在工程力学课程中我们曾经讨论过，一根梁在外力作用下，梁的横截面中将产生应力，而且整根梁会产生弯曲变形。

  在焊接生产中还会遇到，装配成平对接接头的两块钢板，原来都是按照图纸尺寸下料的，两块钢板也都是平直的。但是经过焊接以后，整个对接接头发生了变形，钢板纵向，横向的尺寸都缩短了。而且还发生了翘曲。在焊接过程中我们并未对焊接接头施加任何外力。

  实际上，焊接接头不仅仅是外观上发生变形，在焊缝区金属内部也产生了变形，这种变形不能从外观上体现出来，属于内变形。焊接以后在接头中还会产生应力，而这种应力也是在没有施加外部载荷的情况下产生的。称为焊接内应力。

  例如：T型接头的焊接变形如图所示：构件由一块横板和两块立板装配而成，焊接后；

    从尺寸上考虑：

●整体构件发生挠度为f的弯曲变形；

●构件在长度方向上缩短了Δl；长度为l－Δl

●横板在宽度方向上缩短了Δb；宽度为b－Δb

●立板在高度方向上缩短了Δh；高度为h－Δh

从应力上考虑：

●沿接头横向方向上的应力分布是，焊缝区内部金属作用着拉伸应力，符号为正；

●沿截图纵向方向上的应力分布是，焊缝中部受到拉伸应力，符号为正；两端受到压缩应力，符号为负；

  由于焊接变形的出现，梁在设计的工作载荷作用下，梁的截面上就不仅受到设计应力，还作用着附加应力，如公式表示：σ＝σp(1＋f·F/w)

  式中：σp：设计应力；f：弯曲挠度；F：梁的横截面面积；w：梁的抗弯曲界面模量；

  由于附加应力的出现，梁的横截面上作用的应力有可能超过设计应力一倍以上。显然它的后果是严重的。

第一节焊接应力变形基础知识

一．焊接应力变形的产生：

1．应力与变形的基本知识：

a．变形：物体在外力或温度等因素的作用下，其形状和尺寸发生变化，这种变化称为物体的变形。

●按照金属的应力应变过程划分：弹性和塑性变形。

●

按拘束条件划分：自由变形和非自由变形；而非自由变形中有外观变形和内部变形两种；焊接变形就属于非自由变形的范畴。

例：现在有一直的金属悬臂梁受热膨胀变形，

图a：自由变形ΔLT ＝L－L0

变形量与温度成正比；

    图b：非自由变形ΔLF＝ΔLe

    即非自由变形等于外观变形

    而外观变形ΔLe＝ΔLT －ΔL

外观变形等于自由变形减去内部变形

          ΔL：内部变形

          ΔLe：外观变形

    悬臂梁在膨胀变形过程中受到阻碍，

    变形量与温度不成正比；

    自由变形率：εT＝ ΔLT / L0=α(T-T0)

    式中：α：金属的线膨胀系数

          T：变形后的温度

          T0：变形前的温度

b．应力：物体受外力作用后所导致物体内部之间的相互作用力。按引起内力原因的不同，可分为工作应力和内应力。内应力的显著特点：在物体内部，内应力是自成平衡的，形成一个平衡力系。

●工作应力：由负载载荷导致的应力，可以是静载荷也就是大小方向不变的载荷，也可以是交变载荷，大小方向变化的载荷。工作应力的突出特点是载荷一旦去除，应力即刻消失。

●内应力：内应力不因负载载荷的去除而消失，等于是在负载载荷上叠加的永不消失的应力

c．焊接应力和焊接变形：焊接应力是焊接过程中及焊接过程结束后，存在于焊件中的内应力。焊接变形是由焊接热循环而引起的焊件形状尺寸的改变。

2．焊接应力变形产生的原因：

a．焊缝金属的收缩：我们在研究金属学及热处理一章时已经讨论过焊缝热循环就是焊接热源对焊缝金属加热以及焊缝金属在焊接热源移动之后的冷却过程。焊缝金属每经历一次焊接热循环，都会引起收缩。详细内容我们后面会用经典的三板条模型来说明；

b．焊缝金属的相变：钢在加热与冷却过程中发生相变可得到不同的组织，这些组织的比体积不一样，由此造成焊接应力与变形。我们在讨论热处理淬火的时候已经知道，含碳量足够高的钢快速冷却会产生体心正方结构的马氏体，它的晶格比与体心立方结构的铁素体要大，于是在焊缝金属内部产生应力；

c．焊件的刚性和拘束：焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越大，焊接变形越小，焊接应力越大。

3．焊接件的不均匀受热：焊接件不像锻件那样是整体加热的，整个焊接件仅仅是焊缝被加热，因此它的受热是不均匀的。

a．不受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形：冷却后不会有任何残余应力与变形。

b．受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形：

●如果金属杆件产生塑性变形的温度是TS，对于低碳钢，TS≈100℃；T＞600℃，低碳钢处于全塑性状态，也就是在600℃以上的变形都是塑性变形；那么：

●T＜TS，金属杆件仅仅加热到弹性变形的范围，那么它冷却后不存在残余变形也不存在残余应力。

●T＞TS，可能出现以下两种情况：

如果杆件受绝对拘束，那么杆件中没有残余变形而存在较大的残余应力。

    如果杆件受到相对约束，那么杆件中既有残余应力又有残余变形。绝大部分焊接件都属于第二种情况。

4．焊接接头的三板条模型：平板对接情况下的焊接接头如图示，焊接接头的焊缝处是高温加热部分，两侧钢板并未受到电弧热源的直接加热，属于相对

   低温部分；可以把这个接头模拟成一块完整的长

度为Lo的钢板，中间部分受到均匀的加热，两侧

与中间是绝热的，这就是著名的三板条模型。

a．加热过程：

●当温度加热到T时(T＞TS)，钢板中间

部分沿整个长度方向伸长，如果不考虑中间部分

被两侧的约束和向两侧的传热，它将自由伸长到：

L＝L0＋ΔLT

●实际上钢板的中间部分是受到两侧钢板的约

束的，所以不能自由伸长，由于中间部分的伸长，它必然带动两侧钢板一同伸长，而两侧钢板必然也要中间部分的伸长。在这个过程中整块钢板还要保持平截面。所以最后中间部分钢板的实际的伸

长量只有：L＝L0＋ΔLe；只伸长了外观变形部分；也就是说：

    中间部分的钢板条受到两侧钢板条的压缩应力作用；变形量包括外观变形ΔLe，内变形ΔL，由于温度已经超过塑性变形温度TS，外观变形当中属于自由温度变形的那一部分，当热源撤除，热量散去后可以恢复，塑性变形部分则不能恢复，而内变形是金属在TS温度以上受到的塑性压缩变形，即使温度下降也不能恢复。

    两侧部分的钢板条受到中间钢板条的拉伸应力作用；变形量在数值上等于外观变形ΔLe，但是我们前面已经假定过，三板条模型的两侧钢板与中间是绝热的，因此这不是自由温度变形，而是拉伸内变形，由于对于两侧钢板来说没有受到加热，温度在TS温度以下，因此变形是可以恢复的。

    整块钢板伸长变形了ΔLe

●三板条模型在加热过程中，中间部分受到压缩，两侧部分受到拉伸；整块钢板伸长了ΔLe，中间部分存在不能恢复的塑性变形ΔL；

b．冷却过程：

●热源撤除以后，中间钢板条的自由温度变形部分得到恢复，而塑性压缩变形部分则不能恢复，既然中间钢板条受到不能恢复的塑性压缩，那么它长度一定会比原来的L0短；

●当中间钢板条缩短的同时，两侧钢板条的拉伸内变形得到恢复，回到原来的长度L0；

●三板条模型必须保持平截面，于是，中间部分受到两侧的拉伸应力，两侧受到中间的压缩应力；

●在室温下，焊缝金属在长度方向上缩短并存在拉伸残余应力；

结论：焊接应力变形的产生是由于焊接加热过程中焊缝金属发生了不可恢复的塑性变形造成的。

1）对构件进行不均匀加热，在加热过程中，只要温度高于材料屈服点的温度，构件就会产生压缩塑性变形，冷却后，构件必然有残余应力和残余变形 。

2）通常，焊接过程中焊件的变形方向与焊后焊件的变形方向相反。

3）焊接加热时，焊缝及其附近区域将产生压缩塑性变形，冷却时压缩塑性变形区要收缩。

4）焊接过程中及焊接结束后，焊件中的应力分布是不均匀的。焊接结束后，焊缝及其附近区域的残余应力通常是拉应力。 

二．焊接接头的应力变形：

1．对接接头的应力变形：平板对接接头的应力变形是蝴蝶状的变形

a．纵向收缩变形：低碳钢对接焊缝纵向收缩量为0.15~0.30mm/m

b．横向收缩变形：焊缝是有一定宽度的，因此在宽度方向上也存在收缩变形，横向收缩量与焊缝宽度，坡口形状，钢板厚度有关；

对接接头的横向收缩量

d．对接接头的蝴蝶状变形：焊缝纵向收缩和横向不对称收缩共同作用下产生的。

●由于坡口导致的横向收缩不对称引起两块钢板向坡口正面翘曲，

●焊缝纵向收缩导致焊缝长度比钢板边缘长度短，于是两块钢板都要产生弯曲，但是两块钢板被焊缝连接在一起，翘曲和弯曲的共同作用导致焊缝向正面拱起，形成蝴蝶状应力变形。

2．边接接头的应力变形：如果在钢板的一个边缘施焊，由于焊缝的纵向收缩，焊缝所在的一端长度变短，而另一端长度不变，钢板截面还要保持平截面，于是钢板不能变成梯形，只能产生扇形弯曲；

3．T型接头的应力变形：T型接头是由底板和立板装配焊接而成。可以产生三种形式的焊接变形；

a．底板弯曲角变形：T型接头的底板就是字母T的顶上一横；

●旋转角ω：由于底板角焊缝的横向收缩，而且角焊缝的斜边收缩量最大，使得底板产生旋转角ω；

●弯曲角θ：由于底板角焊缝近缝区金属的收缩，可以导致底板本身弯曲，弯曲角θ；

●底板总的角变形β＝ω＋θ；根据经验公式：

ω＝2αT        式中：α：金属的线胀系数；T：摄氏温度

θ ＝C(K/S)2    式中：C：比例系数；K：焊脚高度

β＝ω＋θ＝2αT＋C(K/S)2

    可以看出，当焊接规范增大时，温度T升高并且焊脚高度K增大，于是T型接头总的角变形增大；当底板厚度增大时，底板总的角变形减小；

T型接头底板的角变形

b．立板侧歪角变形：在底板厚度远大于立板的情况下，底板基本不变形，立板发生1～2度的侧歪变形；

c．T型接头纵向旁弯变形：单面角焊缝的T型接头中，焊缝位于中心线的一侧，整个角焊缝接头出现纵向收缩时，接头相当于受到弯矩的作用；于是整个接头旁弯；或者用刚才提到的焊缝缩短，底板边缘长度不变，于是底板必定变成扇形，从而导致旁弯；

T型接头底板的旁弯

d．T型接头底板的纵向翘曲：T型接头的底板两侧通常都有焊缝，使得T型接头的焊缝基本上位于整个接头中性线的下方。焊接后经常发生底板中部上凸，立板扇形弯曲的纵向翘曲变形。也是角焊缝及近缝区金属的纵向收缩变短引起的。

●T型接头随着立板逐渐增高，焊缝距离中性线越来越远，焊缝纵向收缩造成的弯矩越来越大，底板中部上凸趋势增大。但是当立板高度达到一定程度，立板在变形平面上的刚性足以抵抗弯矩，底板中部的上凸并不大，甚至不产生上凸；

●T型接头焊缝焊在底板的一面，另一面没有焊缝。焊缝纵向收缩应该导致底板中部产生下凹的弯曲变形，但是当底板较薄时，下凹的弯矩很小，不足以抵抗上凸的弯矩，随着底板厚度的增大，焊缝纵向缩短造成的底板下凹的弯矩超过立板上凸的弯矩，T型接头将产生下凹的弯曲变形；

●T型接头立板高度，底板厚度以及焊接规范搭配合适的情况下，T型接头不产生纵向翘曲变形；

4．H型钢的扭曲变形：H型钢和箱型梁是用材最省，抗弯强度最大的结构。工业界应用十分广泛。但是在焊接H型钢或者箱型梁的时候，如果焊接顺序不适当，会造成扭曲变形。校正相当困难。

a．H型钢的纵向弯曲变形：H型钢一般是先装配下翼板和立板，然后装配上翼板和立板，最后焊接4条焊缝。H型钢可能产生的变形有：

1)沿梁的长度方向缩短，

2)上下翼缘板产生角变形，

3)上下翼缘板和腹板中部产生纵向弯曲变形，

4)旁弯变形，

5)扭曲变形。

H型钢的扭曲变形

第二节 焊接残余应力

一．焊接残余应力的种类：我们在此讨论的焊接残余应力有以下两种：

1．塑变应力：由于焊接构件不均匀受热，局部发生拉伸或压缩塑性变形后引起的内应力。

2．相变应力：焊接过程中，局部金属发生相变，其体积增大或减小而引起的应力。

二．焊接残余应力的分布：

1．纵向残余应力σx的分布：作用方向平行于焊缝轴线的残余应力称为纵向残余应力。在焊接结构中，焊缝及近缝区的纵向残余应力为拉应力，一般可达到材料的屈服点，从焊趾开始，随着与焊缝距离的增加，拉应力急剧下降并转为压应力。

●下图左是对接接头纵向残余应力在焊缝横截面上的分布状况；

●下图中是板边堆焊时的纵向残余应力与变形；

●下图右三图是不同长度焊缝纵截面上纵向残余应力σx的分布：很显然， 

    短焊缝：沿焊缝长度方向纵向残余应力σx尚未累积达到金属的屈服强度σs；σx＜σs；

    长焊缝：沿焊缝长度方向纵向残余应力σx累积达到金属的屈服强度σs；达到屈服强度之后，通过焊缝金属的塑性变形释放应力，因此σx不会超过金属的屈服强度σs；

2．横向残余应力σy的分布：垂直于焊缝轴线的残余应力称为横向残余应力，我们将其分为两部分讨论：

●焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩引起的横向残余应力σ′y如图9

●横向收缩所引起的横向残余应力σ″y：一条焊缝先焊的部分先冷却，后焊的部分后冷却，先冷却的部分又后冷却部分的横向收缩，这就引起了σ″y ，如图10

总之，横向残余应力的两个组成部分同时存在，焊件中的横向残余应力σy是由σ′y 和σ″y合成的。

图8 对接接头纵向残余应力在焊缝横截面上的分布情况

图9 纵向收缩引起的横向残余应力σ′y的分布

●σ′y 的产生：两块钢板对接相当于两块钢板右侧边和左侧边同时收缩，两块钢板有成为扇形的趋势，中间部分相互拉伸，两端相互压缩，从而导致了σ′y的如此分布；

●不同长度焊缝的σ′y ：随着钢板长度的增长，一根焊条不能焊完整块钢板，可以理解为两块或者更多块钢板σ′y 的叠加；

图10 焊接方向不同导致的横向残余应力σ″y

●σ″y的产生：如图10左，从中间向两端施焊，中间部分的金属先冷却凝固，焊接至两端时，两端金属凝固时的收缩有让各自端部两侧的钢板彼此靠近的趋势，但是中间已经冷凝的金属却有让两侧钢板保持其相对位置的趋势，于是，在钢板两端，焊缝金属存在拉伸应力，在钢板中间，存在压缩应力；

●σ″y的产生：如图10右，从两端向中间施焊，位于两端的金属先冷却凝固，焊接至中间时，中间金属凝固时的收缩让中间两侧的钢板有彼此靠近的趋势，但是两端已经冷凝的金属却有让两侧钢板保持其相对位置固定不变的趋势，于是在钢板两端，焊缝金属存在压缩应力，在钢板中间，存在拉伸应力；

3．立向残余应力σz的分布：沿焊接钢板厚度方向上的残余应力虽然在各种板厚的情况下都存在，但只有在非常厚的板材电渣焊工艺中才有意义。通常机械制造行业中板厚达不到那样程度，在此不讨论了。

4．一些焊接结构件的纵向残余应力分布：

a．T型接头：如图11左，对于底板(翼板)，中间部位由于角焊缝长度收缩造成中间拉伸两边压缩的原理我们已经很清楚了。对于立板(腹板)，同样由于角焊缝长度收缩造成靠近底板的部位受到拉伸，从焊趾向外很快变成压缩应力。另外，由于立板与底板焊接的那个侧边已经收缩变短，整个立板有变成扇形的趋势，所以在远离角焊缝的部位，受到拉伸应力；

图11 T型接头H型钢和箱型梁的纵向残余应力分布

b．H型钢：如图11中，其分布状况与T型接头相同，但是，对称的焊缝抵消了立板成为扇形的趋势，所以中性线附近的拉伸应力消失。

c．箱型梁：如图11右，每一块钢板的应力分布都跟H型钢的立板相似。

d．圆筒环缝的纵向残余应力分布：环缝长度缩短，在筒体壁厚较薄(δ＜8)的情况下足以造成焊缝部位筒

图12 圆筒环缝纵向残余应力的分布

    体直径比正常直径小1～2mm；

三．焊接残余应力的影响：

1．高强度焊缝及近缝区中的残余应力会明显降低材料的静载荷强度，同时容易导致延时裂缝；

2．塑性焊缝及近缝区中的残余应力容易造成结构件的变形

3．焊接残余应力是导致焊接延时变形的主要原因；

四．减少及消除焊接残余应力的措施：

1．设计措施：

a．尽量减少结构上焊缝的数量和焊缝尺寸：

b．避免焊缝过分集中，焊缝间应保持足够的距离：如图13

c．采用刚度较小的接头形式：如图14

2．工艺措施

a．采用合理的装配焊接顺序和方向：拼板时，先焊短的拼接焊缝，再焊长的直通焊缝，让材料在较为自由的状态下施焊；降低焊缝的拘束度。但约束度降低，焊接变形会增大；

b．预热法，后热法：焊前加热；或焊后在近缝区加热并急冷，目的都是平衡整个焊接件的不均匀加热；

c．硬规范：尽量采用大电流高焊速施焊，减少焊接热输入及多层多道焊；多层焊时，上层焊缝自动给下层焊缝退火，不仅改善焊缝金相组织，而且消除焊接应力； 

e．表面抛丸处理：用压缩空气把钢丸打击到构件表面，造成焊缝表面晶粒破碎细化，消除应力；

g．退火处理：成本很高，通常焊接后需要精密加工的构件或者压力容器构件才采用；

图15 先焊焊缝1，2，4，6；再焊焊缝3，5

图15a 温差拉伸法 1喷水排管 2焊接件 3，4氧乙炔火焰排管

图13 补强板接管焊缝之间保持间距

图14 接管与筒体或接管与接管采用对接接头

第三节 焊接变形

  我们在第一节曾经讨论过一些焊接构件的焊接变形规律，本节将详细研究各种焊接变形。焊缝的残余应力和焊接变形是一对矛盾，虽然都是由于焊接件内应力导致的，当然导致内应力产生的原因可以有焊缝金属在焊接热循环过程中的塑性变形，焊缝金属的相变以及焊接件周围的约束；但是，如果焊接件的内应力通过焊接变形释放，那么焊接件的残余应力就很小。反之，如果通过外界的刚性约束使得焊接件几乎没有焊接变形，那么焊接件内应力得不到释放，残余应力就很大。

  焊接变形将导致焊接件尺寸无规律变化，无法进行标准化生产，增加生产成本；

  残余应力将导致焊接件工作条件恶化，且尺寸不稳定，在使用过程中残余应力还会继续释放导致变形；

  对于低碳钢制作的工作应力不大的一般结构件，虽然焊接残余应力会叠加在负载载荷上，使焊接结构件受力条件恶化，但是焊接结构件单位截面上的负载很小，且材料具备良好的塑性，不会导致严重后果。这时主要是设法减少焊接变形，让焊接件的尺寸更加标准化，降低生产成本。

  对于塑性较差的高强钢制作的工作应力很大的结构件或者虽然是塑性很好的低碳钢制作，但却是危险性很高的锅炉压力容器类产品，焊接残余应力导致的后果非常严重，所以，必须采取整体热处理或者局部热处理，把焊接件温度加热到Ts温度以上进行去除应力退火，甚至加热到600℃以上，让焊接件处于全塑性状态，让残余应力通过塑性变形得到释放。至于变形导致的尺寸变化，高强钢构件热处理之后都要进行机械加工，而锅炉压力容器体积很大，经常进行整体热处理，尺寸变形可不予考虑。

  对于尺寸精度要求特别高的量具类构件，甚至要进行数年之久的自然时效来消除残余应力。

一．焊接变形的种类：

1．收缩变形：焊接件尺寸比下料尺寸缩短。其原因在第一节“三板条模型”讲解过了。这是最基本的焊接变形，其他各种焊接变形都是由于收缩变形所导致；

a．纵向收缩变形：沿焊缝轴线方向尺寸的缩短

1）焊件的截面积越大，换句话说被焊材料的厚度越大，焊件的纵向收缩量越小。这是因为，材料厚度增大，刚性提高，抵抗拉伸变形的能力提高。但是厚板焊接通常是多层焊，每一次焊接热循环产生的塑性收缩变形内应力如果焊接规范不变的话都一样，但是随着焊缝厚度的增加，材料刚性提高。这也间接地说明多层焊能够减少焊接变形；

2）焊缝的长度越长，焊件的纵向收缩量越大

3）多层焊时每层焊缝所产生的压缩塑性变形比单层焊时小，这是由于在多层焊时，上层焊缝受到下层焊缝的约束，纵向收缩量显著减少。第一层引起的纵向收缩量最大，第二层纵向收缩量减小到第一层的20％，第三层减小到第一层的5～10％，以后各层更小可忽略不计；

4）焊件的初始温度提高，焊后纵向收缩量增大；预热虽然使得焊接件受热均匀，有助于减少焊接残余应力，但是增加了额外的温度变形，付出了增加焊接变形的代价；

5）线膨胀系数大的材料，焊后纵向收缩量大；

b．横向收缩变形：沿垂直于焊缝轴线方向上的尺寸缩短；

1）焊接热输入增大，横向收缩增大；

2）装配间隙增加，横向收缩也增加；

3）横向收缩量沿焊缝长度方向分布不均匀，一般焊缝的横向收缩沿焊接方向是由小到大，逐渐增大到一定程度后便趋于稳定。

4）定位焊缝越长，装夹的约束程度越大，横向收缩变形量就越小

5）对接接头的横向收缩量是随焊缝金属量的增加而增加大的，所以对接接头截面越大，横向变形越大；

2．角变形：对接接头平板的翘曲，T型接头翼板的翘曲；由于焊缝的横向收缩沿板厚分布不均匀所致；

1）根据第一节的角变形公式：β＝ω＋θ＝2αT＋C(K/S)2

   焊接规范增大，T型接头角焊缝的焊脚高度增大，角变形增大。这是因为焊缝金属量增大导致塑性变形增大的缘故；T型接头板厚增大，角变形减小。这是因为材料刚性增大的缘故；

2）对接接头坡口截面不对称的焊缝，其角变形大；坡口角度越大，角变形越大

●有些教材认为：

当热输入一定时，板厚越大，角变形越大，但当板厚大到一定程度时，角变形反而减小。

    板厚一定，热输入增大，角变形也增加，但热输入增大到一定程度时，角变形反而减小

    这是在板厚8mm，板宽100mm，电流50A～250A范围内研究的结果。对于实际生产的H型钢的板厚范围板宽范围和电流范围，并不符合这样的结论。

图15 对接接头的角变形和T型接头的角变形

3．弯曲变形：由于焊缝轴线远离焊接结构件的中性轴，焊缝纵向收缩变形导致的附加弯矩引起弯曲变形；

图16 弯曲变形

5．波浪变形：常发生于板厚小于6mm的薄板焊接结构中，又称之为失稳变形。角变形也可引起；

图17 连续的角变形引起的波浪变形

6．扭曲变形：焊缝的角变形沿焊缝长度方向分布不均匀所引起的。H型钢焊接顺序不当极易产生。

图18 H型钢的扭曲变形

二．控制焊接变形的措施：

1.设计措施

a．选择合理的焊缝形状和最小的焊缝尺寸：如图19，开坡口全熔透焊接，在结构强度一样的情况下焊缝截面最小，显然焊接变形也最小；

图19 选择合理的焊缝形状和焊缝尺寸减少焊接变形

b．减少焊缝的数量：焊缝数量越多，变形情况越复杂，变形量也越大；

c．合理安排焊缝位置：把焊缝位置尽量安排在最靠近构件中性轴的地方，缩小弯矩的力臂，减少变形。

图20 左：焊缝不对称于中性轴；中：焊缝对称于中性轴 右：焊缝在中性轴上

    例如汽车起重机的吊臂，是高强钢折弯焊接而成的矩形梁，焊缝安排在中性轴上，变形小，受力小；但是某些焊接构件由于工艺上的缘故必须采取图20左的形式，例如溴化锂制冷机的热交换器，为一箱型梁结构的管壳式换热器，箱体内穿入许多铜管，需要敞开操作，因此不能采取图20中，右形式；

图21 左：不合理 右：合理

2.工艺措施

a．留余量法：工件下料时，给工件尺寸加大一定的收缩余量，以补偿焊后的收缩。

b．反变形法：主要用于控制角变形和弯曲变形

图22 焊前反变形控制焊接变形 H型钢甚至要用专门设备预弯翼板造成反变形

c．刚性固定法：对薄板极其有效，将焊件固定在刚性平台上，如图23；将焊件组合成刚度更大或对称的结构，例如将两根T型梁翼板临时焊接起来成为对称的十字结构；或者利用夹具夹紧定位，增加约束；还可以增加临时支撑，比如大直径薄壁筒体环缝焊接前必须在筒体内临时焊一直杆，防止筒体变形；

图23 薄板焊接件的刚性固定

d．选择合理的装配焊接顺序和焊接方式：

1）大而复杂的焊接结构，先将结构简单的部件单独进行焊接，再总装成整体；

2）焊缝应尽量靠近结构截面的中性轴，如图20；

3）对于焊缝非对称布置的结构，装配焊接时应先焊焊缝少的一侧，或者刚性小的一侧如图24；图25

4）焊缝对称布置的结构，应由偶数焊工对称施焊；如图24；

图24 压力机上模焊接顺序 利用不对称的焊缝校正部分焊接变形

图25 非对称结构 先焊接刚性小的一侧1，2两条焊缝；长焊缝采用跳焊法

5）长焊缝可考虑采用跳焊法：如图25

6）一般构件尽量采用断续焊接的方法：研究表明，断续焊接时，断续焊缝的收缩变形量与连续焊缝的

收缩变形量之间有下列关系式：

Ε＝ε(a＋35mm)/t

   式中：Ε：断续焊收缩变形量ε：连续焊收缩变形量 a：断续焊缝长度 t：断续焊缝之间的中心距

    当a＝35mm，t/a＝2时，断续焊缝成为连续焊缝。如果t值很大，就是断续焊缝相距很远，断续焊缝的焊接变形量会远小于连续焊缝；

e．散热法：如图26；利用通水的铜散热块或者水箱散去焊接件的热量，减小焊接变形的源动力； 

图26 散热法 成本较高且技术复杂现场管理不易

g．热平衡法：如图27，既然焊缝不能位于中性轴附近，必然要出现弯曲变形，那么在对称位置安排成对的氧乙炔割对称加热，产生相反方向的热变形抵消弯曲变形；

图27 热平衡法抵消焊接弯曲变形

三．校正焊接变形的措施：

1．手工矫正法：主要用于矫正一些小型简单焊件的弯曲变形，用榔头敲击，最好用100mm以上直径的钢管做成砧子，垫在焊接件下面，上面用榔头敲击。同时预备好靠模，随时测量焊接件尺寸变化。有经验的钳工可做到毫米级的校正精度；

2．机械矫正法：适用于塑性较好的材料及形状简单的焊件；比如压力机和滚弯机，

图28 压力机校正弯曲变形 滚轮校正失稳变形

3．火焰加热矫正法：利用火焰对焊件进行局部加热，使焊件产生新的变形来抵消焊接变形。应用范围很广，从1mm左右的薄板到200mm以上的厚板都适用；

a．点状加热：多用于薄板； 1mm薄钢板焊接在客车骨架上之后发生波浪变形，蒙皮绷不紧，通常在外凸部位用6号气焊贴近蒙皮多处点状加热，并用水快速冷却；蒙皮的收缩可以更加绷紧在骨架上

b．线状加热和三角形加加热：主要用于较大的焊接件；如图29；火焰矫正变形的效果取决于三个因素：

1）加热方式

2）加热位置

3）加热温度和加热面积

图29 火焰校正的线状加热和三角形加热

图30 采用并列断续和交错断续焊缝减少焊缝收缩变形

图31 采用楔形压块工件变形

图32 用特制的工装预弯造成反变形

图33 三种比较复杂的减少变形的方法下载本文