CONSTRUCTION
技术探讨
浅析焊接残余应力与变形
郑钰红　贾德厚
中联重科土方机械分公司　陕西华阴　714202
摘　要：为了给焊接结构件生产的工艺及现场制造提供技术支持，本文研究了焊接过程中焊接应力与变形产生的机理，分析了焊接应力与变形形成的特点。

针对焊前—焊中—焊后的生产顺序，探讨了焊接应力与变形产生的规律，提出了焊前—焊中—焊后三个焊接成形阶段的具体控制措施，本文通过图文并茂的表现形式，形象清晰地将抽象的理论具体化，对解决应力与变形的问题，具有指导意义。

关键词：焊接；残余应力；变形
中图分类号：TG4 文献标识码：A
1.引言
长期以来，应力与变形的恶劣表现贯穿于金属焊结构件生产的始终。

与之相应，认识与控制焊接应力与变形进而减少其对于构件性能的不良影响也成为每个焊接工作者的重要研究领域之一。

2.焊接应力与变形的产生机理
图1是低碳钢材料的屈服强度σs与温度的实际关系图。

很明显，随着温度的升高，材料的屈服强度逐渐降低。

当温度超过600℃时，低碳钢材的屈服强度趋于
0。

图1
熔焊过程中，由于母材金属被其他零件在整体尺寸上已经限制住了，形成了拘束条件。

同时熔焊产生的高温足以使母材产生剧烈的膨胀并轻易超过材料的屈服极限，产生塑性变形。

加之熔池液态金属在很大程度上消化了母材受热所产生的膨胀。

使母材冷却后的缩短趋势不得满足，形成了焊接残余应力与变形。

不难得出，冷却过程中焊道及周边母材的受拘束程度左右了残余应力与变形的形成。

下有三种假设：
2.1如果焊道能够完全自由收缩，冷却后只出现残余变形而几乎没有残余应力。

2.2如果焊道绝对拘束而不能收缩，冷却后只出现残余应力而无残余变形。

2.3如果焊道收缩不能充分进行，则冷却后既有残余应力也有残余变形。

实际生产中的焊接，就与上述的第3中情况相同，焊后既有焊接应力存在，也有焊接变形产生。

最终发生的趋势和程度却符合1、2种情况的描述，即拘束大则残余应力大，而焊后变形小。

反之亦然。

3.焊接应力与变形的控制
基于前述理论，焊接残余应力与变形在表现形式上虽有不同，其形成原因却无大异。

这也说明两者可以综合考虑，权衡控制。

在了解焊接应力与变形成因的基础上，应尽量在母材的收缩趋势和方向上尽施自由，避免在控制焊接残余应力与变形时顾此失彼。

并以“预防为主，规范控制，科学矫正”的原则指导实施。

3.1焊前预防
3.1.1从结构设计上控制
3.1.1.1应尽量减少不必要的焊缝。

在焊接结构设计中，常用筋板来提高结构的稳定性和刚度，但是筋板数量太多，焊缝过于密集，焊接应力与残余变形也会大大增加。

因此，应在保证构件强度的情况下，尽量减少不必要的焊缝。

3.1.1.2安排合理的焊缝位置
尽可能在对称于截面中性轴或接近于中性轴的位置上安排焊缝，可以有效地减少焊接应力与变形的发生。

3.1.1.3选择合理的焊缝坡口形式和焊缝尺寸
通常来说，不开坡口比开坡口、V型坡口比X型坡口、大角度比小角度坡口，都更容易引起焊接应力与变形。

3.1.1.4加设减应力槽或减应力孔
在不影响结构整体强度的前提下可以在焊缝附近开设减应力槽（如图2）。

通过减小焊件局部刚度来增加焊缝的自由伸缩
度，进而达到减小焊接残余应力和变形的目的。

图2
3.1.2从工艺准备上控制
3.1.2.1反变形法
事先估计好结构变形的大小和方向，先反向变形，使之焊后与焊接变形相抵消，以达到设计和技术要求。

值得一提的是，预设反变形不仅可以有效地冲抵焊接变形，而且与刚性固定法相比较，其减轻残余应力效果也较理想。

3.1.2.2留“裕度”法
与前法类似，预留收缩量也是通过焊前先在要产生收缩的地方加大尺寸，以此来“吃”掉一部分焊接变形，而相对自由的收缩条件也使得残余应力得以降低。

3.1.2.3预热法
即在施焊前，预先将焊件局部或整体加热，以减少焊接区
第4卷　第33期2014年11月
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和焊件整体的温度差。

温差越小，焊接时塑性变形区的压缩塑性变形量就越小，从而减小了焊件焊后的收缩量，达到控制焊接残余应力和变形的目的。

3.2焊中控制
3.2.1采用合理的装焊顺序
要尽量保证焊缝在冷却过程中的纵向和横向收缩均能比较自由，所以应使不对称的焊缝或收缩量大的焊缝优先得到焊接。

（如图
3）
图3
3.2.2选择合理的焊接方法和规范
在保证焊接质量的前提下，选用较低的线能量，能有效地防止焊接变形。

比如：气焊比电弧焊的焊后应力和变形大，就是因为气焊时焊件受热范围大，加上焊接速度慢，使金属受热体积增大，导致焊后变形大。

用二氧化碳气体保护焊代替手工电弧焊，不仅效率高，而且变形应力也会减小。

另外，较大的焊接电流和电压也意味着更大的热输入，对于焊接残余应力与变形的防止显然是不利的。

3.2.3散热法
又称“强迫冷却法”，即用喷水、水浸、散热垫等各种强制冷却方法将施焊处（熔池及其附近）的热量迅速散走，使受热区域减小（压缩塑性变形区相应减小），同时还使受热程度大大降低，因而焊接变形较小，结构的残余应力也比普通焊接条件下要小。

3.3焊后矫正
焊接完成后，要对已经形成的焊接应力和变形进行消除。

此时不容易使两者同时降低，所以要根据焊接结构和构件的具体要求，有时需要着重矫正变形，有时又要重点消除应力。

3.3.1焊后变形的矫正3.3.1.1机械矫正法
一般都是利用3点弯曲原理进行强制变形矫正。

需要注意的是，冷矫后拉伸变形部位损失塑性，使结构脆化，降低安全系数，故有些生产的技术要求禁用冷矫，或矫后需热处理。

热矫一般不会有此类问题，但要防止冷却后发生二次变形。

3.3.1.2火焰矫正法
不同于机械矫正法，利用焊件上尺寸短的部分延伸来消除变形，火焰矫正法是将焊件上尺寸较长的部分缩短来达到消除变形的目的。

具体加热方法有如下三种：点状加热、线状加热和三角形加热。

运用的要点都需要通过观察总结和依靠理论指导来掌握火焰在焊件上局部加热所引起的焊件变形的规律。

3.3.2焊后应力的消除3.3.2.1锤击法
焊后对焊道迅速均匀的锤击，使焊缝金属产生塑性变形，有利于降低残余应力，并可以消除部分残余变形。

3.3.2.2去应力热处理
利用加热—保温—冷却的热处理方法，可以消除焊接残余应力。

理论分析和实践经验都显示：根据不同材质和结构，采用正确的去应力退火方式，可以将大部分残余应力消除掉。

4.结束语
通过分析焊接应力与变形的产生原因，我们得到了以预防为主的应力与变形综合控制思路。

反对过分依赖焊后矫正的亡羊补牢式控制方法，以期避免焊后应力与变形矫正时的顾此失彼。

此外，以焊接构件的生产加工顺序为主线，以严谨科学的理论分析的结论为指导，制订焊前—焊中—焊后的具体控制措施，应该不失为一条正确的控制应力与变形的思路，肯定更具有现实的可操作性。

参考文献：
[1]周振丰.《金属熔焊原理及工艺》下册.机械工业出版社，1986.9.
[2]陈剑虹.《焊接手册》第2册.机械工业出版社，2001.7.
文章被我刊收录，以上为全文。

此文章编码：2014N
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浅析焊接残余应力与变形
作者：郑钰红， 贾德厚
作者单位：中联重科土方机械分公司 陕西华阴 714202
刊名：
城市建设理论研究（电子版）
英文刊名：ChengShi Jianshe LiLun Yan Jiu
年，卷(期)：2014(33)
1.周振丰《金属熔焊原理及工艺》下册 1986
2.陈剑虹《焊接手册》第2册 2001
引用本文格式：郑钰红.贾德厚浅析焊接残余应力与变形[期刊论文]-城市建设理论研究（电子版） 2014(33)。