金屬焊接應(yīng)力與變形的基礎(chǔ)知識(shí)

  一、焊接應(yīng)力與變形的基本知識(shí)
1、彈性變形和塑性變形
變形: 物體在外力或溫度等因素的作用下，其形狀和尺寸發(fā)生變化，這種變化稱為物體的變形。
彈性變形: 當(dāng)使物體產(chǎn)生變形的外力或其他因素去除后變形也隨之消失，物體可恢復(fù)原狀，這樣的變形稱為彈性變形。
塑性變形: 當(dāng)外力或其他因素去除后變形仍然存在，物體不能恢復(fù)原狀，這樣的變形稱為塑性變形。
2、應(yīng)力
物體受外力作用后所導(dǎo)致物體內(nèi)部之間的相互作用力稱為內(nèi)力。
另外，在物理、化學(xué)或物理化學(xué)變化過(guò)程中，如溫度、金相組織或化學(xué)成分等變化時(shí)，在物體內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)生內(nèi)力。
作用在物體單位面積上的內(nèi)力叫做應(yīng)力。
根據(jù)引起內(nèi)力原因的不同，可將應(yīng)力分為工作應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力。
工作應(yīng)力是由外力作用于物體而引起的應(yīng)力；
內(nèi)應(yīng)力是由物體的化學(xué)成分、金相組織及溫度等因素變化，造成物體內(nèi)部的不均勻性變形而引起的應(yīng)力。
3、焊接應(yīng)力與焊接變形
焊接應(yīng)力是焊接過(guò)程中及焊接過(guò)程結(jié)束后，存在于焊件中的內(nèi)應(yīng)力。
焊接變形是由焊接而引起的焊件尺寸的改變。

二、焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原因
1、焊件的不均勻受熱
（1）不受約束的桿件在均勻加熱時(shí)的應(yīng)力與變形 其變形屬于自由變形，因此在桿件加熱過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生任何內(nèi)應(yīng)力，冷卻后也不會(huì)有任何殘余應(yīng)力和殘余變形。
（2）受約束的桿件在均勻加熱時(shí)的應(yīng)力與變形
如果加熱溫度較高，達(dá)到或超過(guò)材料屈服點(diǎn)溫度時(shí)（T﹥TS=600），則桿件中產(chǎn)生壓縮塑性變形，內(nèi)部變形由彈性變形和塑性變形兩部分組成。當(dāng)溫度恢復(fù)到原始溫度時(shí)，彈性變形恢復(fù)，塑性變形不可恢復(fù)，可能出現(xiàn)以下三種情況：
①如果桿件能充分自由收縮，那么桿件中只出現(xiàn)殘余變形而無(wú)殘余應(yīng)力；
②如果桿件受絕對(duì)拘束，那么桿件中沒(méi)有殘余變形而存在較大的殘余應(yīng)力；
③如果桿件收縮不充分，那么桿件中既有殘余應(yīng)力又有殘余變形。
2、焊縫金屬的收縮
當(dāng)焊縫金屬冷卻、由液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)時(shí)，其體積要收縮。由于焊縫金屬與母材是緊密聯(lián)系的，因此，焊縫金屬并不能自由收縮。這將引起整個(gè)焊件的變形，同時(shí)在焊縫中引起殘余應(yīng)力。
3、金屬組織的變化
鋼在加熱及冷卻過(guò)程中發(fā)生金相組織的變化，這些組織的比體積不一樣，也會(huì)造成焊接應(yīng)力與變形。
4.焊件的剛性和拘束
焊件自身的剛性及受周圍的拘束程度越大，焊接變形越小，焊接應(yīng)力越大；反之，焊件自身的剛性及受周圍的拘束程度越小，則焊接變形越大，而焊接應(yīng)力越小。
剛性——是指焊件抵抗變形的能力。
拘束——是指焊件周圍物體對(duì)焊接變形的約束。

三、焊接殘余應(yīng)力及分布
（一）、焊接殘余應(yīng)力 是焊件焊完冷卻后殘留在焊件內(nèi)的焊接應(yīng)力，焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、耐蝕性和尺寸穩(wěn)定性等使用性能有影響。
（二）、焊接殘余應(yīng)力的分布
1、縱向殘余應(yīng)力σx的分布
作用方向平行于焊縫軸線的殘余應(yīng)力稱為縱向殘余應(yīng)力。
2、橫向殘余應(yīng)力σy的分布
垂直于焊縫軸線的殘余應(yīng)力稱為橫向殘余應(yīng)力。
（1）焊縫及其附近塑性變形區(qū)的縱向收縮引起的橫向殘余應(yīng)力σ΄y 圖1-8a
（2）橫向收縮所引起的橫向殘余應(yīng)力σ΄΄y
總之，橫向殘余應(yīng)力的兩個(gè)組成部σ΄y、σ΄΄y同時(shí)存在，焊件中的橫向殘余應(yīng)力σy是由σ΄y、σ΄΄y合成的，但它的大小要受σs的限制。
（三）、焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的影響
1、對(duì)焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響
焊接殘余應(yīng)力的存在將明顯降低脆性材料結(jié)構(gòu)的靜載強(qiáng)度。
2、對(duì)構(gòu)件加工尺寸精度的影響
3、對(duì)受壓桿件穩(wěn)定性的影響
4、對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響
（四）、減小焊接殘余應(yīng)力的措施
1、設(shè)計(jì)措施
1）盡量減少結(jié)構(gòu)上焊縫的數(shù)量和焊縫尺寸
2）避免焊縫過(guò)分集中
3）采用剛度較小的接頭形式

2、工藝措施
（1）采用合理的裝配焊接順序和方向
在一個(gè)平面上的焊縫，焊接時(shí)應(yīng)保證焊縫的縱向和橫向收縮均能比較自由，如圖1-20所示的拼板焊接，合理的焊接順序應(yīng)是，即先焊相互錯(cuò)開的短焊縫，后焊直通長(zhǎng)焊縫。
收縮量最大的焊縫應(yīng)先焊。
因?yàn)橄群傅暮缚p收縮時(shí)受阻較小，因而殘余應(yīng)力就比較小。如圖1-21所示的帶蓋板的雙工字梁結(jié)構(gòu)，應(yīng)先焊蓋板上的對(duì)接焊縫1，后焊蓋板與工字梁之間的角焊縫2，原因是對(duì)接焊縫的收縮量比角焊縫的收縮量大。
工作時(shí)受力最大的焊縫應(yīng)先焊。如圖1-22所示的大型工字梁，應(yīng)先焊受力最大的翼板對(duì)接焊縫1，再焊腹板對(duì)接焊縫2，最后焊預(yù)先留出來(lái)的一段角焊縫3。
焊接平面交叉焊縫時(shí)，在焊縫的交叉點(diǎn)易產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力。
對(duì)接焊縫與角焊縫交叉的結(jié)構(gòu)。
（2）預(yù)熱法
（3）冷焊法 冷焊法是通過(guò)減少焊件受熱來(lái)減小焊接部位與結(jié)構(gòu)上其他部位間的溫度差。
（4）降低焊縫的拘束度
（5）加熱“減應(yīng)區(qū)”法 焊接時(shí)加熱那些阻礙焊接區(qū)自由伸縮的部位，使之與焊接區(qū)同時(shí)膨脹和同時(shí)收縮，起到減小焊接殘余應(yīng)力的作用。
（五）、消除焊接殘余應(yīng)力的方法
1、熱處理法 包括整體高溫回火和局部回火
（1）整體熱處理 是將整個(gè)構(gòu)件緩慢加熱到一定的溫度（低碳鋼為650℃），并在該溫度下保溫一定的時(shí)間（一般按每毫米板厚保溫2~4min，但總時(shí)間不少于30min），然后空冷或隨爐冷卻。
（2）局部熱處理
2、機(jī)械拉伸法
在壓力容器制造的最后階段，通常要進(jìn)行水壓試驗(yàn)，和起重機(jī)的靜載試驗(yàn)，其目的之一也是利用加載來(lái)消除部分殘余應(yīng)力。
4、錘擊焊縫
錘擊焊縫，可使焊縫金屬產(chǎn)生延伸變形，能抵消一部分壓縮塑性變形，起到減小焊接殘余應(yīng)力的作用。
5、振動(dòng)法

四、 焊接變形
（一）、焊接變形的基本形式
焊接變形在焊接結(jié)構(gòu)中的分布是很復(fù)雜的。按變形對(duì)整個(gè)焊接結(jié)構(gòu)的影響程度可將焊接變形分成局部變形和整體變形；五種基本變形形式：收縮變形、角變形、彎曲變形、波浪變形和扭曲變形。插[1]表2-1
（二）、矯正焊接變形的方法
1、手工矯正法
手工矯正法就是利用錘子、大錘等工具錘擊焊件的變形處。
2、機(jī)械矯正法
機(jī)械矯正法就是利用機(jī)器或工具來(lái)矯正焊接變形。
3、火焰加熱矯正法
火焰加熱矯正法就是利用火焰對(duì)焊件進(jìn)行局部加熱，使焊件產(chǎn)生新的變形去抵消焊接變形。