产生机理、影响因素和内在联系详解

图7-1给出了引起焊接应力和变形的主要因素及其内在联系。焊接时的局部不均匀热输入是产生焊接应力与变形（图7-1下部）的决定因素。热输入是通过材料因素、制造因素和结构因素所构成的内拘束度和外拘束度（图7-1右侧）而影响热源周围的金属运动，最终形成了焊接应力和变形。从图7-1的左侧可见，产生焊接应力和变形的因素主要有材料特性、热物理常数及力学性能[热膨胀系数α=f（T），弹性模量E=f（T），屈服强度σ_s=f（T），σ_s≈0时的温度T_K或称材料“力学熔化温度”以及相变等]；在焊接温度场中，这些特性呈现出决定热源周围金属运动的内拘束度。制造因素（工艺措施、夹持状态）和结构因素（构件形状、厚度及刚性）则更多地影响着热源周围金属运动的外拘束度。

焊接应力和变形是由多种因素交互作用而导致的结果。通常，若仅就其内拘束度的效应而言，焊接应力与变形产生机理可表述如下。焊接热输入引起材料不均匀局部加热，使焊缝区熔化；而与熔池毗邻的高温区材料的热膨胀则受到周围材料的限制，产生不均匀的压缩塑性变形；在冷却过程中，已发生压缩塑性变形的这部分材料（如长焊缝的两侧）又受到周围条件的制约，而不能自由收缩，在不同程度上又被拉伸；与此同时，熔池凝固，金属冷却收缩时也产生了相应的收缩拉应力与变形。在焊接接头区产生的缩短的不协调应变，即残余塑性应变，或称初始应变、固有应变。与焊接接头区产生的缩短不协调应变相对应，在构件中会形成自身相平衡的内应力，通称为焊接应力。焊接接头区金属在冷却到较低温度时，材料回复到弹性状态；此时，若有金相组织转变（如奥氏体转变为马氏体），则伴随体积变化，出现相变应力。随焊接热过程而变化的内应力场和构件变形，称为焊接瞬态应力与变形。焊后在室温条件下，残余于构件中的内应力场和宏观变形，称为焊接残余应力与焊接残余变形。

图7-1 引起焊接应力、变形的主要因素及其内在联系(www.xing528.com)

焊接结构多用熔焊方法制造，而熔焊时的焊接应力与变形问题最为突出，电阻焊次之。钎焊的不均匀加热或不均匀冷却也会引起构件中的残余应力和变形。在钎焊和扩散焊接头中，由于采用不同材质的钎料或中间过渡层，热膨胀系数的差异是导致残余应力场的一个主要因素。

由于焊接应力与变形问题的复杂性，在工程实践中，往往采用实验测试与理论分析和数值计算相结合的方法，掌握其规律，以期达到预测、控制和调整焊接应力与变形的目的。