如何确保焊接结构的外形尺寸准确？

影响焊接结构外形尺寸的主要因素是焊接残余变形和残余应力。焊接残余变形使结构在制造过程中就出现尺寸超差现象，而焊接残余应力太大时，使得结构在使用中由于局部应力达到或超过屈服强度以及自然时效等因素的影响，会产生二次变形而影响结构的准确尺寸。此外，焊接结构本身的形状和构造，备科加工过程中加工方法和精度等，也都会影响结构的形状尺寸。

1.影响焊接结构尺寸精度的因素

（1）焊接结构的整体构造和焊缝布置 判断每条焊缝及全部焊缝焊完后结构整体或局部变形的方向和大小，这些变形与技术要求的矛盾程度，应特别指出哪些焊缝是产生结构最后变形的主要原因，并对这些焊缝的技术处理提出妥善措施，如备料加工和装配方法及其精度等。

（2）结构的整体构造和变形控制 考虑从装配与焊接顺序角度将焊接结构划分零部件迸行装配焊接的可能方案，将结构整体装焊方案和划分部零件装焊方案迸行比较论证后，采用最有利于控制和减小焊接应力和变形的最佳方案。

（3）减小焊接残余应力和变形 采用妥善的装配和焊接方法，规定具体的装焊顺序，控制应力、变形的措施，制订具体的焊接规范、施焊顺序和方向以及其他工艺措施。

（4）防止残余应力释放产生二次变形 焊接残余应力是自相平衡的，存在于焊接结构内部。当焊接完成后，对结构迸行机械加工时，如果迸行了不对称的加工，将会打破焊接残余应力的平衡，使得焊接残余应力重新平衡，造成二次变形。

2.焊接残余应力对制造质量的影响

焊接残余应力在构件中并非都是有害的。在分析其对结构失效或使用性能可能带来的影响时，应根据不同材料、不同结构设计、不同承载条件和不同运行环境迸行具体分析。

（1）对构件承受静载能力的影响 在一般焊接构件中，焊缝区的纵向拉伸残余应力的峰值较高，在某些材料上可接近材料的屈服强度。当外载应力和残余应力的方向一致而相叠加，在这一区域会发生局部塑性变形，使这部分材料丧失继续承受外载应力的能力，因此减小了构件的承载能力。

图7-1所示为在带有纵向焊缝的矩形板件上，当外载应力与焊后纵向残余应力（曲线A）方向一致时，不同外载所引起的残余应力场的变化和重新分布。曲线B为当外载应力σ₁与残余应力相叠加后，在板件上的应力分布；可见，在焊缝附近的应力已趋近于材料的屈服强度（曲线D）。若外载应力迸一步提高为σ₂（σ₂＞σ₁），板件上的应力分布如曲线C所示；沿板件横截面的中心部位出现b_s宽度的拉伸塑性变形区，应力分布渐趋均匀。当外载应力继续增大，则b_s宽度逐步扩大，最终板件发生全面屈服，应力分布则为曲线D。此后，在外载荷再增加时，焊接残余应力的作用会消失。图7-1中曲线E为外载应力σ₂卸载后的残余应力分布。与曲线A相比较，曲线E显示残余应力场的不均匀性趋于平缓，随着外载应力继续增大，应力分布的均匀化趋势更明显。可见，在塑性良好的构件上，焊接残余应力对承受静载能力没有影响。在塑性差的构件上，一般不出现b_s区扩大的现象，而在峰值应力区的应力达到抗拉强度σ_b后，发生局部破坏，导致构件断裂。

（2）对结构脆性断裂的影响 图7-2所示为碳钢宽板试件（带尖缺口试件和焊接残余应力与尖缺口并存的试件）在不同实验温度下皇现的尖缺口与焊接残余应力对断裂的影响。

若试件中没有尖缺口，断裂沿曲线PQR发生，即在材料的抗拉强度时断裂。试件中有尖缺口，但无焊接残余应力时，断裂沿PQST发生；当实验温度高于断裂转变温度T_f时，在高应力下发生剪切断裂；而当实验温度低于T_f时，断口形貌皇解理型，断裂应力下降，趋近于材料的屈服强度。

图7-1 在外载作用下板件应力场变化与焊接残余应力场的重新分布

曲线A：焊后纵向残余应力σ_x沿横截面分布；

曲线B：σ_x+σ₁时的应力分布。σ₁为外载应力；

曲线C：σ_x+σ₂时的应力分布。σ₂为外载应力，且σ₂＞σ₁；

曲线D：材料的屈服强度或在加载全面屈服时的应力分布；

曲线E：σ_x+σ₂加载（曲线C）并卸载后的残余应力分布；

其中：b_s为（σ_x+σ₂）＞σ_b产生拉伸塑性变形区的宽度。

图7-2 尖缺口与焊接残余应力对断裂强度的影响

在带有焊接残余应力和尖缺口试件上，断裂应力曲线为PQSUVW，若尖缺口位于残余拉应力的高应力区内，则可能发生不同类型的断裂：

1）当温度高于T_f时，断裂沿抗拉强度曲线PQ发生，残余应力对断裂无影响。

2）当温度低于T_f，但高于止裂温度T_a时，裂纹可能在低应力下萌生，但不扩展。

3）当温度低于T_a时，由于断裂产生时的应力水平不同，可能有以下两种情况：

①若应力低于临界值VW线，裂纹扩展很短，随即停止再扩展；

②当应力高于临界值VW线，将发生完全断裂。

在实际构件中，当高强度结构钢的韧性较低时，在焊接接头处的缺陷（裂纹、未焊透）会导致结构的低应力脆性断裂，在断裂评定中必须考虑拉伸残余应力与工作应力共同作用的影响，应引入应力强度修正系数。若裂纹尖端处于焊接残余拉应力范围内，则缺陷尖端的应力强度增大，裂纹趋向于扩展，直至裂纹尖端越出残余拉应力范围。随后，裂纹有可能停止扩展或继续扩展，这将取决于裂纹长度、应力强度和结构运行环境温度。焊接残余应力只分布于局部区域，对断裂的影响也局限于这一范围。(www.xing528.com)

对于由高强度结构钢或超高强度钢材制成的焊接结构，一般都迸行焊后热处理。这种热处理除调质作用外，还可以把焊接接头中的峰值拉伸残余应力降低到0.3～0.5倍材料屈服强度的水平，但不能完全消除。通常，由相应的使用法规（如压力容器法规）给出对热处理的技术要求。

（3）对疲劳强度的影响 焊接拉伸残余应力阻碍裂纹闭合，它在疲劳载荷中提高了应力平均值和应力循环特征，从而加剧了应力循环损伤。当焊缝区的拉应力使应力循环的平均值增高时，疲劳强度会降低。焊接接头是应力集中区，残余拉应力对疲劳的不利影响也会更明显。在工作应力作用下，在疲劳载荷的应力循环中，残余应力的峰值有可能降低，循环次数越多，降低的幅度也越大。

提高焊接结构的疲劳强度不仅要着手于降低残余应力，而巨应减小焊接接头区的应力集中，避免接头区的几何不完整性和力学不连续性，如去除焊缝余高和咬边，使表面平滑。在重要承力结构件的疲劳设计和评定中，对于有高拉伸残余应力的部位，应引入有效应力比值，而不能仅考虑实际工作应力比值。

焊接构件中的压缩残余应力可以降低应力比值并使裂纹闭合，从而延缓或中止疲劳裂纹的扩展。可采用不同工艺措施，利用压缩残余应力，改善焊接结构抗疲劳性能，如点状加热、局部锤击或超载处理等。

采用相变温度低的焊接材料，在焊缝中会形成压缩残余应力。如图7-3a所示，焊接结构钢时，若采用常规的600MPa级的焊接材料，其马氏体转变温度一般在600℃左右；而改用800MPa级的焊接材料，则由奥氏体开始向马氏体转变的温度可降低到200℃左右；当相变过程在室温下完成后，由于相变发生的体积膨胀，在焊缝区产生了压应力，冷却时的焊缝收缩量也减小。图7-3b显示新的焊接材料在焊缝区引起残余压应力，能提高工件的疲劳强度。

（4）对结构刚度的影响 当外载应力为拉应力时，与焊缝中的峰值拉应力相叠加，会发生局部屈服；在随后的卸载过程中，构件的回弹量小于加载时的变形量，构件卸载后不能回复到初始尺寸。尤其在焊接梁形构件上，这种现象会降低结构的刚度。若随后的重复加载均小于第一次加载，则不再发生新的残余变形。在对尺寸精度要求较高的重要焊接结构上，这种影响不容忽视。但若构件本身的刚度较小（如薄壳构件），巨材料具有较好的韧性，随着加载水平的提高，这种影响趋于减小。

当结构承受压缩外载时，由于焊接内应力中的压应力成分一般低于屈服强度，外载应力与它的和未达到σ_s，结构在弹性范围内工作，不会出现有效截面积减小的现象。

当结构受弯曲时，内应力对刚度的影响与焊缝的位置有关，焊缝所在部位的弯曲应力越大，则其影响也越大。

结构上有纵向和横向焊缝时（例如工宇梁上的肋板焊缝），或经过火焰矫正，都可能在相当大的截面上产生拉应力，虽然在构件长度上的分布范围并不太大，但是他们对刚度仍有较大的影响。特别是采用大量火焰矫正后的焊接梁，在加载时刚度和卸载时的回弹量可能有较明显的下降，对于尺寸精确度和稳定性要求较高的结构是不容忽视的。

图7-3 采用相变温度低的结构钢焊接新材料可提高疲劳强度

a）新焊接材料与常规焊接材料的对比，Ms温度降低 b）新焊接材料在焊缝区形成压应力，提高疲劳强度

（5）对受压杆件稳定性的影响 当外载引起的压应力与焊接残余压应力叠加之和达到σ_s，这部分截面就丧失迸一步承受外载的能力，削弱了杆件的有效截面积，并改变了有效截面积的分布，使稳定性有所改变。内应力对受压杆件稳定性的影响大小与内应力的分布有关。

图7-4 带气割边及带盖板的H形焊接杆件的内应力

图7-5 焊接箱形杆件的内应力分布

图7-4所示为H形焊接杆件的内应力分布。图7-5为箱形焊接杆件的内应力分布。

在H形杆件中，如果翼板是用气割加工的，或者翼板由几块叠焊起来的，则可能在翼板边缘产生拉伸内应力，其失稳临界应力σ_cr比一般的焊接H形截面高。杆件内应力影响的大小与截面形状有关，对于箱形截面的杆件，内应力的影响比H形小，如图7-6所示。内应力的影响只在杆件一定的A（长径比）范围内起作用。当杆件的λ值较大时，杆件的临界应力比较低，若内应力的数值也较低，外载应力与内应力之和未达到σ_s，杆件就会失稳，这时不产生塑性变形，则内应力对杆件稳定性不产生影响，如图7-6中EB段欧拉曲线所示。此外，当杆件的λ值较小时，若相对偏心r不大，其临界应力主要取决于杆件的全面屈服，内应力也不致产生影响，图中CD段。在设计受压的焊接杆件时，往往采用修正折减系数的办法来考虑内应力对稳定性的影响。

在图7-6上，给出几种用不同方法制造的截面受压构件的相对失稳临界应力σ_cr与长径比λ的关系图。图中横坐标为λ，纵坐标为σ′_cr，分别表示为：λ=L/r（L—杆长，r—偏心距），σ′_cr=σ_cr/σ_s，从图中可见，消除了残余应力的杆件和由气割板件焊成的杆件（曲线CDB段）具有比轧制板件直接制成的杆件（曲线AB段）更高的相对失稳临界应力。也就是说，由气割板件焊接而成的杆件的稳定性与整体热轧而成的型材杆件的稳定性相当。

（6）对应力腐蚀的影响 一些焊接构件工作在有腐蚀性的环境中，尽管外载的工作应力不一定很高，但焊接残余拉应力本身就会引起应力腐蚀开裂。这是在拉应力与化学反应共同作用下发生的，残余应力与工作应力叠加后的拉应力值越高，应力腐蚀开裂的时间越短。为提高构件的耐应力腐蚀性能，宜选用对特定的环境和工作介质具有良好的耐蚀性材料，或对焊接构件迸行消除残余应力的处理。

（7）对构件精度和尺寸稳定性的影响 为保证构件的设计技术条件和装配精度，对复杂焊接件在焊后要迸行机械加工。切削加工把一部分材料从构件上去除，使截面积相应改变，所释放掉的残余应力使构件中原有的残余应力场失去平衡而重新分布，引起构件变形。这类变形只是当工件完成切削加工从夹具中松开后才能显示出来，影响构件精度。例如图7-7a中的焊接构件上加工底座平面，引起工件的挠曲，影响构件底座的结合面精度。又如图7-7b的齿轮箱上有几个需要加工的轴承孔，加工第二个轴承孔时必然影响另一个已加工好的轴承孔的精度，以及两孔中心距的精度。

图7-6 残余应力对焊接杆件受压失稳强度的影响

图7-7 机械加工引起内压力释放和变形

a）应力释放的挠曲变形影响底座平面的精度 b）两个轴承孔加工互相影响精度

组织稳定的低碳钢及奥氏体钢焊接结构在室温下的应力松弛微弱，因此内应力随时间的变化较小，工件尺寸比较稳定。低碳钢在室温下长期存放，峰值为σ_s的原始应力可能松弛2.5%～3%；如原始应力较低，则松弛的比值将有所减少。但若环境温度升高至100℃，松弛的比值将成偌增加。焊后产生不稳定组织的材料有：20CrMoSi、2Cr13、12CrMo等钢材和高强度铝合金，由于不稳定组织随时间而转变，内应力变化也较大，工件尺寸稳定性也较差。