第二节

焊接应力与变形

1.应力

在物体受到外力作用发生变形的同时，在其内部会出现一种抵抗变形的力，这种力就叫做内力。物体由于受到外力的作用，在单位面积上出现的内力就叫做应力。应力并不都是由外力引起的，如物体在加热膨胀或冷却收缩过程中受到阻碍，就会在其内部出现应力，这种情况在不均匀加热或冷却过程中就会出现。当没有外加载荷的情况下，物体内部所存在的应力叫做内应力。

2.变形

物体在受到外力的作用时，会出现形状、尺寸的变化，这就称为变形。若在外力去除后，物体能回复原来的形状和尺寸，称为弹性变形，反之就为塑性变形。

3.焊接应力与变形

由于焊接热过程而引起的应力和变形就是焊接应力与焊接变形。

（1）焊接时因母材、焊接材料、焊接电流等不同，焊后在焊缝和热影响区可能产生过热、脆化、淬硬或软化现象，使焊件性能下降。这就要制定合理的焊接工艺参数，采取焊前预热、焊时保温和焊后热处理等措施以改善焊接质量。

（2）焊接是一个局部的迅速加热和冷却过程，焊接区由于受到四周工件本体的约束而不能自由膨胀和收缩，冷却后在焊件中便产生焊接应力和变形，重要产品焊后都需要消除焊接应力，矫正焊接变形。

金属结构在焊接过程中产生的焊接应力和种焊接变形，往往使焊接产品的质量下降，或使下一道工序无法顺利进行。更重要的是焊接应力或焊接残余应力往往是造成裂纹的直接原因，即使不造成裂纹，也会降低焊接结构的承载能力和使用寿命。焊接变形不仅造成焊件尺寸、形状的变形，使之在焊后要进行大量复杂的矫正工作，严重的会使焊件报废。但是，如果从中找出它的规律，就可以大大减少焊接应力与变形的危害。

1.焊接应力的分类

焊接应力可按引起应力的基本原因、应力存在的时间、应力作用的方向、应力在空间的方向来分类。

（1）按引起应力的基本原因分类。

1）温度应力：由于焊接时温度分布不均匀而引起的应力，也称热应力。

2）组织应力：在焊接时由于温度变化而引起组织变化所产生的应力。

3）凝缩应力：在焊接时由于金属熔池从液态冷凝成固态，其体积发生收缩受到限制而形成的应力。

（2）按应力存在的时间分类。

1）瞬时应力：在一定温度及刚性条件下，某一瞬时内存在的应力。

2）残余应力：在焊接结束和完全冷却后仍继续存在的内应力。

（3）按应力作用的方向分类。

1）纵向应力：方向平行于焊缝轴线的应力。

2）横向应力：方向垂直于焊缝轴线的应力。

（4）按应力在空间的方向分类。

可分为单向应力、两向应力和三向应力。两向应力又称为平面应力或双向应力。三向应力又称体积应力，如图1-2所示，这种应力状态对焊接结构影响最大。在实践中，应尽量避免三向交叉焊缝的出现；对于厚板一般应作消除应力热处理。

2.焊接变形的分类

焊接变形因焊接接头的形式、钢板的厚薄、焊缝的长短、焊缝的形状及位置等原因，会出现各种不同形式的变形。它的分类一般可按基本变形的形式划分和按焊接结构的残余变形划分。

（1）按基本变形的形式分类。

可分为纵向变形、横向变形、弯曲变形、角变形、波浪变形和扭曲变形等。

（2）按焊接结构的残余变形分类。

1）局部变形：焊接结构的某一部分发生的变形即局部变形。它主要包括角变形和波浪变形两种。这种变形对结构影响较小，同时也易于矫正。局部变形的形式见图1-3。

2）整体变形：焊接结构整体发生形状或尺寸的变化即为整体变形。它包括纵向（横向）变形、弯曲变形、扭曲变形等。整体变形的实例如图1-4所示。