焊接的应力和变形产生原因

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：对于普通金属结构而言焊后产生焊接残余应力和焊接残余变形的基本原因则是焊后焊缝区的金属发生了纵向和横向收缩。由以上分析可知，焊接过程中，对工件进行局部不均匀加热是产生焊接残余应力和焊接残余变形的主要原因。另外在焊接过程中，焊接接头晶粒组织发生转变引起体积的变化，也会在金属内部产生焊接应力，同时也可能引起焊接变形。

焊接过程是金属进行局部加热和冷却的过程，即焊接热循环过程。焊接热循环指焊接过程中，在焊接热源的作用下，工件上某点温度随时间变化的过程，其特征是加热速度很快，在最高温度下停留时间很短，随后各点按照不同的冷却速度进行冷却，因此工件上温度的分布具有不均匀性，如图5-1所示。低碳钢熔池的平均温度达到1700℃以上，熔池周围温度迅速递减。在此过程中造成金属内部不均匀的膨胀和收缩，结果产生了焊接应力和焊接变形。对于普通金属结构而言焊后产生焊接残余应力和焊接残余变形的基本原因则是焊后焊缝区的金属发生了纵向和横向收缩。

图5-1 熔池四周温度

假设在焊接过程中工件整体均匀受热，则加热膨胀和冷却收缩将不受拘束而处于自由状态那么焊后工件不会产生焊接残余应力和焊接残余变形，见表5-1。但实际上工件是局部不均匀地加热和冷却。用一根金属棒进行不均匀加热和冷却实验，可以模拟金属材料的焊接过程，见表5-2、表5-3。

表5-1 金属棒自由膨胀和收缩

表5-2 金属棒膨胀受阻和自由收缩

表5-3 金属棒膨胀和收缩都受拘束

从表5-2可知，金属棒加热时，膨胀受到阻碍，产生了压应力，在压应力的作用下，产生一定热压缩塑性变形。冷却时，金属棒可以自由收缩，冷却到室温后金属棒长度有所缩短，应力消失。

由表5-3可知，金属棒在加热和冷却过程中都受到拘束，其长度几乎不能伸长也不能缩短加热时，棒内产生压缩塑性变形；冷却时的收缩使棒内产生拉应力和拉伸变形。当冷却到室温后，金属棒长度几乎不变，但金属棒内产生了较大的拉伸应力。

在焊接过程中，电弧热源对工件进行了局部加热，整个工件温度处于不均匀状态，焊缝及其附近金属加热到高温时，由于受到周围温度较低部分金属的阻碍，不能自由膨胀而产生了压应力，如果压应力足够大就会产生塑性变形。当焊缝及其附近金属冷却发生收缩时，同样会由于周围较低温度的焊缝金属的拘束，不能自由收缩，在产生一定的拉伸变形的同时，产生了焊接拉应力。

图5-2 平板对接

例如试板不受拘束，则高温时能自由膨胀，冷却后不受任何拘束自由收缩，由于熔敷金属的填充量较多，因而自由收缩量较大，会产生角变形，但没有焊接应力。如果对V形坡口平板对焊进行刚性固定，则加热膨胀在试板内会产生压应力和压缩变形，冷却收缩在试板内产生拉应力和拉伸塑性变形冷却到室温后，若解除拘束，则试板变形很小几乎看不出来，但其内部会产生较大的拉应力，如图5-2 所示。

由以上分析可知，焊接过程中，对工件进行局部不均匀加热是产生焊接残余应力和焊接残余变形的主要原因。焊接接头的收缩造成了焊接结构的各种变形。另外在焊接过程中，焊接接头晶粒组织发生转变引起体积的变化，也会在金属内部产生焊接应力，同时也可能引起焊接变形。焊接残余应力和焊接残余变形同时存在，又相互制约。如果外力使焊接残余变形减小，则残余应力会增大；如果使残余应力减小，则残余变形会增大，应力和变形同时完全消除是不可能的。

焊接的应力和变形产生原因

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