焊接残余应力与变形的成因及控制措施研究

摘 要：在焊接过程中，由于焊件的局部加热，同时随着热源的移动，构件上各处的温度是变化的，导致焊件受热不均匀、焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件刚性拘束等众多因素的影响，致使影响焊接应力与变形的因素，使得焊后焊件中存在焊接残余应力和变形。本文探讨焊件残余应力与变形的成因及控制措施。

关键词：焊接残余应力 变形 成因 控制措施

在焊接结构的制造过程中，焊接结构中不可避免地会产生焊接残余应力与变形，这是焊接生产所特有的问题。焊接残余应力和变形产生的最根本原因是焊件受热不均匀，其次是焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件刚性拘束等因素。焊接残余应力不仅会直接导致各种焊接残余变形，影响到焊接结构的形状尺寸精度，而且还会降低焊接结构的抗拉强度、疲劳强度、刚度及受压件的稳定性等，严重影响焊接结构的力学性能和安全使用性能。而焊接残余变形与残余应力同时残存于焊接结构中。焊接残余变形会造成构件形状和尺寸的变化，还会影响后续机械加工，严重的可能会影响其结构的承载能力。由此，探讨焊接残余应力与变形的成因及控制措施，从而保证焊接产品的质量和生产率的提高。

一、焊接残余应力类型

焊接后，待焊件冷却后，残留于焊件中内应力为焊接残余应力，根据其空间位置和相互关系可分以下几种。

1.单向应力

在薄板（δ

2.双向残余应力

对于厚度不大（δ

3.三向残余应力

厚板接头焊缝中除了纵向和横向残余应力外，还存在厚度方向上的残余应力。三向残余应力在厚度方向上的分布是不均匀的，其分布规律对于不同的焊接工艺方法有较大的差别。其次，在焊接时由于根部多次拉伸塑性变形的积累会造成应变硬化，使应力不断上升，严重时会导致开裂。因此，当焊件厚度超过30mm时，通常焊后要对其进行热处理，以消除残余应力。

二、焊接结构中的残余应力分布

1.纵向焊接残余应力分布

在低碳钢薄板对接焊接结构中，焊缝及其附近区域中的纵向残余应力是拉应力，一般可达到材料的屈服强度。随着截面离开自由端的距离增加，在端部有一个过渡区，在中段有一个稳定区，随着焊缝长度的增加，稳定区也增长。当焊缝较短时，就不存在稳定区。

2.横向焊接残余应力分布

对接焊缝横向残余应力分布情况比较复杂。它可分为两部分，一是由于焊缝纵向收缩引起的，使两块钢板趋向于形成反方向的弯曲变形，焊缝上必然存在着两端部分为压应力、中心部分为拉应力的横向内应力。二是由焊缝及其附近塑性变形区的横向收缩的不同时性所引起的，当焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受到已凝固的焊缝限制而产生横向拉应力，而先焊部分则产生横向压应力，在最后施焊的末端的焊缝中必然产生拉应力。焊缝的横向残余应力是上述两种应力合成的结果。

3.厚度方向的焊接残余应力分布

在厚钢板的焊接中，焊缝需要多层施焊。因此，除有纵向和横向焊接应力外，还存在着沿钢板厚度方向的焊接应力。在最后冷却的焊缝中部，这三种应力形成 三向拉应力，将大大降低结构的塑性。

三、焊接残余应力和变形对焊接结构的影响

1.焊接残余应力对焊接结构的影响

焊后残余应力对结构的影响，主要表现为以下四方面。一是对焊接结构强度的影响。焊接残 余应力的存在将明显降低脆性材料结构的静载强度。二是对构件加工尺寸精度的影响，为了保证加工精度，应对焊件先进行消除应力处理，再进行机械加工。三是对受压杆件稳定性的影响，应注意有效截面与压杆中性轴的位置关系，可以改善其稳定性。四是对结构刚度的影响，应避免焊缝中出现残余拉应力。除此之外，焊接残余应力还对疲劳强度及应力腐蚀开裂有不同程度的影响。

2.焊接残余变形对焊接结构的影响

由于焊接残余变形对焊接结构的影响，导致焊接结构在组装时产生了误差，影响其精度。二是会降低构件的承载能力，尤其是产生挠曲变形较大时，影响很大的。三是会使受力状态发生改变，进而导致结构破坏。四是会影响钢结构的正常使用。除此之外，还会浪费工时、增加生产周期，或矫正变形过程中使构件产生加工硬化。

四、控制焊接残余应力和变形的措施

为了保证焊接结构具有良好的使用性能，提高焊接产品的质量，必须采取措施对焊接过程中的焊接残余应力与变形进行控制。

1.预防焊接残余变形的措施

（1）设计措施。一是尽量选用对称的构件截面和焊缝位置；二是合理选择焊缝长度和焊缝数量；三是尽量减少焊缝的截面尺寸。四是要根据钢结构的形状、尺寸大小等选择坡口形式。

（2）工艺措施。一是留余量法，即在下料时，考虑到收缩变形而将下料零件的长度或宽度尺寸比设计尺寸适当加大，以补偿焊件的收缩。二是采用反变形法，根据焊件的变形规律，预先将焊件向着相反方向进行人为的变形，焊后焊接残余变形抵消了预变形量，从而达到抵消焊接变形的目的。三是合理选择装配焊接顺序。四是采用散热法，即通过不同的方式迅速带走焊缝结构易变形区及附近的热量，减小焊缝及其附近的受热区，达到减小焊接变形的目的。五是合理选择焊接方法和正确焊接规范。除此，还可以采取热平衡法和刚性固定法等，防止焊接变形。

2.控制焊接残余应力的措施

（1）设计措施。一是尽可能减少焊缝数量和截面尺寸。二是尽量防止焊缝密集、交叉，保持较好的可焊到性。三是将焊缝尽量布置在最大工作应力区外，防止应力叠加，影响结构的承载能力。四是采用局部降低刚度的方法，使焊缝能比较自由的收缩。五是采用合理的接头形式，尽量避免采用搭接接头。

（2）工艺措施。一是合理选择装配顺序和焊接顺序，以调整焊接残余应力的分布。二是缩小焊接区与结构整体之间的温差。三是降低接头的拘束度。四是采取锤击法减小焊接残余应力。除此之外，还可以采取热处理法、机械拉伸法、温差拉伸法及振动法等，来消除焊接残余应力。

总之，在焊接时，一定要了解结构的焊接工艺，合理的控制焊接残余应力与变形，不断地提高焊接产品质量和生产率。

参考文献：

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