第三节焊接变形的种类及分布

第三节　焊接变形的种类及分布

焊后产生的残余应力与变形一般是同时存在的。在低碳钢的焊接结构中，焊接变形对焊接结构产生的影响一般大于焊接应力。

通常，将焊接变形分为两类：总体变形与局部变形。在实际结构中这两类变形是同时存在的。总体变形就是整个结构的尺寸或形状发生变化，通常以纵向及横向收缩变形、弯曲变形和翘曲变形的形式出现。在焊接结构的生产中，不仅会出现结构的总体变形，并且也会在结构的局部区域出现角变形和波浪形变形。

此外，又可将焊接残余变形分为平面内变形和平面外变形，具体见表1-2。

表1-2　焊接残余变形的基本形式

表1-3　列举的是不同的焊接位置，焊后所引起的变形。

表1-3　焊缝处在不同位置时引起的变形

续表

一、焊接接头的横向收缩

表1-2和表1-3中沿焊缝长度方向，其横向收缩是均匀的。然而，在实际的对接接头中，尤其是长焊缝的对接接头，情况并非如此。因为实际的焊接结构常常会出现复杂的横向收缩，使接头的横向收缩不均匀。产生横向收缩不均匀的原因有两个，一个是由板的一端向另一端焊接时，对接接头将发生如表1-2所示的回转变形，其大小取决于焊接线能量和定位焊位置等的影响。二是焊缝及近缝区的横向收缩受拘束度的影响。通常，拘束度越大，变形越小，而残余应力增大。

对接接头横向收缩的主要原因是由母材的横向收缩所致。母材在焊接过程中首先受热膨胀，当焊缝金属凝固时，已膨胀的母材金属必然收缩，该收缩量就是对接接头横向收缩的主要组成部分，而焊缝本身的横向收缩量大约只是实际总收缩量的10%。

影响对接接头横向收缩的因素主要有以下几点：

1.板厚

通常，板件越厚，横向收缩开始得越早，最终横向收缩量越小。

2.材质

由于不同材料的热特性不同，其横向收缩也不同，例如，与钢相比，铝合金的导热率和热膨胀系数较大，因此，其收缩量也较大。而且，金属材料的相变对横向收缩也有影响。铝、不锈钢、碳钢的线胀系数a依次减小，则铝的收缩变形最大，其次为不锈钢，碳钢的变形最小。

3.拘束

通常，随着拘束强度的增加，横向收缩量减小。

4.焊接工艺

横向收缩量与单位焊缝的焊缝金属重量有关。由于焊缝横向收缩时所受阻力随焊缝金属量的增加而加大，所以在前几道焊接过程中产生的收缩量较大，而在后几道焊接过程中产生的收缩逐渐减小。

（1）根部间隙。随着根部间隙的增大，横向收缩量明显增加，因为当根部间隙增大时，焊缝总量也随之增加。

（2）坡口形式。实验证明，与双面V形坡口相比，单面V形坡口的对接接头会产生更大的横向收缩，部分原因在于V形坡口的焊缝断面积较大的缘故。

（3）焊条直径。随着焊条直径的增加，横向收缩量减小，但是，除非在第一焊道就用大直径焊条，否则用加大焊条直径的方法是不会减小横向收缩的。

（4）焊接线能量。随着焊接线能量的减小，熔敷金属也随之减少，横向收缩量也必然减少。但是，如果焊缝分成几道来焊，并在第一焊道采用较大的焊接线能量时，总的横向收缩量将减小。这是因为采用较大的焊接线能量进行第一焊道焊接后，横向收缩量虽比一般情况稍有增加，但是在焊完整条焊缝后的总横向收缩量却下降了。换句话说，在多道焊时，采用大线能量焊接第一焊道，对减小接头横向收缩是有利的。

（5）铲平和气刨。铲去一部分焊缝金属，对横向收缩影响很小，但随后的重焊则会使收缩量增加。气刨和重焊对收缩同样有影响，由于气刨使试件受热，因而使收缩增加；特别是随后的重焊会使收缩进一步增加。

5.对接焊缝的回转变形

当从接头的一端向另一端逐步焊接时，接头的未焊部分要发生移动，从而引起如图1-12所示的回转变形，这将对接头的横向收缩产生影响。

图1-12　回转变形

回转变形是对接接头，尤其是长焊缝的对接接头横向收缩变形的一个组成部分。当研究焊接顺序对长焊缝对接接头横向收缩影响时，必须考虑回转变形带来的影响。实践表明，当接头的未焊部分处于自由状态时，在焊完第一道焊缝所产生的回转变形量最大，对接头的横向收缩的影响最为明显。

当较长焊缝的对接接头连续焊接时，由于回转变形的产生，使焊接间隙过大或过小，使正常焊接难以进行。为了防止这种现象，常采用每隔适当距离预先装上卡具或在坡口内作定位焊的方法。横向收缩变形的大小与拼装后的点固焊和装卡的情况有关。点固焊越密，装卡刚度越大，横向收缩变形越小。

6.焊接顺序

分段焊接的平均横向收缩量小于多层焊平均横向收缩量。

二、焊接接头纵向变形

在焊接过程中，焊缝及其近区产生的塑性变形区是产生纵向变形的主要原因。对接接头塑性变形区的存在，必然使焊件产生纵向缩短或纵向弯曲变形。

板材纵向变形取决于焊缝长度、焊缝横截面积和塑性变形区的体积，该值的大小与焊接方法、焊接线能量和焊接工艺等因素有关。

对于同样横截面的焊缝，可以一次焊成，也可分几层焊成。多层焊每次所采用的焊接线能量比单层焊时小，因此，在多层焊时每层焊道所产生的塑性变形区面积比单层的小。然而，有多层焊所产生的总纵向变形量并不等于各层焊道引起变形量的总和。这是因为每层焊道所产生的塑性变形区的面积有相当大的一部分是重叠的。因此，多道焊引起的纵向收缩变形量比单层要小，分的层数越多，每层所需焊接线能量越小，纵向收缩变形也越小。

此外，间断焊缝的纵向收缩变形明显比连续焊缝小。其效果随a/t的比值的减小而提高（a为间断焊缝的长度，t为两段焊缝之间的中心距）。对于受力不大的焊缝，用间断焊代替连续焊是减小纵向收缩变形的有效措施。

三、角变形

在堆焊、开坡口的对接接头、搭接接头和T形接头的焊接中，常常会发生角变形。角变形产生的原因主要是沿板厚方向不均匀的横向收缩导致的，不同的接头形式和焊缝具有不同的特点。

1.堆焊时产生的角变形

在板面上进行堆焊时，堆焊处的高温区金属横向膨胀，受到邻近低温区金属的阻碍，受到挤压，致使膨胀金属产生了横向压缩塑性变形。但是，由于堆焊面的温度明显高于背面金属的温度，因而使堆焊面产生的压缩塑性变形大于背面，如图1-13所示，所以在冷却后平板必然产生角变形。显然，角变形的大小取决于横向压缩塑性变形的大小和沿厚度方向上的分布，同时还取决于板的刚度。

图1-13　平板堆焊角变形的形成过程

对同一厚度的板材，随着线能量的增加，正反两面塑性变形量差值将增加，导致角变形增大。当线能量达到某一临界值之后，角变形不但不再增大，反而随着线能量的增加有减小的倾向。这是因为线能量进一步增加，虽然会使压缩塑性变形量增加，但沿板厚方向上的压缩塑性变形分布趋于均匀，致使角变形减小。

堆焊引起的角变形与堆焊引起的横向收缩变形一样，沿长度方向开始比较小，随后逐渐增加，直至达到稳定。

2.对接接头的角变形

坡口角度及焊缝截面对于对接接头的角变形影响很大，例如，对于V形坡口对接接头，坡口角度越大，沿厚度方向的横向收缩越不均匀，角变形越大。埋弧自动焊的熔深比焊条电弧焊的大，因此，在焊接厚度相同的焊件时，如果采用埋弧自动焊，其坡口角度比采用焊条电弧焊时的要小，如图1-14所示。采用电子束焊或电渣焊的对接接头，由于不需要开坡口，焊缝宽度基本上不变，所以角变形很小。

图1-14　几种典型焊接对接接头

虽然以X形坡口代替V形坡口，对减小对接接头角变形是有利的，但是，即使采用了X形坡口，也并非就一定能使角变形完全消除。

对接接头的角变形取决于沿板厚方向焊缝金属不均匀的横向收缩引起的角变形β_W、沿板厚方向基本金属不均匀的横向收缩引起的角变形β_B和接头的刚度（如板的厚度等）。

以板材的厚度h＜33mm，采用对称的X形坡口（h₁=h₂）为例，在焊接焊缝1的过程中，沿板厚方向基本金属热影响区宽度的边界（ab、cd）大致与X形坡口边缘平行，如图1-15（a）所示。因此，沿板厚方向基本金属不均匀横向收缩产生的角变形β_B1很小。由焊缝金属不均匀横向收缩产生的角变形为β_W1，焊缝1焊完后总的角变形为β₁=β_B1+β_W1。

图1-15　板厚对角变形的影响示意图

当焊接焊缝2时，由于焊缝1的存在，使热影响区的边界（ef、fg）不再与X形坡口边缘平行，显然，在此种情况下沿板厚方向由基本金属不均匀横向收缩引起较大的角变形β_B2，由焊缝金属不均匀横向收缩产生角变形β_W2，焊缝2焊完后产生的角变形为β₂=β_B2+β_W2，方向与β₁相反。在板件不太厚的情况下，刚度对角变形的影响很小，可以认为β_W1=β_W2，由于β_B1＜β_B2，所以β₁＜β₂。显然，为了使对接接头的角变形减小，必须使h₁＞h₂。

而当板厚h＞33mm时，在焊接焊缝1时，沿板厚方向基本金属热影响区边界（ab、cd）不与X形坡口边缘平行，如图1-15（b）所示，由基本金属不均匀横向收缩产生角变形为β＇_B1，由焊缝不均匀横向收缩产生角变形为β＇_W1，焊完焊缝1后产生的角变形β＇₁=β＇_B1+β＇_W1。当焊接焊缝2时，沿板厚方向基本金属热影响区边界（ef、fg）与X形坡口边缘更不平行，由此产生的角变形β＇_B2本应大于β＇_B1，但由于板较厚和焊缝1的存在，从而其刚性较大，致使β＇_B1≈β＇_B2由焊缝金属不均匀横向收缩产生的角变形情况是，尽管h₁=h₂，但同样由于板较厚和焊缝1存在的原因（即刚性大），使β＇_W1＞β＇_W2，最终导致β＇₁＞β＇₂。因此，在这种情况下，为了使对接接头的角变形减小，必须使h₁＜h₂。

3.角焊缝的角变形

用角焊缝把纵向肋板和横向肋板焊到地板的壁板结构是最典型的焊接构件，如图1-16所示。壁板结构制造中的主要变形问题，是角焊缝的角变形及由角变形引起的平面外变形。这些变形引起底板起皱并使板件的强度降低。

图1-16　有纵向和横向肋板的壁板结构

这样的壁板结构可以简单认为是由多个T形接头所组成，T形接头的角变形包括两个部分：肋板与主板的角度变化和主板本身的角变形。前者相当于对接接头的角变形，因为对于不开坡口的角焊来说，可以简单地认为它的角变形相当于坡口为90°的对接焊缝的角变形。而对主板而言，则可认为所产生的角变形相当于在平板堆焊时引起的角变形。这两种角变形叠加的结果，使T形接头两板间的角度发生变化，不仅破坏了肋板的垂直度，也破坏了主板的平直度。

对于双面角焊缝的T形接头，当板厚为9mm时，角变形为最大。当板厚小于9mm时，角变形随板厚的减小而降低；当板厚大于9mm时，角变形随板厚的增加而降低。这是因为当板厚小于9mm时，随着板厚的减小，沿主板厚度方向的温度分布趋于均匀，致使总的角变形减小。当板厚大于9mm时，随着板厚的增加，主板的刚性增大，致使角变形减小。

图1-17是在两种简单的角焊结构中常见的平面外变形，显然，这种平面外变形是由角变形引起的。在无拘束的情况下，构件中的每个接头处均发生平面外弯曲变形，并形成如图1-17（a）所示的多边折线。如果构件受到刚性拘束，将会产生不同类型的变形。例如，如果把肋板焊接在刚性梁上，如图1-17（b）所示，则在角焊缝处的角度变化使构件发生波浪形变形。

图1-17　角焊缝变形

初始变形和残余应力是造成壁板结构皱折损坏的主要原因。为了得到最佳的合理设计和优质焊件，重要的是既要分析焊接变形，又要分析它对结构使用行为的影响，在实践中必须把这两方面结合起来考虑。例如，降低图1-17（b）所示变形量的最简单的办法是减小焊缝尺寸。但是，如果焊缝尺寸过小，在使用过程中框架会从板壳处开裂，如图1-18（a）所示。如果相反，焊缝尺寸过大，板件变形就会增大，并在使用过程中板件易发生压曲，如图1-18（b）所示。减小底板的跨距或改变板厚可减小这种变形，但这样将会增加焊件的重量。

图1-18　壁板焊接结构的平面外变形及其破坏

四、由纵向收缩引起的弯曲变形

如果焊缝轴线与焊接构件的中性轴不重合，焊缝的纵向收缩不仅会引起焊件的纵向缩短，而且还会产生弯矩，使焊件（特别是长焊件）产生弯曲变形。所以在焊制T形和I形梁时，这种弯曲变形应予特别注意。

T形焊接梁的挠度f可用下式计算：

式中M_y——弯矩；

　　L——焊接梁的长度；

　　e——中性轴和收缩力作用轴之间的距离；

　　E——弹性模量；

　　I_y——接头绕中性轴的转动惯量；

　　P_x——纵向收缩力。

由上式可知，对于一定长度的焊接梁，其弯曲挠度与纵向收缩力P_x和偏心距成正比，与梁的截面刚度EI_y成反比。而P_x的大小与塑性变形区的大小有关，即在一定范围内与焊接线能量成正比。e与焊缝的位置有关。显然焊缝距离中性轴越近，挠度越小。I_y与焊件的截面设计有关。E与材料有关。因此，当焊件的材料和尺寸一定时，焊接线能量和焊缝距离中性轴的距离将是决定挠度的主要因素。

弯曲变形和纵向收缩变形都与焊缝长度有关，而横向收缩变形则与焊缝长度无关，这也是该两类变形的不同之处。焊缝长度对弯曲变形影响最大，由上式可以看出，焊接梁的挠度f与焊缝长度L的平方成正比，所以对一些大长度的焊接梁、柱要特别注意弯曲变形。

五、压曲变形

在焊接薄板构件时，在远离焊缝区域中的残余压应力会使焊板产生压曲变形，这种波浪变形要确定是由压曲应力产生的还是由弯曲引起的变形（图1-18（b））。压曲变形产生的原因不仅不同于弯曲变形，而且表现的形态和大小也不相同，其区别在于：

（1）压曲变形的数值一般比弯曲变形大得多；

（2）压曲变形后的稳定状态不止一个，在同一试件上沿焊缝中心线可能出现多种不同的稳定变形形式。

压曲变形与板宽、板长、焊接线能量和焊接残余应力有关。

在板宽与板长之比不变的情况下，不发生压曲变形的临界厚度随板宽的增加而增加；而在板宽不变的情况下，临界厚度随宽长比的增加而增加。

随着焊接线能量的增加，不但使焊件开始发生变形的时间提前，而且还使焊件最终的变形量增大。

由于压曲变形是由残余压应力引起的，所以为了避免压曲变形，必须使焊接残余应力值低于某一临界应力，这可通过减小焊接量和降低焊接线能量等办法减小焊接构件的残余应力。在可能的条件下采用间断焊，焊接量可减小一半，使残余应力大为减小。另一个办法是减小焊缝尺寸，也能达到同样的目的。

六、典型焊接接头的残余应力分布

从以上的讨论可知，焊接应力与变形是同时产生并存在于结构中。虽然结构中残余应力的数值不能说明结构的强度，但它在某些情况（如低温、动载荷等）下对结构的强度却有较大的影响。因此在这些情况下就需要了解残余应力的分布和数值情况。由于焊接残余应力在一般情况下不容易观察，而对它影响的因素又很多，所以焊接残余应力的分布及数值是通过实际测量来求得的。实际测量的工作量大，需要专门的仪器设备，或者将对接结构进行不同程度的破坏才能测得。因此在一般情况下，只是根据典型焊接接头中残余应力的分布情况，对具体焊接结构中的残余应力做定性分析。

对接接头中的焊缝纵向残余应力沿板宽方向的分布如图1-19（a）所示，在焊缝及热影响区为残余拉伸应力，并常达到材料的屈服极限，而在其他区域为残余压缩应力。焊缝纵向残余应力沿焊缝长度方向的分布则如图1-19（b）所示。

对接接头中的焊缝横向残余应力数值是很大的，有时也可能达到屈服极限，它与焊件的板宽、定位焊位置、施焊方向及施焊程序有关。横向残余应力沿板宽方向的分布如图1-19（c）所示，沿焊缝长度方向的分布如图1-19（d）所示。即焊缝中心残余应力为最大值，而距焊缝中心不远就很快减小。

图1-19　对接焊的残余应力分布

角接接头中纵向残余应力分布如图1-20所示。

图1-20　角接接头中的纵向残余应力分布