摘要：在机械焊接的过程中，难免会出现焊接变形问题，同时还会产生焊接应力。焊接变形同焊接应用对于焊接工作有着非常大的影响，会严重的影响焊接的质量。
关键词：焊接变形；焊接应力；焊接；温度
力的概念是在工程实践中建立的，可以通过力的作用效果感受它的存在。我们将力使物体的运动状态发生改变的效应称为外效应；我们将力使物体发生的形状的变化的效应称为内效应。作为焊接结构中的力学问题研究的是力的内效应，当材料变形时，杆件内部质点之间产生了用来抵抗变形、企图使材料恢复原状的抵抗力，这种因外力作用而引起构建内部之间的相互作用力，简称内力。
1 焊接变形的概念
焊接变形主要是指在焊接过程中由于焊接工作而导致的焊接件变形。焊接变形的开始时间是焊接开始的一瞬间。焊接变形结束的节点是焊接结束后焊接件的温度降低到焊接初始温度。焊接变形有两种情况，第一种是焊接过程中出现的焊接变形；第二种是焊接完成后出现的焊接残余变形。
2 焊接应力的概念
焊接应力主要指的是焊接过程出现的焊接件内部的结构应力，同时焊接完成后焊接件内部还会产生少量的焊接应力。焊接应力的出现也是在焊接开始的时候，焊接应力会随着焊接的进行而发生变化，焊接应力的分布没有规律，会随着焊接的进行而随时发生变化。
3焊接应力与变形产生的原因
通常，我们把焊接时不均匀加热看成产生焊接应力与变形的根本原因，焊接应力与变形是由多种因素交互作用而导致的结果，如材料因素、工艺因素和结构因素等。若仅就其材料本身的物理性质和力学性质引起的内拘束条件影响而言，焊接应力与变形产生的原因可表述如下：焊接热输入引起材料不均匀加热，使焊缝区熔化，在热传导作用下致使焊接接头形成了高温区，材料的发生热膨胀则受到周围母材形成的低温区域的限制，产生不均匀的压缩塑性变形；在冷却过程中已产生的压缩塑性变形的这部分材料又受到周围材料的限制而不能自由收缩，不同程度上又被拉伸而卸载；与此同时熔池凝固金属冷却收缩也产生相应的应力与变形，也就是高温焊缝区受到拉应力，在焊接接头区产生了缩短的不协调应变。
4焊接变形和焊接应力产生的原因
产生焊接变形与应力最根本的原因是焊件受热或冷却不均匀，此外，焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件的刚性也是产生或影响焊接变形与应力的重要原因。
4.1焊件的不均匀受热
焊接是一种局部加热和冷却的过程，焊件焊接区的金属在热作用下的热自由膨胀受到周围未被加热金属的阻碍而发生压缩缩性变形，所以焊后冷却时，这一区域的金属必然有收缩变短的趋势。
4.2焊缝金属的收缩
焊缝金属包括熔化的母材和填充金属，甚至包括焊缝两侧力学熔点以上的固态母材金属，它们均处于全塑性状态，只有自身的塑性变形，对周围金属并无推力和拉动作用，这部分金属在力学熔点以下是不能自由收缩的。
4.3金属组织的变化
有些金属在固态下有相变过程。焊缝金属在周围冷金属的包围中，冷却速度极快。如高强钢焊接时，焊缝金属像被淬火一样，来不及相变，直到较低温度下，才从奥氏体转变为马氏体，比容明显增大，这不但可能抵消焊接时产生的部分压缩塑性变形，减小残余拉应力，甚至可能使焊缝区出现较大的压应力。
4.4焊件的刚性和拘束
焊件的刚性和拘束与焊接应力、焊接变形有密切的关系。焊件的刚度和拘束越大，焊接变形就越小、焊接应力则越大；反之，焊件的刚度和拘束越小，焊接变形就越大，焊接应力则越小。
5焊接变形和焊接应力的预防和控制
5.1预防和控制焊接变形的措施
（1）设计措施：
设计上要尽量减少焊缝的数量和尺寸，合理布置焊缝，除了要避免焊缝密集以外，还应使焊缝位置尽可能靠近构件的中轴，并使焊缝的布置与构件中轴相对称。
（2）工艺措施
① 反变形法
在焊接前进行装配时，预先制造或设置一个与焊接变形相反的变形，以便在焊接过程中，使焊接变形与预制的反变形相互抵消，达到焊接后没有变形的目的，它属于预防焊接变形的措施。
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② 选择合理的装配焊接顺序
选择合理的装配焊接顺序，使焊接变形消失于装配焊接的过程中，或使不同时期，不同位置产生的焊接变形相反、相消，达到调整、控制和消减焊接变形的目的。
③ 选择适宜的焊接方法
多种焊接方法的热输入差别较大，在建筑钢结构焊接常用的几种焊接方法中，除电渣焊以外，埋弧焊热输入最大，在其他条件如焊缝截面积相同情况下，收缩变形最大，手工电弧焊居中，CO2气体保护焊最小。对屈服强度345Mpa以下，淬硬性不强的钢材采用较小的热输入，尽可能不预热或适当降低预热、层间温度；优先采用热输入较小的焊接方法，如CO2气体保护焊。
④ 固定法
刚性固定法是一个传统的限制焊接变形的方法，简单的固定和限制松开后，弹性变形要释放，不能完全防止焊接变形。刚性固定的方法很多，有的用简单的夹具成支撑，有的采用专用的胎具，有的是临时点固在刚性工作平台上，有的甚至利用结构本身去构成刚性较大的组合体。
⑤ 散热法
散热法又称强迫冷却法，就是把焊接热量迅速散走，使焊缝附近的金属受热面大大减小，达到减小焊接变形的目的，常用的散热法有水浸法和散热垫法。水浸法常用于表面堆焊和补焊。
5.2预防和控制焊接应力的措施
（1）采用合理的焊接顺序
不仅防止弯曲及角变形等焊接变形时要考虑合理安排焊接顺序，而且减小应力也应选择合理的焊接顺序，具体原则如下：
① 平面上的焊缝焊接时，要保证焊缝的纵向和横向（特别是横向）收缩不要受到较大的约束。
② 收缩量最大的焊缝应当先焊。因为先焊的焊缝收缩时受阻较小，故应力较小。
（2）预先留出保证焊缝能够自由收缩的余量
1开缓和槽减小应力法：厚度大的焊件刚性大，焊接时容易产生裂纹，在不影响结构强度性能的前提下，可以采用在焊缝附近开缓和槽的方法来减小焊接应力，避免裂纹的产生。
2采用“冷焊”的方法：这种方法的原则是使整个结构上的温度分布尽可能均匀，即要求焊接部位这个“局部”的温度应尽量控制得低些，同时这个“局部”在结构这个“整体”中所占的面积范围应尽量小些。
3整体预热法：这种方法减小焊接应力的原理与“冷焊法”在本质上是相似的，即同样是使焊接区的温度和结构整体温度之间的差别减小，差别愈小，冷却后焊接应力也愈小，产生裂纹的倾向也愈小。
4采用加热“减应区”法：这种方法就是加热那些阻碍焊接区自由伸缩的部位（“减应区”），使之与焊接区同时膨胀和同时收缩，起到减小焊接应力的作用。这种方法又称为加热去除约束法。
6焊接变形和焊接应力的消除
6.1焊接变形的矫正
在钢结构加工之前，首先考虑采取各种有效措施防止或减小焊接变形，但在实际施工中由于某些原因，焊后结构会发生了超过产品技术要求所允许的变形，这样就必须设法矫正变形，使之符合产品质量要求。
6.2焊接应力的消除
（1）去应力退火：又称高温回火，焊后钢件加热温度为500～650℃，可进行整体去应力退火，也可以局部退火。
（2）机械拉伸法：即对焊件施加载荷，使焊缝区产生塑性拉伸，以减少其原有的压缩塑变，从而降低或消除应力。如：压力容器的水压试验。
7结束语
在工业生产中，焊接工作的有效科学发展能够推动我国的机械行业的健康发展，因此我们在焊接工作进行过程中，一定要注意焊接的质量，同时对于影响焊接质量的各种因素给予及时的发现并且处理，只有这样我国的焊接工作才能够有更好更快的发展。
参考文献：
[1]张士相，王承福，闫玉芹.焊工[M].中国劳动社会保障出版社，2002.
[2]焊接手册――材料的焊接[M].北京：机械工业出版社，2003.
[3]陈祝年.焊接工程师手册[M].北京：机械工业出版社，2002.
论文作者:王郁林
论文发表刊物:《基层建设》2019年第12期
论文发表时间:2019/7/19
标签：应力论文; 金属论文; 刚性论文; 塑性论文; 温度论文; 结构论文; 材料论文; 《基层建设》2019年第12期论文;