《焊接应力与应变》word版

1、 焊接应力与变形 焊接是现代生产中应用很广泛的一种连接金属加工方法，与其它热加工相比，它具有生产周期短，成本低，结构设计灵活，用材合理以及能以大化小等一系列优点，从而在工业生产中得到广泛的应用，如造船、 电站、 汽车石油、 桥梁、 矿山机械等行业，焊接已成为不可缺少的加工手段。在世界主要的工业国家里，每年钢产量的左右要用于生产焊接结构。随着工业的发展，被焊接的材料种类越来越多，焊接结构越来越复杂，焊接工作量越来越大，这对于生产的质量效率等提出了更高的要求。但是在焊接过程中，焊接应力和焊接变形是不可避免的，焊接应力不仅对结构质量和使用性能有一定影响，而且焊接应力过大，可使构件产生裂缝，甚至导致断

2、裂。 焊接变形超过允许值，有时要经过矫正才能满足使用要求，有时因矫正无效而报废，因此，随着工业的发展，焊接材料的增多，各类产品的日益向高参数大型化发展，研究焊接应力与焊接变形具有特别重要的意义。 1焊接应力、 变形原因分析 焊接过程的实质是利用加热或加压等手段借助于金属原子的结合与扩散作用，使分离的金属材料牢固地连接起来。手工电弧焊是利用焊条与工件之间产生的电弧热，将工件和焊条熔化而进行焊接的。 在焊接过程中，电弧在焊条与被焊工件之间燃烧，电弧热使工件和焊条同时熔化形成熔池。焊接时，电弧沿工件逐渐移动并对工件进行局部加热，因此在焊接过程中，焊缝区的金属都是由常温状态下被加热到较高的温度，然后再

3、逐渐冷却到常温，但随各点金属所在位置的不同，其最高加热温度是不同的，因此，在焊接过程中各点都相当于受到一次不同程度的热处理，因而必然有相应的组织与性能变化。 焊接热影响区的大小和组织性能变化程度决定于焊接方法、 焊接规范、 焊接形式，焊后冷却速度等因素。焊接热影响区在焊接过程中是不可避免的，用手工电弧焊，焊接一般低碳钢结构时，热影响区较窄，危害较小，焊后不进行热处理就能保证使用；但对于重要的钢结构，要用焊后热处理的方法以消除焊接热影响区；对焊后不能接受热处理的金属材料或构件，则只能正确选择焊接方法与焊接工艺来减少焊接热影响区的范围，以减少不利影响与危害。焊接过程中对焊件进行了局部的不均匀的加热

4、是产生焊接应力与变形的根本原因，焊接时，焊缝区被加热到很高的温度，离焊缝愈远被加热的温度愈低，根据金属材料热胀冷缩的特性，焊接各区因温度不同将产生大小不等的纵向膨胀，各区域的金属能自由地伸长而不受周围金属的阻碍，但钢板是一个整体，这种伸长不能自由地实现，钢板端面只能比较均衡地伸长，于是被加热到高温的焊缝区金属因受两边金属的阻碍而产生压应力，远离焊缝区的金属则受拉应力，该区域就产生了压缩塑性变形。2 减小焊接应力的方法措施 在实际生产中，最有效的减少内应力的方法是焊前预热，预热温度一般在350-400 ，预热可使焊缝部分金属和周围的温差减小，焊后又可以缓慢地收缩，可显著减少焊接应力。 如果没有预

5、热条件，也可以利用锤击焊缝来减小残余应力。实践证明，锤击焊缝区，应力可减小1/2-1/4 ，但锤击温度必须维持在100-150或400以上，要避免在200-300之间，因为此时金属处于兰脆阶段，锤击焊缝容易断裂。多层焊时，除第一层和最后一层焊缝外每层都要锤击，第一层不锤击是为了避免根部裂缝，最后一层不锤击是为了防止由于锤击而引起的冷作硬化。最常见的也是最有效的消除内应力的方法是对工件进行高温回火，即将工件均匀加热到600-650，保温一定时间（不少于1小时）然后缓慢冷却。 同一种材料回火温度越高，时间越长应力消除的越彻底。一般通过整体高温回火可将80-90以上的残余应力消除掉。 此外，还可用机

6、械拉伸法，焊后对焊件进行加载拉伸，产生拉伸塑性变形，它的方向和压缩残余变形相反，以减少压缩残余变形，从而减少残余应力。对于焊缝比较规则厚度不大于40mm 的板壳结构也可用温差拉伸法，即将焊缝两侧加热到150-200，然后用水冷却，使焊缝区域受到拉伸塑性变形以消除纵向残余应力。对于碳素钢、 不锈钢件也可对焊缝区域施加振动载荷，振源与结构发生稳定共振，利用稳定共振的变载应力，使焊缝区域产生塑性变形，以达到消除内应力的目的。3 预防焊接变形的方法措施 为了减少与防止变形，应尽可能采取合理的结构形式，在保证结构有足够承载能力的情况下，尽可能减少焊缝数量、 焊缝长度及焊缝面积；厚件应尽可能两面开坡口进行

7、焊接；使结构中所有焊缝尽量处于对称位置，避免密集或交叉；尽量利用型材，冲压件代替板材拼焊，以减少焊缝数量。采取必要的工艺措施，反变形法，用经验和计算法预先断定焊后可能发生的变形大小和方向，将工件安置在相反方向的位置上，或在焊前使工件反方向变形，以抵消焊后所发生的变形。在焊件上加上一些收缩余量以补充焊后的收缩，通常为0.1-0.3，对于一些塑性较好的低碳钢，可以用简单的夹具或刚性支撑或专用胎具夹具使焊后变形大大减少；对于淬硬性较大的钢材及铸铁不能使用，以免焊后断裂。 此外，还可以对物件设计合理的焊接次序，如对称物件应设计使焊缝收缩相互抵消或减弱。为了减少焊接变形常用 “逆向分段焊法” 即把长焊缝分成150-200mm的小段，分段进行焊接，每一段都朝着与总方向相反的方向施焊，还可以采用散热法将焊件的热量散走，使受热面积大为减少，从而达到减少变形的目的。除正确选择焊接工艺