1.4 焊接殘余變形的種類及形式

焊接過程是一個不均勻的加熱過程，因而在焊接過程中會產生應力和變形，焊后導致結構產生焊接殘余應力和焊接殘余變形。

按照構件變形的外觀形態來分，可將焊接變形分為五種基本變形形式：收縮變形、角變形、彎曲變形、波浪變形和扭曲變形。這些基本變形形式的不同組合形成了實際生產焊接產品更為復雜的變形。傳統概念認為焊接變形的控制主要分為兩個階段，一是焊前和焊接過程中的控制；二是焊后矯正。

1.縱向和橫向焊接變形

（1）縱向焊接變形 焊后產生的縱向變形主要是縱向收縮，焊縫的縱向收縮量一般是隨焊縫的長度增加而增加。焊縫縱向收縮近似值見表1-2。

對于線膨脹系數大的材料，則焊縫的縱向收縮量隨之增大。如不銹鋼、鋁及鋁合金材料的線膨脹系數較大，因此，焊后收縮量比碳素鋼大。一般來講，當多層焊時，第一層焊縫焊接時引起的收縮量最大，這是因為焊接第一層焊縫時，焊縫受到的拘束度較小；焊接第二層焊縫時的收縮量大致是第一層收縮量的20%，焊接第三層焊縫時的收縮量大致是第一層的5%～10%，最后幾層則依次減小。

如果焊件是在剛性固定狀態下焊接，其收縮量可減小40%左右，但焊后會產生較大的焊接應力。

（2）橫向焊接變形 焊后產生的橫向變形主要是橫向收縮，其產生原因與縱向焊接變形類似。焊件上溫度的分布曲線如圖1-24所示。由于是不均勻加熱，且因鋼板自身剛性約束等原因，使焊縫及母材的受熱部分不能自由膨脹和收縮，導致焊后產生橫向收縮。

圖1-25表示對接焊時橫向收縮量與板厚及坡口角度的關系，由圖可知，隨著板厚的增加，橫向收縮量增加；對于相同的板厚，隨著坡口角度的增大，橫向收縮量也越大。

在生產實踐中，同樣焊接一條長直焊縫，如果焊接順序和方向不同，會產生不同的橫向焊接應力和變形。從橫向焊接殘余變形的情況來看，焊接同樣一條長直焊縫，焊接至焊縫的最后部分時，產生的橫向收縮變形最大，如圖1-26所示中A、B、C三個部位的橫向收縮由于焊接先后順序的不同依次增大。

兩塊板組對并預留一定間隙，先焊接A點，即整條焊縫的起始位置；由于此時鋼板能自由伸縮，因此冷卻后鋼板的間隙變化并不大。在焊至第二點B處時，此時鋼板能自由收縮，鋼板的未焊接部分尚為自由端，可自由伸縮和彎曲，在受熱膨脹時，上端間隙被撐大，由于焊點B及附近的金屬未受到明顯的壓縮變形，所以在冷卻后，間隙無明顯的縮小，如圖1-26b所示；當焊至第三點C處時，由于焊點C及其附近的金屬受熱膨脹已不能像焊前兩點那樣自由的伸縮，它會受到整條焊縫的阻礙。因此，如圖1-26c所示，在受熱膨脹時，焊點C處及附近受熱金屬均受到壓縮，這樣在冷卻后就出現了較大的橫向收縮變形，如圖1-26d所示。這就是因焊接順序不同，而出現不同橫向殘余變形的根本原因。

2.彎曲變形

彎曲變形也是焊接變形中經常出現的變形形式，特別是在焊接梁、柱、管道等焊件時尤為常見，在生產中，彎曲變形的大小通常是以撓度f來表示，即焊后焊件的中心軸偏離原焊件中心軸的最大距離。彎曲變形越大、則焊件撓度值越大，具體如下：

（1）由縱向收縮變形造成的彎曲變形 如圖1-27a為鋼板單邊施焊時產生的彎曲變形，此為由直縫縱向收縮產生彎曲變形的實例。此類彎曲變形具體形成過程如下：

圖1-27b為一塊不大的焊件，在一邊開一條長腰圓孔，使邊緣留下一條較窄的金屬條，對焊件的加熱就集中在這樣一個邊緣內，如圖中陰影區域，假設加熱很均勻，而且無熱的傳導，這種情況就如同桿件在兩端固定的狀態下加熱。在加熱時，金屬條膨脹受阻，產生壓縮性變形；冷卻后，由于加熱區金屬收縮到比原來的長度短，結果造成了如圖1-27b的彎曲，這是一種理想情況下的彎曲變形。實際上在整塊鋼板邊緣施焊時，焊接加熱的熱量有相當一部分被傳遞到鄰近金屬中去，但是它的基本原理是相似的，焊后產生向焊縫一邊的彎曲變形。

（2）由橫向收縮變形造成的彎曲變形 如圖1-28所示為一工字梁，其下部焊有筋板，由于筋板角焊縫的橫向收縮，就使焊件產生向下彎曲。

3.角變形

在薄板上堆焊或兩塊薄板對接焊，可認為在鋼板厚度方向上的溫度分布大致是均勻的；但是在較厚鋼板的單面焊接時，焊接的一面溫度高，另一面溫度低，溫度在鋼板厚度方向上的分布是不均勻的。因此，焊接較厚鋼板時，溫度高的一面受熱膨脹較大，另一面膨脹小甚至不膨脹，如圖1-29a所示，由于焊接面膨脹受阻，產生了較大的橫向壓縮塑性變形；這樣，在冷卻時就產生了在鋼板厚度方向上收縮不均勻的現象，焊接的一面收縮大，另一面收縮小，出現了如圖1-29b所示的彎形情況。這種在焊后由于焊縫的橫向收縮使得兩連接件間相對角度發生了變化的變形稱為角變形。圖1-30是幾種接頭形式的角變形。

4.波浪變形

波浪變形容易在厚度小于4mm的薄板焊接結構中產生。波浪變形產生原因如下：

1）由于薄板結構焊縫的縱向收縮對薄板邊緣的壓應力超過一定值時，在邊緣就會產生波浪變形，如圖1-31a所示，但這種變形并不越過焊縫區域，這是因為這個區域為拉應力區。

2）由角焊縫橫向收縮引起的角變形，如圖1-31b所示為船體隔艙板結構焊后產生的波浪變形。

5.扭曲變形

如圖1-32所示分別為工字梁、心板、厚板T形梁結構焊接后產生的扭曲變形。產生扭曲變形的原因較為復雜，如裝配質量、焊件放置位置、焊接順序、焊接方向及焊接參數不合理等原因。

裝配質量主要指焊縫位置、尺寸、間隙等不符合產品圖樣和工藝要求，或者由于構件的零部件不正位而強行裝配，引起整個構件歪扭；焊件在焊接時位置放置不當，使焊件在焊接時就處于扭曲狀態；焊接順序及方向不當引起的扭曲變形，原因較為復雜，如圖1-32c的T形梁扭曲變形，就是因為沒有進行對稱焊接，造成整體焊縫在縱向和橫向應力和變形上的不對稱。

通過對上述幾種基本形式變形的分析，可知產生焊接殘余變形的根本原因是焊縫焊后的縱向和橫向應力。

6.焊接失穩變形

在薄板焊接時，遠離焊縫區的殘余壓應力大于焊件的失穩臨界應力時，將發生屈曲變形，即薄板焊接結構中常見的現象，根據不同的壓應力值，壓曲變形后有多種穩定狀態，圖1-33為同一試件沿中心線堆焊后可能出現的8種不同的屈曲變形形式。當發生焊接失穩變形時，變形模式及大小與穩定結構焊接變形有明顯的差異。彈性區殘余壓應力的存在對于薄板保持穩定性不利，當壓應力總水平超過薄板的臨界失穩應力時，薄板會發生壓曲失穩產生撓曲變形。為了控制焊接薄板構件的撓曲變形，應限制殘余壓應力使之低于薄板臨界失穩應力。