【文章內(nèi)容簡介】 一個方向作用二維空間應(yīng)力雙向（或雙軸）應(yīng)力。應(yīng)力在一個平面內(nèi)不同方向作用三維空間應(yīng)力三向（或三軸）應(yīng)力。應(yīng)力在空間所有方向作用按應(yīng)力產(chǎn)生的原因分熱應(yīng)力焊接過程中焊件內(nèi)部溫度有差異所引起的應(yīng)力，故又稱溫差應(yīng)力，它隨溫差消失而消失。熱應(yīng)力是引起熱裂紋的力學(xué)原因相變應(yīng)力焊接過程中局部金屬發(fā)生相變，其比容增加或減小而引起的應(yīng)力塑變應(yīng)力金屬局部發(fā)生拉伸或壓縮塑性變形后引起的內(nèi)應(yīng)力。焊接過程中在近縫高溫區(qū)德金屬熱膨和冷縮受阻時產(chǎn)生這種塑性變形，從而引起焊接的內(nèi)應(yīng)力按應(yīng)力存在的時間分焊接瞬時應(yīng)力在焊接過程中，某一瞬時的焊接應(yīng)力，隨時間而變化。它和焊接熱應(yīng)力沒有本質(zhì)區(qū)別，當(dāng)溫度也隨時間而變化時，熱應(yīng)力也是瞬時應(yīng)力。統(tǒng)稱暫時應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力焊完冷卻后殘留在焊件內(nèi)的應(yīng)力。圖231所示即為殘余應(yīng)力。它對焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、腐蝕和尺寸穩(wěn)定性等使用性能有影響。 熔化焊必然會帶來焊接殘余應(yīng)力，焊接殘余應(yīng)力在鋼結(jié)構(gòu)中并非都是有害的。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)在工程中的受力情況、使用的材料、不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計等，正確選擇焊接工藝，將不利的因素變?yōu)橛欣囊蛩亍Ｍ瑫r要做到具體情況具體分析。 1）對靜載強(qiáng)度的影響 塑性良好的金屬材料，焊接殘余應(yīng)力的存在并不影響焊接結(jié)構(gòu)的靜載強(qiáng)度。在塑性差的焊件上，因塑性變形困難，當(dāng)殘余應(yīng)力峰值達(dá)到材料的抗拉強(qiáng)度時，局部首先發(fā)生開裂，最后導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)整體破壞。由此可知，焊接殘余應(yīng)力的存在將明顯降低脆性材料鋼結(jié)構(gòu)的靜載強(qiáng)度。 2）對構(gòu)件加工尺寸精度的影響圖232帶氣割邊及帶蓋板的焊接桿 件的內(nèi)應(yīng)力 對尺寸精度要求高的焊接結(jié)構(gòu)，焊后一般都采用切削加工來保證構(gòu)件的技術(shù)條件和裝配精度。通過切削加工把一部分材料從構(gòu)件上去除，使截面積相應(yīng)減小，同時也釋放了部分殘余應(yīng)力，使構(gòu)件中原有殘余應(yīng)力的平衡得到破壞，引起構(gòu)件變形。 3）對受壓桿件穩(wěn)定性的影響 焊接后工字梁（H形）中的殘余壓應(yīng)力和外載引起的壓應(yīng)力疊加之和達(dá)到材料的屈服點(diǎn)時，這部分截面就喪失進(jìn)一步承受外載的能力，削弱了有效截面積。這種壓力的存在，會使工字梁的穩(wěn)定性明顯下降，使局部或整體失穩(wěn)，產(chǎn)生變形。 焊接殘余應(yīng)力對桿件穩(wěn)定性的影響大小，與內(nèi)應(yīng)力的分布有關(guān)，若能使有效截面遠(yuǎn)離壓桿的中性軸，如圖232所示的H形焊接桿件，可以改善其穩(wěn)定性。圖中a是用氣割翼板外邊緣，圖中ｂ是翼板上加蓋板在邊緣進(jìn)行焊接，均使邊緣存在較大拉內(nèi)應(yīng)力。這樣的結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)其失穩(wěn)臨界應(yīng)力比一般焊接的H形截面高。 4）對應(yīng)力腐蝕裂紋的影響 金屬材料在某些特定介質(zhì)和拉應(yīng)力的共同作用下發(fā)生的延遲開裂現(xiàn)象，稱為應(yīng)力腐蝕裂紋。應(yīng)力腐蝕裂紋主要是由材質(zhì)、腐蝕介質(zhì)和拉應(yīng)力共同作用的結(jié)果。采用熔化焊焊接的構(gòu)件，焊接殘余應(yīng)力是不可避免的。焊件在特定的腐蝕介質(zhì)中，盡管拉應(yīng)力不一定很高都會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂。其中殘余拉應(yīng)力大小對腐蝕速度有很大的影響，當(dāng)焊接殘余應(yīng)力與外載荷產(chǎn)生的拉應(yīng)力疊加后的拉應(yīng)力值越高，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的傾向就高，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的時間就越短。所以，在腐蝕介質(zhì)中服役的焊件，首先要選擇抗介質(zhì)腐蝕性能好的材料，此外對鋼結(jié)構(gòu)的焊縫及其周圍處進(jìn)行錘擊，使焊縫延展開，消除焊接殘余應(yīng)力。對條件允許焊接加工的鋼結(jié)構(gòu)，在使用前進(jìn)行消除應(yīng)力退火等。（工藝措施見下章） 焊接內(nèi)應(yīng)力是可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和焊接工藝措施等進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制。工藝措施將在下一章詳細(xì)介紹。1） 盡量減少結(jié)構(gòu)上焊縫的數(shù)量和焊縫尺寸。多一條焊縫就多一處內(nèi)應(yīng)力源；過大的焊縫尺寸，焊接時受熱區(qū)加大。使引起殘余應(yīng)力與變形的壓縮塑變區(qū)或變形量增大。2） 避免焊縫過分集中，焊縫間應(yīng)保持足夠的距離。焊縫過分集中不僅使應(yīng)力分布更不均勻，而且可能出現(xiàn)雙向或三向復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。3） 采用剛性較小的接頭形式。 [5] [12] [13] 焊接變形的特點(diǎn)和分類 ⑴ 特點(diǎn) 焊件由于焊接而產(chǎn)生的變形稱焊接變形。焊接變形與焊件形狀尺寸、材料的熱物理性能及加熱條件等因素有關(guān)。如果是簡單的金屬桿件在自由狀態(tài)下均勻的加熱或冷卻，該桿件將按熱膨冷縮的基本規(guī)律在長度上產(chǎn)生伸長或縮短的變形，焊接時不均勻加熱過程，熱源只集中在焊接部位，且以一定速度向前移動。局部受熱金屬的膨脹能引起整個焊件發(fā)生平面內(nèi)或平面外的各種形態(tài)的變形。變形是從焊接時便產(chǎn)生，并隨焊接熱源的移動和焊件上溫度分布的變化而變化。一般情況下一條焊縫在施焊處受熱發(fā)生膨脹變形，后面開始在凝固和冷卻處發(fā)生收縮。膨脹和收縮在這條焊縫上不同部位分別產(chǎn)生，直至焊接結(jié)束并冷至室溫，變形才停止。 ⑵分類 焊接過程中隨時間而變的變形稱焊接瞬時變形，它對焊接施工過程發(fā)生影響。焊完冷后，焊件上殘留下來的變形稱焊接殘余變形，它對結(jié)構(gòu)質(zhì)量和使用性能發(fā)生影響。 我們關(guān)心最多的是焊接殘余變形，因?yàn)樗苯佑绊懡Y(jié)構(gòu)的使用性能。所以在沒有特別說明情況下，一般所說的焊接變形，多是指焊接殘余變形。按變形后的形態(tài)分，焊接殘余變形可歸納成表232所示的幾種類型。它們與焊件的形態(tài)、尺寸、焊縫在焊件上的位置、焊縫坡口的幾何形狀等因素有關(guān)。表232焊接殘余變形分類類型示意圖說明板平面內(nèi)的變形橫向收縮垂直焊接方向的收縮縱向收縮焊接方向的收縮回轉(zhuǎn)變形在開坡口焊接時，焊接過程中坡口間時而張開時而閉合的變形。在熱源前方完全沒有拘束的情況下，因連接焊接坡口間隙常常張開，焊接熱輸入量越大，張開量越大板平面外的變形橫向彎曲變形（角變形）在板厚方向由于焊接而使溫度分布不均勻時，沿板厚方向橫向收縮不同，使板件在焊縫中心線處發(fā)生彎曲變形。又叫角變形縱向彎曲變形焊接方向偏心收縮引起的彎曲變形波浪變形在薄板焊接時，由于焊接產(chǎn)生的壓縮殘余應(yīng)力，使板件出現(xiàn)因壓曲形成的波浪變形扭曲變形細(xì)長構(gòu)件，縱向焊縫的橫向收縮不均勻或備料與組裝質(zhì)量不良，使構(gòu)件繞自身軸線扭轉(zhuǎn) 焊接變形收縮余量計算 1）縱向收縮從理論上精確計算變形量目前比較困難。工程上對于鋼制細(xì)長焊件，如梁、柱等結(jié)構(gòu)單層焊的縱向收縮量△L，可利用以下經(jīng)驗(yàn)公式估算： △L=k1AHL∕A式中 △L——單層焊縱向收縮量，mm； k1——系數(shù)見表233； AH——塑性變形區(qū)面積，mm2； L ——焊件長度，mm； A ——焊縫的截面積，mm2。 表233 k1與焊接方法的關(guān)系（材料為低碳鋼）焊接方法二氧化碳焊埋弧焊焊條電弧焊系數(shù)～多層焊的縱向收縮量，將上式中的塑性變形區(qū)面積AH改為一層焊縫金屬的截面積，并將所計算的結(jié)果再與系數(shù)k2相乘。 k2=1+85εsn εs=σs∕E式中 n——層數(shù)。因雙面角焊縫焊接熱輸入量有一部分重疊，所以，估算T形接頭縱向收縮量時可按單面焊再乘一個系數(shù)進(jìn)行，即△LT=（～）△L單（式中AH是指一條焊縫的截面積）。2）橫向收縮對接接頭的橫向收縮大小與焊接線能量、坡口形式、焊縫截面積以及焊接工藝有關(guān)。對接接頭的橫向收縮量△B的估算可按下式進(jìn)行： △B=∕δ+ 式中 △B——對接接頭的橫向變形量，mm； A——焊縫的截面積，mm2； δ——板厚，mm； b——對接間隙，mm。（工藝方面見下章） 1）合理選擇構(gòu)件截面提高構(gòu)件的抗變形能力設(shè)計結(jié)構(gòu)時要盡量使構(gòu)件穩(wěn)定、截面對稱，薄壁箱形構(gòu)建的內(nèi)板布置要合理，特別是兩端的內(nèi)隔板要盡量向端部布置；構(gòu)件的懸出部分不易過長；構(gòu)件放置或吊起時，支承部位應(yīng)具有足夠的剛度等。較容易變形或不易被矯正的結(jié)構(gòu)形式要避免采用?？刹捎酶鞣N型鋼、彎曲件和沖壓件(如工字梁、槽鋼和角鋼)代替焊接結(jié)構(gòu)，對焊接變形大的結(jié)構(gòu)盡量采用鉚接和螺栓連接。對一些易變形的細(xì)長桿件或結(jié)構(gòu)可采用臨時工藝筋板、沖壓加強(qiáng)筋、增加板厚等形式提高板件的剛度。如從控制變形的角度考慮，鋼橋結(jié)構(gòu)的箱形薄壁結(jié)構(gòu)的板材不宜太薄，如起重20t、跨度28m的箱形雙梁式起重機(jī)，主體箱形梁長度達(dá)45m、斷面為寬800mm、高1666mm、內(nèi)側(cè)腹板厚度為8mm，外側(cè)腹板6mm，焊成箱形后，無論整體變形還是局部變形都比較大，而且矯正困難。因此，箱形鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不但要考慮板厚、剛度和穩(wěn)定性，而且制造和安裝過程中的變形也是很重要的。 2）合理選擇焊縫尺寸和布置焊縫的位置焊縫尺寸過大不但增加了焊接工作量。對焊件輸入的熱量也多，而且也增加了焊接變形。所以，在滿足強(qiáng)度和工藝要求的前提下，盡可能的減少焊縫長度尺寸和焊縫數(shù)量，對聯(lián)系焊縫在保證工件不相互竄動的前提下，可采用局部點(diǎn)固焊縫；對無密封要求的焊縫，盡可能采用斷續(xù)焊縫。但對易淬火鋼要防止焊縫尺寸過小產(chǎn)生淬硬組織等。設(shè)計焊縫時，盡量設(shè)計在構(gòu)件截面中心軸的附近和對稱于中性軸的位置，使產(chǎn)生的焊接變形盡可能的相互抵消。如工字梁其截面是對稱的，焊縫也對稱與工字梁截面的中性軸。焊接時只要焊接順序選用合理，焊接變形就可以得到有效的控制，特別是撓曲變形可以得到有效的控制。 3）合理選擇焊縫的截面和坡口形式要做到在保證焊縫承載能力的前提下，設(shè)計時應(yīng)盡量采用焊縫截面尺寸小的焊縫。但要防止因焊縫尺寸過小，熱量輸入少，焊縫冷卻速度快易造成裂紋、氣孔、夾渣等缺陷。因此，應(yīng)根據(jù)板厚、焊接方法、焊接工藝等合理的選擇焊縫尺寸。此外，要根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸大小等選擇坡口形式。如平板對接焊縫，一般選用對稱的坡口，對于直徑和板厚都較大的圓形對接筒體，可采用非對稱坡口形式控制變形。在選擇坡口形式時還應(yīng)考慮坡口加工的難易、焊接材料用量、焊接時工件是否能夠翻轉(zhuǎn)及焊工的操作方便等問題。如直徑比較小的筒體，由于在內(nèi)部操作困難，所以縱焊縫或環(huán)焊縫可開單面V或U形坡口。具體坡口形狀和尺寸見下節(jié)內(nèi)容。 4）盡量減少不必要的焊縫焊縫數(shù)量與填充金屬量成正比，所以，在保證強(qiáng)度的前提下，鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)盡量減少焊縫數(shù)量，避免不必要的焊縫。為防止薄板產(chǎn)生波浪變形，可適當(dāng)采用筋板增加鋼結(jié)構(gòu)的剛度，用型鋼和沖壓件代替焊件。 （主要是熔焊接頭）[12] 焊接結(jié)構(gòu)上的接頭，按被連接構(gòu)件之間的相對位置及其組成的幾何形狀，可歸納為圖233所示的五種類型：a為對接接頭；b為角接接頭；c為T形接頭；d為搭接接頭；e為卷邊接頭。 圖233熔焊接頭的基本類型 [12] [6] 1）對接接頭將兩焊件的表面構(gòu)成135176?！?80176。夾角的接頭均稱對接接頭。優(yōu)點(diǎn):傳力效率最高，應(yīng)力集中較低,并易保證焊透和排除工藝缺陷，具有較好的綜合性能，使重要零件和結(jié)構(gòu)連接的首選接頭。缺點(diǎn)：焊前準(zhǔn)備工作量大，組裝費(fèi)工時，而且焊接變形也較大。圖234不同板厚鋼板對接接頭設(shè)計（L≥3δδ1）對接接頭應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力集中產(chǎn)生在焊趾處。如果在焊趾處加工成過渡圓弧半徑或削平焊縫余高h(yuǎn)，均能使應(yīng)力集中減小或消失，提高接頭的疲勞強(qiáng)度。當(dāng)兩塊被連接板的厚度相差較大時，按GB/T98GB/T986，須將厚板削薄至薄板厚度相同時再焊接見圖234。為了防止因板厚不同引起作用力偏心傳遞，兩塊板的中心線應(yīng)盡可能重合，見圖234b。直接承受動力載荷且需要進(jìn)行疲勞計算的結(jié)構(gòu)，斜角坡度不應(yīng)大于1：4，其它結(jié)構(gòu)坡度不能大于1：。 2）搭接接頭 圖235正面搭接接頭的彎曲變形搭接接頭時兩平板部分地相互搭置，用角焊縫進(jìn)行連接的接頭 。優(yōu)點(diǎn)：焊前準(zhǔn)備工作量較小，裝配較容易，對焊工技術(shù)水平要求較對接接頭低，且橫向收縮量也較小，可用于工作環(huán)境良好，不重要的結(jié)構(gòu)中。缺點(diǎn)：母材和焊接材料消耗大，接頭動載強(qiáng)度低，搭接面有間隙，若外漏易發(fā)生腐蝕，若封閉澤不能在高溫工作。能采用對接接頭的盡量不采用搭接接頭。搭接接頭受軸向力時，以焊趾和焊根處的應(yīng)力集中最大，增加根部熔深可降低。只有正面角焊縫的搭接接頭 ，強(qiáng)度低，應(yīng)在背面加焊一條焊縫。當(dāng)背面無法焊時，可采用鋸齒狀焊縫。搭接接頭承受拉力時，正向角焊縫與作用力偏心，接頭上產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力，使應(yīng)力集中加劇。為了減少彎曲應(yīng)力，兩條正面角焊縫之間的距離不應(yīng)小于其板厚的4倍，但也不宜大于40K（動載時）或60K(靜載時)，否則應(yīng)力集中大，K為側(cè)面角焊縫的焊腳尺寸。見圖235。3） T形接頭和十字接頭T形接頭是將一件端面與另一件表面構(gòu)成直角或近似直角的接頭。三件相交組成“十”字形的接頭叫十字接頭。優(yōu)點(diǎn)：能承受各種方向外力和力矩。缺點(diǎn)：接頭在外力作用下力線扭曲很大，造成極不均勻的應(yīng)力分布。在外力作用下，應(yīng)力集中點(diǎn)在根部和過渡處。立板開坡口并焊透的接頭，應(yīng)力集中可大為降低。對重要構(gòu)件，尤其是在動載下工作的T形和十字接頭應(yīng)開坡口并焊透。該類型接頭應(yīng)盡量避免在其板厚方向承受高拉應(yīng)力，因軋制的鋼板常有夾層缺陷，尤其是厚板更易產(chǎn)生層狀撕裂，所以應(yīng)將工作焊縫轉(zhuǎn)化為聯(lián)系焊縫。如兩個方向都受力，則宜采用圓形、方形或特殊形狀的軋鋼、鍛鋼插入件。4)角接接頭兩焊件端部夾角在30176?！?35176。范圍內(nèi)的接頭。角接接頭獨(dú)立使用的承載能力很低，一般都用它組成箱體結(jié)構(gòu)、容器結(jié)構(gòu)后期作用。 [12]焊接接頭有圖233所示的基本形式。須正確的設(shè)計和選擇。合理的接頭設(shè)計和選擇不盡能保證結(jié)構(gòu)的局部和整體強(qiáng)度，還可以簡化生產(chǎn)工藝，節(jié)省制造成本；反之，則可能影響結(jié)構(gòu)的安全使用，甚至無法施焊。下列為設(shè)計和選擇焊接接頭形式時須考慮的幾個因素：① 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形狀 、尺寸、材質(zhì)及技術(shù)要求；② 焊接方法及接頭的基本特性；③ 接頭承受載荷的性質(zhì)、大小，如拉伸、壓縮、彎曲、交變載荷和沖擊等；④ 接頭的工作環(huán)境，如溫度、腐蝕介質(zhì)等；⑤ 焊接變形與控制，以及施焊的難易程度；⑥ 接頭焊前的準(zhǔn)備和焊接所需費(fèi)用。 坡口的設(shè)計與選擇 [12] [13] [14] [15] 1）設(shè)計