如何控制和减小焊接构件的残余应力和变形

摘要：金属的连接大多数情况下是通过焊接，在金属结构在焊接过程中，由于受材料、方法、工作环境等因素的影响，另外，焊材受到局部加热而产生的不均匀温度场，极易产生焊接残余应力与变形。焊接残余应力与变形如果得不到合理控制，就会影响到焊接金属的质量，严重时还会出现裂纹，甚至产品报废。

关键字：控制，减小，焊接，残余应力，残余应变

Abstract:

Metal connection in most cases is through the welding, in metal structure in the welding process, because be materials, methods, work environment factors, in addition, welding material produced by local heating the inhomogeneity of temperature field, susceptible to welding residual stress and deformation. Welding residual stress and deformation if not reasonable control, it will affect the quality of welding metal, serious when still can crack, and even discarded product.

Key word: control, reducing, welding, residual stress, residual strain

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引言；

很多的结构都是由几个构件焊接而成的，焊接的过程产生的应力和变形，温度下降会留下残余的应力和变形，这些残余的应力和变形都会影响结构的受力，因此，研究焊接的残余应力和变形对结构的质量有很重大的意义。

1．焊接的残余应力和变形的形式和原因

1.1焊接残余应力产生的原因和形式

金属构件在焊接过程中，能量来源有很多种，包括气体焰、电弧、激光、电子束、摩擦和超声波等，由于焊接热过程引起的应力和变形，就是焊接应力和焊接变形。焊后，当焊件温度降至常温，残存与焊件中的应力成为焊接残余应力，焊件不能恢复的变形就成为焊接残余变形。焊接时候金属的能量相对比较集中，造成构件的受热不均匀，导致焊接残余应力主要有纵向应力和横向应力两种形式的应力。

1.2焊接残余变形的产生原因和形式

由材料力学可知，应力产生变形，因此，残余的变形主要是由于残余应力产生的。残余应力造成的残余变形一般有以下几种形式：1）纵向变形，由不同的温度场和残余应力造成的纵向缩短。2）横向变形，由不同的温度场和残余应力造成的横向缩短。3）弯曲变形，由于焊缝不在中性轴上造成的。4）扭曲变形。焊件焊后两端绕中性轴相反方向扭转一个角度。5）角变形。焊后构件两侧钢板离开原来位置翘起一个角度的变形。6）波浪变形。一般在薄板焊接结构中产生，这种变形有两种原因：一种是薄板结构焊接时的纵向和横向压应力作用，使薄板失去稳定而造成波浪形的变形；另一种是由角焊缝的横向收缩引起的角变形。

2.影响焊接残余应力与变形的因素

2.1焊接的位置

根据焊接的位置不同也会对焊接的残余应力和变形有很大影响。焊缝在结构中布置不对称时，施焊后要产生弯曲变形，弯曲的方向是朝向焊缝数目多的那一侧。焊缝偏离焊件中性轴时，其变形将向焊缝所在的那一侧弯曲，而且离中性轴越远越容易产生弯曲变形。

2.2焊接结构的装配及焊接顺序

构件组成结构的顺序有很多种，焊接结构的装配及焊接顺序是否合理，对焊接残余应力与变形的影响很大，一般情况是对焊接结构总装后再进行焊接，这样可以使焊接结构刚性增加，减小焊后变形。但是，对于大型复杂结构件，有时可以分别装配焊接，然后再拼接成整体，使不对称的焊缝或收缩量较大的焊缝能

比较自由地收缩，组焊时对整体结构的影响就较小，从而控制焊后残余应力与变形。

2.3焊件的刚性

需要焊接的构件不同也会影响焊接的应力与变形，其中，焊件刚性的大小也是影响焊接残余应力与变形的因素，刚性越大，焊件结构越不易变形。

2.4焊接工艺参数

焊接工艺参数主要是指焊接电流和焊接速度，一般焊后残余应力与变形随着焊接电流的增大而增大，随着焊接速度的加快而减小。

2.5焊接材料的线膨胀系数

焊接是温度的变化很大，导致材料的变形很大，所以，焊接材料的线膨胀系数越大，其焊后变形也越大。另外，焊接方法、焊接方向、坡口形式和材料的自重等都对焊接残余应力与变形有一定影响。例如，焊接一条直长焊缝，采用同一方向从头焊到尾的方法，会使热量分布不均匀，焊件产生的内应力也不同，其焊缝越长，变形也就越大。若采用分段跳焊法，焊后变形就会小一些。

3.控制和减小焊接残余应力与变形的措施

3.1焊件的结构设计要合理

根据之前说述，合理的焊接结构是控制和减小焊接残余应力与变形的基础和重要措施。因此，设计时一定要考虑以下几方面：在保证焊接结构有足够强度的前提下，尽量减小焊缝的数量和尺寸；尽量对称布置焊道；必要时预先留出收缩余量；将焊缝布置在最大工作应力之外；适当采用冲压结构减少焊接结构等。

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