CN117754092A - 一种残余应力自平衡的无预热埋弧焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种残余应力自平衡的无预热埋弧焊接方法，基于埋弧焊接工艺，通过设计双面对称焊接坡口形式，并采用具有残余应力自平衡特征的双面对称同时焊接工艺，从而改善厚壁高强钢打底焊接时熔池热量分布和焊接残余应力分布特征，利用双面对称同时焊接时残余应力自平衡与部分消除的机理以及熔池能量分布改善来降低高强钢焊接接头焊后淬硬倾向的特征，从而实现在无预热焊接条件下避免焊接冷裂纹缺陷，为高强钢结构制造焊接提供了绿色低碳、低成本、高效率解决方案，体现出显著的技术与成本优势，具有广阔的推广应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及无预热焊接技术，更具体地说，涉及一种残余应力自平衡的无预热埋弧焊接方法。
背景技术
埋弧自动焊接是当前大型工业结构制造广泛应用的焊接方法，焊接电弧在焊剂熔化形成的保护渣下面燃烧并熔化焊丝和母材金属形成焊接熔池，保护效果好、焊缝金属洁净度高、综合性能好、环境污染小，无论应用于平焊还是横焊位置，均具有操作便利、焊接效率高、综合成本低的优点。随着高强钢在大型结构件中的推广应用与不断普及，焊接冷裂纹已成为影响焊接制造的关键问题。特别是厚壁高强钢结构首道打底焊接，由于待焊接钢板初始温度低，焊后冷却速度加快将造成接头部位淬硬，同时，首道打底焊接拘束度最大，焊接残余应力难以释放，这些综合因素叠加很容易促使打底焊缝出现冷裂纹。为了避免高强钢厚板打底焊道冷裂纹，业内普遍采用焊前高温预热的方法，通过降低焊后冷却速度及其引起的接头淬硬，同时减小焊接残余应力，达到消除焊接冷裂纹的目的。然而，焊前高温预热增加了现场工艺实施难度，同时提高了运营成本。再者，高温预热增加了焊接制造过程的能源消耗和碳排放，需要开发具有普遍适应性的绿色低碳焊接技术。
申请号为200610128410.X的专利公开了一种低合金高强度钢焊接方法，针对大型机械结构用屈服强度900MPa级别高强钢，通过预热60～110℃并辅以焊后保温消氢，在常规的焊接工艺条件下能够保证焊接质量，避免焊接冷裂纹。这也是当前行业内通用的一种做法。申请号为200610070181.0的专利公开了一种800MPa高强度钢的不预热焊接工艺，针对典型工业结构件，应用常用的焊接工艺方法，不同焊道采用差异化焊接材料匹配，焊后采用硅酸铝板覆盖焊接接头辅助保温措施，能够实现高强钢无预热焊接，避免了焊接冷裂纹。申请号为201610778075.1的专利公开了一种钢构件双丝埋弧焊接工艺，通过焊接工艺参数优化提高了焊接效率，解决了焊缝成型美观的问题，但仅用于较低强度级别普通结构钢焊接，不涉及高强钢不预热焊接相关技术。申请号为200410084699.0的专利公开了一种低屈强比易焊接结构钢厚板及其生产方法，该技术主要通过在钢材设计和制造阶段的化学成分优化和轧制工艺控制，试图从材料本身改善高强钢板焊接性，得到一种具备不预热焊接特征的钢材，但这种思路势必将增加材料综合成本，在焊接工艺实施方面也会存在很多限制
鉴于上述情况，亟待研发一种适于高强钢且具有焊接残余应力自平衡的埋弧焊接方法，充分发挥埋弧焊接效率高、实施方便的优点，并能够改善厚壁高强钢打底焊接时熔池热量分布和焊接残余应力特征，减轻高强钢焊接接头焊后淬硬倾向，从而避免焊接冷裂纹，保证焊接质量，提高焊接效率，降低焊接成本。
发明内容
针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种残余应力自平衡的无预热埋弧焊接方法，基于埋弧焊接工艺，通过设计双面对称焊接坡口形式，并采用具有残余应力自平衡特征的双面对称同时焊接工艺，从而改善厚壁高强钢打底焊接时熔池热量分布和焊接残余应力分布特征，利用双面对称同时焊接时残余应力自平衡与部分消除的机理以及熔池能量分布改善能够降低高强钢焊接接头焊后淬硬倾向的特征，从而实现在无预热焊接条件下避免焊接冷裂纹缺陷，为高强钢结构制造焊接提供了绿色低碳、低成本、高效率解决方案，体现出显著的技术与成本优势，具有广阔的推广应用价值。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种残余应力自平衡的无预热埋弧焊接方法，包括以下步骤：
S1,焊接坡口形式设计，将待焊接件的焊接接头加工成双面对称焊接坡口；所述双面对称焊接坡口的钝边长度F满足下式：式中，F为双面对称焊接坡口的钝边长度，单位为mm；k为焊丝直径系数，无量纲，k的取值范围为0.6～1.2；d为焊接所用的埋弧焊丝的直径，单位为mm；/>为打底焊接的平均起始焊接电流，单位为A，m为焊接电流系数，无量纲；
S2，无预热焊接，所述待焊接件进行定位组装后，采用埋弧焊将所述待焊接件在不预热条件下进行焊接，在打底焊接时，起始焊枪和跟随焊枪在所述待焊接件焊接坡口的两侧启动进行双面对称同时焊接。
优选地，所述步骤S1中，
所述待焊接件的焊接接头为对接接头时，所述双面对称焊接坡口的每一侧坡口均包括第一坡口和第二坡口，所述第一坡口角度α为30～50°，所述第二坡口角度β为20～45°，所述双面对称焊接坡口的钝边长度F的计算公式中，所述焊丝直径系数k的取值范围为0.8～1.2，所述焊接电流系数m的取值150。
优选地，所述步骤S1中，
所述待焊接件的焊接接头为全熔透型角接接头时，所述双面对称焊接坡口的坡口角度α为40～60°，所述双面对称焊接坡口的钝边长度F的计算公式中，焊丝直径系数k的取值范围为0.6～1.0，所述焊接电流系数m的取值200。
优选地，所述步骤S2中，在所述定位组装前，采用机械或化学清理方法清除所述待焊接件的焊接坡口及其两侧至少50mm范围内的污染物。
优选地，所述步骤S2中，在所述待焊接件定位组装时，所述待焊接件的组对间隙不超过0.5mm。
优选地，所述步骤S2中，所述待焊接件的焊接接头为对接接头时，
所述对接接头定位组装后的相对错边量小于所述待焊接件的厚度的1/3，且小于5mm；
所述对接接头定位组装后，相对错边量每增加1mm，根据公式计算得到的钝边长度F相应减少1mm。
优选地，所述步骤S2中，所述待焊接件的焊接接头为对接接头时，在所述打底焊接过程中，所述起始焊枪和跟随焊枪之间设置有间隔距离D，所述间隔距离D满足下式：
式中，D为起始焊枪与跟随焊枪的间隔距离，单位为mm，D≥20mm；
Pcm为待焊接件的冷裂纹敏感指数，无量纲；
t为待焊接件的厚度，单位为mm；
d为对接接头焊接所用的埋弧焊丝的直径，单位为mm；
I为打底焊接过程中起始焊枪的的焊接电流。
优选地，所述步骤S2中，所述待焊接件的焊接接头为对接接头时，在所述打底焊接过程中，所述起始焊枪的焊接电流I起为400～1200A，焊接电压U起为28～42V，焊接速度V起为400～1000mm/min，焊接过程全程无预热；
所述跟随焊枪的焊接电流I跟＝(1.0～1.2)I起，焊接电压U跟为30～44V，所述跟随焊枪的焊接速度与所述起始焊枪的焊接速度一致，焊接过程全程无预热。
优选地，所述步骤S2中，所述待焊接件的焊接接头为全熔透型角接接头时，在所述打底焊接过程中，所述起始焊枪和跟随焊枪之间设置有间隔距离D，所述间隔距离D满足下式：
式中，D为起始焊枪与跟随焊枪的间隔距离，单位为mm，且D最小为0；
Pcm为待焊接件的冷裂纹敏感指数，无量纲；
t为待焊接件的厚度，单位为mm；
d为全熔透型角接接头焊接所用的埋弧焊丝的直径，单位为mm；
I为打底焊接过程中起始焊枪的焊接电流。
优选地，所述步骤S2中，所述起始焊枪的焊接电流I起为500～1200A，焊接电压U起为28～40V，焊接速度V起为300～800mm/min，焊接过程全程无预热；
所述跟随焊枪的焊接电流I跟＝(1.0～1.2)I起，焊接电压U跟为29～42V，所述跟随焊枪的焊接速度与所述起始焊枪的焊接速度一致，焊接过程全程无预热。
本发明所提供的一种残余应力自平衡的无预热埋弧焊接方法，具有以下效果：
1、本发明的残余应力自平衡的无预热埋弧焊接方法，基于埋弧焊接工艺，通过设计双面对称焊接坡口形式，并采用具有残余应力自平衡特征的双面对称同时焊接工艺，从而改善厚壁高强钢打底焊接时熔池热量分布和焊接残余应力分布特征，利用双面对称同时焊接时残余应力自平衡与部分消除的机理以及熔池能量分布改善能够降低高强钢焊接接头焊后淬硬倾向的特征，从而实现在无预热焊接条件下避免焊接冷裂纹缺陷，为高强钢结构制造焊接提供了绿色低碳、低成本、高效率解决方案，体现出显著的技术与成本优势，具有广阔的推广应用价值；
2、本发明的残余应力自平衡的无预热埋弧焊接方法，特别是基于埋弧焊接且能够在横焊位置操作的对接接头和角接接头(包括T型接头和十字接头)，通过特定的双面对称坡口形式设计和具有焊接残余应力自平衡特征的双面对称同时焊接工艺参数优化，改善了厚壁高强钢打底焊接时熔池热量分布和焊接残余应力分布特征，在减轻高强钢焊接接头焊后淬硬倾向的同时，实现了双面焊接残余应力自平衡和消除的目的，从而能够在无预热焊接条件下避免焊接冷裂纹，保证焊接质量，提高焊接效率，降低焊接成本；
3、本发明的残余应力自平衡的无预热埋弧焊接方法，通过焊前无预热双面大钝边大熔深焊接，直接减少了焊接填充量，从而减少了焊接制造过程中的能量消耗，提高了能量利用率，从根本上减少了制造焊接过程的碳排放，具有绿色低碳特征；
4、本发明的残余应力自平衡的无预热埋弧焊接方法，基于当前工业领域结构件制造主流的高效埋弧自动焊接工艺方法，无需进行颠覆式焊接工艺技术改变，利用双面对称同时焊接技术中残余应力自平衡与部分消除机理，即可实现冷裂纹敏感性最高的打底焊缝的无预热焊接，同时充分利用焊接区域残余热量增加了打底焊接熔深，提高了能量的利用率，整个焊接方法操作方便、实施周期短、综合成本低，具有直接的工程应用价值与指导意义；
5、本发明的残余应力自平衡的无预热埋弧焊接方法，采用的双面同时对称打底焊接技术，在同样的焊接工艺范围内能够大幅度提高焊接熔透深度，从而在焊接结构设计时可以通过增加坡口钝边尺寸而减少填充量，最终提高了焊接效率，降低了整体焊接制造成本；
6、本发明的残余应力自平衡的无预热埋弧焊接方法，充分提高了熔池能量利用率，减少了一次能源的消耗，从根本上减少了制造焊接过程中的碳排放，具有绿色低碳特征。
附图说明
图1是本发明残余应力自平衡的无预热埋弧焊接方法中，对接接头的双面对称坡口形式示意图；
图2是本发明残余应力自平衡的无预热埋弧焊接方法中，角接接头的双面对称坡口形式示意图；
图3是本发明残余应力自平衡的无预热埋弧焊接方法中，对接接头的打底焊接示意图；
图4是本发明残余应力自平衡的无预热埋弧焊接方法中，角接接头的打底焊接示意图。
具体实施方式
为了能更好地理解本发明的上述技术方案，下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。
本发明所提供的一种残余应力自平衡的无预热埋弧焊接方法，基于埋弧自动焊接且能够在横焊位置操作的对接接头和角接接头(包括T型接头和十字接头)焊接结构制造场合打底焊缝，根据双面对称同时焊接时残余应力自平衡与部分消除的机理以及熔池能量分布改善后降低高强钢接头淬硬倾向的特征，在厚壁高强钢无预热焊接条件下避免焊接冷裂纹。同时，充分利用焊接区域残余热量增加打底焊接熔深，提高能量利用率与整体焊接效率。本发明关键技术要点主要包括：特定的双面对称坡口形式设计、焊前准备与组装、具有焊接残余应力自平衡特征的双面对称同时自动埋弧焊接工艺参数设计与优化、对接接头与角接接头无预热埋弧焊接与接头质量检验等。
本发明所提供的一种残余应力自平衡的无预热埋弧焊接方法，包括以下步骤：
S1,焊接坡口形式设计，将待焊接件的焊接接头加工成双面对称焊接坡口；所述双面对称焊接坡口的钝边长度F满足下式：式中，F为双面对称焊接坡口的钝边长度，单位为mm；k为焊丝直径系数，无量纲，k的取值范围为0.6～1.2；d为焊接所用的埋弧焊丝的直径，单位为mm；/>为打底焊接的平均起始焊接电流，单位为A，m为焊接电流系数，无量纲；
具体而言，根据不同工业领域结构特点与设计要求，首先进行双面对称焊接坡口形式设计。考虑到首道打底焊接时处于室温的钢板焊后冷却速度快，特别是对于高强钢，将导致比较严重的淬硬倾向，加之打底焊接时高拘束应力导致焊接残余应力无法释放，从而造成很高的冷裂纹倾向。所以，无论是对接接头，还是角接接头，均采用双面对称坡口，在双面同时打底焊接过程中，通过以下两种机制降低无预热条件下的冷裂纹倾向：
1、双面同时对称打底焊接有利于反向消除焊接残余应力，具备了焊接残余应力自平衡特征，从力学角度消除了冷裂纹诱因；
2、双面同时对称打底焊接改变了熔池热量分布特征，降低了焊后接头实际冷却速度，从而能够降低高强钢焊后淬硬倾向，从冶金角度消除了冷裂纹诱因；
再者，双面对称同时打底焊接增加了焊接区域能量的利用率，从而增加实际的焊接熔深，因此，双面对称焊接坡口的钝边尺寸比常规的非对称焊接条件下有所增加，双面对称焊接坡口的钝边尺寸不仅与所使用的焊丝直径密切关系，还对其所采用的焊接电流也非常敏感，因此式中，F为双面对称焊接坡口的钝边长度，单位为mm；k为焊丝直径系数，无量纲，k的取值范围为0.6～1.2；d为焊接所用的埋弧焊丝的直径，单位为mm；/>为打底焊接的平均起始焊接电流，单位为A，m为焊接电流系数，无量纲；其中焊丝直径系数k的取值根据需根据焊接过程中所用的焊丝的直径d以及焊接接头型式来确定，对于对接接头，焊丝直径d越大，则k取值越大。对于角接接头，焊丝直径d越大，则k取值也越大。焊接电流系数m的取值由待焊接件的焊接接头型式而定，当焊接接头为对接接头时，m取值为150，当焊接接头为全熔透型角接接头时，m取值为200。
图1、图2分别为能够用于无预热焊接的待焊接件的对接接头和角接接头的双面对称焊接坡口形式；
结合图1所示，焊接接头为对接接头时，双面对称焊接坡口的每一侧坡口均包括第一坡口和第二坡口，第一坡口角度α为30～50°，第二坡口角度β为20～45°，其中第一坡口和第二坡口的倾角可不一致，即α可不等于β。对于对接接头，其直接反映熔透能力的钝边尺寸F(mm)不仅与焊丝直径密切相关，还对其所采用的焊接电流也非常敏感。其中双面对称焊接坡口的钝边长度的计算公式中，所述焊丝直径系数k的取值范围为0.8～1.2，焊接电流系数m的取值150；即/>一般，对接接头所所用的埋弧焊丝的直径d为2.4mm、3.2mm、4.5mm、5.0mm。
结合图2所示，焊接接头为全熔透型角接接头时，其直接反映熔透能力的钝边尺寸F(mm)不仅与焊丝直径密切相关，还对其所采用的焊接电流也非常敏感。双面对称焊接坡口的坡口角度α为40～60°，双面对称焊接坡口的钝边长度 的计算公式中，焊丝直径系数k的取值范围为0.6～1.0，焊接电流系数m的取值200；即一般，全熔透型角接接头所用的埋弧焊丝的直径d为2.4mm、3.2mm、4.5mm、5.0mm
而对于非全熔透型角接接头，一般不作为正向承载节点，坡口角度α与钝边长度F均不作明确限制。
S2，无预热焊接，所述待焊接件进行定位组装后，采用埋弧焊将所述待焊接件在不预热条件下进行焊接，在打底焊接时，起始焊枪和跟随焊枪在所述待焊接件焊接坡口的两侧启动进行双面对称同时焊接。
焊前准备与组装，当待焊接件的焊接坡口加工完成后，需要进行焊前准备，即将焊接区域进行清理，可采用机械或化学清理方法彻底去除待焊接件的焊接坡口表面及其两侧至少50mm范围内的锈蚀、水分、油污等可能影响焊接质量的污染物，以避免焊接过程中造成不必要的焊接缺陷。然后将待焊接件进行定位组装，无论是对接接头还是全熔透型角接接头，组对间隙不能超过0.5mm。
特别的，为了保证熔透深度和打底焊接质量，对于对接接头组装过程中引起的相对错边量做出以下限制：
对接接头组装后相对错边量要求小于待焊接件厚度的1/3，且小于5mm。每增加1mm错边，按照钝边尺寸F(mm)与焊丝直径d(mm)的相关关系计算得出的钝边尺寸相应的减少1mm，在具体的实施例中按照/>计算得出的钝边尺寸相应的减少1mm。
无预热焊接时，将组装完成的待焊接件放置在横焊位置，并采用埋弧焊将所述待焊接件在不预热条件下进行焊接。在打底焊接时，起始焊枪和跟随焊枪在所述待焊接件焊接坡口的两侧启动进行双面对称同时焊接。对接接头和角接接头的焊接工艺上需要根据实际情况而定。
对于对接接头，将组装完成的待焊接件放置在横焊位置，如图3所示；在打底焊接过程中，起始焊枪和跟随焊枪在待焊接件焊接坡口的两侧启动进行双面对称同时焊接；根据待焊接件的冷裂纹敏感指数Pcm(无量纲)以及待焊接件的厚度t(单位为mm)的不同，起始焊枪与跟随焊枪设置一定的间隔距离D，即：起始焊枪先完成间隔距离D(单位为mm)的打底焊接后，再启动跟随焊枪在另一侧的焊接，然后二者同步进行焊接工作。这样，既充分利用了起始焊接熔池热量增加了跟随焊接熔深，提高了钝边熔透能力和焊接效率，又及时快速平衡并消除了起始焊道造成的焊接残余应力与接头淬硬，最大限度的避免了高强钢焊接冷裂纹的产生。
考虑到不同的冷裂纹敏感指数Pcm以及待焊接件的厚度t对残余应力自平衡与消除的要求不同，同时考虑到焊接电流的变化对钝边熔透深度的影响，起始焊枪与跟随焊枪的间隔距离D与冷裂纹敏感指数Pcm、待焊接件的厚度t、焊丝直径d、焊接电流I建立定量化关联关系为：
式中，D为起始焊枪与跟随焊枪的间隔距离，单位为mm，D≥20mm；
Pcm为待焊接件的冷裂纹敏感指数，无量纲；
t为待焊接件的厚度，单位为mm；
d为对接接头焊接所用的埋弧焊丝的直径，单位为mm；
I为打底焊接过程中起始焊枪的焊接电流。
根据不同工业领域焊接结构制造要求和所选用的埋弧焊丝d的不同，起始焊枪和跟随焊枪采用差异化打底焊接工艺参数如下：
对于起始焊枪，焊接电流I起＝400～1200A，焊接电压U起＝28～44V，焊接速度v起＝400～1000mm/min。打底焊接过程全程无预热。
对于跟随焊枪，焊接电流I跟＝(1.0～1.2)I起，焊接电压U跟需要在保证焊接过程稳定的前提下进行适当匹配，焊接速度v跟＝v起。焊接过程全程无预热。
对于全熔透型角接接头，将组装完成的待焊接件放置在横焊位置，如图4所示；在打底焊接过程中，起始焊枪和跟随焊枪在待焊接件焊接坡口的两侧启动进行双面对称同时焊接；由于不同待焊接件的冷裂纹敏感指数Pcm(无量纲)以及待焊接件的厚度t(单位为mm)对残余应力自平衡和消除的要求不同，同时考虑到角接接头的单边V型坡口形式特点及其熔透焊接特征的影响，起始焊枪与跟随焊枪的间隔距离D与冷裂纹敏感指数Pcm、待焊接件的厚度t、焊丝直径d建立定量化关联关系为：
式中，D为起始焊枪与跟随焊枪的间隔距离，单位为mm，D最小为0mm；
Pcm为待焊接件的冷裂纹敏感指数，无量纲；
t为待焊接件的厚度，单位为mm；
d为对接接头焊接所用的埋弧焊丝的直径，单位为mm；
I为打底焊接过程中起始焊枪的焊接电流。
根据不同工业领域焊接结构制造要求和所选用的埋弧焊丝d的不同，起始焊枪和跟随焊枪采用差异化打底焊接工艺参数如下：
对于起始焊枪，焊接电流I起＝500～1300A，焊接电压U起＝28～42V，焊接速度v起＝300～800mm/min。根据需要，焊接过程全程无预热。
对于跟随焊枪，焊接电流I跟＝(1.0～1.2)I起，焊接电压U跟需要在保证焊接过程稳定的前提下进行适当匹配，焊接速度v跟＝v起。焊接过程全程无预热。
而后续对接接头和角接接头的填充焊接和盖面焊接同样采用无预热焊接，对于高强钢焊接结构而言，无论是对接接头还是角接接头，由于高拘束度导致的焊接残余应力无法及时释放、低温母材淬硬等因素的影响，打底焊道均为焊接冷裂纹最敏感的焊道。基于高效的埋弧自动焊，通过采用前述技术手段实现了无预热打底焊接后，充分利用前焊道剩余热量，连续进行后续的填充焊接、盖面焊接，冷裂纹敏感性大大降低。对于常用于正面承载工业结构的低中碳微合金钢，填充、盖面无预热焊接的难度大大降低。一般的，无论对接接头还是角接接头，填充盖面无预热焊接工艺参数不做特殊限制，各个工业领域现场制造主流焊接工艺参数范围均具有良好的适应性。
采用上述的方法完成焊接后，将完成焊接全过程得到的焊接件进行手工超声波无损检验(UT)，重点监测无预热焊接过程中是否出现了焊接冷裂纹缺陷，以保证具有绿色低碳特征的无预热焊接质量。
下面结合具体的例子对本发明的残余应力自平衡的无预热埋弧焊接方法作进一步介绍。
实施例
选用Q690结构钢板，壁厚为30mm，按照本发明的焊接方法分别针对对接接头和角接接头设计并加工双面对称焊接坡口，将加工好的焊接试验板进行焊前清理和组装。然后，进行具有残余应力自平衡特征的双面对称同时打底焊接工艺参数设计与无预热双面对称打底焊接，基于焊接残余应力自平衡和消除机理，能够避免焊接冷裂纹。随即根据常用结构件制造焊接技术要求完成填充盖面焊接。表1所示为实施例1～4对接接头坡口形式设计以及典型焊接工艺参数。表2所示为实施例5～8中角接接头坡口形式设计以及典型焊接工艺参数。所有实施例埋弧焊丝与焊剂均采用理论上的等强匹配产品。无论是对接接头还是角接接头，所有实施例均得到了表面成形良好的焊缝。经过手工超声波无损检验，在无预热焊接条件下，焊缝内部均没有出现冷裂纹。
表1对接接头坡口形式以及焊接工艺参数
表2角接接头坡口形式以及焊接工艺参数
综上所述，本发明的所有实施例采用了比常规技术更大的钝边尺寸，减小了实际填充量，焊前没有采取预热措施，节约了能源消耗，具有显著的绿色低碳特征。
本发明能够应用于基于高强钢厚板结构制造焊接相关的各个工业领域，在不需要颠覆性改变产品制造端主流焊接工艺方法的前提下，基于高效埋弧自动焊接，通过采用具有残余应力自平衡特征的双面对称同时打底焊接技术，在无预热条件下能够避免厚壁高强钢焊接冷裂纹问题，为高强钢结构制造焊接提供了绿色低碳、低成本、高效率解决方案，体现出显著的技术与成本优势，具有广阔的推广应用价值。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。
Claims (10)
1.一种残余应力自平衡的无预热埋弧焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1,焊接坡口形式设计，将待焊接件的焊接接头加工成双面对称焊接坡口；所述双面对称焊接坡口的钝边长度F满足下式：式中，F为双面对称焊接坡口的钝边长度，单位为mm；k为焊丝直径系数，无量纲，k的取值范围为0.6～1.2；d为焊接所用的埋弧焊丝的直径，单位为mm；/>为打底焊接的平均焊接电流，单位为A，m为焊接电流系数，无量纲；
S2，无预热焊接，所述待焊接件进行定位组装后，采用埋弧焊将所述待焊接件在不预热条件下进行焊接，在打底焊接时，起始焊枪和跟随焊枪在所述待焊接件焊接坡口的两侧启动进行双面对称同时焊接。
2.根据权利要求1所述的残余应力自平衡的无预热埋弧焊接方法，其特征在于：所述步骤S1中，
所述待焊接件的焊接接头为对接接头时，所述双面对称焊接坡口的每一侧坡口均包括第一坡口和第二坡口，所述第一坡口角度α为30～50°，所述第二坡口角度β为20～45°，所述双面对称焊接坡口的钝边长度F的计算公式中，所述焊丝直径系数k的取值范围为0.8～1.2，所述焊接电流系数m的取值150。
3.根据权利要求1所述的残余应力自平衡的无预热埋弧焊接方法，其特征在于：所述步骤S1中，
所述待焊接件的焊接接头为全熔透型角接接头时，所述双面对称焊接坡口的坡口角度α为40～60°，所述双面对称焊接坡口的钝边长度F的计算公式中，焊丝直径系数k的取值范围为0.6～1.0，所述焊接电流系数m的取值200。
4.根据权利要求1所述的残余应力自平衡的无预热埋弧焊接方法，其特征在于：所述步骤S2中，在所述定位组装前，采用机械或化学清理方法清除所述待焊接件的焊接坡口及其两侧至少50mm范围内的污染物。
5.根据权利要求1所述的残余应力自平衡的无预热埋弧焊接方法，其特征在于：所述步骤S2中，在所述待焊接件定位组装时，所述待焊接件的组对间隙不超过0.5mm。
6.根据权利要求5所述的残余应力自平衡的无预热埋弧焊接方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述待焊接件的焊接接头为对接接头时，
所述对接接头定位组装后的相对错边量小于所述待焊接件的厚度的1/3，且小于5mm；
所述对接接头定位组装后，相对错边量每增加1mm，根据公式计算得到的钝边长度F相应减少1mm。
7.根据权利要求1所述的残余应力自平衡的无预热埋弧焊接方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述待焊接件的焊接接头为对接接头时，在所述打底焊接过程中，所述起始焊枪和跟随焊枪之间设置有间隔距离D，所述间隔距离D满足下式：
式中，D为起始焊枪与跟随焊枪的间隔距离，单位为mm，D≥20mm；
Pcm为待焊接件的冷裂纹敏感指数，无量纲；
t为待焊接件的厚度，单位为mm；
d为对接接头焊接所用的埋弧焊丝的直径，单位为mm；
I为打底焊接过程中起始焊枪的焊接电流。
8.根据权利要求7所述的残余应力自平衡的无预热埋弧焊接方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述待焊接件的焊接接头为对接接头时，在所述打底焊接过程中，所述起始焊枪的焊接电流I起为400～1200A，焊接电压U起为28～42V，焊接速度V起为400～1000mm/min，焊接过程全程无预热；
所述跟随焊枪的焊接电流I跟＝(1.0～1.2)I起，焊接电压U跟为30～44V，所述跟随焊枪的焊接速度与所述起始焊枪的焊接速度一致，焊接过程全程无预热。
9.根据权利要求1所述的残余应力自平衡的无预热埋弧焊接方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述待焊接件的焊接接头为全熔透型角接接头时，在所述打底焊接过程中，所述起始焊枪和跟随焊枪之间设置有间隔距离D，所述间隔距离D满足下式：
式中，D为起始焊枪与跟随焊枪的间隔距离，单位为mm，且D最小为0；
Pcm为待焊接件的冷裂纹敏感指数，无量纲；
t为待焊接件的厚度，单位为mm；
d为全熔透型角接接头焊接所用的埋弧焊丝的直径，单位为mm；
I为打底焊接过程中起始焊枪的焊接电流。
10.根据权利要求9所述的残余应力自平衡的无预热埋弧焊接方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述起始焊枪的焊接电流I起为500～1200A，焊接电压U起为28～40V，焊接速度V起为300～800mm/min，焊接过程全程无预热；
所述跟随焊枪的焊接电流I跟＝(1.0～1.2)I起，焊接电压U跟为29～42V，所述跟随焊枪的焊接速度与所述起始焊枪的焊接速度一致，焊接过程全程无预热。
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