1.4 焊接残余变形的种类及形式

焊接过程是一个不均匀的加热过程，因而在焊接过程中会产生应力和变形，焊后导致结构产生焊接残余应力和焊接残余变形。

按照构件变形的外观形态来分，可将焊接变形分为五种基本变形形式：收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形。这些基本变形形式的不同组合形成了实际生产焊接产品更为复杂的变形。传统概念认为焊接变形的控制主要分为两个阶段，一是焊前和焊接过程中的控制；二是焊后矫正。

1.纵向和横向焊接变形

（1）纵向焊接变形 焊后产生的纵向变形主要是纵向收缩，焊缝的纵向收缩量一般是随焊缝的长度增加而增加。焊缝纵向收缩近似值见表1-2。

对于线膨胀系数大的材料，则焊缝的纵向收缩量随之增大。如不锈钢、铝及铝合金材料的线膨胀系数较大，因此，焊后收缩量比碳素钢大。一般来讲，当多层焊时，第一层焊缝焊接时引起的收缩量最大，这是因为焊接第一层焊缝时，焊缝受到的拘束度较小；焊接第二层焊缝时的收缩量大致是第一层收缩量的20%，焊接第三层焊缝时的收缩量大致是第一层的5%～10%，最后几层则依次减小。

如果焊件是在刚性固定状态下焊接，其收缩量可减小40%左右，但焊后会产生较大的焊接应力。

（2）横向焊接变形 焊后产生的横向变形主要是横向收缩，其产生原因与纵向焊接变形类似。焊件上温度的分布曲线如图1-24所示。由于是不均匀加热，且因钢板自身刚性约束等原因，使焊缝及母材的受热部分不能自由膨胀和收缩，导致焊后产生横向收缩。

图1-25表示对接焊时横向收缩量与板厚及坡口角度的关系，由图可知，随着板厚的增加，横向收缩量增加；对于相同的板厚，随着坡口角度的增大，横向收缩量也越大。

在生产实践中，同样焊接一条长直焊缝，如果焊接顺序和方向不同，会产生不同的横向焊接应力和变形。从横向焊接残余变形的情况来看，焊接同样一条长直焊缝，焊接至焊缝的最后部分时，产生的横向收缩变形最大，如图1-26所示中A、B、C三个部位的横向收缩由于焊接先后顺序的不同依次增大。

两块板组对并预留一定间隙，先焊接A点，即整条焊缝的起始位置；由于此时钢板能自由伸缩，因此冷却后钢板的间隙变化并不大。在焊至第二点B处时，此时钢板能自由收缩，钢板的未焊接部分尚为自由端，可自由伸缩和弯曲，在受热膨胀时，上端间隙被撑大，由于焊点B及附近的金属未受到明显的压缩变形，所以在冷却后，间隙无明显的缩小，如图1-26b所示；当焊至第三点C处时，由于焊点C及其附近的金属受热膨胀已不能像焊前两点那样自由的伸缩，它会受到整条焊缝的阻碍。因此，如图1-26c所示，在受热膨胀时，焊点C处及附近受热金属均受到压缩，这样在冷却后就出现了较大的横向收缩变形，如图1-26d所示。这就是因焊接顺序不同，而出现不同横向残余变形的根本原因。

2.弯曲变形

弯曲变形也是焊接变形中经常出现的变形形式，特别是在焊接梁、柱、管道等焊件时尤为常见，在生产中，弯曲变形的大小通常是以挠度f来表示，即焊后焊件的中心轴偏离原焊件中心轴的最大距离。弯曲变形越大、则焊件挠度值越大，具体如下：

（1）由纵向收缩变形造成的弯曲变形 如图1-27a为钢板单边施焊时产生的弯曲变形，此为由直缝纵向收缩产生弯曲变形的实例。此类弯曲变形具体形成过程如下：

图1-27b为一块不大的焊件，在一边开一条长腰圆孔，使边缘留下一条较窄的金属条，对焊件的加热就集中在这样一个边缘内，如图中阴影区域，假设加热很均匀，而且无热的传导，这种情况就如同杆件在两端固定的状态下加热。在加热时，金属条膨胀受阻，产生压缩性变形；冷却后，由于加热区金属收缩到比原来的长度短，结果造成了如图1-27b的弯曲，这是一种理想情况下的弯曲变形。实际上在整块钢板边缘施焊时，焊接加热的热量有相当一部分被传递到邻近金属中去，但是它的基本原理是相似的，焊后产生向焊缝一边的弯曲变形。

（2）由横向收缩变形造成的弯曲变形 如图1-28所示为一工字梁，其下部焊有筋板，由于筋板角焊缝的横向收缩，就使焊件产生向下弯曲。

3.角变形

在薄板上堆焊或两块薄板对接焊，可认为在钢板厚度方向上的温度分布大致是均匀的；但是在较厚钢板的单面焊接时，焊接的一面温度高，另一面温度低，温度在钢板厚度方向上的分布是不均匀的。因此，焊接较厚钢板时，温度高的一面受热膨胀较大，另一面膨胀小甚至不膨胀，如图1-29a所示，由于焊接面膨胀受阻，产生了较大的横向压缩塑性变形；这样，在冷却时就产生了在钢板厚度方向上收缩不均匀的现象，焊接的一面收缩大，另一面收缩小，出现了如图1-29b所示的弯形情况。这种在焊后由于焊缝的横向收缩使得两连接件间相对角度发生了变化的变形称为角变形。图1-30是几种接头形式的角变形。

4.波浪变形

波浪变形容易在厚度小于4mm的薄板焊接结构中产生。波浪变形产生原因如下：

1）由于薄板结构焊缝的纵向收缩对薄板边缘的压应力超过一定值时，在边缘就会产生波浪变形，如图1-31a所示，但这种变形并不越过焊缝区域，这是因为这个区域为拉应力区。

2）由角焊缝横向收缩引起的角变形，如图1-31b所示为船体隔舱板结构焊后产生的波浪变形。

5.扭曲变形

如图1-32所示分别为工字梁、心板、厚板T形梁结构焊接后产生的扭曲变形。产生扭曲变形的原因较为复杂，如装配质量、焊件放置位置、焊接顺序、焊接方向及焊接参数不合理等原因。

装配质量主要指焊缝位置、尺寸、间隙等不符合产品图样和工艺要求，或者由于构件的零部件不正位而强行装配，引起整个构件歪扭；焊件在焊接时位置放置不当，使焊件在焊接时就处于扭曲状态；焊接顺序及方向不当引起的扭曲变形，原因较为复杂，如图1-32c的T形梁扭曲变形，就是因为没有进行对称焊接，造成整体焊缝在纵向和横向应力和变形上的不对称。

通过对上述几种基本形式变形的分析，可知产生焊接残余变形的根本原因是焊缝焊后的纵向和横向应力。

6.焊接失稳变形

在薄板焊接时，远离焊缝区的残余压应力大于焊件的失稳临界应力时，将发生屈曲变形，即薄板焊接结构中常见的现象，根据不同的压应力值，压曲变形后有多种稳定状态，图1-33为同一试件沿中心线堆焊后可能出现的8种不同的屈曲变形形式。当发生焊接失稳变形时，变形模式及大小与稳定结构焊接变形有明显的差异。弹性区残余压应力的存在对于薄板保持稳定性不利，当压应力总水平超过薄板的临界失稳应力时，薄板会发生压曲失稳产生挠曲变形。为了控制焊接薄板构件的挠曲变形，应限制残余压应力使之低于薄板临界失稳应力。