焊条电弧焊
项目1.4主机座的焊条电弧焊施工
焊接变形及应力
一、焊接变形与应力的概念
物体在外力或温度等因素的作用下，会发生形状和尺寸的变化，这称为变形。当用很大的力去拉较细钢丝绕成的弹簧时，弹簧拉得很长，当外力消除后，弹簧回收，但比原来要长些，弹回去的一部分变形就是弹性变形，保留下来的变形称为塑性变形。金属结构件经过焊接后出现局部或整体尺寸和形状的改变，这种变化叫做焊接变形。它造成下一道工序施工困难，为矫正焊接变形往往要消耗很多人力和物力，严重的焊接变形，会影响结构承受外力的能力和使用性能，甚至因变形严重无法矫正而报废。因此焊接过程中必须了解焊接应力、变形的规律，掌握减少焊接应力和控制焊接变形的措施，以保证结构的焊接质量。
物体受到外力作用时，在其单位截面积上所受的力称为应力。物体变形的大小取决于外加力和物体截面积的大小。当没有外力存在时，物体内部所出现的应力称为内应力。内应力在物体内部是相互平衡的，如物体内有拉伸内应力，就必然有压缩内应力，这是内应力的显著特点。物体不但受外力产生变形，物体温度变化，由于热胀冷缩，物体也要发生变形。在焊接过程中，由于不均匀加热和冷却引起不圴匀性变形，使焊件内部产生的应力，称为焊接内应力，也称焊接残余应力，过大的焊接应力能引起焊件或焊缝产生裂纹，降低结构承载能力，并使结构在腐蚀介质中产生应力腐蚀。生活中，把一个塑料瓶局部烘烤加热一下，冷却后就立即可以看到塑料瓶发生严重的变形，这就是内应力引起的变形。 二、焊接变形和焊接应力产生的原因
焊接是一个不均匀的加热过程，在焊接过程中，焊缝及其附近的温度很高，离开焊缝处温度急剧下降，远离焊缝处未受热还是室温。这样，不受热的冷金属便阻碍焊缝及其附近金属的膨胀和收缩，冷却后就产生了不同程度的收缩和内应力，造成了焊接结构的各种变形。 工件受热不均匀、焊缝金属的收缩、金相组织的变化及工件刚性与拘束度等因素都影响焊接应力与变形。低碳钢平板焊接应力和变形的产生过程，如图1所示。
在图1(a)中，虚线表示金属自由膨胀的伸长量，也表示接头横截面的温度分布。实际
上接头是个整体，无法进行自由膨胀，平板只能在宽度方向上整体伸长△l，这样就造成焊缝及邻近区域的伸长。远离焊缝区的部位产生拉应力，而邻近区域受到远离焊缝区域的产生压应力。当焊缝及邻近区域的压应力超过材料的屈服点时，会产生压缩的塑性变形，塑性变形量为图1(a)中虚线包围的空白部分。焊后冷却时，金属自由收缩，焊缝及邻近区域高温时已产生的压缩塑性变形会保留下来，不能再恢复，所以会缩至图1(b)中的虚线位置，两侧则恢复到焊接前的原长。同样这种自由收缩无法实现，由于整体作用，平板的端面将共同缩短至比原始长度短△l′的位置，这样焊缝及邻近区域受拉应力作用，而其两侧受到压应力作用。注：焊接加热时，焊缝区受压应力(因膨胀受阻，用符号“一”表示)；远离焊缝区受拉应力 (用符号“+”表示)。
图1低碳钢平板对接焊时应力和变形的形成
在焊接过程中，焊接应力和焊接变形总是同时存在的。当母材塑性较好，结构刚度较小 时，焊接变形较大而应力较小；反之，则应力较大而变形较小。总之，产生焊接变形及应力的基本根源是对焊件加热冷却不均匀。产生焊接变形的原因是加热时焊缝膨胀部分产生压缩塑性变形，使焊件尺寸减小。产生焊接应力的原因是焊接各部分的相互牵连，有拉应力就必然有压应力。
三、焊接变形
根据焊接变形的特征不同，焊接变形分为收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形、扭曲变形和错边变形六种基本形式。
1.收缩变形
收缩变形包括纵向收缩变形和横向收缩变形，是由焊缝的纵向和横向收缩造成整个结构的长度缩短和宽度变窄。
2.角变形
图2所示是开“V”型坡口的对接接头，由于焊缝截面形状上下不对称，对接焊时由于焊缝沿厚度各层的横向收缩不同，焊缝上层的横向收缩数值大于底部的数值，因而产生了较大的变形。
图3(a)所示是开“X”型坡口的对接接头，由于坡口形状对称，第一道焊后翻身焊第二、三、四道，再翻身焊
第五道……，由于各道焊缝互相牵制，因此产生的角变 图2V型坡口对接接头焊后的角变形 形较小。如按图3(b)所示的焊接顺序焊接，就造成正反两条焊缝的横向收缩不相等而产生较大的角变形。
图3 X形坡口对接时的角变形
3.弯曲变形
焊接粱或柱产生弯曲变形的主要原因是焊缝在结构上布置不对称所引起。一般来说，焊缝位置与构件重心线的距离越大，构件弯曲变形越大，反之
构件弯曲变形越小。另外，焊缝尺寸越大，弯曲变形 图4 丁字型梁的弯曲变形 越大，同时，构件焊接后弯曲变形的方向是向着焊缝的方向。如图4所示的丁字型梁，焊缝位于梁的中心线下方，焊后由于焊缝纵向缩短引起了弯曲变形。
4.波浪变形
波浪变形主要出现在薄板焊接结构中。产生的原因一种是由于焊缝的纵向缩短对薄板边缘造成的压应力；另一种是由于焊缝横向缩短所造成的角变形，见图5和图6。
图5焊接应力引起薄板的波浪变形 图6船体隔舱壁焊后的角变形引起的波浪变形
在船体结构中有很多是平面板材，如甲板、内底板、船侧外板等，往往大面积拼板焊接时便显得板薄，刚性不够，在压缩应力过大的情况下，板材就会丧失稳定性而出现波浪变形。图5所示是船体隔舱壁角焊缝的横向收缩引起角变形，这些角变形连贯起来形成波浪变形。
5.扭曲变形
装配质量不好、工件搁置不当以及焊接顺序和焊接方向不合理，都可能引起扭曲变形。 但归根结底，是由于焊缝的纵向或横向缩短所致。
6.错边变形
错边变形主要是由于组成焊件的两零件在装夹时夹紧程度不一致或刚度各不相同或物理性质不同，以及装配不良或电弧偏离坡口中心等原因引起的。
总之，焊后焊缝的纵向缩短及横向缩短是引起各种变形和应力的根本原因。同时，焊缝缩短能否转变成各种形状的变形还和焊缝在结构上的位置、焊接顺序和焊接方向等因素有关。
在焊接结构中，焊接应力和变形在焊接结构中是一个矛盾的两个方面。如果在焊接过程中焊件能够自由地收缩，则焊后焊件的变形较大而焊接应力较小；如果焊接过程中焊件由于外力或自身刚性较大而不能自由收缩，则焊后焊件变形很小，但是内部存在着较大的残余应力。例如船体结构大接头的焊接，由于结构刚性很大，焊后不易变形，但焊接处产生较大拉应力。在实际的生产中，焊后结构既产生一些变形，又存在着一定的焊接残余应力。
