焊接应力和变形的产生原因

焊接应力和焊接变形指在焊接过程中焊件产生的应力和变形。在生产实际中，焊件在焊后总会产生一定的变形，并存在一定的焊接残余应力（焊后残留在焊件内的焊接应力）。变形和应力两者是在焊接过程中同时产生的。产生焊接应力和焊接变形的原因基本有以下几个方面。

图5-1 焊接时工作上的温度分布

图5-2 钢板边缘堆焊时的焊接变形

一、焊接时焊件不均匀的局部加热和冷却

焊接时焊件受到不均匀的加热和冷却是产生焊接变形和焊接应力的最主要的原因。由于焊接时焊件的局部被加热到熔化状态，形成了焊件上温度的不均匀分布，如图5-1所示，这样就使焊件出现了不均匀的热膨胀。

加热的金属由于受到周围金属的阻碍，使其膨胀不能自由地实现而受到压应力，周围的金属则受到拉应力。当被加热金属的压应力超过金属的屈服点时，就会产生缩短的塑性变形。

在焊接冷却后，由于被加热金属在加热时已产生了压缩的塑性变形，所以最后的长度要比未被加热金属的长度短些。但是这时周围的金属又会阻碍它的缩短，结果在被加热的焊缝金属中产生拉应力，而在周围金属中则产生压应力由于钢材的屈服极限随加热温度的升高不断降低，当加热温度在600℃左右时，屈服极限几乎接近于零，因此在焊接时被加热部分产生的缩短的塑性变形倾向较大。图5-2为沿钢板边缘进行堆焊的变形过程。(www.xing528.com)

二、焊缝金属的收缩

焊缝金属在凝固和冷却过程中，体积要发生收缩，这种收缩使焊件产生变形和应力。在焊缝长度方向的收缩称为纵向收缩，它使焊件沿焊缝方向的长度缩短；在垂直于焊缝长度方向上的收缩称为横向收缩，它使焊件在垂直于焊缝方向的宽度变窄。焊缝金属的收缩量取决于熔化金属的数量。

例如焊接V形坡口对接接口时，由于焊缝上部宽，熔化金属多，收缩量大，所以上下收缩不一致，因而会发生角变形。

三、焊缝金属的组织变化

焊缝金属（熔敷金属）在焊接时加热到很高温度，随后冷却下来达到熔点，从熔点到常温，即由液态凝固成固态的过程中，焊缝金属内部的组织要发生变化。由于各种组织的比容不同，焊缝金属冷却下来要发生体积的变化。这种体积的变化同样也受到周围没有组织变化的金属的约束，其结果使焊缝金属内部产生了应力，由组织变化产生的应力称为组织应力。

四、焊件的刚性

焊件的刚性限制了焊件在焊接过程中的变形，所以刚性不同的焊接结构，焊后变形的大小不同。如焊件被夹持在夹具中进行焊接，由于夹具的限制，焊件不能随温度的变化自由膨胀和收缩，这样就有效地减少了焊件的变形，但是在焊接时，焊件中会产生较大的焊接应力。

焊接变形和焊接应力产生的原因，除以上所述外，在焊接过程中还有多种因素共同影响着应力和变形的变化。焊接方法、接头形式、坡口形式、坡口角度、焊件的装配间隙、对口质量、焊接速度、焊件的自重等都会对焊接变形和焊接应力造成影响，特别是装配顺序和焊接顺序对焊接应力与变形有较大的影响。