焊接应力与变形

1、 焊接应力与变形1.焊接应力与变形产生的原因 焊件在焊接过程中受到局部加热和冷却是产生焊接应力和变形的主要原因。 焊接加热时，图F-4(a)中虚线既表示接头横截面的温度分布，也表示金属能自由膨胀时的伸长量分布。实际上接头是个整体，由于受工件未加 热部分的冷金属产生的约束，无法进行自由膨胀，平板只能在整个宽度上 伸长L,因此焊缝区中心部分因膨胀受阻而产生压应力(用符号“-”表 示)，两侧则形成拉应力(用符号“+”表示)。焊缝区中心部分的压应力超 过屈服强度时，产生压缩塑性变形，其变形量为图F-4(a)中被虚线包围的 无阴影部分。焊后冷却时，金属若能自由收缩，则焊件中将无残余应力， 也不

2、会产生焊接变形，但由于焊缝区中心部分已经产生的压缩塑性变形，不能再恢复，冷却到室温将缩短至图F-4(b)中的虚线位置，两侧则缩短到焊前的原长L。这种自由收缩同样是无法实现 的，平板各部分收缩会互相牵制，焊缝区两侧将阻碍中心部分的收缩，因此焊缝区中心部分产生拉应力，两侧则形成压 应力。在平板的整个宽度上缩短L，即产生了焊接变形。图F-4 平板对焊的应力与分布 (a)焊接过程中；(b)冷却后 2.焊接变形的几种基本形式 图F-5 焊接变形的基本形式 (a)收缩变形；(b)角变形；(c)弯曲变形；(d)扭曲变形；(e)波浪变形 1)收缩变形：收缩变形是工件整体尺寸的减小，它包括焊缝的纵向和横向收缩变

3、形。 2)角变形：当焊缝截面上下不对称或受热不均匀时，焊缝因横向收缩上下不均匀，引起角变形。V形坡口的对接接头和角接接头易出现角变形。 3)弯曲变形：由于焊缝在结构上不对称分布，焊缝的纵向收缩不对称，引起工件向一侧弯曲，形成弯曲变形。 4)扭曲变形：对多焊缝和长焊缝结构，因焊缝在横截面上的分布不对称或焊接顺序和焊接方向不合理等，工件易出现扭曲变形。 5)波浪变形：焊接薄板结构时，焊接应力使薄板失去稳定性，引起不规则的波浪变形。 实际焊接结构的真正变形往往很复杂，可同时存在几种变形形式。 3.焊接变形的防止与矫正 1)在结构设计方面的措施 焊缝的位置应尽量对称于结构中性轴 尽量减少焊缝的长度和数

4、量。 2)在焊接工艺方面的措施 (1)反变形法：焊前组装时，按测定和经验估计的焊接变形方向和大小，在组装时使工件反向变形，以抵消焊接变 形，如图F-6所示。同样，也可采用预留收缩余量来抵消尺寸收缩。 (2)刚性固定法：采用刚性固定法，限制产生焊接变形，如图F-7所示。但刚性固定会产生较大的焊接应力，此方法对塑性好的小型工件适用。 图F-6 钢板对接反变形 图F-7 刚性固定法焊接法兰盘 (3)合理安排焊接顺序：采用图F-8所示的对焊法，按图(a)中数字顺序焊接，则后焊焊边可抵消前焊焊边产生的变 形，若按图(b)中数字顺序焊接，则要产生翘曲变形。图F-9所示结构为避免弯曲变形采用合理安排焊接次序

5、的工艺措施 ，把可能出现的变形控制在最低程度。 图F-8 X形坡口焊接次序 (a)合理；(b)不合理 图F-9 工字梁的焊接顺序 (4)预热与缓冷：减小焊缝区与其他部分的温差，使工件较均匀地冷却，减少焊接应力和变形。通常在焊前将工件预热到300 以上再进行焊接，焊后要缓冷。 (5)焊后热处理：对重要结构件焊后应进行去应力退火，以降低应力，减少变形，提高承载能力。小型工件可整体退 火，大型工件可进行局部退火。 3)焊后矫形处理 (1)机械矫形：利用压力机、辗压机、矫直机或手工等方法，在机械外力的作用下，使变形工件恢复到原形状和尺寸。机械矫形可利用机械外力所产生的变形，抵消焊接变形并降低内应力。对塑性差的材料不宜采用机械矫形。 (2)火焰矫形：采用氧乙炔火焰在被焊工件的适当部位