焊接应力与变形的形成

基础知识

应力与变形的基本知识

1.变形

物体在外力或温度等因素的作用下，其形状和尺寸发生变化，这种变化称为物体的变形。当使物体产生变形的外力或其他因素去除后变形也随之消失，物体可恢复原状，这样的变形称为弹性变形。当外力或其他因素去除后变形仍然存在，物体不能恢复原状，这样的变形称为塑性变形。物体的变形还可按拘束条件分为自由变形和非自由变形。在非自由变形中，有外观变形和内部变形两种。

2.应力

存在于物体内部的、对外力作用或其他因素引起物体变形所产生的抵抗力，叫作内力。另外，在物理、化学或物理化学变化过程中，如温度、金相组织或化学成分等变化时，在物体内也会产生内力。物体单位截面积上的内力叫作应力。

根据引起内力的原因不同，可将应力分为工作应力和内应力。工作应力是由外力作用于物体而引起的应力；内应力是由物体的化学成分、金相组织及温度等因素变化，造成物体内部的不均匀性变形而引起的应力。内应力存在于许多工程结构中，如铆接结构、铸造结构、焊接结构等。焊接应力就是一种内应力。

3.焊接应力与焊接变形

焊接应力是焊接过程中及焊接过程结束后，存在于焊件中的内应力。由焊接而引起的焊件尺寸的改变称为焊接变形。

焊接变形的特点为：

（1）某一瞬时各部位的膨胀和收缩不同。

（2）焊缝的位置对变形的影响很大。

（3）焊接顺序对焊接变形影响也很大。

焊接应力的特点有：

（1）焊接应力都是内应力。

（2）在焊件内构成平衡力系，在一个截面上，拉应力和压应力共存并平衡。

（3）在焊接过程中，应力随时间变化。

任务实施

焊接应力与变形产生的原因

产生焊接应力与变形的因素很多，其中最根本的原因是焊接过程中对焊件进行了局部的、不均匀的加热，其次是由于焊缝和焊缝附件受热区的金属都发生缩短、金相组织的变化及焊件的刚性不同所致。另外，焊缝在焊接结构中的位置、装配焊接顺序、焊接方法、焊接电流及焊接方向等对焊接应力与变形也有一定的影响，下面着重介绍4个主要因素。

1.焊件的不均匀受热

焊件的焊接是一个局部的加热过程，焊件上的温度分布极不均匀，为了便于了解不均匀受热时应力与变形的产生，下面对不同条件下的应力与变形进行讨论。

（1）长板条中心加热（类似于堆焊）引起的应力与变形 如图6-1 (a)所示的长度为L0，厚度为δ的长板条，材料为低碳钢，在其中间沿长度方向上进行加热，为简化讨论，我们将板条上的温度分为两种，中间为高温区，其温度均匀一致；两边为低温区，其温度也均匀一致。

加热时，如果板条的高温区与低温区是可分离的，高温区将伸长，低温区不变，如图6-1 (b)所示。但实际上板条是一个整体，所以板条将整体伸长，此时高温区内产生较大的压缩塑性变形和压缩弹性变形，如图6-1 (c)所示。冷却时，由于压缩塑性变形不可恢复，所以，如果高温区与低温区是可分离的，高温区应缩短，低温区应恢复原长，如图6-1 (d)所示。但实际上板条是一个整体，所以板条将整体缩短，这就是板条的残余变形， 如图6-1 (e)所示。同时，在板条内部也产生了残余应力，中间高温区为拉应力，两侧低温区为压应力。

图6-1  钢板条中心加热和冷却时的应力与变形

（2）长板条一侧加热（相当于板边堆焊）引起的应力与变形 如图6-2 (a)所示的材质均匀的钢板，在其上边缘快速加热。假设钢板由许多互不相连的窄条组成，则各窄条在加热时将按温度高低而伸长，如图6-2 (b)所示。但实际上，板条是一整体，各板条之间是互相牵连、互相影响的，上一部分金属因受下一部分金属的阻碍作用而不能自由伸长，因此产生了压缩塑性变形。由于钢板上的温度分布是自上而下逐渐降低，因此，钢板产生了向下的弯曲变形，如图6-2 (c)所示。

钢板冷却后，各板条的收缩应如图6-2 (d)所示。但实际上钢板是一个整体，上一部分金属要受到下一部分的阻碍而不能自由收缩，所以钢板产生了与加热时相反的残余弯曲变形，如图6-2 (e)所示。同时在钢板内产生了如图6-2 (e)所示的残余应力，即钢板中部为压应力，钢板两侧为拉应力。

由上述讨论可知：对构件进行不均匀加热，在加热过程中，只要温度高于材料屈服点的温度，构件就会产生压缩塑性变形，冷却后，构件必然有残余应力和残余变形。

图6-2  钢板边缘一侧加热和冷却时的应力与变形

2.焊缝金属的收缩

焊缝金属冷却时，当它由液态转为固态时，其体积要收缩。由于焊缝金属与母材是紧密联系的，因此，焊缝金属并不能自由收缩。这将引起整个焊件的变形，同时在焊缝中引起残余应力。另外，一条焊缝是逐步形成的，焊缝中先结晶的部分要阻止后结晶部分的收缩，由此也会产生焊接应力与变形。

3.金属组织的变化

钢在加热及冷却过程中发生相变，可得到不同的组织，这些组织的比容也不一样，由此也会造成焊接应力与变形。

4.焊件的刚性和拘束

焊件的刚性和拘束对焊接应力和变形也有较大的影响。刚性是指焊件抵抗变形的能力；而拘束是焊件周围物体对焊件变形的约束。刚性是焊件本身的性能，它与焊件材质、焊件截面形状和尺寸等有关；而拘束是一种外部条件。焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越大，焊接变形越小，焊接应力越大；反之，焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越小，则焊接变形越大，而焊接应力越小。

拓展提高

焊接时产生的应力和变形危害分析

1.焊接应力造成的危害性

焊接应力是造成焊接热裂纹、冷裂纹及再热裂纹的原因之一。如发现宏观裂纹的焊接结构，则需要进行返修或报废。而在腐蚀介质中工作的焊接构件，如果具有拉伸残余应力，就会使构件产生应力腐蚀开裂的应力脆断。由于存在焊接应力，降低了焊接结构的承载能力，所以当焊接应力超过材料的屈服点时，将会使材料的塑性受到损失。具有焊接应力的焊接构件，如果进行焊后机械加工，则会破坏构件内应力的平衡，引起焊接构件的变形，影响加工尺寸的不稳定性。

2.焊接变形造成的危害性

焊接变形的危害在某种程度上比应力的危害要大，由于焊件的变形导致构件尺寸及形状的技术指标的精度超差，降低了焊接结构的装配质量及承载能力。对此需要将发生变形的构件进行矫正，因此浪费大量的工时及材料。当焊件变形过大，而且难以矫正时，就会导致产品的报废。在焊接生产加工过程中，操作者要精心设计，尽量避免焊接应力与变形的产生。