焊接應力
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焊接應力范文第1篇
在建筑鋼結構發展如火如荼的今天，形式各異、功能優良的焊接機械、焊接方法日新月異，焊接技術成了一個重要課題。本文將通過簡要分析焊接變形和焊接應力產生的原因，探究和把握它們和變化規律，以便在鋼結構施工中對焊接變形和焊接應力采取科學合理的方法予以預防、控制和消除。
一、焊接變形與焊接應力的基本概念
1、焊接變形
焊接變形是由于焊接而引起的焊接結構的變形，焊接結構的變形從焊接開始即發生，并一直持續到焊接結構冷卻至原始溫度時才結束。焊接變形包括焊接過程中的變形和焊接殘余變形。
2、焊接應力
焊接應力是焊接過程中及焊接過程結束后存在于焊接結構中的內應力，如圖所示對接接頭縱向焊接內應力的分布。焊接應力也是焊接一開始就產生，并且隨著焊接的進行而不斷地改變它在結構中的分布，按照焊接應力作用時間的不同，焊接應力分為焊接瞬時應力和焊接殘余應力。
二、焊接變形和焊接應力產生的原因
產生焊接變形與應力最根本的原因是焊件受熱或冷卻不均勻，此外，焊縫金屬的收縮、金相組織的變化及焊件的剛性也是產生或影響焊接變形與應力的重要原因。
1、焊件的不均勻受熱
焊接是一種局部加熱和冷卻的過程，焊件焊接區的金屬在熱作用下的熱自由膨脹受到周圍未被加熱金屬的阻礙而發生壓縮縮性變形，所以焊后冷卻時，這一區域的金屬必然有收縮變短的趨勢。
2、焊縫金屬的收縮
焊縫金屬包括熔化的母材和填充金屬，甚至包括焊縫兩側力學熔點以上的固態母材金屬，它們均處于全塑性狀態，只有自身的塑性變形，對周圍金屬并無推力和拉動作用，這部分金屬在力學熔點以下是不能自由收縮的。
3、金屬組織的變化
有些金屬在固態下有相變過程。焊縫金屬在周圍冷金屬的包圍中，冷卻速度極快。如高強鋼焊接時，焊縫金屬像被淬火一樣，來不及相變，直到較低溫度下，才從奧氏體轉變為馬氏體，比容明顯增大，這不但可能抵消焊接時產生的部分壓縮塑性變形，減小殘余拉應力，甚至可能使焊縫區出現較大的壓應力。
4、焊件的剛性和拘束
焊件的剛性和拘束與焊接應力、焊接變形有密切的關系。焊件的剛度和拘束越大，焊接變形就越小、焊接應力則越大；反之，焊件的剛度和拘束越小，焊接變形就越大，焊接應力則越小。
三、焊接變形和焊接應力的預防和控制
1、預防和控制焊接變形的措施
（1）設計措施：
設計上要盡量減少焊縫的數量和尺寸，合理布置焊縫，除了要避免焊縫密集以外，還應使焊縫位置盡可能靠近構件的中軸，并使焊縫的布置與構件中軸相對稱。
（2）工藝措施
① 反變形法
在焊接前進行裝配時，預先制造或設置一個與焊接變形相反的變形，以便在焊接過程中，使焊接變形與預制的反變形相互抵消，達到焊接后沒有變形的目的，它屬于預防焊接變形的措施。
② 選擇合理的裝配焊接順序
選擇合理的裝配焊接順序，使焊接變形消失于裝配焊接的過程中，或使不同時期，不同位置產生的焊接變形相反、相消，達到調整、控制和消減焊接變形的目的。
③ 選擇適宜的焊接方法
多種焊接方法的熱輸入差別較大，在建筑鋼結構焊接常用的幾種焊接方法中，除電渣焊以外，埋弧焊熱輸入最大，在其他條件如焊縫截面積相同情況下，收縮變形最大，手工電弧焊居中，CO2氣體保護焊最小。對屈服強度345Mpa以下，淬硬性不強的鋼材采用較小的熱輸入，盡可能不預熱或適當降低預熱、層間溫度；優先采用熱輸入較小的焊接方法，如CO2氣體保護焊。
④ 固定法
剛性固定法是一個傳統的限制焊接變形的方法，簡單的固定和限制松開后，彈性變形要釋放，不能完全防止焊接變形。剛性固定的方法很多，有的用簡單的夾具成支撐，有的采用專用的胎具，有的是臨時點固在剛性工作平臺上，有的甚至利用結構本身去構成剛性較大的組合體。
⑤ 散熱法
散熱法又稱強迫冷卻法，就是把焊接熱量迅速散走，使焊縫附近的金屬受熱面大大減小，達到減小焊接變形的目的，常用的散熱法有水浸法和散熱墊法。水浸法常用于表面堆焊和補焊。
2、預防和控制焊接應力的措施
（1）采用合理的焊接順序
不僅防止彎曲及角變形等焊接變形時要考慮合理安排焊接順序，而且減小應力也應選擇合理的焊接順序，具體原則如下：
① 平面上的焊縫焊接時，要保證焊縫的縱向和橫向（特別是橫向）收縮不要受到較大的約束。
② 收縮量最大的焊縫應當先焊。因為先焊的焊縫收縮時受阻較小，故應力較小。
（2）預先留出保證焊縫能夠自由收縮的余量
1開緩和槽減小應力法：厚度大的焊件剛性大，焊接時容易產生裂紋，在不影響結構強度性能的前提下，可以采用在焊縫附近開緩和槽的方法來減小焊接應力，避免裂紋的產生。
2采用“冷焊”的方法：這種方法的原則是使整個結構上的溫度分布盡可能均勻，即要求焊接部位這個“局部”的溫度應盡量控制得低些，同時這個“局部”在結構這個“整體”中所占的面積范圍應盡量小些。
3整體預熱法：這種方法減小焊接應力的原理與“冷焊法”在本質上是相似的，即同樣是使焊接區的溫度和結構整體溫度之間的差別減小，差別愈小，冷卻后焊接應力也愈小，產生裂紋的傾向也愈小。
4采用加熱“減應區”法：這種方法就是加熱那些阻礙焊接區自由伸縮的部位（“減應區”），使之與焊接區同時膨脹和同時收縮，起到減小焊接應力的作用。這種方法又稱為加熱去除約束法。
四、焊接變形和焊接應力的消除
1、焊接變形的矯正
在鋼結構加工之前，首先考慮采取各種有效措施防止或減小焊接變形，但在實際施工中由于某些原因，焊后結構會發生了超過產品技術要求所允許的變形，這樣就必須設法矯正變形，使之符合產品質量要求。
2、焊接應力的消除
（1）去應力退火：又稱高溫回火，焊后鋼件加熱溫度為500～650℃，可進行整體去應力退火，也可以局部退火。
（2）機械拉伸法：即對焊件施加載荷，使焊縫區產生塑性拉伸，以減少其原有的壓縮塑變，從而降低或消除應力。如：壓力容器的水壓試驗。
（3）溫差拉伸法：利用溫差使焊縫兩側金屬受熱膨脹以對焊縫區進行拉伸，使其產生拉伸塑變以抵消原有的壓縮塑變，從而減少或消除應力，該法適用于焊縫較規則，厚度在40L以下的板殼結構。
（4）振動法：通過激振器使焊接結構發生共振產生循環應力來降低或消除內應力。
焊接應力范文第2篇
[關鍵詞]大型 鋼結構 組裝 焊接 變形 應力 控制 措施
一、焊接應力與釋放概述
1.焊接應力概述
焊接應力:是焊接過程中焊件內產生的應力。它是導致結構變形,形成裂紋的主要原因。焊接應力可分為瞬態熱應力和焊接殘余應力。焊接應力的危害可從兩方面考慮:
(1)對結構完整性的影響
焊接熱應力可促使焊縫產生熱裂紋,殘余應力導致焊后延遲裂紋的形成。
(2)對結構服役性能的影響
焊接殘余應力可以加速疲勞破壞,導致應力腐蝕開裂(包括硫化物引起的開裂和堿脆破壞),產生低溫脆斷破壞,促進材料的腐蝕磨損等,壓縮殘余應力還會造成薄板結構或細長桿件的壓曲失穩,產生面外變形。
2.應力釋放
應力釋放(stress relief)是指物體內某一點的應力由于釋放能量而降低的現象;確切地說是能量釋放。應力釋放一般有兩種情況:其一,在應力集中的部位,如斷裂端點和交叉部位等處發生形變或破壞,導致應力釋放。其二,并非應力集中的地區巖質相變、巖石力學性質變化或其他原因,致使強度降低,也會發生形變或破壞,造成應力釋放。
二、焊接應力減小與釋放的研究
在焊接過程當中,由于焊接點的好壞,往往會出現焊接殘余應力,焊接殘余應力和殘存變形將影響構件的受力和使用,并且是形成各種焊接裂紋的因素之一,應在焊接、制造和設計時加以控制和重視。因此在焊接大型鋼結構屋架的時候,由于我們需要對焊接應力進行詳細的分析與研究,將焊接應力所產生的影響降低到最小的限度。一般來說,焊接的方式主要分為幾種,熱時效、加載法、超聲沖擊與錘擊。以下就這幾種方式進行探討。
1.大型鋼屋架不應采用熱時效方法
對重要焊接構件先進行整體熱時效,然后在現場與其它構件進行組合拼焊的工藝是建筑鋼結構制造常采用的方法。在焊接很多大型鋼結構建筑物的時候,我們一般都是采用整體熱時效,然后運現場拼焊。采用盲孔法殘余應力測量技術對轉換柱熱時效工藝效果,通過熱時效的焊接方式,可以具有焊縫去氫、恢復塑性和消應力三重功能。在焊接過程當中,一般認為熱時效的消應力效果為40-80%,能有效的保證焊接的效果完整。
但是對于本論文案例――大型鋼結構屋架來說,在現場采用的拼焊的方式,很容易導致殘余的應力依然保存在鋼的結構當中,無法再焊接的過程中消除,加上現場無法采用進一步的熱時效的方式對屋架進行處理,僅采用局部的熱時效無法達到消除整個殘余應力的要求,加上局部的熱效應在加熱的邊緣還會出現新的殘余應力無法得到清除。因此現場采用局部熱時效的方式建議在焊接過程當中作為焊接小型的鋼材為主。焊接大型鋼結構的屋架建議考慮其它補充、替代工藝。
2.建議采用加載法
加載法就是通過不同方式在構件上施加一定的拉伸應力,使焊縫及其附近產生拉伸塑性變形,與焊接時在焊縫及其附近所產生的壓縮塑性變形相互抵消一部分,達到松馳應力的目的。這種方式可以在一定程度上進行進行大型鋼結構屋架的焊接。由于在焊接前先將所焊接的鋼彩進行拉伸。在焊接完畢之后,鋼材能夠在恢復時抵消焊接應力的影響,并且能夠有一定的伸縮度,提高屋頂的承重能力。因此焊接大型鋼結構屋架應該主要采用這種方式。
3.焊接過程中補充使用超聲沖擊與錘擊的方法
超聲沖擊消應力技術由烏克蘭巴頓焊接研究所提出,近年引入我國,已在北京電視臺鋼結構立柱上進行過試驗。超聲沖擊消應力工藝的特點是:在超聲頻率(≥16KHz)下應用束狀沖頭,在對焊趾和焊縫表面進行沖擊;從實驗的數據來看:
⑴超聲沖擊對一定深度的表層有消應力的效果,在采用對焊道全覆蓋沖擊時,被沖擊的表面會形成壓應力,對2～4mm深度層消應力效果可達34～55%。
⑵采用焊趾沖擊法,可以快速修復焊趾的缺陷,降低應力集中。并伴隨其壓應力區的作用可以在一定程度上降低焊趾邊未受沖擊焊縫的殘余應力,下降率達19%,對提高接頭的疲勞壽命有明顯作用。
⑶由于沖擊工藝處理的特點,僅可以用于沖擊工具可達的外表面,其工作效率約為1200mm2/min。
沖擊工藝一般采用的應壓力的方式將焊接應力隨著振動的方式進行消除,這種工藝一般適用于短焊接的局部處理。例如修補焊接口,小配件焊接方式等。焊接后容易產生延遲冷裂紋的情況。因此在屋架焊接上可以采用于一些零件搭配焊接的方面。
三、結束語
從上述分析我們可以知道,在焊接的過程當中會出現焊接應力來影響整個焊接的結果,因此在焊接之前,認真了解所焊接的工藝屬于什么類型的產品和焊接的方法等,就能夠在焊接過程當中最大限度的消除焊接應力。
⑴ 建筑屋架鋼結構焊后存在高的殘余應力,時效工藝可以明顯降低應力水平,對安全性及使用壽命帶來好處。
⑵ 上述消應力工藝皆可應用于大型鋼結構屋架:其中熱時效可作為重要零部件的整體消應力工藝;加載法、超聲沖擊、錘擊可作為現場拼焊后的消應力和控制應力集中的工藝;加載法可更廣泛地滿足現場拼焊控制殘余應力的要求。
參考文獻:
[1]湖北省建筑工程總公司。《建筑鋼結構焊接規程》( JGJ81 - 91 )。中華人民共和國行業標準。北京:中國計劃出版社, 1993
[2]中華人民共和國國家標準:《鋼結構工程施工質量驗收規范》, (GB50205-2001) ,中國計劃出版社,北京, 2002
焊接應力范文第3篇
關鍵詞：焊接應力 蜂窩梁
蜂窩梁是在H型腹板上按一定的折線進行切割后變換位置重新焊接組合而成的新型梁。由于擴張后增大了截面慣性矩和抵抗矩，所以顯著提高了梁的剛度和強度，在梁本身自重減輕的情況下梁能承受更大的荷載，應用于更大的跨度，節省鋼材、運輸安裝費用，有很可觀的經濟價值，在民用、工業工程中都得到了廣泛的應用。作為安裝工程中的主要構件，“快、好、省”地完成蜂窩梁的制作安裝成了各個安裝公司的實施目標，這給蜂窩梁制作安裝技術提出了高要求。質量好是“快、好、省”的核心，而蜂窩梁的制作質量是影響整個蜂窩梁制作安裝工程的關鍵。
在蜂窩梁制作過程中出現的最大問題就是變形，造成變形的因素有很多，H型鋼本身的質量問題、運輸過程中造成的變形、焊接應力產生的變形等等。而焊接應力造成的影響比較嚴重，焊接應力對焊件有6個方面的影響：①焊接應力將使靜載強度降低。②焊接應力使焊件的剛度降低。③焊接應力造成桿件的整體穩定性降低。④焊接應力的存在對焊件的加工精度有不同程度的影響。⑤焊接應力隨時間發生一定的變化，焊件的尺寸也隨之變化。⑥焊接殘余應力和載荷應力一樣也能導致應力腐蝕開裂。處理變形問題需要費工、費時，處理不好直接影響下一步的安裝，可能造成返工。而作為施工現場質量控制的重點就是預控、處理焊接應力產生的變形等各種問題。
蜂窩梁制作過程中的焊接應力，是構件由于切割、焊接而產生的應力。切割、焊接過程的不均勻溫度場以及由它引起的局部塑性變形和比容不同的組織是產生焊接應力和變形的根本原因。當焊接引起的不均勻溫度場尚未消失時，焊件中的這種應力和變形為瞬態焊接應力和變形；焊接溫度場消失后的應力和變形為殘余焊接應力和變形。蜂窩梁焊接變形主要有6種形式：①縱向收縮變形：沿焊縫長度方向的收縮。由于蜂窩梁縱向焊縫長，這是蜂窩梁變形的主要原因。②橫向收縮變形：垂直于焊縫方向的橫向收縮。③撓曲變形：構件中性軸上下不對稱的收縮引起的彎曲變形。④錯邊變形：焊接邊緣在焊接過程中，因膨脹不一致而產生的厚度方向的錯邊。⑤扭曲變形：由于裝配不良、施焊程序不合理而使焊縫的縱向、橫向收縮沒有規律所引起的變形。⑥角變形：繞焊縫軸線的角位移。
針對蜂窩梁焊接變形的主要具體表現形式，采取措施減少、消除焊接應力產生的變形：①利用H型鋼的剛度來預先控制焊接應力產生的變形。將H型鋼切割前沿長邊使用卡具兩邊同時與其它H型鋼長邊固定，形成整體。②切割時采用等離子切割設備，焊接時采用電弧焊。等離子切割熱變形小、幾乎沒有熱影響區，而且等離子切割的成本比氧乙炔火焰切割成本低很多、速度也比較快，但是等離子設備比較嬌氣，要及時維護、防止磕碰撞擊等。施工現場考慮進度，一般采用埋弧焊。埋弧焊雖然速度快，但很多是由于是間斷焊，速度有所降低，且由于線能量大，熱影響區也大，因此變形量大。而手工電弧焊熱影響區相對較小，且可以采用間斷焊等方法，焊接應力控制比較靈活。最理想的焊接方法是CO2氣體保護焊，焊接變形小，速度快而且成本低。切割時的防變形控制措施如下圖示：
說明：a龍門卡板用厚度12-16的鋼板制作，用于將相鄰H型鋼的翼緣板緊固于一起。b H型鋼兩端頭必須有卡板龍門固定，中間1.5米-2米加設一個。c兩邊的H型鋼用于固定相鄰的已切割的半條的H型鋼，操作時不被切割。d H型鋼并排平鋪，幾根至幾十根均可。e作業人員在較大的平面上操作，安全、方便、效率高。f地面要求平整硬實。
焊接時的防變形措施如下圖示：
說明：a龍門卡板與切割時的卡板相同，可重復使用，設置方法也相同。b地面要求平整硬實。
③選擇合理的焊接順序。蜂窩梁構件總的焊接順序為：
對于蜂窩梁來說，應從中間同時向兩邊焊，使恢復由中間向外依次收縮，減少焊接應力。同時結合間斷焊，減少焊縫與母材因受熱面的增加而產生塑性變形。
④使用角向磨光機開坡口。蜂窩梁組對后，在六邊形端面進行固定的點焊，點焊用手工電弧焊。這樣整個上表面沒有焊點，用￠150-￠180的角向磨光機在焊縫處打磨開坡口。用角向磨光機開坡口不僅質量好而且速度快，因為H型鋼的腹板一般比較薄，實際操作過程中很難用等離子或者氧乙炔火焰開坡口，即便操作技能較高的操作者能開出坡口來其質量也無法保證。這是一個比較現實又容易操作的方法。雖然用角向磨光機開坡口較為費工時，但其質量好，為下一道程序焊接提供了有利的基礎和保障，其綜合成本還是較低的。正面焊接完成后，整體翻個面也用角向磨光機打磨坡口并清根。⑤如果焊接采用手工電弧焊要用小焊條低電流打底（3.2mm焊條），減小熱影響區，從而減小焊接應力。焊接電流見下表：
⑥錘擊法。在焊后冷卻過程中用手錘或風動錘敲擊焊縫金屬，促使焊縫金屬產生塑性變形，可抵消一定的焊縫收縮量，起到減小焊接應力的作用。
用以上切割和焊接的方法進行操作，只要這幾個方面都做到了，就能夠保證制作出來的蜂窩梁不變形，可以直接進行整架蜂窩梁的組對，不需要再用矯直機調整。不僅保證了質量更保證了進度和總體工期。
參考文獻：
[1]馮春燕，于大永.圓孔蜂窩梁的彎扭屈曲分析[J].工業建筑，2011（S1）.
焊接應力范文第4篇
關鍵詞 焊接殘余應力；有限元；對接焊縫
一、焊接殘余應力的概念
焊接構件由焊接而產生的內應力稱之為焊接應力，按作用時間可分為焊接瞬時應力和焊接殘余應力。焊接過程中，某一瞬時的焊接應力稱之為焊接瞬時應力，它隨時間而變化；焊后殘留在焊件內的焊接應力稱之為焊接殘余應力。焊接殘余應力為熱應力（主要為冷卻應力），相變應力可再疊加其上。在冷焊、擴散焊、滾軋敷層和爆炸敷層等情況下，冷加工作用力是殘余應力的源泉，它可單獨作用，也可能附加于上述熱效應之上。
二、焊接殘余應力產生的原因
焊接過程是一個先局部加熱，然后再冷卻的過程。焊件在焊接時產生的變形稱為熱變形，焊件冷卻后產生的變形稱為焊接殘余變形，這時焊件中的應力稱為焊接殘余應力。焊接應力包括沿焊縫長度方向的縱向焊接應力，垂直于焊縫長度方向的橫向焊接應力和沿厚度方向的焊接應力。焊接殘余應力產生的主要原因是由焊接過程中不均勻加熱所引起的。焊接應力按其發生源來區分，有如下3種情況：
（1）直接應力是進行不均勻加熱和冷卻的結果，它取決于加熱和冷卻時的溫度梯度，是形成焊接殘余應力的主要原因。（2）間接應力是由焊前加工狀況所造成的壓力。構件若經歷過軋制或拉拔時，都會使之具有此類殘余應力。這種殘余應力在某種場合下會疊加到焊接殘余應力上去，而在焊后的變形過程中，往往也具有附加性的影響。另外，焊件受外界約束產生的附加應力也屬于此類應力。（3）組織應力是由組織變化而產生的應力，也就是相變造成的比容變化而產生的應力。它雖然因含碳量和材料其它成分不同而有異，但一般情況下，這種影響必須要加以考慮的是，發生相變的溫度和平均冷卻速度。
焊后消除應力處理：（1）整體熱處理：消除應力的程度主要決定于材質的成分、組織、加熱溫度和保溫時間。低碳鋼及部分低合金鋼焊接構件在650度，保溫20～40h，可基本消除全部殘余應力。另外還有爆炸消除應力。（2）局部熱處理：大型焊接結構，受加熱爐的限制或要求不高時采用這種方法。可采用火焰、紅外、電阻、感應等加熱方式，應保持均勻加熱并具有一定的加熱寬度。低合金高強鋼，一般在焊縫兩側各100～200mm。（3）機械拉伸、水壓試驗、溫差拉伸、振動法等這幾種方法只能消除20～50%的殘余應力，前兩種方法在生產上廣泛應用。
焊接后進行去應力處理，有自然時效處理（時間長，去應力不徹底，）、震動時效（效率高，費用低，只能去除焊接應力的70%左右）人工加熱時效（ 時間短費用較高，能100%去除焊接應力，同時能進行去氫處理）。
三、焊接殘余應力對焊接結構的影響
（1）對結構剛度的影響 當外載產生的應力。與結構中某區域的殘余應力疊加之和達到屈服點o。時，這一區域的材料就會產生局部塑性變形，喪失了進一步承受外載的能力，造成結構的有效截面積減小，結構的剛度也隨之降低。結構上有縱向和橫向焊縫時（例如工字梁上的肋板焊縫），或經過火焰校正，都可能在相當大的截面上產生殘余拉伸應力，雖然在構件長度上的分布范圍并不太大，但是它們對剛度仍然能有較大的影響。
（2）對受壓桿件穩定性的影響 當外載引起的壓應力與殘余應力中壓應力疊加之和達到o。，這部分截面就喪失進一步承受外載的能力，這樣就削弱了桿件的有效截面積，并改變了有效截面積的分布，使穩定性有所改變。殘余應力對受壓桿件穩定性的影響大小，與殘余應力的分布有關。
（3）對靜載強度的影響如果材料是脆性材料，由于材料不能進行塑性變形，隨著外力的增加，構件中不可能應力均勻化。應力峰值將不斷增加，直至達到材料的屈服極限，發生局部破壞，最后導致整個構件斷裂。脆性材料殘余應力的存在，會使承載能力下降，導致斷裂。對于塑性材料，在低溫環境下存在三向拉伸殘余應力的作用，會阻礙塑性變形的產生，從而也會大大降低構件的承載能力。
（4）對疲勞強度的影響殘余應力的存在使變荷載的應力循環發生偏移，這種偏移只改變其平均值，不改變其幅值。結構的疲勞強度與應力循環的特征有關。當應力循環的平均值增加時，其極限幅值就降低，反之則提高。因此，如應力集中處存在著拉仲殘余應力，疲勞強度就降低。應力集中系數越高，殘余應力的影響也就越顯著，因此，提高疲勞強度，不僅應從調節和消除殘余應力著手，而且應從工藝和設計上來降低結構的應力集中系數，從而降低殘余應力對疲勞強度的不利影響。
（5）對應力腐蝕開裂的影響應力腐蝕開裂是殘余拉應力和化學腐蝕共同作下產生裂縫的現象，在一定的材料和介質的組合下發生。應力腐蝕開裂所需時間與殘余應力大小有關，殘余拉應力越大，應力腐蝕開裂的時間越短。
焊接應力范文第5篇
關鍵詞：焊接；殘余應力；變形
中圖分類號：TG4文獻標識碼： A
1.引言
長期以來，應力與變形的惡劣表現貫穿于金屬焊結構件生產的始終。與之相應，認識與控制焊接應力與變形進而減少其對于構件性能的不良影響也成為每個焊接工作者的重要研究領域之一。
2.焊接應力與變形的產生機理
圖1是低碳鋼材料的屈服強度σs與溫度的實際關系圖。很明顯，隨著溫度的升高，材料的屈服強度逐漸降低。當溫度超過600℃時，低碳鋼材的屈服強度趨于0。
圖1
熔焊過程中，由于母材金屬被其他零件在整體尺寸上已經限制住了，形成了拘束條件。同時熔焊產生的高溫足以使母材產生劇烈的膨脹并輕易超過材料的屈服極限，產生塑性變形。加之熔池液態金屬在很大程度上消化了母材受熱所產生的膨脹。使母材冷卻后的縮短趨勢不得滿足，形成了焊接殘余應力與變形。
不難得出，冷卻過程中焊道及周邊母材的受拘束程度左右了殘余應力與變形的形成。下有三種假設：
2.1如果焊道能夠完全自由收縮，冷卻后只出現殘余變形而幾乎沒有殘余應力。
2.2如果焊道絕對拘束而不能收縮，冷卻后只出現殘余應力而無殘余變形。
2.3如果焊道收縮不能充分進行，則冷卻后既有殘余應力也有殘余變形。
實際生產中的焊接，就與上述的第3中情況相同，焊后既有焊接應力存在，也有焊接變形產生。最終發生的趨勢和程度卻符合1、2種情況的描述，即拘束大則殘余應力大，而焊后變形小。反之亦然。
3.焊接應力與變形的控制
基于前述理論，焊接殘余應力與變形在表現形式上雖有不同，其形成原因卻無大異。這也說明兩者可以綜合考慮，權衡控制。在了解焊接應力與變形成因的基礎上，應盡量在母材的收縮趨勢和方向上盡施自由，避免在控制焊接殘余應力與變形時顧此失彼。并以“預防為主，規范控制，科學矯正”的原則指導實施。
3.1焊前預防
3.1.1從結構設計上控制
3.1.1.1應盡量減少不必要的焊縫。
在焊接結構設計中，常用筋板來提高結構的穩定性和剛度，但是筋板數量太多，焊縫過于密集，焊接應力與殘余變形也會大大增加。因此，應在保證構件強度的情況下，盡量減少不必要的焊縫。
3.1.1.2安排合理的焊縫位置
盡可能在對稱于截面中性軸或接近于中性軸的位置上安排焊縫，可以有效地減少焊接應力與變形的發生。
3.1.1.3選擇合理的焊縫坡口形式和焊縫尺寸
通常來說，不開坡口比開坡口、V型坡口比X 型坡口、大角度比小角度坡口，都更容易引起焊接應力與變形。
3.1.1.4加設減應力槽或減應力孔
在不影響結構整體強度的前提下可以在焊縫附近開設減應力槽（如圖2）。通過減小焊件局部剛度來增加焊縫的自由伸縮度，進而達到減小焊接殘余應力和變形的目的。
圖2
3.1.2從工藝準備上控制
3.1.2.1反變形法
事先估計好結構變形的大小和方向，先反向變形，使之焊后與焊接變形相抵消，以達到設計和技術要求。值得一提的是，預設反變形不僅可以有效地沖抵焊接變形，而且與剛性固定法相比較，其減輕殘余應力效果也較理想。
3.1.2.2留“裕度”法
與前法類似，預留收縮量也是通過焊前先在要產生收縮的地方加大尺寸，以此來“吃”掉一部分焊接變形，而相對自由的收縮條件也使得殘余應力得以降低。
3.1.2.3預熱法
即在施焊前，預先將焊件局部或整體加熱，以減少焊接區和焊件整體的溫度差。溫差越小，焊接時塑性變形區的壓縮塑性變形量就越小，從而減小了焊件焊后的收縮量，達到控制焊接殘余應力和變形的目的。
3.2焊中控制
3.2.1采用合理的裝焊順序
要盡量保證焊縫在冷卻過程中的縱向和橫向收縮均能比較自由，所以應使不對稱的焊縫或收縮量大的焊縫優先得到焊接。（如圖3）
圖3
3.2.2選擇合理的焊接方法和規范
在保證焊接質量的前提下，選用較低的線能量，能有效地防止焊接變形。比如：氣焊比電弧焊的焊后應力和變形大，就是因為氣焊時焊件受熱范圍大，加上焊接速度慢，使金屬受熱體積增大，導致焊后變形大。用二氧化碳氣體保護焊代替手工電弧焊，不僅效率高，而且變形應力也會減小。另外，較大的焊接電流和電壓也意味著更大的熱輸入，對于焊接殘余應力與變形的防止顯然是不利的。
3.2.3散熱法
又稱“強迫冷卻法”，即用噴水、水浸、散熱墊等各種強制冷卻方法將施焊處（熔池及其附近）的熱量迅速散走，使受熱區域減小（壓縮塑性變形區相應減小），同時還使受熱程度大大降低，因而焊接變形較小，結構的殘余應力也比普通焊接條件下要小。
3.3焊后矯正
焊接完成后，要對已經形成的焊接應力和變形進行消除。此時不容易使兩者同時降低，所以要根據焊接結構和構件的具體要求，有時需要著重矯正變形，有時又要重點消除應力。
3.3.1焊后變形的矯正
3.3.1.1機械矯正法
一般都是利用3點彎曲原理進行強制變形矯正。需要注意的是，冷矯后拉伸變形部位損失塑性，使結構脆化，降低安全系數，故有些生產的技術要求禁用冷矯，或矯后需熱處理。熱矯一般不會有此類問題，但要防止冷卻后發生二次變形。
3.3.1.2火焰矯正法
不同于機械矯正法，利用焊件上尺寸短的部分延伸來消除變形，火焰矯正法是將焊件上尺寸較長的部分縮短來達到消除變形的目的。具體加熱方法有如下三種：點狀加熱、線狀加熱和三角形加熱。運用的要點都需要通過觀察總結和依靠理論指導來掌握火焰在焊件上局部加熱所引起的焊件變形的規律。
3.3.2焊后應力的消除
3.3.2.1錘擊法
焊后對焊道迅速均勻的錘擊，使焊縫金屬產生塑性變形，有利于降低殘余應力，并可以消除部分殘余變形。
3.3.2.2去應力熱處理
利用加熱―保溫―冷卻的熱處理方法，可以消除焊接殘余應力。理論分析和實踐經驗都顯示：根據不同材質和結構，采用正確的去應力退火方式，可以將大部分殘余應力消除掉。
4.結束語
通過分析焊接應力與變形的產生原因，我們得到了以預防為主的應力與變形綜合控制思路。反對過分依賴焊后矯正的亡羊補牢式控制方法，以期避免焊后應力與變形矯正時的顧此失彼。此外，以焊接構件的生產加工順序為主線，以嚴謹科學的理論分析的結論為指導，制訂焊前―焊中―焊后的具體控制措施，應該不失為一條正確的控制應力與變形的思路，肯定更具有現實的可操作性。
參考文獻：
