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焊接应力和变形.
教学目的：了解应力和变形的概念、产生原因；了解焊接变形的种类；掌握预防和
减小焊接应力和变形的措施。
教学重点：预防和减小焊接应力和变形的措施 教学难点：应力和变形的概念、产生原因 教学课时：16课时
第一节 应力和变形的概念
一、变形
钢结构构件或节点在焊接过程中，局部区域受到很强的高温作用，在此不均匀的加热和冷却过程中产生的变形称为焊接变形。
二、应力
焊接后冷却时，焊缝与焊缝附近的钢材不能自由收缩，由此约束而产生的应力称为焊接应力。
三、应力形成
两块钢板上施焊时，产生不均匀的温度场，焊缝附近温度高达1600?C，其邻近区域温度较低，且冷却很快。冷却时钢材收缩，冷却慢的区域收缩受到限制，从而产生拉应力，冷却快的区域受到压应力。
四、焊接应力的分类
1.根据焊接应力在空间的位置 单向应力、双向应力、三向应力。
2.根据焊接应力发生和互相平衡所在的范围大小 第一类应力、第二类应力、第三类应力。 3.根据焊接应力在焊缝中的方向不同 纵向应力、横向应力、厚度方向应力
第二节 焊接应力和变形的产生原因
焊件进行局部的、不均匀的加热是产生焊接应力和变形的原因。
一、金属棒的均匀加热和冷却
金属棒在均匀加热时，产生过压缩塑性变形，则冷却后必定产生缩短变形。
二、纵向焊接应力和变形
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焊接时，在电弧热的作用下，使金属局部达到熔化温度，但离电弧较远处的金属温度则较低，这样焊件就出现了不均匀的膨胀。沿焊缝轴线方向尺寸的缩短。
三、横向焊接应力和变形
焊件在于海峰轴线垂直的方向上，焊缝及热影响区金属在加热过程中也受到压应力，发生压缩塑性变形，在冷却后则存在着残余应力和变形，称为横向焊接应力和变形。
四、影响焊接应力和变形的因素
影响焊接应力和变形的因素主要包括以下几点：焊接规范、焊缝尺寸、焊缝在结构中位置的布置、焊缝分段和焊接方向、焊接程序、焊接结构的刚性以及层数。
第三节 焊接变形的种类
一、纵向变形
指平行于焊缝方向的变形。多层焊比单层焊的变形量小。
二、横向变形
指垂直于焊缝方向的变形。角焊缝和对接焊缝焊后都会引起横向变形，同时，与焊接方法有关。
三、弯曲变形
T型梁焊接后，由于焊缝布置不对称，焊缝多的一面收缩量大，引起的工件弯曲。
四、角变形
由于V型坡口对接焊焊缝布置不对称，造成焊缝上下横向收缩量不均匀而引起的变形。
五、扭曲变形
由于焊接过程中焊接顺序和焊接方向不合理引起的工件扭曲，又称为螺旋形变形，多出现在工字梁的焊接加工过程中。
六、波浪变形
这种变形易发生在波板焊接过程中。是由于焊缝收缩使薄板局部引起较大的压应力而失去稳定性，焊后使构件成波浪形。
第四节 预防和减小焊接应力和变形的措施
一、从结构设计方面的预防措施
1、尽量减少焊缝数量。
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2、合理地选择焊缝的尺寸和形式。
3、合理设计结构形式及合理安排焊缝位置。
二、减小焊接应力和变形的方法
1.反变形法是根据预测的焊接变形大小和方向,在焊件装配时造成与焊接残余变形大小相当、方向相反的预变形量(反变形量),焊后焊接残余变形抵消了预变形量,使构件恢复到设计要求的几何形状和尺寸。这种预制的反变形可以是弹性的，塑性的或弹塑性的。采用加裕量的办法控制焊接变形时，在工件下料尺寸上所加的焊接裕量通常为0.1%～0.2%,以弥补焊后变形。
2．选择合理的焊接顺序
（1）尽量使焊缝能自由收缩，这样产生的残余应力较小。
（2）结构中同时存在对接缝和角接缝时，必须先焊对接缝，后焊角接缝。 （3）采用分散对称焊工艺，长焊缝尽可能采用分段退焊或跳焊的方法进行焊接，这样加热时间短、温度低且分布均匀，可减小焊接应力和变形。
（4）合理选用各种焊接程序 3. 刚性固定法
利用夹具、胎具等强制手段，以外力固定被焊工件来减小焊接变形。该法能有效地减小焊接变形，但会产生较大的焊接应力，所以一般只用于塑性较好的低碳钢结构。
4.锤击焊缝法
焊后用圆头小锤对红热状态下的焊缝进行锤击，可以延展焊缝，从而使焊接应力得到一定的释放。
5.焊前预热法
在补焊前可对铸件上的适当部位进行加热，以减少焊接时对焊接部位伸长的约束，焊后冷却时，加热部位与焊接处一起收缩，从而减小焊接应力。被加热的部位称为减应区，这种方法叫做加热减应区法，如图3-7所示。利用这个原理也可以焊接一些刚度比较大的焊缝。
6.冷却法
利用容易散热的物体把焊接处的热量迅速散去，时焊缝附近的金属受热面大大减小，达到减小焊接变形的目的。
三、消除焊接残余应力的方法
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1.概述
焊接结构件焊后在焊件内会产生大小不同的残余应力。当焊件受到外力影响时，由于残余应力的作用，会使焊件变形，甚至产生裂纹。因此，焊件焊后是否要消除焊接残余应力，应从构件的用途、尺寸（特别是厚度）、所用材料的性能及工作条件综合考虑。
2.整体高温回火
是指将整体构件加热至锻造温度以上再进行矫正的方法,可用以消除较大的形状偏差。但是焊后整体加热容易引起冶金方面的副作用,限制了该方法的进一步推广及应用。
3. 局部高温回火
采用火焰对焊接构件局部加热,在高温处,材料的热膨胀受到构件本身刚性制约,产生局部压缩塑性变形,冷却后收缩,抵消了焊后部位的伸长变形,达到矫正目的, 局部加热矫正方法简便灵活,因此在生产上广为应用。在实际使用时应控制加热的温度与位置，对于低碳钢和普通低合金钢，常采用600～800℃的加热温度。
4. 机械拉伸法
对焊件进行加载，使焊缝区产生微量塑性拉伸，可以使残余应力降低。例如，压力容器在进行水压试验时，将试验压力加到工作压力的1.2～1.5倍，这时焊缝区发生微量塑性变形，应力被释放。
5.温度拉伸法
对焊后的焊件沿焊缝两侧加热，然后再快速冷却形成一个焊缝两侧温度高、焊缝区温度低的温度场，从而使原焊缝区受到的压缩塑性变形进行拉伸，以抵消原来的压缩塑性变形，消除部分应力。
6.振动时效处理
利用一种严格受控的振动能量，对结构件进行处理，以解决结构件内部因残余应力导致抗载荷能力变化的问题。
7.电物理处理
采用电物理处理装置对焊缝进行处理，替代传统的焊后热处理。
四、焊接变形和矫正方法
1.机械矫正
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利用机械力产生塑性变形来矫正焊接变形，如图3-10所示。这种方法适用于塑性较好、厚度不大的焊件。
2.火焰矫正
利用金属局部受热后的冷却收缩来抵消已发生的焊接变形。这种方法主要用于低碳钢和低淬硬倾向的低合金钢。火焰矫正一般采用气焊焊炬，不需专门设备，其效果主要取决于火焰加热的位置和加热温度。加热温度范围通常在600℃～800℃。图3-11为T形梁上拱变形的火焰矫正方法。加热方法有以下几种：
（1）点状加热法
多用于薄板结构，加热点直径d≥15mm,加热点中心距a为50～100mm。 （2）线状加热法
多用于矫正角变形、扭曲变形及筒体直径过大或椭圆度。 （3）三角形加热法 多用于矫正弯曲变形。 （4）水火矫正法
多用于双曲面板材的加工成形。
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焊接应力与变形
