第二节 焊接应力与变形产生的原因
一、焊接应力的一般概念
物体受外力作用就会在其中产生内力，其大小与外力相等，而方向相反。在单位面积上的内力称为应力。如果没有外力作用时物体内部也存在的应力称为内应力，例如铆接结构中，铆钉杆冷却时有缩短的趋向，但钢板阻止铆钉杆的收缩，因此在铆钉杆中形成拉伸应力，而在钢板中形成压缩应力，如图1-6所示。
图1-6 铆接结构中的应力分布
内应力的特点：内应力是在无外力作用下形成，因此应该形成相互平衡的力系，也就是说应当遵守静力学的平衡条件。例如在铆钉结构中，铆钉杆的拉伸应力和与钢板平面的压缩应力总和平衡。
焊接应力可按下列特征分布。
1.根据内应力的发生和相互平衡所在的范围大小划分
（1）第一类应力，它们具有一定的方向和数值，并在整个物体内部平衡，由和外力作用而产生的应力相似，亦称宏观应力。
（2）第二类应力，它们在微小体积范围内（也就是在金属晶粒间）互相平衡。与物体的大小和形状无关，因此也没有一定方向，亦称微观应力。
对第一类应力的研究最详细，这种应力首先对焊接和结构的形状有显著地影响。第二类应力主要和金属的组织变化有关，近年来研究较多；在合金钢的焊接时要充分估计到第二类应力的影响。
2.根据引起应力的基本原因划分
（1）热应力：由于焊接时温度分布不均匀所引起的应力。
（2）组织应力：由于温度变化而引起组织变化所产生的应力。
3.根据应力存在的时间划分
（1）瞬时应力：在一定的温度及刚性条件下，某一瞬时内存在的应力。
（2）残余应力：通常指焊接结束和完全冷却后仍继续存在的内应力。
4.根据应力作用的方向划分
（1）纵向应力：其方向平行于焊缝轴线。
（2）横向应力：其方向垂直于焊缝轴线。
5.根据应力在空间的方向划分
（1）单向应力：在焊件中沿一个方向存在。
（2）两向应力（或称平面应力）：应力作用于一平面的不同方向上。
（3）三向应力（或称体积应力）：应力沿空间所有方向存在。
严格地说，在焊件中的应力总是三向的，但在一个或两个方向上的应力数值很小时，内应力可假定为单向或两向的应力。
二、均匀加热时引起应力与变形的原因
为了便于了解焊接时应力与变形形成的基本原因，首先对均匀加热产生的应力与变形进行讨论。
1.不受外界条件约束（自由状态）的杆件在均匀加热时的应力与变形
不受外界条件约束的杆件在均匀加热和均匀冷却过程中，它的外部尺寸不断变化着，根据金属材料的物理性能（即热胀冷缩），其变化如表1-1及图1-7（a）所示。
表1-1 金属材料的热胀冷缩变化
注：表中a为线膨胀系数。
因此杆件在自由状态下均匀加热和均匀冷却，在杆件中不会发生任何内应力，也不会有任何残余应力及变形。
在焊接生产中，利用这个基本原理，以减小和消除焊接应力与变形，例如铸铁或铸钢件的焊接，在焊前将焊件均匀地加热到高温，并在焊后造成均匀冷却的条件，则在焊件中的应力与变形很小或接近于零，也就是说焊件与焊缝加热的均匀程度越高，则焊件中的残余应力与变形越小。
2.杆件在均匀加热时不能自由膨胀的应力与变形
假设杆件两端被阻于两壁之间，限制了它在加热时的延长，而允许在冷却时自由地缩短，如图1-7（b）所示，同时假定：
图1-7 焊件在不同状态下的加热及冷却时的应力与变形
（1）杆件在受纵向压力时不产生纵向弯曲；
（2）加热杆件与壁之间没有热传导；
（3）两壁系绝对刚性，不产生任何变形；
（4）整个杆件系均匀加热和冷却。
当杆件受热温度升高到T1时，杆件将延伸Δl（Δl=l0（T1-T0）α），由于绝对刚性壁的阻碍，实际热伸长等于零，此时可以假设杆件是在自由状态下加热到T1，热伸长为Δl，然后加以压力，使杆件缩短Δl0。应力与应变（相对应变）的关系在弹性范围为：
σ=E·ε
式中σ——应力；
E——弹性模数；
ε——应变（即相对变形），Δl/l。
因此当杆件缩短Δl，则在杆件中将有压缩的相对变形εT1=Δl/l0，并有应力σT1，σT1=E·εT1=E·Δl/l0；因为Δl=l0（T1-T0）α，所以σT1=E·α（T1-T）。
若此时σT1＜σs，则均匀加热时的压缩变形是属于弹性范围。当温度自T1下降到T0时，热伸长没有了，压缩变形消失了，杆件中也不存在压缩内应力。
如果温度自T0升高到T2（T2＜T1）时，杆件中的σT2及εT2相应地大于此温度（T2）时的σs和εs（指对应于屈服强度时的应变值），则杆件中不但产生压缩弹性变形，同时还有压缩塑性变形，如图1-7（c）所示，即：
（lT2-l0）/l0=Δl/l0α（T2-T0），而εT2＞εs，则εT2=εs+εn
式中εn为相对塑性变形，也就是相对残余变形。
当温度自T2下降到T0时，杆件的长度将小于原有的长度，也就是杆件具有杆件残余的（压缩变形）变形，其数值为ΔlT2=εn·l0=（εT2-εs）l0。应再一次强调，只有单杆件加热到某一温度，在该温度下杆件的压缩变形超过弹性变形范围，也就是产生了塑性变形的情况，杆件冷却后才具有残余变形。
3.杆件两端完全固定，加热时既不能自由膨胀，冷却后也不能自由收缩（图1-8）
当均匀加热温度自T0升高到T1，然后再均匀冷却到T0时，由于加热时不产生塑性变形，与前述所讨论的情况相同，即冷却后杆件中没有残余变形和残余应力。
当温度自T0升高到T2时，杆件中产生压缩塑性变形，当冷却到T0后，杆件由于具有压缩塑性变形，因此杆件将收缩，但由于两端完全固定，杆件不能自由缩短，于是杆件中将产生拉伸应力σT2与拉伸变形ΔlT2，其数值如下式所示：
Δl=εn·l0；σT2=εn·σs。当εn≥σs时，σT2=σs，产生拉伸塑性变形。
从上述讨论中，在均匀加热和冷却的杆件中是否会产生残余应力和残余变形，取决于所加热的最高温度和杆件外界的约束程度，对于低碳钢来说，其εs等于240～250MPa，E约等于2.1×105MPa，α约等于1.2×10-5/℃。根据前面介绍的公式，可知加热温度增加多少（ΔT）钢材就会具有残余变形。
上式说明，如果杆件处于绝对刚性条件下，只要升高100℃杆件中的压缩应力就达到屈服点，也就是说升高温度超过100℃杆件就产生压缩塑性变形。
图1-8 两端完全固定的焊件在加热及冷却时的变形与应力
三、不均匀加热及焊接热过程引起应力与变形
取5块长度、厚度及宽度相同的板条，将它们排列起来，如果将第3块板条加热，而其他板条不加热，同时假定它们互相间不传热，可以自由滑动，则板条3将和上节讨论的自由状态下均匀加热的情况相同，如图1-9所示。
图1-9 板条加热时变形
如果将5块板条变成一整块平板，我们只均匀加热中间部分，同时假设它们之间不传热，那么中间部分受热后要伸长的Δl被其他部分阻止，不能自由伸长，只能伸长Δl'，由于不加热部分和加热部分是一块平板，是相互刚性连接在一起的，如图1-10所示，因此被拉长Δl'，此时在整块平板中将产生内应力，在加热部分是压缩的内应力，而在其他部分为拉伸的内应力，如果此时加热部分的压应力大于σs，则产生塑性压缩变形，冷却后中间加热的部分将缩短，而其他部分限制它缩短，于是在冷却后的平板中将产生内应力，在中间加热部分有拉应力，而在其他部分将有压应力，根据内应力的特点，这些内应力的代数和应等于零。
由上述讨论中可知，对于加热的高温区域在加热时有压应力，冷却后有拉应力，在不变热的区域则相反。
不均匀所形成的应力与变形和焊接过程所形成的应力与变形的基本原因是相同的，只是焊接时热源是在移动的，情况更复杂一些，但形成应力与变形的基础原理是一致的，也就是说由于不均匀加热和冷却及焊件的刚性（及外界的约束程度）是造成焊接应力与变形的基本原理。
图1-10 整块平板加热冷却时的变形与应力
四、组织应力简述
以上所说的焊接应力与变形的发展过程，是建立在基本金属焊接时的加热与冷却中并未发生任何组织变化的假定上。低碳钢在焊接时组织应力的影响很小，这是因为低碳钢焊接时不易形成马氏体，而且由于材料的塑性较好，可以通过变形减小残余应力。
对于合金钢来说，合金元素使钢材在高温时奥氏体的稳定性增加，在焊接时易形成马氏体。马氏体的形成不仅产生组织应力，而且使材料机械性能也有改变（使材料变脆），因而组织转变所引起的体积变化对变化的影响较小，而最不利的影响是引起近缝区产生裂纹的倾向，例如对接焊时（图1-11），组织转变区是两条受已经相当冷却的金属所包围，并沿焊缝长度分布，由于形成马氏体时所引起的体积急骤增加，使邻近区域发生极大的拉应力，这就可能引起裂纹，以及变化所引起最有害的应力是纵向应力，因此对接焊时最可能发生横向裂纹，横向应力危害较小，这是由于焊缝的塑性可调节基本金属的横向应力发展。
图1-11 对接焊时的组织应力及裂纹
奥氏体开始转变，温度越低，所形成的组织硬度越高，产生裂纹的危险性越大，必须采取措施防止马氏体的产生，因此通常在焊接合金钢时采取预热、缓冷以及焊后立即退火处理的措施。
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