1.3 加热时的结构变形特点

为了便于理解、认识焊接变形，以点热源、线热源进行典型简单结构的变形浅析，建立认识、分析、控制焊接变形的基础思维方式，指导后续工作。

1.3.1 平板点加热时的变形

平板点加热时的情况如图1-17a所示，在加热过程中，平板由于受热而膨胀，这种膨胀使平板向上弯曲，由于不断加热，温度一直上升，这时金属变软直至完全软化，失去强度，达到塑性状态。

在加热时，由于只在A点加热，所以平板上温度分布是不均匀的；在A点周围的区域B，依然处于冷金属状态，具有高的强度和小的塑性，如图1-17b所示。由于这个原因，金属在点加热后会出现两个不同性质的区域，即塑性区A和弹性区B。A区受热时，B区会阻碍它的膨胀，因而在加热过程中，A区会向上凸起；同时，B区的这种阻力，实际上是对A区的挤压，A区受到挤压后类似被镦厚了。

在加热过程结束以后，金属开始冷却。由于金属热胀冷缩的关系，A区缩小。但是，A区在冷却过程中也受到B区的阻碍而不能自由收缩；这样平板在受热冷却以后，会在加热区产生拉应力，这种拉应力是B区阻碍A区收缩的结果。因而就产生了图1-17c中所表示的向下弯曲f，这就是我们所说的变形。由此可见，平板经过加热冷却过程后，会产生内应力和变形，这是焊接变形的基本理论基础。

1.3.2 沿结构中性轴加热时的变形

在一个结构上，找出它的中性轴位置，然后沿中性轴加热。在图1-18a所示的结构中，区域2表示中性轴位置（不一定在正中心，应注意），区域1和3表示被加热区分开的其余两个部分。现在先假定三个区域是分开的，互不影响，那么，在加热后区域2要伸长，而区域1和3不变。在冷却的时候，区域2缩短到原来长度l，而区域1和3也不变，所以结构没有变形。

事实上，结构是个整体，在加热过程中，区域2的伸长受到区域1和3的阻止，结果整个结构伸长了；1和3是被迫拉长的，而2是被迫压缩的，没有伸长到原定长度，如图1-18b所示。这时区域2就产生压缩塑性变形而变厚。

在冷却的时候，区域1和区域3很容易恢复到原来的长度；2却由于已经变厚，不能恢复到原来的长，而是比原来短一些。这三个区域不能有不同的长度，所以1和3被迫拉进去一些，2被迫拉出来一些。结果造成整个结构的缩短，并且使加热区域2具有拉应力，非加热区域具有压应力，如图1-18c所示。因此在结构中心加热时会造成结构的缩短。

1.3.3 在非结构中性轴上加热时的变形

在结构非中性轴上加热时所产生的变形，与在结构中性轴上加热时所产生的变形不同。很明显，在非中性轴上加热时，结构同样会产生收缩变形，而且还会产生弯曲变形。

如图1-19所示，在图中阴影区bs处加热，受热区域膨胀。如果膨胀只在受热区，则这种膨胀就如同一个千斤顶将顶部支起（见图1-19a虚线），这时结构便产生向上弯曲f（见图1-19b）。但这是在加热过程中产生的暂时性弯曲。同样，受热区金属在加热过程中达到了塑性状态，并受到了冷金属的压缩产生压缩塑性变形，使bs区域厚度增大。在冷却过程中，加热区的缩短也受到冷金属区的限制。由于在受热时，加热区产生压缩塑性变形，因而冷却时会受到拉应力的作用。在冷却过程中，加热区的作用如同拉杆，将结构拉成向下弯曲，造成结构的弯曲fo（见图1-19c），并且使结构收缩变短。

1.3.4 角变形的变形特征

设焊件厚度为δ，在它的表面上加热，加热方式可以是焊接电弧或火焰。这种不均匀的加热，会引起焊件的角变形。我们分以下三种情形来研究焊件的角变形。

1.平板上堆焊

在板上堆焊时，由于钢板受热膨胀。这种膨胀受到下部冷金属的限制，因而在堆焊过程中会产生压缩塑性变形，并且加厚了金属和向上微小的突起。在冷却过程中，焊件不能恢复原状，即焊件将向下弯曲，造成角变形φ，如图1-20所示。

堆焊宽度a越大，角变形δ也越大；但堆焊深度bs和φ的关系更复杂。一般可以认为：变形角φ和堆焊深度有关，也就是和有关。在小于0.6时，bs越大，φ也越大；但当大于0.6时，bs越大，φ反而越小。因为全部热透以后，热膨胀将不受冷金属的阻碍了，所以没有塑性变形的产生，也就没有焊后的角变形了。

2.V形坡口对接焊

在V形坡口对接焊的时候，上部受热大，下部受热小，所以上部收缩大，下部收缩小；这样也会产生角变形φ。

变形角φ大小同坡口角度α有关：α越大，φ也越大，所以坡口角度不应太大，如图1-21a所示。

3.角接焊

图1-21b表示单面焊的丁字接头角焊缝，焊后也会产生角变形。丁字焊的角变形是比较复杂的。

首先，可以把角焊缝看成具有90°坡口的V形对接焊缝，如图1-21b中虚线所示。这种焊缝在焊接以后，由于上下两面受热不同而收缩不同，因而会出现角变形φ1。

其次，可以把角焊缝看成对水平板的堆焊，那么，这种堆焊也将造成水平板的角变形φ2。当然，这个焊缝也对立板起堆焊作用，而立板也会由于堆焊而产生角变形，不过这种角变形很小，可以不考虑。由此可见，单面角焊的角变形包括两部分变形，也就是φ1和φ2，我们可以大概地认为总的角变形φ=φ1+φ2。

对于两边焊接的T形接头，情况就不同了，如图1-21c所示。但是也可以认为角变形包括φ1和φ2两个部分。φ1是焊缝收缩的角变形，这个变形不能把立板拉过来了，只能把水平板弯过来了，因此这个φ1角要比一边焊接小得多，但是这个变形还是有的。而焊缝作为水平板的堆焊，水平板也会有一个角变形φ2，这和一边焊的φ2没有多大区别。所以总的角变形φ=φ1+φ2。因此，可以认为：两边焊比一边焊的角变形小，但把两边的角变形合在一起就比一边焊的角变形大。

1.3.5 角变形和挤压引起的波浪变形

波浪变形有两种，由于原因不同而特点也不同，因此必须仔细区别。一种是中等厚度和厚板所呈现的波浪变形，多数是角变形引起的；另一种是薄板所呈现的波浪变形，多数是由于挤压而引起的。

现在，我们先来研究一下由角变形所引起的波浪变形。一个平板上以T形接头焊几个筋板，我们知道，这种T形焊结构会产生角变形，如图1-22所示。当然，平板是一个整板，并不是分开的，因此在两个拉筋间平板会上凸（见图1-22b）。如果拉筋间距比较大，由于平板的重量，中间就会下垂，造成波浪变形（见图1-22c）。

让我们再来研究一下，由于挤压而产生的波浪变形。例如，有一个薄板，在它的四周进行焊接加热，如图1-23所示。由前述可知，板材被加热的四周要收缩，而中部冷金属又阻止这种收缩，所以四周受拉应力，中间受挤压应力，薄板挤压以后，会向旁边弯曲的，这种弯曲就是波浪变形。所以说薄板的波浪变形是受挤压产生的，而和角变形无关。薄板在三边焊接的时候，同样会出现波浪变形，但波浪变形不只发生在中间，而且还会发生在没有进行焊接的第四边上。

上面讲述了几种变形的规律，可以把这些变形分为两类：一类变形是包括整个结构的变形，如收缩、弯曲，称为总体变形；另一类变形是在结构某一个部分上的变形，如角变形和波浪变形，可称为局部变形。

对于总体变形，结构的断面越大，刚度越大，则变形越小；焊缝距结构中心的距离越大，则变形也越大；对于局部变形，构件厚度越大，则变形越小。

焊接电流和电弧电压越大，总体变形和局部变形也越大；焊接速度越大，则总体变形和局部变形越小。