形图1-38图1-38 焊缝横向收缩引起的弯曲变形图1-39图1-39 焊接角变形引起的波浪变形返回控制焊接变形的措施1.设计措施（1）选择合理的焊缝形状和尺寸：（2）减少焊缝的数量：（3）合理安排焊缝位置：如图1-43、图1-442.工艺措施（1）留余量法：（2）反变形法：主要用于控制角变形和弯曲变形（3）刚性固定法：（4）合

6、理地选择焊接方法和焊接参数：（5）热平衡法：如图1-57（6）散热法：如图1-58b)a)图1-42 T形接头的坡口a)角变形大 b)角变形小图1-41 相同承载能力的十字接头1）选择最小的焊缝尺寸2）选择合理的坡口形式 正确的确定装配、焊接顺序 不正确的装配次序： 工字构件，先丁字，然后在装另一块盖板，焊后仍有较大的挠度. 正确应该是: 先点固成工字，然后焊接，注意次序 .选择适当的施焊次序和方向原则： 翻转辅助时间的交替焊，尽可能增加截面对称的构件应对称最后焊，对构件变形影响大的先焊离构件形心轴近的缝时，先焊少的一侧当结构形心轴两侧有焊. 3. 2. 1图1-44a)b)图1-44 合理安

7、排焊缝位置防止焊接变形a)不合理 b)合理图1-45a)b)c)图1-45 无外力作用下的反变形法a)平板对接焊 b)电渣对接立焊 c)工字梁翼板反变形刚性固定法1）将焊件固定在刚性平台上，如图1-482）将焊件组合成刚度更大或对称的结构，如图1-493）利用焊接夹具增加结构的刚度和拘束，如图1-504）利用临时支撑增加结构的拘束，如图1-51图1-48图1-48 薄板拼接时的刚性固定图1-49图1-49 T形梁的刚性固定与反变形图1-50图1-50 对接拼板时的刚性固定选择合理的装配焊接顺序1）大而复杂的焊接结构，先将结构简单的部件单独进行焊接，再总装成整体。2）焊缝应尽量靠近结构截面的中性

8、轴，如图1-523）对于焊缝非对称布置的结构，装配焊接时应先焊焊缝少的一侧，如图1-534）焊缝对称布置的结构，应由偶数焊工对称施焊，如图1-545）长焊缝焊接时，可采用图1-55所示的方向和顺序进行焊接，以减小其焊后的收缩变形选择合理的装配焊接顺序1）大而复杂的焊接结构，先将结构简单的部件单独进行焊接，再总装成整体。2）焊缝应尽量靠近结构截面的中性轴，如图1-523）对于焊缝非对称布置的结构，装配焊接时应先焊焊缝少的一侧，如图1-534）焊缝对称布置的结构，应由偶数焊工对称施焊，如图1-545）长焊缝焊接时，可采用图1-55所示的方向和顺序进行焊接，以减小其焊后的收缩变形图1-52a)b)图

9、1-52 主梁装配焊接a) 形梁结构示意图 b) 形梁的装配焊接方案a)图1-53a)b)c)d)图1-53 压力机压型上模的焊接顺序a)压型上模结构图 b)、c)、d)焊接顺序图1-54图1-54 圆筒体对接焊缝的焊接顺序图1-55a)b)c)d)图1-55 长焊缝的几种焊接顺序图1-56图1-56 非对称截面结构的焊接提高母材塑性避免焊缝交叉避免焊缝过宽过长合理焊接顺序 先焊短焊缝 后焊长焊缝预热焊件、振动焊缝焊后退火 焊接焊缝顺序a容器底板的拼焊 X形坡口对接接头的变形a合理的焊接顺序 b不合理的焊接顺序图1-57图1-57 采用热平衡法防止焊接变形图1-58a)b)c)图1-58 散热

10、法示意图a)水浸法散热 b)喷水法散热 c)散热垫法散热对接接头横向变形的实验数据丁字接头及搭接接头横向收缩对接接头角变形丁字接头和搭接接头的角变形焊接顺序的基本规则 下面所列出的是焊接顺序的基本规则，使用时应经常验证，是否能最大限度地避免焊接变形和内应力。但当母材、材料厚度及焊接材料或辅助材料一定时，也会出现例外情况。焊接时应尽量减少热输入量和填充金属 组焊结构应合理分配各个组单元，并进行合理的组对焊接位于构件刚性最大的部位最后焊接（尽可能使构件能自由伸缩） 由中间向两侧对称焊接 先焊对接焊缝，后焊角接焊缝先焊短焊缝，后焊长焊缝先焊对接焊缝，后焊环焊缝工艺原则焊接时预热和跟踪加热锤击或碾压焊缝的自由度反变形法来增加焊缝处的焊缝时，可采用刚性较大、自由度较小在焊接封闭焊缝后其他然后在焊直通的长焊缝开的短焊缝在拼板时，应先拼焊错焊缝先焊工作时受力较大的先焊收缩量较大的焊缝方向采用合理的焊接顺序和. 4. 3. 2. 3. 2. 1. 1矫正焊接变形的方法1.手工矫正法:主要用于矫正一些小型简单焊件的弯曲变形和薄板的波浪变形2.机械矫正法：适用于塑性较好的材料及形状简单的焊件，如图1-593.火焰加热矫正法：利用火焰对焊件进行局部加热，使焊件产生新的变形来抵消焊接变形（1）点状加热，如图1-60（2）线状加热，如