1/1焊接應力與變形4.2焊接應力與變形：

4.2.1焊接變形和殘余應力的不利影響：

焊接變形

1.影響工件形狀、尺寸精度

2.影響組裝質量

3.增大制造成本———矯正變形費工、費時

4.降低承載能力———變形產生了附加應力

焊接應力

1.降低承載能力

2.引起焊接裂紋，甚至脆斷

3.在腐蝕介質中，產生應力腐蝕裂紋

4.引起變形

4.2.2焊接變形和應力的產生原因：

根本原因：對焊件進行的不均勻加熱和冷卻，如圖6-2-8

焊接應力

焊接加熱時，焊縫區受壓力應力（因膨脹受阻，用符號“-”表示）

遠離焊縫區手拉應力（用符號“+”表示）

焊后冷卻時，焊縫受拉應力（因收縮受阻），遠離焊縫區受壓應力

焊接變形：當焊接應力超過金屬σs時，焊件將產生變形

焊接應力和焊接變形總是同時存在，不會單獨存在，當母材塑性較好，結構剛度較小時，焊接變形較大而應力較小；反之，則應力較大而變形較小。

4.2.3焊接變形的控制和矯正：

4.2.3.1焊接變形的基本形式，如圖6-2-9

如圖6-2-9常見的焊接殘余變形的類型

1、2縱向收縮量3橫向收縮量4、5角變形量f撓度

（1）收縮變形：即焊件沿焊縫的縱向和橫向尺寸減少，是由于焊縫區的縱向和橫向收縮引起的。如圖5-2-9a

（2）角變形：即相連接的構件間的角度發生改變，一般是由于焊縫區的橫向收縮在焊件厚度上分布不均勻引起的。如圖5-2-9b

（3）彎曲變形：即焊件產生彎曲。通常是由焊縫區的縱向或橫向收縮引起的。如圖5-2-9c

（4）扭曲變形：即焊件沿軸線方向發生扭轉，與角焊縫引起的角度形沿焊接方向逐漸增大有關。如圖5-2-9d

（5）失穩變形（波浪變形）：一般是由沿板面方向的壓應力作用引起的。如圖5-2-9e

4.2.3.2控制焊接變形的措施

（1）設計措施（詳見焊接結構設計）

盡量減少焊縫的數量和尺寸，合理選用焊縫的截面形狀，合理安排焊縫位置──盡量使焊縫對稱或接近于構件截面的中性軸（以減少彎曲變形）。如圖6-2-10

圖6-2-10焊縫位置安排

（2）工藝措施

①反變形法：即焊前使構件產生與焊接殘余變形方向相反的變形，使焊后變形相互抵消。如圖6-2-11

圖6-2-11反變形法示例

a)預置反變形b）塑性預彎反變形

c）強制預彎反變形1棗螺旋夾頭

剛度大的梁若難于采用預彎反變形，下料時可將其腹板預制出一定的撓度，以抵消焊接時的彎曲變形。

②加余量法：

工件下料時，給工件尺寸加大一定的收縮余量，以補償焊后的收縮。

③剛性固定法：即焊前將焊件剛性固定，對防止角變形和失穩變形較有效，如圖6-2-12，該法會增大焊接應力，為防止產生裂紋，一般只用于塑性好的材料。

圖6-2-12剛性固定法防止角度變形示例

a）用夾具夾緊凸緣b）用壓鐵壓緊薄板

1棗固定夾2棗壓鐵3棗焊件

4棗平臺5棗定位焊點

④合理選用焊接方法和焊接規范

盡量選用能量較集中的焊接方法，如以CO2焊、等離子弧焊等代替氣焊和焊條電弧焊。

⑤選用合理的裝配焊接順序

焊接結構分成若干件，分別裝配焊接，最后再拼焊成一體，對稱布置的焊縫對稱施焊或同時施焊。

長焊縫，可采用逆向分段焊，厚板焊接采用多層焊。

4.2.3.3焊接變形的矯正

（1）機械矯正法：即利用外力使構件產生與焊接變形方向相反的塑性變形，使兩者相互抵消，如圖5-2-13

圖5-2-13機械矯正示例

a）用壓力機矯正彎曲變形b）用輥輪矯正失穩變形

（2）火焰矯正法：即利用火焰局部加熱焊件的適當部位，使其產生壓縮塑性變形，以抵消焊接變形，如圖5-2-14。

圖5-2-14梁變形的火焰矯正示例

a）矯正角變形b）矯正彎曲變形

1、3棗加熱區域2棗焰炬f棗撓度

火焰矯正一般采用一般的氣焊炬。

4.2.4焊接應力的調節和消除

4.2.4.1調節焊接應力的措施

（1）調節焊接應力的措施：

①盡量減少焊縫數量和尺寸并避免焊縫密和交叉。

棗多采用型材、沖壓件或鑄件，薄板結構采用電阻焊代替熔焊

②采用剛性較小的接頭棗變形大，應力小

（2）工藝措施：

①采用合理的焊接順序，使焊縫收縮較為自由。如圖5-2-15

圖5-2-15拼板焊縫的焊接順序

1、2、4、6—短焊縫

3、5—直通的長焊縫

宜先焊錯開的短焊縫，再焊直通的長焊縫。

②降低焊接接頭的剛度

③加熱減應區棗以便焊后收縮時，加熱區與焊縫一起收縮，減少焊縫的約束。

④錘擊焊縫棗使之產生塑性變形（伸長），以抵消受熱時的壓縮塑變。

⑤預熱和后熱棗即焊前或焊后對焊件全部（或局部）進行適當加熱棗減少溫差，只適用于塑性差，易產生裂紋的材料。

4.2.4.2焊接應力的消除方法：

（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，如圖6-2-16。

圖6-2-16溫度拉伸法示意圖

1棗噴水排管；2棗焊件；3、4棗氧乙炔焰炬

該法適用于焊縫較規則，厚度在40㎜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。

該法設備簡單、成本低，處理時間短且無加熱缺陷，值得推廣。

4.3焊接缺陷及檢驗方法

4.3.1焊接缺陷的危害

焊接缺陷是指焊接過程中在焊接接頭中產生的不符合設計或工藝條件要求的缺陷，主要有焊接裂紋、未焊透、未熔合、夾渣、氣孔、咬邊和焊瘤等。

焊接缺陷的危害：

（1）產生應力集中，降低承載能力；

（2）引起裂紋，縮短使用壽命；

（3）造成脆斷。

4.3.2焊接裂紋

常見的焊接裂紋

{熱裂紋：指在固相線附近的高溫階段產生的裂紋

冷裂紋：指在馬氏體開始轉變溫度以下產生的裂紋

4.3.2.1熱裂紋：

（1）熱裂紋的特征

熱裂紋常發生在焊縫區，在焊縫結晶過程中產生的叫結晶裂紋，也有發生在熱影響區中，在加熱到過熱溫度時，晶間低熔點雜質發生熔化，產生裂紋，叫液化裂紋。

特征：沿晶界開裂（故又稱晶間裂紋），斷口表面有氧化色。

（2）熱裂紋產生原因：

①晶間存在液態間層

焊縫：存在低熔點雜質偏析}形成液態間層

熱影響區：過熱區晶界存在低熔點雜質

②存在焊接拉應力

（3）熱裂紋的防止措施：

冶金因素

}熱裂紋

拉應力

①限制鋼材和焊材的低熔點雜質，如S、P含量。

②控制焊接規范，適當提高焊縫成形系數（即焊道的寬度與計算厚度之比）棗焊縫成形系數太小，易形成中心線偏析，易產生熱裂紋。

③調整焊縫化學成分，避免低熔點共晶物；縮小結晶溫度范圍，改善焊縫組織，細化焊縫晶粒，提高塑性，減少偏析。

④減少焊接拉應力

⑤操作上填滿弧坑

4.3.2.2冷裂紋

（1）冷裂紋的形態和特征

焊縫區和熱影響區都可能產生冷裂紋，常見冷裂紋形態有三種，如圖5-2-17

冷裂紋形態{焊道下裂紋：在焊道下的熱影響區內形成的焊接冷裂紋，常平行于熔合線發

展

焊指裂紋：沿應力集中的焊址處形成的冷裂紋，在熱影響內擴展

焊根裂紋：沿應力集中的焊縫根部所形成的冷裂紋，向焊縫或熱影響發展

圖5-2-17焊接冷裂紋

a-焊道下裂紋；b-焊趾裂紋；c-焊根裂紋

特征：無分支、穿晶開裂、斷口表面無氧化色。

最主要、最常見的冷裂紋為延遲裂紋（即在焊后延遲一段時間才發生的裂紋因為氫是最活躍的誘發因素，而氫在金屬中擴散、聚集和誘發裂紋需要一定的時間）。

（2）延遲裂紋的產生原因

①焊接接頭存在淬硬組織，性能脆化。

②擴散氫含量較高，使接頭性能脆化，并聚集在焊接缺陷處形成大量氫分子，造成非常大的局部壓力。（氫是誘發延遲裂紋的最活躍因素，故有人將延遲裂紋又稱氫致裂紋）

③存在較大的焊接拉應力

（3）防止延遲裂紋的措施

①選用堿性焊條，減少焊縫金屬中氫含量、提高焊縫金屬塑性

②減少氫來源棗焊材要烘干，接頭要清潔（無油、無銹、無水）

③避免產生淬硬組織棗焊前預熱、焊后緩冷（可以降低焊后冷卻速度）

④降低焊接應力棗采用合理的工藝規范，焊后熱處理等

⑤焊后立即進行消氫處理（即加熱到250℃，保溫2～6左右，使焊縫金屬中的擴散氫逸出金屬表面）。

4.3.3氣孔：

（1）產生原因：

在熔池液態金屬冷卻結晶時，產生了氣體，而且冷卻速度較快，氣體來不及逸出而導致

（2）氣孔的類型

①氫氣孔：焊接時，電弧氣氛中氫比較多，在高溫時，大量的氫溶入熔池液態金屬中，在熔池冷卻結晶時，由于氫的溶解度急劇下降，析出氫氣，造成氫氣孔。

②一氧化碳氣孔：

FeO+C→Fe+CO↑

熔池中FeO越多，產生CO氣孔的傾向就越大，同理，液態金屬中含碳量越多，也越易產生CO氣孔。

③氮氣孔：保護效果不好，空氣中的氮氣進入熔池而導致。

（3）防止措施：

①烘干焊條、焊劑。

②焊絲、坡口及兩側母材要除銹、油、水。

③采用短弧焊，控制焊