2.3.1.3从设计方面调节和控制焊接残余应力（工艺措施见下章）
焊接内应力是可以通过结构设计和焊接工艺措施等进行调节与控制。工艺措施将在下一章详细介绍。
1） 尽量减少结构上焊缝的数量和焊缝尺寸。多一条焊缝就多一处内应力源；过大的焊缝尺寸，焊接时受热区加大。使引起残余应力与变形的压缩塑变区或变形量增大。
2） 避免焊缝过分集中，焊缝间应保持足够的距离。焊缝过分集中不仅使应力分布更不均匀，而且可能出现双向或三向复杂的应力状态。
3） 采用刚性较小的接头形式。
2.3.2焊接变形 [5] [12] [13]
2.3.2.1 焊接变形的特点和分类
⑴ 特点
焊件由于焊接而产生的变形称焊接变形。焊接变形与焊件形状尺寸、材料的热物理性能及加热条件等因素有关。如果是简单的金属杆件在自由状态下均匀的加热或冷却，该杆件将按热膨冷缩的基本规律在长度上产生伸长或缩短的变形，焊接时不均匀加热过程，热源只集中在焊接部位，且以一定速度向前移动。局部受热金属的膨胀能引起整个焊件发生平面内或平面外的各种形态的变形。变形是从焊接时便产生，并随焊接热源的移动和焊件上温度分布的变化而变化。一般情况下一条焊缝在施焊处受热发生膨胀变形，后面开始在凝固和冷却处发生收缩。膨胀和收缩在这条焊缝上不同部位分别产生，直至焊接结束并冷至室温，变形才停止。
⑵分类
焊接过程中随时间而变的变形称焊接瞬时变形，它对焊接施工过程发生影响。焊完冷后，焊件上残留下来的变形称焊接残余变形，它对结构质量和使用性能发生影响。
我们关心最多的是焊接残余变形，因为它直接影响结构的使用性能。所以在没有特别说明情况下，一般所说的焊接变形，多是指焊接残余变形。按变形后的形态分，焊接残余变形可归纳成表2-3-2所示的几种类型。它们与焊件的形态、尺寸、焊缝在焊件上的位置、焊缝坡口的几何形状等因素有关。
表2-3-2焊接残余变形分类
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类型
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示意图
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说明
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板平面内的变形
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横向收缩
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垂直焊接方向的收缩
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纵向收缩
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焊接方向的收缩
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回转变形
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在开坡口焊接时，焊接过程中坡口间时而张开时而闭合的变形。在热源前方完全没有拘束的情况下，因连接焊接坡口间隙常常张开，焊接热输入量越大，张开量越大
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 板平面外的变形
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横向弯曲变形（角变形）
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在板厚方向由于焊接而使温度分布不均匀时，沿板厚方向横向收缩不同，使板件在焊缝中心线处发生弯曲变形。又叫角变形
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纵向弯曲变形
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焊接方向偏心收缩引起的弯曲变形
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波浪变形
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在薄板焊接时，由于焊接产生的压缩残余应力，使板件出现因压曲形成的波浪变形
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扭曲变形
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细长构件，纵向焊缝的横向收缩不均匀或备料与组装质量不良，使构件绕自身轴线扭转
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2.3.2.2 焊接变形收缩余量计算
1）纵向收缩
从理论上精确计算变形量目前比较困难。工程上对于钢制细长焊件，如梁、柱等结构单层焊的纵向收缩量△L，可利用以下经验公式估算：
△L=k1AHL∕A
式中 △L——单层焊纵向收缩量，mm；
k1——系数见表2-3-3；
AH——塑性变形区面积，mm2；
L ——焊件长度，mm；
A ——焊缝的截面积，mm2。
表2-3-3 k1与焊接方法的关系（材料为低碳钢）
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焊接方法
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二氧化碳焊
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埋弧焊
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焊条电弧焊
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系数
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0.043
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0.071～0.076
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0.076
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多层焊的纵向收缩量，将上式中的塑性变形区面积AH改为一层焊缝金属的截面积，并将所计算的结果再与系数k2相乘。
k2=1+85
n
=σs∕E
式中 n——层数。
因双面角焊缝焊接热输入量有一部分重叠，所以，估算T形接头纵向收缩量时可按单面焊再乘一个系数进行，即△LT=（1.15～1.40）△L单（式中AH是指一条焊缝的截面积）。
2）横向收缩
对接接头的横向收缩大小与焊接线能量、坡口形式、焊缝截面积以及焊接工艺有关。对接接头的横向收缩量△B的估算可按下式进行：
△B=0.2A∕δ+ 0.05b
式中 △B——对接接头的横向变形量，mm；
A——焊缝的截面积，mm2；
δ——板厚，mm；
b——对接间隙，mm。
2.3.2.3从设计方面控制焊接残余变形（工艺方面见下章）
1）合理选择构件截面提高构件的抗变形能力
设计结构时要尽量使构件稳定、截面对称，薄壁箱形构建的内板布置要合理，特别是两端的内隔板要尽量向端部布置；构件的悬出部分不易过长；构件放置或吊起时，支承部位应具有足够的刚度等。较容易变形或不易被矫正的结构形式要避免采用。可采用各种型钢、弯曲件和冲压件(如工字梁、槽钢和角钢)代替焊接结构，对焊接变形大的结构尽量采用铆接和螺栓连接。
对一些易变形的细长杆件或结构可采用临时工艺筋板、冲压加强筋、增加板厚等形式提高板件的刚度。如从控制变形的角度考虑，钢桥结构的箱形薄壁结构的板材不宜太薄，如起重20t、跨度28m的箱形双梁式起重机，主体箱形梁长度达45m、断面为宽800mm、高1666mm、内侧腹板厚度为8mm，外侧腹板6mm，焊成箱形后，无论整体变形还是局部变形都比较大，而且矫正困难。因此，箱形钢结构的强度不但要考虑板厚、刚度和稳定性，而且制造和安装过程中的变形也是很重要的。
2）合理选择焊缝尺寸和布置焊缝的位置
焊缝尺寸过大不但增加了焊接工作量。对焊件输入的热量也多，而且也增加了焊接变形。所以，在满足强度和工艺要求的前提下，尽可能的减少焊缝长度尺寸和焊缝数量，对联系焊缝在保证工件不相互窜动的前提下，可采用局部点固焊缝；对无密封要求的焊缝，尽可能采用断续焊缝。但对易淬火钢要防止焊缝尺寸过小产生淬硬组织等。
设计焊缝时，尽量设计在构件截面中心轴的附近和对称于中性轴的位置，使产生的焊接变形尽可能的相互抵消。如工字梁其截面是对称的，焊缝也对称与工字梁截面的中性轴。焊接时只要焊接顺序选用合理，焊接变形就可以得到有效的控制，特别是挠曲变形可以得到有效的控制。
3）合理选择焊缝的截面和坡口形式
要做到在保证焊缝承载能力的前提下，设计时应尽量采用焊缝截面尺寸小的焊缝。但要防止因焊缝尺寸过小，热量输入少，焊缝冷却速度快易造成裂纹、气孔、夹渣等缺陷。因此，应根据板厚、焊接方法、焊接工艺等合理的选择焊缝尺寸。
此外，要根据钢结构的形状、尺寸大小等选择坡口形式。如平板对接焊缝，一般选用对称的坡口，对于直径和板厚都较大的圆形对接筒体，可采用非对称坡口形式控制变形。在选择坡口形式时还应考虑坡口加工的难易、焊接材料用量、焊接时工件是否能够翻转及焊工的操作方便等问题。如直径比较小的筒体，由于在内部操作困难，所以纵焊缝或环焊缝可开单面V或U形坡口。具体坡口形状和尺寸见下节内容。
4）尽量减少不必要的焊缝
焊缝数量与填充金属量成正比，所以，在保证强度的前提下，钢结构中应尽量减少焊缝数量，避免不必要的焊缝。为防止薄板产生波浪变形，可适当采用筋板增加钢结构的刚度，用型钢和冲压件代替焊件。
2.3.3焊接接头构造的设计与选择 （主要是熔焊接头）
2.3.3.1焊接接头的基本类型[12]
焊接结构上的接头，按被连接构件之间的相对位置及其组成的几何形状，可归纳为图2-3-3所示的五种类型：a为对接接头；b为角接接头；c为T形接头；d为搭接接头；e为卷边接头。
图2-3-3熔焊接头的基本类型
图2-3-4不同板厚钢板对接接头设计（L≥3δ-δ1）
2.3.3.2常用焊接接头的工作特性 [12] [6]
1）对接接头
图2-3-5正面搭接接头的弯曲变形
将两焊件的表面构成135°～180°夹角的接头均称对接接头。优点:传力效率最高，应力集中较低,并易保证焊透和排除工艺缺陷，具有较好的综合性能，使重要零件和结构连接的首选接头。缺点：焊前准备工作量大，组装费工时，而且焊接变形也较大。
对接接头应力分布均匀，应力集中产生在焊趾处。如果在焊趾处加工成过渡圆弧半径或削平焊缝余高h，均能使应力集中减小或消失，提高接头的疲劳强度。当两块被连接板的厚度相差较大时，按GB/T985、GB/T986，须将厚板削薄至薄板厚度相同时再焊接见图2-3-4。为了
防止因板厚不同引起作用力偏心传递，两块板的中心线应尽可能重合，见图2-3-4b。直接承受动力载荷且需要进行疲劳计算的结构，斜角坡度不应大于1：4，其它结构坡度不能大于1：2.5。
2）搭接接头
搭接接头时两平板部分地相互搭置，用角焊缝进行连接的接头 。优点：焊前准备工作量较小，装配较容易，对焊工技术水平要求较对接接头低，且横向收缩量也较小，可用于工作环境良好，不重要的结构中。缺点：母材和焊接材料消耗大，接头动载强度低，搭接面有间隙，若外漏易发生腐蚀，若封闭泽不能在高温工作。能采用对接接头的尽量不采用搭接接头。
搭接接头受轴向力时，以焊趾和焊根处的应力集中最大，增加根部熔深可降低。只有正面角焊缝的搭接接头，强度低，应在背面加焊一条焊缝。当背面无法焊时，可采用锯齿状焊缝。搭接接头承受拉力时，正向角焊缝与作用力偏心，接头上产生附加弯曲应力，使应力集中加剧。为了减少弯曲应力，两条正面角焊缝之间的距离不应小于其板厚的4倍，但也不宜大于40K（动载时）或60K(静载时)，否则应力集中大，K为侧面角焊缝的焊脚尺寸。见图2-3-5。
3） T形接头和十字接头
T形接头是将一件端面与另一件表面构成直角或近似直角的接头。三件相交组成“十”字形的接头叫十字接头。优点：能承受各种方向外力和力矩。缺点：接头在外力作用下力线扭曲很大，造成极不均匀的应力分布。
在外力作用下，应力集中点在根部和过渡处。立板开坡口并焊透的接头，应力集中可大为降低。对重要构件，尤其是在动载下工作的T形和十字接头应开坡口并焊透。该类型接头应尽量避免在其板厚方向承受高拉应力，因轧制的钢板常有夹层缺陷，尤其是厚板更易产生层状撕裂，所以应将工作焊缝转化为联系焊缝。如两个方向都受力，则宜采用圆形、方形或特殊形状的轧钢、锻钢插入件。
4)角接接头
两焊件端部夹角在30°～135°范围内的接头。角接接头独立使用的承载能力很低，一般都用它组成箱体结构、容器结构后期作用。
