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第四章 焊接变形及应力 第一节 焊接变形及应力的基本概念 一、焊接变形的概念和分类 1、 自由变形、外观变形和内部变形 当某一金属物体的温度有了改变，或者发生了相变，它的尺寸和形状就要发生变化，如果这种变化没有受到外界的任何阻碍而自由地进行，称为自由变形。 当金属物体在温度变化过程中受到阻碍，使它不能完全自由地变形，只能部分地表现出来，能表现出来的这部分变形，称为外观变形。 未表现出来的那部分变形，称为内部变形。 2、 杆件在均匀加热和冷却过程中的变形 当金属杆件在加热过程中受到阻碍，其长度不能自由增长，则在杆件中产生内部变形，如果内部变形率的绝对值小于金属屈服时的变形率，说明杆件中受到小于屈服强度的应力。当杆件温度从T1恢复到T0时，如果允许杆件自由收缩，则杆件将恢复到原来长度L0，杆件中也不存在应力。假如使杆件温度升得很高，达到T2（T2T1），使杆件中的内部变形率大于金属屈服的变形率。在这种情况下，杆件中不但产生达到屈服极限的应力，同时还产生压缩塑性变形。在杆件温度由T2恢复到T0的过程中，若允许其自由收缩，最后杆件比原来长度缩短，杆件中也不存在内应力。 3、长板条在不均匀温度场作用下的变形和应力 在板条中心对称加热时，板条中产生温度应力，中心受压，两边受拉。同时平板端面向外平移（伸长）。如果此时不产生塑性变形，当温度恢复到原始状态后，内应力消失，平板端面亦恢复到原来的位置。如果此时产生塑性变形，当温度恢复到原始状态时，还会出现由于不均匀塑性变形引起的残余应力，同时板条端面向内平移（缩短），即为残余变形。 4、焊接引起的应力和变形 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，但是焊接更为复杂。加热过程产生一定的外边变形，板的两端受拉应力，中间受压应力；冷却过程产生一定的外边变形，板的两端受压应力，中间受拉应力。 二、 焊接残余变形的概念和研究的意义 1、焊接残余变形时焊接后残存于结构中的变形。 焊接残余变形是焊接结构生产中经常出现的问题。工件上出现了变形，就需要花许多工时去矫正。比较复杂的变形，矫正的工作量可能比焊接工作量还要大。有时变形太大，甚至无法矫正，造成废品。 焊接变形不但影响结构的尺寸的准确和外形美观，而且有可能降低结构的承载能力，引起事故。 因此，掌握焊接变形的规律和控制焊接变形具有十分重要的现实意义。 2、 焊接变形的分类 焊接变形大致可以分为七大类：纵向收缩变形、横向收缩变形、挠曲变形、角变形、波浪变形、错边变形、螺旋形变形。 1）、纵向收缩变形：构件焊后在焊缝方向发生的收缩。焊缝产生高温压缩塑性变形，冷却时收缩受阻碍。 2）、横向收缩变形：构件焊后在垂直焊缝方向发生收缩。冷却时，焊缝恢复弹性而焊件的焊接边收缩受阻碍。 、挠曲变形：构件焊后发生挠曲。挠曲可由焊缝的纵向收缩引起和由焊缝横向收缩引起。横向收缩、纵向收缩的不均匀对称性。 4）、角变形：焊后构件的平面围绕焊缝产生的角位移。厚度方向横向收缩率不一样。 5）、波浪变形：焊后构件呈波浪形，这种变形在薄板焊接时最容易发生。薄板焊接时残余应力达到了一临界数值。 6）错边变形：在焊接过程中，两焊接件的热膨胀不一样，可能引起长度方向上的错边和厚度方向上的错边。 7）、螺旋形变形：焊后在结构上出现的扭曲。焊缝角变形沿长度方向分布不均匀以及纵向错边。 三、预防焊接变形的措施 焊接残余变形可以从设计和工艺两个方面来解决。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来的方便的多。相反地，如果设计考虑不周，则往往给生产带来许多额外的工序，大大延长生产周期，提高产品成本。 设计措施 合理地选择焊缝的尺寸和形式 焊缝尺寸直接关系到焊接工作量和焊接变形的大小。焊缝尺寸大，不但焊接量大，而且焊接变形也大。因此，在保证结构的承载能力的条件下，设计时应该尽量采用较小的焊缝尺寸。 在保证焊接质量的前提下，按着板的厚度来选取工艺上可能的最小焊缝尺寸。 对于受力较大的丁字接头和十字接头，在保证相同的强度条件下，采用开坡口的焊缝可以比一般角焊缝减少焊缝金属，对减少变形有利。 对接焊缝，不同的坡口形式所需的焊缝金属相差很大，选用焊缝金属少的坡口形式，对减小变形有利。 在薄板结构中，采用接触点焊可以减少焊接变形。 、尽可能减少不必要的焊缝 在焊接结构中应该力求焊缝数量少，避免不必要的焊缝。在设计焊接结构时，常常需要采用筋板来提高板结构的稳定性和刚性。但