一种厚壁直管对接焊的接头结构及焊接方法

技术领域

本发明属于直管焊接技术领域，具体涉及一种厚壁直管对接焊的接头结构及焊接方法。

背景技术

蒸汽发生器，简称蒸发器，是一种新型的热交换设备，在生活中有广泛的应用，如高温气冷堆蒸汽发生器。换热管是蒸汽发生器的重要组成部件，在换热器的运行中起到关键作用，尤其是换热管之间的对接焊连接质量，需要严格进行把控，主要体现在控制接头几何形态(错边量、内壁凸出量、外壁凹陷量以及焊管的平直度等)和焊接冶金质量(较小尺寸的焊缝及热影响区)。

现有焊接方法能够满足壁厚较薄的换热管焊接质量，但是随着高温气冷堆蒸汽发生器运行压力和温度的提升，换热管的壁厚增大，采用现有方式制造焊管已难以保证接头制造要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种厚壁直管对接焊的接头结构及焊接方法，以解决上述背景技术中提出的现有焊接方式在厚壁直管焊接过程中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种厚壁直管对接焊的焊接方法，所述方法包括相互独立的：

第一次焊接，所述第一次焊接为熔化嵌环氩弧焊；

第二次焊接。

优选的，所述第二次焊接为多道填丝焊。

优选的，所述第二次焊接为氩弧焊，并以多层熔化嵌环作为填充材料。

优选的，所述方法还包括：

对第一次焊接的焊缝进行检测，基于检测缺陷进行修复，并对第一次焊接的焊缝进行加工，以获得第二次焊接的坡口。

优选的，所述方法还包括：

对直管的端面进行加工以形成接头结构，所述第一次焊接和第二次焊接基于所述接头结构实现。

本申请还公开了一种厚壁直管对接焊的接头结构，该结构基于上述方法进行设计：所述接头结构包括分别形成于两直管轴向一端的：

第一焊接结构，具有：

第一接触部；

凸出部，形成于所述第一接触部的径向内侧，并在轴向方向上相对于所述第一接触部向外凸出；

第一坡口部，形成于所述第一接触部的径向外侧，并在轴向方向上相对于所述第一接触部向内凹陷；

以及第二焊接结构，具有在径向方向上分别和所述凸出部、第一接触部和第一坡口部位置相对应的凹陷部、第二接触部和第二坡口部；

所述接头结构还包括：

熔化嵌环；

在焊接过程中，所述凸出部和凹陷部接触，并在所述第一接触部和第二接触部之间形成有容纳所述熔化嵌环的第一填充区间。

优选的，所述凹陷部和第二坡口部在轴向方向上均相对于所述第二接触部向内凹陷，在焊接过程中，所述第一坡口部和第二坡口部之间形成有第二填充区间。

优选的，在焊接过程中，所述第一接触部和第二接触部的轴向端面分别与所述熔化嵌环轴向的两端面接触。

本申请还公开了一种厚壁直管对接焊的接头结构，该结构基于上述方法进行设计，所述接头结构包括分别形成于两直管轴向一端的第一焊接结构和第二焊接结构，所述第一焊接结构和第二焊接结构均包括第一阶梯部、第二阶梯部和第三阶梯部，所述第二阶梯部在径向方向上位于第一阶梯部和第三阶梯部之间，且第一阶梯部在轴向方向上相对于第二阶梯部向外凸出，第三阶梯部在轴向方向上相对于第二阶梯部向内凹陷；所述接头结构还包括熔化嵌环，在焊接过程中，第一焊接结构和第二焊接结构的第一阶梯部和第二阶梯部之间形成有容纳所述熔化嵌环的第一容纳区间。

本申请还公开了一种厚壁直管对接焊的接头结构，该结构基于上述方法进行设计，所述接头结构包括分别形成于两直管轴向一端的第一焊接结构和第二焊接结构，所述第一焊接结构和第二焊接结构均包括第一面部和第二面部，其中第一面部位于第二面部的径向内侧，且第一面部在轴向方向上相对于第二面部向外凸出，所述接头结构还包括熔化嵌环，在焊接过程中，第一焊接结构和第二焊接结构的第一面部之间形成有容纳所述熔化嵌环的第一容纳区间。

优选的，所述第一焊接结构的第一面部在径向内侧部分形成有向内凹陷的部分，第二焊接结构的第一面部在径向外侧部分形成有向内凹陷的部分。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本申请通过在直管轴向的端部设计相互独立第一次焊接和第二次焊接，且第一次焊接采用熔化嵌环氩弧焊，通过采用熔化嵌环作为填充材料，以保证接头的成分过渡及改善接头的力学性能匹配性，并确保内壁焊缝的成形。第二次焊接完成对坡口的填充，以保证焊接冶金质量(较小尺寸的焊缝及热影响区)和控制外壁凹陷量。

附图说明

图1为本申请方法流程图；

图2为本申请接头结构实施例一分体示意图一；

图3为本申请接头结构实施例一分体示意图二；

图4为本申请接头结构实施例一熔化嵌环结构示意图；

图5为本申请接头结构实施例一装配示意图；

图6为本申请接头结构实施例二示意图；

图7为本申请接头结构实施例三示意图；

图8为本申请接头结构实施例四示意图。

图中：

10、第一直管；20、第二直管；

100、第一焊接结构；100a、凸出部；100b、第一接触部；100c、第一坡口部；

200、第二焊接结构；200a、凹陷部；200b、第二接触部；200c、第二坡口部；

101a、第一阶梯部；101b、第二阶梯部；101c、第三阶梯部；

102a、第一面部；102b、第二面部；

300、熔化嵌环；300a、第一端面；300b、第二端面；

400、第一填充区间；401、第二填充区间。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图4，本申请公开了一种厚壁直管对接焊的焊接方法，该方法包括：

S100：第一次焊接，所述第一次焊接为熔化嵌环氩弧焊；

S200：第二次焊接。

具体的，在第一次焊接过程(即熔化嵌环氩弧焊)中，以熔化嵌环作为内壁面位置的填充材料，对应地，外壁面位置的填充材料基于第二次焊接工艺进行确定(如后续的焊丝或熔化嵌环)，其中熔化嵌环和填充材料的结构基于焊接工艺进行确定，对应地，直管端部加工形成有和熔化嵌环和填充材料相对应的坡口结构(后续称焊接结构)，上述第二次焊接用于实现坡口的填充，以保证焊接冶金质量(即较小尺寸的焊缝和热影响区)，并对外壁的凹陷量进行控制。

在一些实施例中，第二次焊接为多道填丝焊；

在另一些实施例中，第二次焊接为氩弧焊，并以多层熔化嵌环作为填充材料。

在进行第二次焊接时，多道填丝焊或者熔环嵌环氩弧的焊接次序在焊管轴向上可以是自一侧管端向另一侧管端的顺次排布，也可以是自管端两侧向中间的依次对称排布，并可以通过焊接层数或焊接道次调节热输入的大小，在保证焊接效率的前提下，控制外壁内凹量和热影响区的尺寸，改善焊接质量。

在一些实施例中，当第二次焊接为熔化嵌环氩弧焊时，上述方法还包括：

对第一次焊接的焊缝进行检测，基于检测缺陷进行修复，并对第一次焊接的焊缝进行加工，以获得第二次焊接的坡口；

其中检测方式可以是射线检测或渗透检测，对应地，修复过程为对焊缝表面进行处理。

在方法的一些实施例中，上述第一次焊接和第二次焊接均为自动焊，且焊枪的旋转圈数大于等于1。

同时在第一次焊接时，对接焊两侧的母材可以选用同种材料或异种材料，当选用异种材料时，对应地，所选用的熔化嵌环具有非对称结构，以改善母材的熔合状态及焊缝的几何形状，优化接头的力学性能。

在一些实施例中，第一次焊接的熔化嵌环氩弧焊的焊接厚度优选在1.0～3.0mm之间。

本申请还公开了一种厚壁直管对接焊的接头结构，该接头结构基于上述的方法进行设计，即依据焊接工艺进行设计，具体的，该接头结构包括第一焊接结构100和第二焊接结构200，第一焊接结构100和第二焊接结构200分别形成于两厚壁直管轴向的一端，并在焊接过程中形成上述接头结构，并通过后续的焊接方法实现两厚壁直管连接位置的焊接作业，在后续说明中，以两厚壁直管(后续分别记为第一直管10和第二直管20)的焊接对上述接头结构和焊接方法进行说明。

接头结构实施例一：

参照图2，上述接头结构包括形成于第一直管10轴向一端的第一焊接结构100以及形成于第二直管20轴向一端的第二焊接结构200，参照图1，上述第一焊接结构100具有凸出部100a、第一接触部100b和第一坡口部100c，在一些实施例中，上述凸出部100a、第一接触部100b和第一坡口部100c均构成为环形部件，以第一接触部100b为基准，对上述凸出部100a和第一坡口部100c的轴向位置和径向位置进行说明，其中凸出部100a和第一坡口部100c分别位于径向内侧和径向外侧，即凸出部100a、第一接触部100b和第一坡口部100c在径向方向上由内向外设置，回到图1，继续对凸出部100a、第一接触部100b和第一坡口部100c的轴向位置进行说明，凸出部100a构成为相对于第一接触部100b向外(即轴向远离第一直管10的方向)延伸，并对应将凸出部100a轴向端面和第一接触部100b轴向端面之间的间距(即轴向之间的间距)定义为凸出部100a的高度，并记为第一距离(D1)，上述第一坡口部100c构成为相对于第一接触部100b向内凹陷，即第一坡口部100c构成为一环形槽体，此时上述第一焊接结构100构的截面成阶梯状；

和第一直管10的第一焊接结构100相对应，第二直管20的第二焊接机构具有凹陷部200a、第二接触部200b和第二坡口部200c，上述凹陷部200a、第二接触部200b和第二坡口部200c在径向方向上的位置分别和上述凸出部100a、第一接触部100b以及第一坡口部100c相对应，其中凹陷部200a和第二坡口部200c均构成为槽体结构，即凹陷部200a和第二坡口部200c均构成为相对于第一接触部100b在轴向方向上向内凹陷，并对应将凹陷部200a轴向端面和第二接触部200b轴向端面之间的距离(即轴向距离)定义为该凹陷部200a的高度，并记为第二距离(D2)；

参照图3,为第一直管10和第二直管20焊接作业时装配示意图，结合该图对第一焊接结构100和第二焊接结构200各组成部分之间的位置关系进行进一步说明，上述第一距离(即凸出部100a的高度)大于第二距离(即凹陷部200a的高度)，对应地，在第一直管10和第二直管20的装配时，在第一焊接结构100的第一接触部100b和第二焊接结构200的第二接触部200b之间形成有第一填充区间400，在第一坡口部100c和第二坡口部200c之间形成有第二填充区间401，并对应将第一填充区间400的轴向长度(即第一接触部100b和第二接触部200b端面之间的轴向间距)定义为第一间距(L1)，第二填充区间401的轴向长度(即第一坡口部100c和第二坡口部200c端面之间的轴向间距)定义为第二间距(L2)，上述第二间距大于第一间距，以保证直管内壁面焊接过程中焊枪和电弧的可到达性；

参照图4和5，上述接头结构还包括熔化嵌环300，该熔化嵌环300和上述第一填充区间400相适配，在第一直管10和第二直管20的焊接过程中，该熔化嵌环300装配于上述第一填充区间400内，并以该熔化嵌环300作为内壁面焊接的填充材料，以保证第一直管10和第二直管20连接位置的成分过渡并改善连接位置的力学性能，具体的，上述熔化嵌环300具有轴向的第一端面300a和第二端面300b，并对应将熔化嵌环300的第一端面300a和第二端面300b之间的轴向间距记为第三间距，在一些实施例中，在焊接装配过程中，上述熔化嵌环300的第一端面300a和第一接触部100b的端面接触，熔化嵌环300的第二端面300b和第二接触部200b的端面相接触，在第一直管10和第二直管20的焊接过程中，未熔化的嵌环居于第一直管10和第二直管20之间，一方面能够吸收热输入，改善熔池和热影响区形状和尺寸；另一方面，未熔环嵌环增大第一直管10和第二直管20初次焊接的拘束度，减弱焊接变形，保证第一直管10和第二直管20的平直度。

接头结构实施例二：

参照图6，第一焊接结构和第二焊接的构造相同，并均具有第一阶梯部101a、第二阶梯部101b和第三阶梯部101c，其中第二阶梯部101b在径向方向上位于第一阶梯部101a和第三阶梯部101c之间，且第一阶梯部101a在轴向方向上相对于第二阶梯部101b向外凸出，第三阶梯部101c在轴向方向上相对于第二阶梯部101b向内凹陷，此时第一填充区间形成于第一焊接结构和第二焊接结构的第一阶梯部101a和第二阶梯部101b之间，第二填充区间形成于第一焊接结构和第二焊接结构的第三阶梯部101c之间；

接头结构实施例三：

参照图7,第一焊接结构和第二焊接的构造相同，并均具有第一面部102a和第二面部102b，其中第一面部102a位于第二面部102b的径向内侧，且第一面部102a在轴向方向上相对于第二面部102b向外凸出，此时第一填充区间形成于第一焊接结构和第二焊接结构的第一面部102a之间，第二填充区间形成于第一焊接结构和第二焊接结构的第二面部102b之间；

接头结构实施例四：

参照图8，实施例四中的接头结构以实施例三中的接头为基础进行设计，具体的，第一焊接结构的第一面部102a在径向内侧部分形成有向内凹陷的部分，第二焊接结构的第一面部102a在径向外侧部分形成有向内凹陷的部分。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。