第五章 焊接应力与变形

第五章 焊接应力与变形

焊接过程中产生的焊接应力和变形，引起工艺缺陷，将影响结构的 承载能力，造成各类损伤与破坏，了解焊接应力和变形，可以大大减少 焊接应力与变形的危害。

第一节 焊接应力和变形的基本原理

一、焊接温度场和影响因素 1．焊接温度场

焊接时必须利用高度集中的热源，且焊接时的温度场也是非常不均匀和不稳定的。焊接熔池中的局部最 高温度可达金属的气化温度。母材和填充金属均被熔化，在加热冷却过程中，金属发生显微组织的转变。温 度场通过热应变，通过随金属的相变、应变决定焊接残余应力。

焊接温度场是指在焊接热源的作用下，焊接部位不同点的温度分布。温度场沿热源移动方向温度场分布 不对称，热源前面温度场等温线密集，温度下降快，热源后面等温线稀疏，温度下降较慢。

2．影响温度场的因素

（1）热源的性质及焊接工艺影响

热源的性质不同，温度场的分布也不同。

同样的焊接热源，焊接工艺参数不同，温度场的分布也不同。

（2）材料热物理性质影响

被焊金属材料的热导率、比热容、传热系数等对焊接温度场的影响较大

。热导率对加 热到某一温度以上的范围大小有决定性影响；当热导率λ小时，用于焊接有很小的热输入 qw就足够；当热导 率λ大时，则需要较大的热输入 qw。因此，奥氏体 CrNi 钢（λ小），可以用较小的单位长度焊缝的热输入焊 接；而铝和铜（λ大），需要较高的单位长度焊缝上的热输入。

焊件的几何尺寸不同也会影响焊接温度场，

如焊件大小厚度都会影响温度场分布。

二、温度对材料的物理及力学性能的影响

对于焊接残余应力和变形分析，除已知材料密度ρ以外，还需要以下

材料热力学性能特征值与 温度的关系：热膨胀系数α，弹性模量Ε，泊松比γ，屈服极限σs，这些力学性 能参数随温度的变化而变化。

对于钢的屈服极限σs 在 0～500℃时，金属材料的σs 基本是一个常数，当温度升到 500℃以上时，σs 发生陡降，当温度达到 600℃时，金属处于塑性，σs 较小，接近 0。

综上所述，由于焊接温度场比较复杂，受到多种因素的影响，且温度对材料的物理力学性能的影响复杂，

因此，焊接残余应力及变形也是比较复杂的。

三、金属杆件在温度变化时产生的应力和变形

从焊接过程及温度场可以发现，焊接温度是个不均匀的加热过程，比较复杂。为了更好地理解应力、变 形的基本概念，以一根金属杆件在加热过程中的四种状态来进行讨论。

a） b）

c） d）

图 5-1 金属杆件在不同状态下的应力和变形

四、不均匀加热及焊接过程引起的应力和变形

图 5-2 钢板不均匀加热的变形 a) 受热时 b) 冷却后

焊接应力和变形与上述不均匀温度场引起的应力和变形的基本规律是一致

的。但是前者更为复杂，其复杂性首先表现在焊接时的温度变化范围，比前面分

析的情况要大得多。在焊缝上最高温度可达到材料的沸腾点，而离开热源温度急

剧下降直至室温。金属在高温下性能如前所述发生变化。焊接应力变形的复杂性

还表现在它的温度场分布上，前面也已分析的温度场的复杂性。

图 5-3 为钢板中间对接时的应力与变形情况。

假设钢板也是由许多能自由伸缩的小板条 组成。在焊接过程中，由于钢板经受了不均匀加热，其加热温度为中间高两边低，那么小板条的理论伸长情 况应如图 5-3a 中虚线所示，而实际上由于假想小板条是互为一体并相牵制的，因此实际伸长情况就如图中实 线所示。图 5-3b 中可以看出，钢板的边缘被拉伸了△L，这样，在边缘上就出现了拉伸应力。钢板中间被“压 缩”了，可见钢板中间焊缝区，不仅产生了压应力，而且还产生了压缩塑性变形。

图 5-3 钢板中间对接时的应力与变形 a）加热时 b）冷却后

冷却时，由于钢板中间在加热时产生压缩变形，所以最后的钢板长度要比原来短。从理论上来说，钢板 中间缩短的长度应如图 5-3b 中虚线的形状。但事实上由于中间部分的收缩受到两边的牵制，所以实际的收缩 变形应如图中实线所示。这样，冷却后钢板总长缩短了△L¹，在钢板的边缘出现压应力，在钢板中间，因没 能完全收缩，则出现拉伸应力。这就是焊接过程引起应力与变形的实际情况。

五、材料的物理和力学性能对焊接残余应力与变形的影响

材料因素对于焊接残余应力与焊接变形的影响，主要熔化温度 Tm、热膨胀率α、弹性模量 E、屈服极限 σs 来作出比较性评定,评定时先不考虑α、E、σs 与温度的相关性。

熔化温度 Tm 对焊接残余应力和焊接变形的影响是同向的，即较高的熔化温度 引起较高的应力和较大的变形。

单位容积熔化热对焊接残余应力与变形的影响也与熔化温度相同。

就 Tm 而论，铝合金较能适应焊接，而钛合金的适应性则相对较差。

热膨胀系数α对焊接应力与变形也产生同向影响且特别明显，

但在出现具有反向 影响的相变应变时，其作用也会受到一定限制。就α而论，钛合金较能适应焊接而铝合金相对较差。

弹性模量 E（包括较少变化的泊松比 μ）增大时焊接残余应力随之增大，而 焊接变形随之减小，

不稳定现象（翘曲）尤其可因弹性模量较大而受到抑制。就此而论，焊接铝材时 残余应力会较低，但变形较大；而焊接钢、钛和铜等则残余应力较高，变形较小。

屈服极限（包括硬化系数）对焊接残余应力与焊接变形的影响与弹性模量相

同。

较高的屈服极限会引起较高的残余应力，且峰值应力与平均应力均高。焊接结构贮存的变形能也会因此 而增大，从而可能促使脆性断裂。此外，由于塑性应变较小且塑性区范围不大，因而变形（包括焊接熔池前 方坡口面的位移）得以减小。上述现象也同样适用于高温下屈服极限增大（例如采用高温钢时）的情形，不 过这种情况下高温产生裂纹的可能性也会随之增大，为避免这种情况则须增大材料的高温塑性（即可锻性）。 铸铁不适合于用作焊接结构材料，因为它不具备高温塑性。

第二节 焊接残余变形 一、 焊接变形的分类

焊接残余变形是焊接后残存于结构中的变形。大致可分下列七类：

1．纵向收缩变形：构件焊后在焊缝方向发生收缩，如图 5-4。

2．横向收缩变形：构件焊后在垂直焊缝方向发生收缩，如图 5-4。

图 5-4 纵向和横向收缩变形

3．弯曲变形：构件焊后发生弯曲，如图 5-5。弯曲可由焊缝的纵向收缩引起和由焊缝横向收缩引起。弯 曲变形常见于焊接梁、柱、管道等焊件，对这类焊接结构的生产造成较大的危害。弯曲变形的大小以挠度 f 的数值来度量，f 是焊后焊件的中心轴偏离焊件原中心轴的最大距离，挠度越大，弯曲变形越大。

图 5-5 构件的弯曲变形

4．角变形：焊后构件的平面围绕焊缝产生的角位移，常

图 5-6 几种角变形

5．波浪变形：波浪变形如图 5-7，容易在薄板焊接结构中产生。造成波浪变形的原因有两种：一种是由 于薄板结构焊接时的纵向和横向的压应力使薄板失去稳定而造成波浪形的变形，另一种原因是角焊缝的横向 收缩引起的角变形造成。

图 5-7 焊接波浪变形

6．错边变形：错边变形通常有长度方向与厚度方向的错边，如图 5-8。引起错边变形的主要原因有：装 配不良；组成焊件的两零件在装夹时夹紧程度不一致；组成焊件的两零件的刚度不同或它们的热物理性质不 同；以及电弧偏离坡口中心等。

图 5-8 焊接错边变形 a）长度方向的错边 b）厚度方向的错边

7．螺旋变形：焊后在结构上出现的扭曲，如图 5-9，产生螺旋变形的原因很多，装配质量不好，即在装 配之后焊接之前的焊件位置和尺寸不符合图样的要求；构件的零部件形状不正确，而强行装配；焊件在焊接 时位置搁置不当；焊接顺序及方向不当，造成整体焊缝在纵向和横向的应力和变形。

图 5-9 焊接螺旋变形

上述几种类型的变形，焊接结构生产中往往并不是单独出现的，而是同时出现，互相影响的。

二、焊接变形的危害

焊接变形是焊接结构生产中经常出现的问题，焊接变形对设备制造和使用有以下几方面危害：

1．增加制造成本，浪费工时

。

在生产中为了保证焊后需要进行机加工的工件尺寸，片面多放余量，加大毛坯的尺寸，这样增加了材料 消耗和机械加工工时。有时工件出现了变形，就需要花许多工时去矫正，比较复杂的变形，矫正的工作量比

焊接工作还要大，有时变形大，甚至造成废品。

2．降低产品质量和性能

部件在焊接组装时产生变形，使整个装配质量降低。例如，园形压力容器由于各段的椭圆问题，在组装 环缝将出现错边，这种错边，在外载的作用下产生应力集中，附加应力，安全系数降低，为了减少错边，在 安装时进行矫形或强制装配，将使材料塑性降低或内应力增加，这些都使产品质量降低。

当然，焊接变形也使产品外形不美观，产品的承载能力降低等。

三、焊接残余变形的预测计算 1．经验公式预计法

焊接过程是一个复杂的热弹塑性过程，焊接应力和变形将受到焊接工艺，拘束条件，焊接构件的尺寸等 诸多因素的影响，人们根据工作经验及大量的实验总结出了各种不同条件下计算焊接变形的近似计算公式，

比如对于横向收缩，由于其产生的过程比较复杂，因此有许多关于横向收缩变形的经验公式。

2．解析法

焊接不均匀温度场造成的内应力达到材料的屈服极限，使局部区域产生塑性变形，当温度恢复到原始的 均匀状态后，就产生残余应力及变形，利用热传导理论，热弹塑性理论，材料力学对一些简单结构的焊接变 形进行理论分析得到了大量有关焊接变形和焊接应力的解析解，在这些预计焊接变形的解析方法中，往往有 许多假设，如构件平截面的假定，单轴应力的假定，线热源面热源假定。对于金属性能如温度膨胀系数，导 热系数，屈服极限σs 与温度的关系，也进行了各种简化假设。用解析法预计纵向焊接变形，横向焊接变形，

结构总变形等。

3．有限元方法

有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的数值方法，是工程方法和数学方法相结合的产物，可以求 解许多过去用解析方法无法求解的问题，有限元法的发展借助于两个重要工具，在理论上采用矩阵方法，在 实际计算中采用了计算机，其基础是结构离散和分布插值。

有限元方法一经提出，便获得了迅速的发展，由弹性力学平面问题扩展到空间问题和板壳问题，由平衡 问题扩展到稳定问题和动力问题，由弹性问题扩展到弹塑性、粘弹性、热弹塑性问题，由固体力学扩展到流 体力学、渗流、温度场、电场及其他场。

随着计算机向高参数，大容量的扩展以及有限元技术的发展，给焊接温度场、动态初应变过程及其随后 产生的残余应力和残余变形的数值分析提供了广阔的前景，由于焊接过程是一个极其复杂的热弹塑性力学过 程，材料的物理力学参数是温度的函数，其温度场，应力及应变之间的关系是非线性关系，必须用非线性理 论进行分析计算，国内外许多学者对焊接热弹塑性有限元进行了大量研究。

4．固有应变法

焊接残余应力和变形产生根源是由局部高温产生塑性变形，将高温产生的压缩塑性应变作为一个参数。

找出塑性应变和残余应力的关系，借助有限元法，来分析焊接残余应力及变形。这种压缩塑性应变称固有应 变，对于焊接来说，固有应变是塑性应变，温度应变和相变应变作用的结果，焊接构件经过一次焊接热循环 后，温度应变为零，固有应变就是塑性应变与相变应变残余量之和，由于压缩塑性变形和相变都发生在焊缝 及近焊缝区，因此，认为固有应变仅存在于焊缝及其附近。固有应变是产生焊接应力与变形的根源。

5．相似分析法

对于一些大型复杂焊接结构为了分析焊接组装所产生的残余应力及变形规律，往往采用缩小的模型进行

实验，相反，对于一些几何尺寸很小的焊接结构，则要采用放大的模型分析其物理现象，跟数值模拟一样，

这种物理模型可预计结构的焊接变形。

四、焊接变形的测量 1．焊接过程中的测量

由前述明显可知，为了克服计算上的困难，理论模型和数值求解均包含了很大程度的简化，其方法只是 使主要特征近似。因而，重要的是要通过实验来检查所做的简化，检查数学求解反映实际的程度。在很多情 况下，由于要求的时间短，人们也更情愿进行试验测量而不采用计算，虽然这样获得的结果的推广价值和普 遍意义较低。

要求测量的主要是在焊接接头的高温区，这是焊接时产生最大应变的部位。

高温区各点相对构件冷区或甚至构件外部参考点位移的测量已得到解决，并在各不同场合得到应用。图 5.15 给出了焊缝横向和纵向位移的测量情况，以及与平板和圆筒垂直的竖向位移的测量情况（内环随测量仪 器转动）。

测量仪器可以是机械的，光学的、电感的、电容的，或基于电阻作用等。

图 5-10 焊接过程中变形的测量

2．焊接后的测量

实际上常采用长度和角度测量技术，不需要任何与焊接相关的特殊匹配，即可测量焊后冷却状态的变形，

如图 5-11 给出了应用的实例。采用卷尺很容易确定横向和纵向收缩。对弯曲和角收缩的测量，可在测量板上 用拉线的方法进行（由于线的下垂，测量要在水平面上进行），或对构件采用直角尺测量（如图 5-11a，5-11b，

5-11c）。还可以连续测量挠度，以确定弯曲和角变形后构件的轮廓（如图 5-11d，5-11e）。对于竖直延伸的 构件，如柱，支座，缶壁，可用吊垂线的办法测量倾斜和偏差，吊线的重物要浸入液体中，以防止摆动。

图 5-11 焊后变形的测量

第三节 焊接残余应力

一、焊接残余应力的分布

在厚度不大(δ＜15～20mm)的常规焊接结构中，残余应力基本上是双轴的，厚度方向上 的应力很小。只有在大厚度的焊接结构中，厚度方向的应力才比较大。为了便于分析，我们把焊缝方向 的应力称为纵向应力，用σx 表示。垂直于焊缝方向的应力称为横向应力，用σy 来表示。厚 度方向的应力，用σz 来表示。

1．纵向残余应力σx

低碳钢、普通低合金钢和奥氏体钢焊接结构中，焊缝及其附近的压缩塑性变形区内的σx 为拉应力，其 数值一般达到材料的屈服点（焊件尺寸过小时除外）。图 5-12 为长板对焊后横截面上σx 的分布。

图 5-12 长板对焊后横截面上σx 的分布

圆筒环焊缝所引起的纵向（圆筒的切向）应力的分布规律与平板直缝有所不同。其数值取决于圆筒直径、

厚度以及焊接压缩塑性变形区的宽度,环缝上的σx 随圆筒直径的增大而增加，随塑性变形区的扩大而降低。

直径增大，σx 的分布逐渐与焊接平板接近，如图 5-13。

图 5-13 圆筒环缝的纵向应力分布

2．横向（垂直焊缝方向）残余应力σy

σy 由焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩所引起的σy′

和

焊缝及其附近塑 性变形区横向收缩的不同时性所引起的σy〞合成。

平板对接时，焊缝中心截面上的σy′ 在两端为压应力，中间为拉应力。

σy′

的数值与板的尺寸有关。

σy〞的分布与焊接方向和顺序有关，

如图 5-14，图中箭头为焊接方向，

σy 为σy′及σy〞两者的综合。图 5.20 为两块 25×910×1000 板焊接后的σy 分布。自动焊与手工直通焊 的σy 分布基本相同。分段焊法的σy 有多次正负反复，拉应力峰值往往高于直通焊。

图 5-14 不同焊接方向的σy〞分布

图 5-15 平板对接的σy 分布

3．厚度方向残余应力σz

厚板焊接接头中除纵向和横向残余应力外，还存在较大的厚度方向残余应力 σz。它们在厚度上的分布不均匀，分布状况与焊接工艺方法密切相关。

图 5-16 为 80mm 低碳钢厚板 V 形坡口多层焊焊缝残余应力的分布。σy 在焊缝根部大大超过屈服点。这 是由于

每焊一层，产生一次角变形，在根部多次拉伸塑性变形的积累造成应变硬化，

使应力不断上升所致。严重时，甚至因塑性耗竭导致焊缝根部开裂

。如果焊接时，限 制焊缝的角变形，则根部可能出现压应力。σy 的平均值与测量点在焊缝长度上的位置有关，但

其表面大 于中心的分布趋势是相似的。

图 5-16 厚度方向残余应力分布

4．拘束状态下焊接残余应力（简单讲）

在生产中往往会遇到这种情况，构件是在受拘束的情况下焊接的。如图 5-11 中的一个金属框架，它的中 心构件上有一条对接焊缝，这条焊缝的横向收缩受到框架的限制，在框架中心部分引起拉应力σf，这种应力 并不在该截面中平衡，而平衡于整个框架截面上，这种应力称为反作用内应力。除此以外，这条焊缝还引起 与自由状态下焊接相似的横向内应力σy。焊接接头的实际横向内应力应该是这两项内应力的综合。

图 5-17 拘束状态下焊接残余应力

5．封闭焊缝所引起残余应力

在容器、船舶等板壳结构中，经常会遇到如图 5-18 所示的焊接接管、人孔接头和镶块之类的情况。这些 环绕着接管，镶块等的焊缝构成一个封闭回路

，称之为封闭焊缝

。封闭焊缝是在较大拘束下焊接的，因 此内应力比自由状态时大。

图 5-18 封闭焊缝实例

图 5-19a 所示为一个直径为 1m，厚度为 2mm 的圆盘，在其中心开孔焊接直径为 300mm 的镶块，44 其焊缝 的残余应力分布情况如图 5-19b 所示。

σ

θ

为切向应力，σr 为径向应力

。

图 5-19 封闭焊缝的应力

a）封闭焊缝 b）径向应力σr 和环向应力σo 的分布

二、焊接残余应力的影响

1．焊接残余应力对机械加工精度的影响

机械切削加工把一部分材料从工件上切去，如果工作中存在着残余应力，那么把一部分材料切去的同时，

把原先在那里的残余应力也一起去掉，从而破坏了原来工件中内应力的平衡，使工件产生变形。加工精度也 就受到了影响。例如在焊接丁字形零件上，如图 5-20a,加工一个平面，会引起工件的挠曲变形。但这种变形 由于工件在加工过程中受到夹持，不能充分地表现出来，只有在加工完毕后松开夹具时变形才能充分地表现 出来。这样，它就破坏了已加工平面的精度。又例如焊接齿轮箱的轴孔,如图 5-20b，加工第二个轴孔所引起 的变形将影响第一个已加工过的轴孔的精度。

图 5-20 残余应力对加工精度的影响

保证加工精度的最彻底的办法是先消除焊接内应力然后再进行机械加工

。

焊接 应力在长期存放过程中随时间变化而破坏已经加工完毕的工件尺寸的精度。故为了保证 构件尺寸的高精度，焊后必须进行热处理。低碳钢焊后虽具有比较稳定的组织，尺寸稳 定性相对来说比较高，但长期存放中因蠕变和应力松弛，尺寸仍然有少量变化，因此对 精度要求高的构件仍应先做消除应力处理。然后再进行机械加工。

2．对脆性断裂的影响

“脆性断裂”一词是指具有尖锐缺口或承受焊接残余应力的试样与构件在无变形或小变形情况下发生的 断裂。在一定条件下，构件承受远低于屈服极限的名义负载应力时也可能发生这类断裂（“低应力断裂”）。

产生脆性断裂所必需的应力条件是具有

足够高应力

与足够大作用范围的三维拉应力状态。这种应力状 态可出现在裂纹与尖锐缺口处；在焊接冷却之后，以焊接残余应力的形式出现。

能促使脆性断裂的材料显微组织状况有粗晶粒、

淬硬

、时效及含有

扩散氢

，它们特别可能出现在焊接 接头的热影响区中，从而在该区中的

焊接残余应力的共同作用

之下增大发生脆性断裂的危险。焊缝纵 向应力（对于环焊缝来说便应是周向应力）是特别有害的，它们会使本已因残余应力与负载应力的重新分布 而（最差情况下）受到横裂纹预先损伤的淬硬区产生超限应力。

减小发生脆性断裂危险的设计、选材和工艺措施不少，其中减少焊接残余应力并因此而降低构件的转变 温度便是一重要措施。相比之下，焊接变形对于脆性断裂的发生并无多大影响。

3．对疲劳断裂的影响

“疲劳”一词是指构件在

循环载荷作用下

，在其

塑性变形区内萌生裂纹

、继而稳定

扩展且最

终失稳断裂

这一现象。构件的疲劳强度主要取决于

缺口处

与

横截面骤变处的应力集中

情况和

循

环应力的幅值或范围

等决定性因素，而

静载平均应力或预应力的影响次之

。

静载平均应

力或预应力可能因外载或残余应力引起

。并且同样会在缺口处与横截面骤变处增大。由外载产 生的平均应力通常保持与载荷循环数无关，但残余应力却可能会因构件的一次性过载、循环载荷本身、蠕变 与松弛以及裂纹形成等而变化。

一般来说，残余拉应力不利于疲劳强度。

4．对腐蚀与磨损影响

腐蚀是在环境介质作用下构件表面上发生的导致原有材料表面剥蚀或开裂的破坏性化学反应或电解反 应。构件表面中

若存在较高的拉应力，便可能引发应力腐蚀开裂

，且开裂还会因氢扩散而加剧。

因此，若有可能发生应力腐蚀开裂，则构件表面中的

焊接残余拉应力便极具破坏性

。这种情况下便 应设法将其消除或转变成残余压应力。

磨损是构件表面的不良机械性磨耗，表现为材料表面的细小粒状剥落或残余变形。

材料表面中的拉 应力会加剧磨损，因此可能发生磨损的表面应设法消除其焊接残余拉应力。

5．对杆件稳定性影响

几何形状不稳定性指杆、梁、板、壳等在低于屈服极限的名义负载应力作用下可能发生的弹性或弹塑性 屈曲，即杆的弯曲、梁的扭转弯曲、板和壳的压曲与压曲后行为等。对于金属薄板来说，单

由焊接残余 应力便可能引发不稳定性

。

对于厚板以及杆、梁等，焊接残余应力会影响其临界载 荷水

平。

焊接构件的稳定性极限主要靠采用设计措施来提高。此外，保证构件具有足够的制造精度也十分重要。

特殊情况下设法降低残余应力也可能具有一定作用。

三、焊接残余应力测量 1．破坏性残余应力测量

破坏性残余应力测量方法也称应力释放法，该方法应用最广主要有：切条法、套孔法、小孔法、逐层铣 削法。

（1）切条法

将需要测定残余应力的构件先划分成几个区域，在各区的待测点上贴上应变片，然后测定它们的原始读 数。然后在各测点间切出几个梳状切口，使内应力得以释放。再测出释放应力后各应变片的读数，求出应变 量。

（2）套孔法

本法采用套料钻孔加工环形孔来释放应力。如果在环孔内部预先贴上应变片或加工标距孔，则可测出释 放后的应变量算出内应力。

（3）小孔法

本法的原理是这样的，在应力场中钻一小孔，应力的平衡受到破坏，则钻孔周围的应力将重新调整。测 得孔附近的应变变化，就可以用弹性力学来推算出小孔处的应力。

（4）逐层铣削法

当具有内应力的物体被铣削一层后，则该物体将产生一定的变形。根据变形量的大小，可以推算出被铣 削层内的应力。这样逐层往下铣削，每铣削一层，测一次变形，根据每次铣削所得的变形差值，就可以算出 各层在铣削前的内应力。

2．非破坏性残余应力测量

（1）X 射线法

残余应力或应变的非破坏性测量，可采用 X 射线法。X 射线对晶体晶格衍射并 产生干涉现象，因而可求出晶格的面间距，根据面间距的改变以及和无应力状态 的比较，可确定加载应力或残余应力。

X 射线残余应力测量的主要优点是无损的，在焊接接头上应用的关键是表面测 量要有最大可能的局部分辨率，特别是直接在焊缝附近的测量。

（2）中子衍射法

最近发展起来的另一个无损应力应变测量技术是中子衍射方法。中子是由原子核散射的，因此中子的穿 透深度比 X 射线大得多，能测量构件内部的应力应变。

（3）电磁测量法

本法是利用磁致伸缩效应来测定应力，铁磁物质的特点是：外加磁场强度发 生变化时，物体将伸长或缩短。用一传感器与物体接触，形成一闭合磁路，当应 力变化时，由于物体的伸缩引起磁路中磁通变化，并使传感器线圈的感应电流发 生变化，由此可测出应力变化。

（4）超声波测量法

声弹性研究表明，没有应力作用时超声波在各向同性的弹性体内的，传播速度的差异与主应力的大小有 关。因此，如果能分别测得无应力和有应力作用时弹性体内横波和纵波传播速度的变化，就可以解得主应力。

本法测定焊接残余应力，不但是无损的，而且

有可能用来测定三维的空间残余应力。

另外，还有通过测量硬度来了解残余应力相关信息等，拉应力使硬度成比例降低；还有利用激光散斑及 小孔组合测量应力，该法利用小孔应力释放，激光散斑测量应变，最后得到残余应力，优点是小孔较小对结 构影响小，能得到多个方向的应力及主应力。

第四节 减小焊接残余变形及应力的措施 一、预防控制焊接变形的措施

焊接残余变形

可以从

设计和工艺

两方面解决。

设计上如果考虑得比较周到，注意减 少焊接变形，往往比单纯从工艺上来解决问题方便得多

。为了减少焊接应力和变形，在构 件的设计和工艺的制定中，设计人员和工艺人员应考虑减少焊接应力和变形。

1．设计措施

（1）选用合理的焊缝尺寸和形状，在保证结构前度的前提下，应尽可能做到：

1）焊缝长度尽可能短；

2）板厚尽可能最小；

3）焊脚尽可能小。

（

2）尽可能减少焊缝数量，主要从以下考虑：

1）断续焊缝优先采用；

2）尽量少采用焊接结构；

3）复杂结构最好采用分部件组合焊。

（3）合理安排焊缝位置：

1）焊缝对称于构件截面的中性轴；

2）尽量避免焊缝密集与交叉。

（4）结构选材的合理性：

1）选用的材料应在相应的设计和制造情况下适于焊接；

2）材料在工作载荷下应能免于开裂，抵抗破坏和足够的变形能力；

3）从焊接应力和焊接变形观点来考虑焊接材料基本参数。

2．工艺措施

（1）反变形

焊前将焊件装配成具有与焊接变形方向相反的变形。反变形的大小以能抵消焊后变形为准，这种变形可 以是弹性的、塑性的和弹塑性的。

图 5-21 所示为反变形的典型实例。反变形的大小和方向，应根据经验事先预测。在待焊工件装配过程中，

造成与焊接残余变形大小相当、方向相反的预变形，使焊后残余变形与预变形相互抵消，焊件恢复到设计要 求的几何形状。

图 5-21 反变形的典型实例

（2）刚性固定法

刚性固定法的实质是在焊接时，将

焊件固定在具有足够刚性的基础

上，使焊件在焊接时不能移 动，在焊接

完全冷却以后再将焊件放开

，这时焊件的变形要比在自由状态下焊接时所发生的变形小。

图 5.27～图 5.28 所示为几种不同焊接结构采用刚性固定法的实例。该方法防止弯曲变形的效果不如不变形，

但对角变形较有效。

图 5-22 刚性固定法

图 5-23 刚性固定法

（3）选择合理的焊接规范和装配顺序

1）采用合理的焊接参数，减小热输入，焊接过程中尽量采用小电流，快速焊 接。

2）采用不同的焊接顺序：

对于结构中的

长焊缝，如果采用连续的直通焊，将会 造成较大的变形，

这除了焊接方向因素之外，焊缝受到长时间加热也是一个主要原因。在可能的情况下，

可将连续焊改成分段焊，并适当地改变焊接方向，以使局部焊缝造成的变形适当减小或相互抵消，以达到减 少总体变形的目的。图 5-24 所示为对接焊缝采用不同焊接顺序的示意图，其中分段退焊法、分中分段退焊法、

跳焊法和交替焊法常用于长度为 1m 以上的焊缝：长度为 0.5～1m 的焊缝可用分中对称焊法。交替焊法在实际 上较少使用。退焊法和跳焊法的每段焊缝长度一般以 100～350mm 较为适宜。

图 5-24 对接焊缝的不同焊接顺序.

a）分段退焊法 b）分中分段退焊法

c）跳焊法 d）交替焊法 e）分中对称焊法

3）采用强制冷却法，

限制和缩小焊接时的受热面积，采用水冷等措施，使焊接区快速冷却，从 而减少焊接变形。

该方法一般用于有色金属或薄板的焊接变形控制

。

4）选择合理装配顺序，

将整体结构分解为易于施工的单个部件，构件在装配过程中，由于截面 的中性轴在不断变化，因而影响焊接变形。所以同样的构件，采用不同的装配顺序，变形量的差别很大。通 常将焊接件分成若干部分，分别装配焊接，并根据构件的实际形状，合理地安排装焊顺序。对于重要部件，

还需要进行模拟试验。一般

应遵循先焊对接焊缝，然后焊角焊缝；先焊短焊缝后焊长焊 缝；先焊纵焊缝，后焊环焊缝等原则。

二、 焊接变形的矫正 1．机械矫正法

利用外力使构件产生与焊接变形方向相反的塑性变形，使二者互相抵消。

除了采用压力机外，还可用

捶击法

、

碾压法

来延展焊缝及其周围压缩塑性变形区域的金属，达到消 除焊接变形的目的。这种方法比较简单，经常用来矫正不太厚的板结构。劳动强度大，表面质量不好，是捶 击法的缺点。

2．火焰矫正

是指用火焰对已

变形构件上点状、条形或楔形的狭窄有界区域加热至红热状态，使 其产生局部热压缩，并在随后的冷却过程中相应收缩而消除变形的方法

。若加热区布 置得当，使其收缩能抵消焊接变形，则变形便可得以全部或部分消除。

火焰矫正是一种与焊接加热 及焊接冷却相似的温度一形变过程

。实际中的收缩变形有时也可用堆焊焊缝来校正。

火焰矫正主要用于处理金属薄板上的凹陷和梁与其他型材的弯曲收缩。金属薄板上的凹陷可用较小范围 的点状加热或较大范围的圆形或椭圆形环状加热来消除，有时也可辅以在热态下进行捶击整平。已产生弯曲 收缩变形的梁或型材可在型材外弯边上作纵向条形加热，或在垂直于弯曲变形的方向上作楔形加热来加以矫 正。火焰矫正的优点是在引起变形的焊缝中不产生或仅产生轻微的附加冷应变。矫正后焊缝处的焊接残余应 力状态保持不变。此法还可用于无法采用机械方式进行形状修正的大型构件与结构。

要使火焰矫正取得预期的效果，其前提是要对局部界定的加热区进行快速而准确的加热到使其屈服极限 可大大降低的温度（对低合金钢，这一温度为 600～800℃）。这样，受热那一部分金属因周围未加热金属的 限制而在其板平面内产生热压缩状态，并使板厚局部增大。而加热区的冷却则要缓慢进行，以便与周围区域 的温度保持平衡。

三、控制焊接残余应力的措施 1．设计措施

（1）使用热输入小，能量集中的焊接方法；

（2）尽量减少焊缝的数量和尺寸；

（3）避免焊缝过分集中，焊缝间距应保持足够的距离；

（4）采用刚性较小的接头形式；

（5）在残余应力为拉应力的区域内，应该避免几何不连续性，以免内应力在

该处进一步增高；

（6）制定合理的消除应力热处理规范；

（7）焊缝不要布置在高应力区及断面突变的地方，以免应力集中。

2．工艺措施

（1）选择合理的焊序和焊接方向

1）先焊收缩量较大的焊缝，使焊缝能较自由地收缩。如图 5.30，应先焊 1（对 缝），后焊 2（角缝）。

图 5-25 合理焊接顺序

2）先焊错开的短焊缝，后焊直通长焊缝,如图 5-25，使焊缝有角大的横向收 缩余地

。

图 5-26 拼板焊接顺序

3）先焊在工作时受力较大的焊缝，使内应力合理分布。

如图 5-27 为在接头

两端

留出一段翼缘角焊缝不焊，先焊受力最大的翼缘对接焊缝 1，然后再焊腹板对接缝 2，最后焊翼缘预留的角焊缝 3。这样，焊后可使翼缘的对接焊缝承受压应力

，而腹 板对接缝有一定的收缩余地，同时也有利于再焊接翼缘对接缝时，采取反变形措施以防止产生角变形。

图 5-27 工字梁焊接顺序

（2）降低接头局部的拘束度

焊接封闭焊缝时，由于周围板的拘束度较大，拘束应力与残余应力叠加，会使

局部区域形成高应 力区，从而产生裂纹

。如图 5-28 所示的封闭焊缝，

焊接前采用反变形的措施

，减小接头局部 区域的拘束度，

可使焊缝冷却时较自由收缩，达到减小残余应力的目的。

图 5-28 封闭焊缝焊接 a）平板少量翻边 b）镶块压凹

（3）局部加热造成反变形

在焊接结构的适当部位加热使之伸长，加热区的伸长带动焊接部位，使它产生一个与焊缝收缩方向相反 的变形。在加热区冷却收缩时，焊缝就可能比较自由地收缩，从而降低内应力。例如，图 5-29a 所示的大皮 带轮或齿轮的某一轮辐需要焊接修理，为了减小内应力，则在需焊修的轮辐两侧轮缘上加热，使轮辐向外产 生变形，如图 5-29b 所示，带轮焊缝在轮缘上，此时则应在焊缝两侧的轮辐上进行加热，使轮缘产生反变形，

然后进行焊接维修，这样对降低焊接应力起到良好的效果。此法又称为“加热‘减应区’法”。

图 5-29 局部加热减应力

（4）捶击焊缝

捶击多层焊缝的中间各层，使之延展，降低应力和拘束，对于中间焊道，焊后使用带有圆弧面的手捶或 风枪击打焊缝，使焊缝变形延展，从而降低焊接应力。捶击应均匀、用力适度，以焊缝发生塑性变形为宜，

避免因捶击过分产生裂纹。捶击法是工程中较为常用的工艺措施，既节约能源、提高效率，又能在焊缝区表 面形成一定深度的压应力，有利于提高结构的疲劳寿命。

（5）低应力无变形焊接方法

该方法用于薄板件的焊接。在焊缝区加铜垫板对焊缝进行冷却，焊缝的两侧 有加热元件，对近缝区加热，形成一个预置温度场，产生预置的拉伸效应，焊缝 两侧采用固定装置固定。预置温度场可以在焊缝中形成压应力，使残余应力场重 新分布。在焊接过程中，随着焊缝中拉应力水平的降低，焊缝两侧的压应力水平 也在降低。低应力无变形焊接法适用于铝合金、不锈钢、钛合金等。预置温度场 的温度因材料和结构的不同而不同，一般在 100～300℃左右。预置温度场还有利 于改善高强度铝合金等材料焊接接头的性能。

四、焊接应力的消除 1．整体热处理

整体高温回火是将整个焊接件或局部均匀加热到某一合适的温度，然后在该温度下保温预定的时间，最 后使其均匀冷却到室温的一种热处理方法。在消除焊接残余应力的热处理中，影响热处理效果的主要因素有 回火温度、保温时间、加热和冷却速度、加热方法和加热范围的大小。对于同一种材料，回火温度越高，时 间越长，应力也就消除得越彻底。

2．局部热处理

本法只对焊缝及其附近的局部区域进行加热，其消除应力的效果不如整体处理。多用于比较简单的、拘 束度较小的焊接接头，

如长的圆筒容器、管道接头、长构件的对接接头等

。

局部热处理可采用气体、红外线、间接电阻或工频感应加热等。

3．温差拉伸法

也称为低温消除应力法，即伴随焊缝两侧的加热随后急冷。这种方法一般用 于焊缝比较规则、焊缝厚度不大于 40mm 的焊件上。

在锅炉和压力容器制造中，经常采用整体或局部热处理的方法消除焊接应力。由于温差拉伸法的工艺较 复杂，使用有局限性，所以应用较少。

热处理温度根据材质不同、供货状态不同来确定。对于碳钢和低合金钢，热处理温度一般在 580～680℃。

热处理时间按焊件的厚度确定。实践证明，整体热处理可以消除 80%～90%的残余应力。

整体热处理一般是将焊件整体放在加热炉中加热，加热炉可以是电炉也可以是燃气炉。局部热处理要保 证足够的加热宽度，可采用工频感应加额、红外线加热、火焰加热等方法。

4．捶击碾压法

一般用于中厚板焊接应力的调整。具体方法是，用圆头小捶敲击多层焊道的中间层焊道，使其发生双向 塑性延展，以减小焊接应力。

5．振动法

本法利用由偏心轮和变速马达组成的激振器使结构发生共振所产生的循环应 力来降低内应力。其效果取决于激振器和构件支点的位置、激振频率和时间。本 法所用设备简单价廉、处理费用低、时间短，也没有高温回火时金属表面氧化的 问题。

6．爆炸法

本法是通过布置在焊缝及其附近的炸药带，引爆产生的冲击波与残余应力的交互作用，使金属产生适量 的塑性变形，残余应力因而得到松弛。根据构件厚度和材料的性能选定恰当的单位焊缝长度上的药量和布置 方式是取得良好消除效果的决定性因素。

7．机械拉伸法

对焊接构件进行加载，使焊接压缩塑性变形区得到拉伸，可减少由焊接引起的局部压缩塑性变形量，使 内应力降低。

五、典型应用实例

1．Φ12m 大法兰焊接变形控制

12m 的无槽大法兰采用对称的双 U 型坡口，法兰的材质为 0Cr18Ni9，分八瓣拼焊而成，法兰的截面如图 5-30，焊缝包括法兰主体部分的焊缝和高颈部分的焊缝。

图 5-30 大型法兰的截面

（1）焊接变形分析 1）法兰平面度变化

横向收缩沿焊缝长度方向分布不均匀，对于法兰截面部分的焊缝，采用立焊直通焊时，横向收缩沿焊缝

长度方向的差异，将会引起法兰平面度的变化，由于法兰每瓣弧长为 4.6m，横向收缩在法兰上下面的微笑差 异，将引起法兰平面度

较大的变化，图 5-31 是法兰平面度变化的示意图。

图 5-31 直通焊引起平面度变化

2）法兰圆度的变化

法兰的主截面焊缝是采用两人对称同时焊，各人的焊接习惯不同，焊层厚度也不同，内外侧不同的焊肉 厚度将引起法兰内外侧的横向收缩的不同，法兰内外侧横向收缩的差异将会引起法兰圆度变化，横向收缩内 外侧上的微笑差异，将引起法兰圆度的较大变化，图 5-32 横向收缩的内外侧差引起的圆度的变化。

3）法兰周长的变化

构件焊接将引起法兰的横向收缩变形，整个Φ12m 法兰由八瓣拼焊而成，若每个焊口焊缝的横向收缩为 4mm，则法兰的周长将缩短呵 2mm，由此将引起法兰直径减小将近 10mm。

图 5-32 横向收缩的内外差引起圆度变化

另外，法兰高领部分的焊缝偏离焊缝中性轴，高领部分焊缝的横向收缩将

引起法兰上下端横向收缩不一致而导致法兰平面度的变化，高领部分的焊接也将引起法兰圆度的变化。

（2）变形控制原理 1）平面度的控制原理

对于立向焊，常见焊接方法是由下至上直通焊，这种焊接方法横向收缩沿长度方向上的分布是不均匀的；

横向收缩沿焊缝长度上的分布与焊接次序有较大的关系，改变焊接次序可改变横向收缩沿焊缝长度上的分布。

因此，在控制平面度时，可采用反变形的控制思想，采用合适的焊接次序控制主体焊对法兰平面度的影响。

法兰高颈部位的焊缝对法兰平面度的影响，可通过消除高领焊缝引起的横向收缩来实现。

2）法兰圆度的控制原理

采取不对称的工艺措施来控制法兰圆度，考虑到焊缝的横向收缩与焊层度，焊缝的刚性有较大的关系，

因此可通过调整焊缝刚度和焊层厚度来改变内外侧横向收缩且在焊接前几层控制调整法兰内外侧横向收缩的 差异。

为了消除高颈部位焊缝对法兰圆度的影响，与前面一样采取措施使高领焊缝引起的横向收缩尽量小，甚 至为零。

3）法兰周长的控制原理

通过试验或计算预测焊口的横向收缩量，可采用预留间隙控制法兰的周长。

（3）变形控制的主要工艺措施 1）平面度的控制措施

① 直通焊：采用由下至上的焊接顺序。

② 分两段退焊：焊接顺序图 5-33a，焊缝分两段，每小段均采用由下至上焊 接，先焊上部段 1，再焊下部段 2。

③ 分三段退焊：焊接顺序如图 5-33b，焊缝分三段，焊接过程中先焊上部段 1，再焊中间段 2，最后焊下部段 3。

④ 分段跳焊：焊接顺序如图 5-33c，焊缝分三段，先焊中部段 1，再焊下部 段 2，最后焊上部段 3。

⑤ 上薄下厚：由下至上焊接，上端的焊层薄，下端的焊层厚，厚度由下至上 逐渐过度。

⑥ 短段：在焊接过程中，在下端加一短段，如图 5-33d 所示。

⑦ 捶击：捶击处理可使捶击区域产生塑性延长。

图 5-33 焊接工艺示意图

a）分两段退焊 b）分三段退焊 c）分段跳焊 d）短段加入焊

2）圆度的控制措施

①调整两侧焊层厚度：若内侧的收缩量小，则内侧焊厚，反之，外侧焊加厚。

②一侧单加焊层：对于较大的变形可通过一侧单加焊层的方式来对内外侧横 向收缩量加以控制。

3）周长的控制措施

通过试验得出每一焊缝的横向收缩量，用预留间隙控制每一焊口的周长方向 的变化。

2．储油罐低板拼焊

第二个典型应用实例是贮罐底板。图 5-34 所示即为一贮罐焊接底板所需板材的形状、布置及焊接顺序。

横向焊缝需最先焊接。6 块边板均具有径向焊缝（坡口），该焊缝先只熔敷一半，直至壳体对底板的角焊缝完 成之后再行焊满。边板需厚于内板，以便减轻其翘曲并补强壳体接边。

图 5-34 储油罐底板拼焊

3．盖板焊接

盖板焊接中，盖板尺寸、形状的加工精确与否及焊接顺序是否合理至关重要。盖板用以封闭构件上装配 孔、因修改设计而出现的开孔或为去除不良材质所留下的切口，故通常作插入式或覆盖式搭接。覆盖式搭接 盖板不存在焊接残余应力与焊接变形问题，但具有疲劳强度较低、易于引发间隙腐蚀及破坏构件表面的圆顺 平滑等缺点。相反，对于插入嵌平式盖板，若需控制残余应力与变形，则要对焊接顺序作精细安排。安排焊 序的基本原则是将盖板周长一分为二，各自采用分段退焊，顺次完成。这样便可保证第一半周焊缝的横向收 缩相对来说不受拘束，不致防碍盖板扭转。在另一半周焊缝上定位焊点的撕裂表明其横向收缩情况。如图 5-35 提供了圆形盖板与矩形盖板焊接时的合理焊序。较大的盖板最好用两部焊机同时焊接,如图 5-35c。较厚的盖 板第一焊层用短间距分段退焊，其余各焊层用大间距分段退焊，但方向交替改变，如图 5-35d。

图 5-35 盖板焊接顺序

4．大型封头的焊接

大型封头的分瓣原则应该使分瓣数量尽可能少，这样可减小焊接工作量，并可以减小产生的焊接变形。但是，

分瓣数量少，封头瓣片的尺寸就大，又将受到加工能力的限制，因此，封头的分瓣数量要合适。上述 3 种大 型椭圆形封头的结构形式如图 5-36 所示，ф12000mm 封头分为 2 部分，周边瓣片（20 片）和顶圆板（7 块），

而顶圆板是由顶圆边板（4 块）和顶圆中板（3 块）组成，封头长半轴为 6ｍ，短半轴为 3ｍ。

顶圆中板 周边板 顶圆边板

图 5-36

ф

12000mm 封头的分瓣结构形式

对于大型封头，为了保证椭圆度及工程的质量，制定了如下装配工艺及焊接顺序：在专用平台上，用夹

具进行整体装配，焊接采用先分部件焊接，再逐步拼焊成整体，即:①点固并焊接周边瓣片、顶圆中板、顶圆 边板；② 拼焊顶圆中板、顶圆边板；③拼焊周边瓣组合件与顶圆板

封头周边瓣片的焊接，各周边瓣片点固焊后，由 10 名电焊工均布对称施焊,每名焊工焊相邻的两条焊缝, 两条焊缝交替施焊，在内、外侧焊时前 3 层均采用分段跳焊和分段退焊，其余层采用直通焊。

封头顶园板的焊接，先组对焊接顶圆边板缝 1^#～缝 4^#和顶圆中板 6^#、7^#缝,其次焊接 5^#、8^#、9^#、10^#焊缝，如 图 5-37。

`

图 5-37 顶园板焊缝编号

顶圆板焊完后，再与周边瓣组焊。装配点固好后，由 10 名焊工对称焊，先焊外侧焊缝，焊完 3 层后，清 根着色检查确认无缺陷后，再焊内侧焊缝。内、外侧前几层均采用分段跳焊，分段退焊，分段焊焊缝长度为 400～500mm。