浅析焊接残余应力与变形
浅析焊接残余应力的产生及影响
浅析焊接残余应力的产生及影响焊接是一个复杂的、包含电弧物理、传热、冶金以及力学的钢结构工艺过程，对工程质量的好坏以及工程结构的安全有着直接的影响。
在进行焊接的过程中以及焊接完成之后，由于一些高度集中的瞬时热输入，焊接会产生很大的残余应力和变形。
焊接过程中的残余应力对焊接的结构的使用性能会产生极大的影响，所以，我们要对焊接的残余应力进行相关研究。
标签：焊接残余应力；成因；对焊接结构的影响0 引言焊接应力即是在焊接结构时由于焊接而产生的内应力，它可以依据产生作用的时间被分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。
所谓焊接瞬时应力是指在焊接的过程中某一个焊接瞬时产生的焊接应力，它是会跟着时间的变化而发生变化的，而在焊接之后，某一个受到焊接的焊件内还残留的焊接应力被称为焊接残余应力。
1 产生焊接残余应力的原因之所以会产生焊接残余应力，主要是由于焊件在焊接的过程中所受到的加热是不均匀的。
按照焊接残余应力的发生来源，可将焊接残余应力分为直接应力、间接应力和组织应力三种。
（1）直接的焊接应力是焊接残余应力所产生的最主要的原因，它是受到不均匀的加热和冷却之后所产生的，根据加热和冷却时的温度梯度而发生变化。
（2）间接的焊接应力则是焊件由于焊前的加工状况造成的应力。
焊件在受到轧制和拉拔时会产生一定的残余应力。
间接的残余应力如果在某一种场合下叠加到焊接的残余应力上去，焊件受到焊接发生变形，也会将其影响附加到焊接残余应力上去。
而且，焊件一旦受到外来的某一种约束，产生相应的附加应力，也属于间接应力的范畴。
（3）组织应力也就是由相变造成的比容变化而产生的应力，它的产生是由于焊件的组织发生了变化。
虽说组织应力会由于含碳量和材料其他成分的不同而产生差异，但我们一般都会将其所产生的影响进行分析研究。
2 焊接残余应力会对焊接结构产生哪些影响焊接是一个局部的受热不均匀、冷却不均匀的过程，加之受焊缝和靠近焊缝的温度场的影响，焊件的内部会有大小不同、分布不均匀的残余应力—应变场。
焊接技能培训中焊接残余应力与变形的控制
焊接技能培训中焊接残余应力与变形的控制焊接是常用的金属连接方式之一，但在实际应用中，常常会遇到焊接残余应力和变形的问题。
这不仅会影响焊接件的外观和尺寸精度，还可能导致焊接件的失真和性能下降。
因此，在焊接技能培训中，掌握焊接残余应力与变形的控制方法显得尤为重要。
一、焊接残余应力的形成及影响因素焊接残余应力是指焊接完成后，在焊接接头或焊接件内部产生的应力。
焊接残余应力的形成与以下几个因素密切相关：1. 温度梯度：焊接过程中，焊缝和母材的温度会发生梯度变化，由高温区到低温区，这导致焊接接头内部产生温度梯度。
温度梯度大的区域会产生较大的残余应力。
2. 冷却速度：焊接完成后，焊接接头会通过冷却过程逐渐降温。
冷却速度快会导致材料收缩不均匀，产生残余应力。
3. 焊接过程应力：焊接过程中，焊接接头受到的应力会造成临时的应力集中，这些应力在冷却过程中可能会转变为残余应力。
焊接残余应力的存在会对焊接件的性能造成诸多影响，主要包括以下几个方面：1. 引起焊接件的变形：焊接残余应力会导致焊接件发生变形，甚至出现失真。
特别是对于焊接构件尺寸要求较高的行业，如航空航天和造船业，焊接残余应力的变形问题更加突出。
2. 影响焊接接头的强度：焊接接头受到的应力过大，容易引起焊接接头的裂纹和断裂，降低焊接接头的强度。
3. 导致材料腐蚀和断裂：焊接残余应力会削弱材料的抗腐蚀性能，导致焊接件在使用过程中容易发生断裂。
二、焊接残余应力与变形的控制方法为了控制焊接残余应力与变形，以下是一些常用的方法：1. 预热与后热处理：通过预热可以减小焊接接头的温度梯度，使之更加均匀。
在焊接完成后，进行适当的后热处理，以缓解焊接残余应力。
2. 多道焊接：将焊接接头分成多段焊接，分多次进行焊接作业，以减小焊接接头的温度梯度和残余应力。
3. 应力消除：在焊接完成后，进行适当的热处理或机械加工，以消除焊接接头的残余应力。
4. 紧固装置：在焊接过程中，采用适当的紧固装置可以减小焊接接头的变形。
浅析钢结构焊接变形与残余应力控制方法
浅析钢结构焊接变形与残余应力控制方法摘要：在国内建筑工程中，钢结构作为建筑结构主体结构框架，具有绿色环保、空间大和强度高等特点，在网架结构和塔桅建筑、超高层建筑以及大型工业厂房中等建筑工程中得到广泛应用。
随着建筑结构超高层化和大跨度化，高性能钢材应用增多，分析和讨论建筑钢结构焊接生产效率，对于提高建筑工程质量和效率具有重要意义。
关键词：钢结构; 焊接变形; 残余应力; 控制方法引言在钢结构工程的焊接施工中难免会出现焊接应力和焊接变形的情况，这对于焊接接头的强度以及焊接结构尺寸的精度都会产生一定的影响，严重的话会导致构件报废。
此外，钢结构在日后使用中的承载力也与焊接应力与焊接变形有着很大的关联。
因此相关施工人员要切实把握好焊接技术，加强对焊接重难点的技术控制，采取有效措施提高钢结构的质量。
1焊接变形和残余应力（1）焊接变形是焊接过程中不可避免的，施焊电弧高温引起钢构件在焊接处发生缩短、弯曲及角度等变化，即焊接变形。
焊接变形可分为两种形式，一种是因高温导致的变形，该变形在温度冷却后可恢复，为瞬时变形;第二种是因焊接作业产生的永久性变形。
焊接变形对结构安装的精确度影响较大，产生焊接变形极易导致结构无法安装。
（2）残余应力产生于钢构件的焊接及热影响区域，其对钢构件最直接的影响是降低构件的承载能力和增大开裂的可能性，钢构件的开裂大多发生在焊接区域。
在焊接区域，当构件的残余应力和荷载共同作用效果超过焊缝的承载力时，焊缝处就开始产生裂纹，并逐渐扩大成裂缝，构件也就易从裂缝处产生断裂，而此时构件承受的荷载并未达到其极限承载力，却因焊缝的断裂导致整个构件的失效。
2造成导致钢结构发生焊接变形的原因（1）焊接工艺。
即使是材料相同、设备相同，不同工人在焊接过程中，由于焊接工艺会造成焊接变形的出现。
比如焊接过程中，预热时应该结合当地的实际温度、光照亮度等多种因素进行确定等。
由此可见，钢结构的焊接变形受到焊接工艺的影响比较大。
焊接残余应力与变形
焊接残余应力和焊接变形焊接残余应力（welding residual stresses）简称焊接应力，有沿焊缝长度方向的纵向焊接应力，垂直于焊缝长度方向的横向焊接应力和沿厚度方向的焊接应力。
1、纵向焊接应力焊接过程是一个不均匀加热和冷却的过程。
在施焊时，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝及其附近温度最高，可达1600℃以上，而邻近区域温度则急剧下降。
不均匀的温度场产生不均匀的膨胀。
温度高的钢材膨胀大，但受到两侧温度较低、膨胀量较小的钢材所限制，产生了热塑性压缩。
焊缝冷却时，被塑性压缩的焊缝区趋向于缩短，但受到两侧钢材限制而产生纵向拉应力。
在低碳钢和低合金钢中，这种拉应力经常达到钢材的屈服强度。
焊接应力是一种无荷载作用下的内应力，因此会在焊件内部自相平衡，这就必然在距焊缝稍远区段内产生压应力2、横向焊接应力横向焊接应力产生的原因有二：一是由于焊缝纵向收缩，使两块钢板趋向于形成反方向的弯曲变形，但实际上焊缝将两块钢板连成整体，不能分开，于是两块板的中间产生横向拉应力，而两端则产生压应力。
二是由于先焊的焊缝已经凝固，会阻止后焊焊缝在横向自由膨胀，使其发生横向塑性压缩变形。
当焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受到已凝固的焊缝限制而产生横向拉应力，而先焊部分则产生横向压应力，在最后施焊的末端的焊缝中必然产生拉应力。
焊缝的横向应力是上述两种应力合成的结果。
3、厚度方向的焊接应力在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊。
因此，除有纵向和横向焊接应力σx、σy外，还存在着沿钢板厚度方向的焊接应力σz。
在最后冷却的焊缝中部，这三种应力形成同号三向拉应力，将大大降低连接的塑性。
3.4.2 焊接应力和变形对结构工作性能的影响一、焊接应力的影响1、对结构静力强度的影响对在常温下工作并具有一定塑性的钢材，在静荷载作用下，焊接应力是不会影响结构强度的。
设轴心受拉构件在受荷前（N=0）截面上就存在纵向焊接应力。
在轴心力N作用下，截面bt部分的焊接拉应力已达屈服点fy，应力不再增加，如果钢材具有一定的塑性，拉力N就仅由受压的弹性区承担。
35焊接残余应力和残余变形
§3.5 焊接残余应力和残余变形热变形和热应力——焊接构件在施焊过程中，由于受到不均匀的电弧高温作用，在焊件中将产生变形和应力（有约束）。
残余应力和残余变形——冷却后，焊件产生反向的应力和变形。
一．成因及特点1．基本假设1) 假定焊件由纤维组成，但各纤维之间相互约束（变形时保持平面）。
2) 当温度t≤500℃时，弹性模量E =const.t>600℃时，E →0；500℃＜t ＜600℃时，E 按线性变化。
1． 残余应力1) 纵向焊接应力2) 横向焊接应力3) 厚度方向的焊接应力2． 成因：不均匀分布的温度场，同时存在局部高温，加上纤维间的相互约束，便产生了焊接残余应力。
由于约束程度不同，一部分残余应力会以残余变形的形式释放出来。
3． 特点：自相平衡力系。
二．焊接残余应力对构件工作的影响1．对强度无影响2．降低构件的刚度3．降低构件的稳定承载力由于刚度降低，有效截面减小，过早地进入弹塑性区,弹性模量降低，所以稳定承载力降低（因为22cr /πλσE =）fy 0.3yyyf yyf 0.54．降低构件的疲劳强度残余应力的存在，加快了疲劳裂纹的开展速度（双向或三向拉力场），因此，疲劳强度降低。
5．加剧低温冷脆材料在低温下呈脆性，焊接残余应力的同号拉力场会阻碍材料塑性的发展，加重了脆性因素。
三．焊接残余变形对构件工作的影响1．构件不平整，安装困难，且产生附加应力；2．变轴心受压构件为偏心受压构件。
四．保证焊接质量及减小焊接残余应力的措施1．设计方面（1）采用细长，不采用短粗的焊缝；（2）对称布置焊缝，减小变形；（3）不等高连接加不大于1:2.5(直接承受动力荷载且需验算疲劳的结构不大于1:4)的斜坡，减小应力集中；≤1:2.5≤1:2.5≤1:2.5≤1:2.5（4）尽量防止锐角连接；（5）焊缝不宜过于集中，不要出现三向交叉焊缝；（6）注意施焊方便，以保证焊接质量。
2．制造方面（1）焊件预热法；（2）锤击法；减小残余应力（3）退火法；（4）反变形法；（5）合理施焊次序；减小残余变形（6）局部加热法。
浅析焊接应力与焊接变形产生的原因及控制措施
除此之外， 焊接方法 、接头 形式 、坡 口形 式、坡 口角度 、焊 件装配 间隙 、对 口质量 、
轴 ；对 于不对称 的焊接 结构 ，采 用合理 的焊 接 顺 序 ，均 会 使 焊 接 变 形 明 显 减 少 。 再 次 ，焊 缝 坡 口形 式 的合 理 选 择 也 很 重要 。焊 缝的坡 口形式对 焊接变 形的影 响较 大 焊缝 的坡 口角度越 大，熔敷 金属 的填 充 量 就 越 大 ， 沿 着 板 厚 方 向 的 横 向 收 缩 就 越 不 效 的控 制 它 ， 之 危 害程 度 降至 最 小 。 使 均 匀 ，焊 接 变 形 就 越 大 。 通 常 情 况 下 ，不 开 控 制 内应 力 的方法 其基 本 要求 有两 个 ： 坡 口的焊缝 因为熔 敷金属 填充量 小， 比开坡 焊件 上热量 尽量均匀 和尽量 减少对 焊缝 自由 口的焊缝焊接变形要小。 收缩 的限制 。通 常采用的工艺措施有两种 ： 一 最后 ，应尽量 减少不 必要 的焊 缝 。在 焊 是采 用合理 的装配 与焊接顺 序 。主 要是在装 接 结构设计 中 ，常用筋板 来提 高钢 结构 的稳 配和 焊接 的顺 序安排 上尽量 使焊缝 能 自由的 定 性和 刚度 ，但 是筋板数 量太 多，焊缝过 于 收缩， 可有 效的控制焊接应力 ；二是采用焊 密 集 ，产 生的热 量大 ，焊 接变形就 越大 因 便 前 预 热 泵 技 术 ， 焊 工 件 各 部 位 的温 差 越 大 ， 被 此 ，应在保 证构件 强度 的情况下 ，尽量减 少 焊 缝 的 冷 却 速 度 越 快 则 焊 接 接 头 的 残 余 应 力 不必 要 的焊 缝 。 ２ 、选 择 合 理 的焊 接 方 法 和 并 规 范操 作 越 大 。预 热 既 能 减 小 工 件 各 部 位 的 温 差 ， 能 又 减 缓 冷 却 速 度 ， 以 是 降 低 焊 接 残 余 应 力 的有 所 选 择 焊 接 方 法 和 规 范 的原 则 是 ：在 保 力 措 施 之 一 。 预 热 可 分 为 局 部 预 热 或 整 体 预 证焊 接质量 和力学 性能 的前提下 ，选用较低 热 。对刚性大 、厚度大 的工件 ， 应整体 预热， 的线 能量 ，能有 效地防止 焊接变形 。例如 ： 这样降低残余应 力的效果更佳 。 埋 弧 自动焊 与手工 电弧焊 相 比，功 率大 ，热 除 了上面 两种 控制 应力 的 方法外 ， 还有 利用 率高 ，焊接速 度快 ，焊缝收缩 小 ，焊接 在焊 接结构 的设计上采 取措施 ， 例如 ： 称布 变 形就小 ；气焊 比电弧焊 的焊后变 形大 ，也 对 置焊 缝 、避 免封 闭焊 缝等 。以及对 阻碍焊接 是 因为气焊 时 ，焊 件受热 范围大 ，加上焊接 接头 自由收缩 的部位加温， 使之与焊缝 同步伸 速度 慢 ，使 金属受 热体积 增大 ，导 致焊后变 缩， 种方法称为 “ 应法 ”。 这 减 形大 。用二 氧化碳 气体保 护焊代替 手工 电弧 ２ 消除 焊 接 应 力 的 方 法 、 焊 ，不仅 生产效率 可 以提 高，而且 焊接变形 消 除焊 接应 力 的 方 法 主 要 有 ： 处 理 法 、 热 也小 。 ３ 、采用反变形法进行焊接变形控制 机械法、振动法 。 根 据 生 产 中 已经 发 生 的焊 接 变 形 的规 焊后热 处理 是消除残余应力的有效方法， 也是 广泛采用 的方法 。它可 分为整 体热处理 律 ，预先把 焊件人 为地制成 一个变 形 ，使这 和 局 部 热 处 理 。 一 般 是 将 被 焊 工 件 加 热 到 Ａ 个 变 形 与焊 接 后 发 生 的变 形方 向相 反而 且 １ 线 以下， 保温均 匀， 再缓慢冷却， 以达到残余应 数值 大小相 等， 以达到防 止产生焊接 残余变 力 消 除 。 ￣ Ｑ ３ Ｂ １ Ｍ Ｒ 料 焊 后 热 处 理 的 形 。这种方 法在实 际生产 中使用较广 泛 。例 Ｈ２ ５ 、 ６ｎ 材 温 度 一 般 选 为６ ５ ±２ ℃ 。 ２℃ ５ 如 ：采用外 力或夹 具将构件 紧压在具 有足够 机 械 法 ， 机 械 的 方 法 施 加 外 力 使 冷 却 刚度 的平 台上，使 它产生 一个反变 形，然后 用 后 的 焊 缝 金 属 产 生 延展 ， 达 到 消 除 应 力 的 目 以 再进行焊接。 ４ 、矫 正 焊 接 变 形 的 方 法 的 ， 种 方 法 叫 机 械 法 消 除 应 力 。 如 锤 击 焊 这 缝 ： 卷板机 上压辗焊 缝 ： 焊缝结构 实行有 在 对 当前矫正 焊接变 形的方法 主要有 两种 ： 控制的过载等都是机械法消除应力的方法 。 是机 械矫 正法 。即利用外 力使被焊 金属产 振动法泵技术 ， 水泵技术， 泵阀技术， 水泵 生与 焊接变 形方 向相反的 塑性变形 ，使两者 Ｃ Ｄ 泵数值模拟 ， Ｆ， 以低 频率震动整个构件 以达 相互 抵消 。除压力 外，还可用 锤击法 来延展 到 消 除应 力 的 目的 。 焊缝 及其周 围压缩 塑性变形 区域的金 属 ，达 三 、 焊 接 变 形 的控 制措 施 与消 除 方 法 到 消 除 焊 接 变 形 的 目的 ：二 是 火 焰 加 热 矫 正 焊 接变 形 决定 于结 构参 数 （ 包括 焊件 结 法 。即利用 火焰局邵 加热 时产 生的压 缩塑性 构 的 几 何 形 状 、板 厚及 焊 缝类 型 等 ） 材 料 参 变 形 ， 使 较 长 的 金 属 冷 却 后 收 缩 ， 来 达 到 矫 、 数 （ 括 基 体 材 料 、焊 接 材 料 种 类 和 状 态 ） 包 和 正变 形 的 目的 。矫正应 遵 循如 下两 个原 则 ： 制作因素 （ 包括焊接 工艺、焊接参数、组焊程 ①矫 正位置要 正确 。须分析构 件变形 的原 因 序等） 。因此控制焊接变形 也得从这些方面入 及构件 的 内在 联系 ，搞 清各部 件相互 间的制 手。 约关 系。②矫 正顺序要 正确 。先矫正 主要变 １ 、从焊缝着手控制焊接变形的措旌 形 ，后 矫正次 要变形 ，多种矫 正方法 并用时 首 先 ， 要 选 择 合 理 的 焊 缝 尺 寸 。焊 缝 尺 要注意几种方法 的先后顺序 。 寸 的 大 小 不 仅 关 系 到 焊 接 工 作 量 ， 而 且 对 焊 接 变 形 也 产 生 较 大 的 影 响 。焊 缝 尺 寸 过 大 ， 参考文献： 焊 接 量 就 大 ，焊 接 变 形 就 越 大 ； 而 过 小 的 焊 ｆ ］ 洪 哲 田 辉 鹅 《 接 应 力 和 变 形 １ 张 焊 缝 尺 寸 ， 由于 冷 却 速 度 过 快 ，容 易 产 生 一 系 的 控 制 方 法 》 ［ ］ 企 业 科 技 与 发 展 ２ ０ Ｊ ９ ０ 列的焊接 缺陷 ，影响焊 接质量和 降低焊缝 的 （ ）： ２ 【 】 江 《 接 变形 的 控 制 和 预 防 》 【】 ２朱 焊 Ｊ 力学性 能。 因此 ，在保 证结构承 载力和焊 缝 ０ ９（ 的焊接质 量的前 提下 ，应选取最 小 的焊缝 尺 电 焊机 ２ ０ ８） ）； 【 】熊 大 胜 《减 少 大 型 焊 接 结 构 件 变 ３ 寸。 其次 ，应安排 合理 的焊缝位 置 。对 于焊 形的措 施》 【］ 金属加 工 （ Ｊ 热加 工 ） ２ １ ００ 缝 位置 的选取 ，应尽可 能在对称 于截面 中性 （２）。 轴 ，或接 近于 中性轴 的位置上 安排焊缝 。对 于对称 的焊接 结构 ，焊 缝布置应 对称于 中性
3.5 焊接残余应力和焊接残余变形-精品文档
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二、.焊接残余应力对结构性能的影响
1.对结构构件静力强度的影响
2.对结构构件刚度的影响 3.对压杆稳定的影响 4.对低温冷脆的影响 5.对疲劳强度的影响
钢结构/ 第3章 钢结构的连接 /$3.4 角焊缝的构造和计算
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三、焊接残余变形的产生和防止 采用合理的焊接顺序和方向
施焊前使构件有一个与焊接残余变形相反的预变形
钢结构/ 第3章 钢结构的连接 /$3.4 角焊缝的构造和计算
2Hale Waihona Puke 2.横向焊接残余应力横向残余应力的分布规律比纵向的更复杂，例如横向收缩引 起的横向残余应力与施焊方向和先后顺序有关，由于焊缝冷 却时间不同而产生不同的应力分布，另外焊缝的长短也会影 响温度场的变化。总之，横向残余应力的分布情况应针对具 体问题具体分析，才能得出准确合理的结论。
钢结构/ 第3章 钢结构的连接 /$3.4 角焊缝的构造和计算
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3.沿厚度方向的焊接残余应力
如果焊件在施焊时受到外界约束，焊接变形因受到约束的 限制会减小，但对残余应力会产生更为复杂的影响，有可 能产生更大的残余应力。因此，不能为了减小焊接变形而 在施焊时随意添加约束。
钢结构/ 第3章 钢结构的连接 /$3.4 角焊缝的构造和计算
钢结构/ 第3章 钢结构的连接 /$3.4 角焊缝的构造和计算
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3.5 焊接残余应力和焊接残余变形
一、焊接残余应力的分类及产生的原因 焊接残余应力有纵向焊接残余应力、横向焊接残余应力和厚度 方向的残余应力，这些应力都是由焊接加热和冷却过程中不均 匀收缩变形引起的。 1.纵向焊接残余应力 纵向焊接残余应力的分布规律 是焊缝及其附近区域在高温时 发生塑性压缩变形，因而冷却 后产生残余拉应力；离焊缝较 远区域中则出现与之相平衡的 残余压应力。
浅谈钢结构焊接残余应力及焊接变形控制
浅谈钢结构焊接残余应力及焊接变形控制钢结构焊接在安装过程中较为常见，焊接连接在具有其独特的优点的同时，也存在着其不可避免的缺陷，即焊接残余应力及焊接变形。
本文就施工现场的工艺钢结构及炉壳焊接，结合连续退火炉结构安装工程实际，浅谈焊接的残余应力及焊接变形的原因，以及现场施工过程中如何控制及解决办法。
标签：钢结构;焊接;应力;变形;控制措施【Abstract】Steel structure welding is more common in the installation process，welding connection has its unique advantages，but at the same time it also has the inevitable defects，namely welding residual stress and deformation. This article is showing the reasons of residual stress of welding and welding deformation ，and also give methods to control and solve the problem what is said above in the process of the construction site ，according to the scene of the process steel structure and the furnace shell welding，combined with the engineering practice of the furnace structure installation of Continuous Annealing Line.【Key Words】steel structure，welding，stress，deformation ，control measures引言：焊接连接是钢结构主要的连接方法，其优点是构造简单、不削弱构件截面、节约钢材、加工方便、易于采用自动化操作、密封性好、刚度大等特性。
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CONSTRUCTION
技术探讨
浅析焊接残余应力与变形
郑钰红 贾德厚
中联重科土方机械分公司 陕西华阴 714202
摘 要：为了给焊接结构件生产的工艺及现场制造提供技术支持，本文研究了焊接过程中焊接应力与变形产生的机理，分析了焊接应力与变形形成的特点。
针对焊前—焊中—焊后的生产顺序，探讨了焊接应力与变形产生的规律，提出了焊前—焊中—焊后三个焊接成形阶段的具体控制措施，本文通过图文并茂的表现形式，形象清晰地将抽象的理论具体化，对解决应力与变形的问题，具有指导意义。
关键词：焊接；残余应力；变形
中图分类号：TG4 文献标识码：A
1.引言
长期以来，应力与变形的恶劣表现贯穿于金属焊结构件生产的始终。
与之相应，认识与控制焊接应力与变形进而减少其对于构件性能的不良影响也成为每个焊接工作者的重要研究领域之一。
2.焊接应力与变形的产生机理
图1是低碳钢材料的屈服强度σs与温度的实际关系图。
很明显，随着温度的升高，材料的屈服强度逐渐降低。
当温度超过600℃时，低碳钢材的屈服强度趋于
0。
图1
熔焊过程中，由于母材金属被其他零件在整体尺寸上已经限制住了，形成了拘束条件。
同时熔焊产生的高温足以使母材产生剧烈的膨胀并轻易超过材料的屈服极限，产生塑性变形。
加之熔池液态金属在很大程度上消化了母材受热所产生的膨胀。
使母材冷却后的缩短趋势不得满足，形成了焊接残余应力与变形。
不难得出，冷却过程中焊道及周边母材的受拘束程度左右了残余应力与变形的形成。
下有三种假设：
2.1如果焊道能够完全自由收缩，冷却后只出现残余变形而几乎没有残余应力。
2.2如果焊道绝对拘束而不能收缩，冷却后只出现残余应力而无残余变形。
2.3如果焊道收缩不能充分进行，则冷却后既有残余应力也有残余变形。
实际生产中的焊接，就与上述的第3中情况相同，焊后既有焊接应力存在，也有焊接变形产生。
最终发生的趋势和程度却符合1、2种情况的描述，即拘束大则残余应力大，而焊后变形小。
反之亦然。
3.焊接应力与变形的控制
基于前述理论，焊接残余应力与变形在表现形式上虽有不同，其形成原因却无大异。
这也说明两者可以综合考虑，权衡控制。
在了解焊接应力与变形成因的基础上，应尽量在母材的收缩趋势和方向上尽施自由，避免在控制焊接残余应力与变形时顾此失彼。
并以“预防为主，规范控制，科学矫正”的原则指导实施。
3.1焊前预防
3.1.1从结构设计上控制
3.1.1.1应尽量减少不必要的焊缝。
在焊接结构设计中，常用筋板来提高结构的稳定性和刚度，但是筋板数量太多，焊缝过于密集，焊接应力与残余变形也会大大增加。
因此，应在保证构件强度的情况下，尽量减少不必要的焊缝。
3.1.1.2安排合理的焊缝位置
尽可能在对称于截面中性轴或接近于中性轴的位置上安排焊缝，可以有效地减少焊接应力与变形的发生。
3.1.1.3选择合理的焊缝坡口形式和焊缝尺寸
通常来说，不开坡口比开坡口、V型坡口比X型坡口、大角度比小角度坡口，都更容易引起焊接应力与变形。
3.1.1.4加设减应力槽或减应力孔
在不影响结构整体强度的前提下可以在焊缝附近开设减应力槽（如图2）。
通过减小焊件局部刚度来增加焊缝的自由伸缩
度，进而达到减小焊接残余应力和变形的目的。
图2
3.1.2从工艺准备上控制
3.1.2.1反变形法
事先估计好结构变形的大小和方向，先反向变形，使之焊后与焊接变形相抵消，以达到设计和技术要求。
值得一提的是，预设反变形不仅可以有效地冲抵焊接变形，而且与刚性固定法相比较，其减轻残余应力效果也较理想。
3.1.2.2留“裕度”法
与前法类似，预留收缩量也是通过焊前先在要产生收缩的地方加大尺寸，以此来“吃”掉一部分焊接变形，而相对自由的收缩条件也使得残余应力得以降低。
3.1.2.3预热法
即在施焊前，预先将焊件局部或整体加热，以减少焊接区
第4卷 第33期2014年11月
CONSTRUCTION
技术探讨
第4卷 第33期2014年11月
和焊件整体的温度差。
温差越小，焊接时塑性变形区的压缩塑性变形量就越小，从而减小了焊件焊后的收缩量，达到控制焊接残余应力和变形的目的。
3.2焊中控制
3.2.1采用合理的装焊顺序
要尽量保证焊缝在冷却过程中的纵向和横向收缩均能比较自由，所以应使不对称的焊缝或收缩量大的焊缝优先得到焊接。
（如图
3）
图3
3.2.2选择合理的焊接方法和规范
在保证焊接质量的前提下，选用较低的线能量，能有效地防止焊接变形。
比如：气焊比电弧焊的焊后应力和变形大，就是因为气焊时焊件受热范围大，加上焊接速度慢，使金属受热体积增大，导致焊后变形大。
用二氧化碳气体保护焊代替手工电弧焊，不仅效率高，而且变形应力也会减小。
另外，较大的焊接电流和电压也意味着更大的热输入，对于焊接残余应力与变形的防止显然是不利的。
3.2.3散热法
又称“强迫冷却法”，即用喷水、水浸、散热垫等各种强制冷却方法将施焊处（熔池及其附近）的热量迅速散走，使受热区域减小（压缩塑性变形区相应减小），同时还使受热程度大大降低，因而焊接变形较小，结构的残余应力也比普通焊接条件下要小。
3.3焊后矫正
焊接完成后，要对已经形成的焊接应力和变形进行消除。
此时不容易使两者同时降低，所以要根据焊接结构和构件的具体要求，有时需要着重矫正变形，有时又要重点消除应力。
3.3.1焊后变形的矫正3.3.1.1机械矫正法
一般都是利用3点弯曲原理进行强制变形矫正。
需要注意的是，冷矫后拉伸变形部位损失塑性，使结构脆化，降低安全系数，故有些生产的技术要求禁用冷矫，或矫后需热处理。
热矫一般不会有此类问题，但要防止冷却后发生二次变形。
3.3.1.2火焰矫正法
不同于机械矫正法，利用焊件上尺寸短的部分延伸来消除变形，火焰矫正法是将焊件上尺寸较长的部分缩短来达到消除变形的目的。
具体加热方法有如下三种：点状加热、线状加热和三角形加热。
运用的要点都需要通过观察总结和依靠理论指导来掌握火焰在焊件上局部加热所引起的焊件变形的规律。
3.3.2焊后应力的消除3.3.2.1锤击法
焊后对焊道迅速均匀的锤击，使焊缝金属产生塑性变形，有利于降低残余应力，并可以消除部分残余变形。
3.3.2.2去应力热处理
利用加热—保温—冷却的热处理方法，可以消除焊接残余应力。
理论分析和实践经验都显示：根据不同材质和结构，采用正确的去应力退火方式，可以将大部分残余应力消除掉。
4.结束语
通过分析焊接应力与变形的产生原因，我们得到了以预防为主的应力与变形综合控制思路。
反对过分依赖焊后矫正的亡羊补牢式控制方法，以期避免焊后应力与变形矫正时的顾此失彼。
此外，以焊接构件的生产加工顺序为主线，以严谨科学的理论分析的结论为指导，制订焊前—焊中—焊后的具体控制措施，应该不失为一条正确的控制应力与变形的思路，肯定更具有现实的可操作性。
参考文献：
[1]周振丰.《金属熔焊原理及工艺》下册.机械工业出版社，1986.9.
[2]陈剑虹.《焊接手册》第2册.机械工业出版社，2001.7.
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此文章编码：2014N
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浅析焊接残余应力与变形
作者：郑钰红， 贾德厚
作者单位：中联重科土方机械分公司 陕西华阴 714202
刊名：
城市建设理论研究（电子版）
英文刊名：ChengShi Jianshe LiLun Yan Jiu
年，卷(期)：2014(33)
1.周振丰《金属熔焊原理及工艺》下册 1986
2.陈剑虹《焊接手册》第2册 2001
引用本文格式：郑钰红.贾德厚浅析焊接残余应力与变形[期刊论文]-城市建设理论研究（电子版） 2014(33)。