一种厚壁异种钢接头坡口的设计和加工方法与流程

本发明涉及一种接头坡口的设计和加工方法，尤其是一种厚壁异种钢接头坡口的设计和加工方法。

背景技术：

锅炉和压力容器中，存在有大量的异种钢接头，特别是一些厚度大于30mm的异种钢接头，由于其两侧工件的材质相差较大，导致二者的热处理温度相差也较大，当把这种异种钢接头两侧的工件直接焊接起来后，将无法对异种钢接头进行热处理；为了解决这个问题，通常采取的方法是：先在接头两侧的坡口面上堆焊一层较厚的镍基或奥氏体不锈钢材料，然后将接头两侧的工件分别按各自的热处理温度进行热处理，最后再将带有堆焊层的坡口对接起来即可，从而解决了异种钢接头两侧的工件具有较大的热处理温度差而无法进行热处理的问题。目前，厚壁大于30mm的对接接头的坡口形式为U形坡口或双V形坡口,如图1、图2所示，其加工方法为：先在异种钢接头两侧工件的端面上堆焊一层厚度大于30mm的堆焊层，然后再将堆焊层加工成U形坡口或双V形坡口，最后再把坡口之间的对接焊缝焊接起来即可。

虽然采用上述方法可以解决异种钢无法热处理的技术问题，但是使用该方法后会产生以下问题：

堆焊材料消耗大。对于壁厚大于30mm的异种钢接头来说，要想保证坡口堆焊层的厚度能达到对接焊缝的要求，必须在两侧工件的端面上堆焊一层很厚的堆焊层（通常大于30mm），且工件的壁厚越厚，就需要堆焊越厚的堆焊层，而堆焊材料一般采用的是镍基材料或奥氏体材料，其价格昂贵，在堆焊层被加工成U形或双V形坡口的过程中，大部分的堆焊层又被加工掉了，所以浪费了大量的堆焊材料，从而使制造成本大大增加。

加工周期较长。由于堆焊层的厚度大于30mm，所以需要较长的堆焊工期。

加工难度大。由于堆焊材料为高合金材料或镍基材料，其硬度较高，且是采用先堆焊后加工坡口的方式，所以需要加工大量的堆焊层，使得加工难度大大增加。

堆焊缺陷发生几率高。由于堆焊层厚，需要堆焊的层数多，焊接量大，相应发生堆焊缺陷的几率也越高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种厚壁异种钢接头坡口的设计和加工方法，采用本方法加工而成的坡口，能大大减小其堆焊层的厚度，从而大大降低坡口的制造成本，减少加工量，缩短加工周期，同时，还能提高坡口的质量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种厚壁异种钢接头坡口的设计和加工方法，包括以下步骤：

（1）将异种钢接头两侧工件的端面加工成坡口；

（2）对至少一侧的坡口进行堆焊，形成堆焊层；

（3）对堆焊层进行机加工。

进一步地，还包括以下步骤：

（4）确定坡口的组装方式，即坡口采用不加衬垫的组装方式或采用加衬垫的组装方式，

如坡口采用不加衬垫的组装方式：即在两工件的坡口根部分别堆焊一条钝边（2），并将两条钝边的端面加工成坡口；

如坡口采用加衬垫的组装方式：即在对接焊缝底部装焊垫板。

通过采用不加衬垫或加衬垫的方式将坡口组装好，能够保证对接焊缝的焊接质量。

进一步地，所述步骤（1）中的坡口为V形坡口，且单侧坡口角度β在3-8°之间。将坡口设计为V形坡口，保证坡口能采用带极堆焊；同时，为了减少后续对接焊缝的焊接量，所以将坡口角度设计为小角度坡口。

进一步地，所述步骤（2）中，堆焊方式采用带极堆焊或丝极堆焊方式，堆焊前，将堆焊位置的坡口面调整至平焊位置或适宜的堆焊位置，方便对坡口面进行堆焊；堆焊层的厚度不低于最终堆焊层厚度并预留加工余量；由于堆焊层为多层堆焊，在堆焊层边缘的层与层搭接处会参差不齐，容易出现缺陷，需要后续将堆焊层边缘加工去除，因此，堆焊层的宽度须超出坡口面的宽度且预留一定加工余量。

进一步地，所述步骤（3）中，加工后的堆焊层表面与原坡口面相平行或基本平行；对堆焊层表面进行机加工使其平整，可以保证后续对接焊缝的质量，同时，还能减少堆焊层的加工量及保证后续组对坡口的角度；加工后的堆焊层厚度不低于最终堆焊层厚度，最终堆焊层厚度范围为6-12mm，加工后的堆焊层宽度不小于坡口面的宽度。保证堆焊层边缘与坡口边缘的母材平齐或略高于母材表面。

进一步地，所述步骤（4）中，钝边采用堆焊方式制造而成，钝边的长度L为6-12mm，钝边的坡口角度α在15-50°之间，组装坡口时，使两钝边的坡口的根部之间间隔0-4mm的距离。增加钝边的设计结构，既为后续对接焊缝的焊接提供了操作空间，又为对接焊缝实现单面焊双面成形创造了条件，同时，有利于减少对接焊缝反面的清根和打磨量。

进一步地，所述步骤（4）中，在对接焊缝的底部装焊有垫板，组装坡口时，使两工件的坡口的根部之间间隔12-24mm的距离,垫板的宽度大于坡口根部的间隔距离，垫板装点在堆焊层上，装点焊缝不得超出堆焊层。这样能够为后续的对接焊缝的焊接提供足够的操作空间并保证对接焊缝的质量，同时，还可避免装点焊缝的热处理。

本发明的有益效果是：采用本方法加工而成的坡口，其堆焊层的厚度被大大减小，从而大大降低了坡口的制造成本，大大减少了加工量，缩短了加工周期，同时，坡口的质量还能得到有效的提升。

附图说明

图1为采用现有方法加工成的U形坡口的结构示意图。

图2为采用现有方法加工成的双V形坡口的结构示意图。

图3为V形坡口的单侧坡口结构示意图。

图4、图5为坡口采用不加衬垫的组装方式的结构示意图。

图6、图7为坡口采用加衬垫的组装方式的结构示意图。

图中标记为：1-堆焊层，2-钝边，3-垫板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图3、图4、图5、图6及图7所示，本发明的一种厚壁异种钢接头坡口的设计和加工方法，包括以下步骤：

首先将异种钢接头两侧工件的端面加工成V形坡口，且单侧坡口角度β在3-8°之间；

然后对至少一侧的坡口面进行堆焊，形成堆焊层1；堆焊方式为带极堆焊或丝极堆焊方式；堆焊前，将堆焊位置的坡口面调整至平焊位置或适宜的堆焊位置；堆焊层1的厚度不低于最小堆焊层厚度，最小堆焊层厚度按下述方式确定：最小堆焊层厚度=最终堆焊层厚度+加工余量，其中，最终堆焊层厚度根据对接焊缝采用的焊接方式而确，其厚度范围为6-12mm，加工余量范围为2-4mm；堆焊层宽度不小于坡口宽度。

然后对堆焊层1进行机加工，使堆焊层面与原坡口面保持平行或基本平行，且加工后的堆焊层1厚度不低于前述的最终堆焊层厚度。

然后确定坡口的组装方式，组装方式有不加衬垫的组装方式和加衬垫的组装方式两种，

如坡口采用不加衬垫的组装方式，需要在两工件的坡口根部分别堆焊一条钝边2，然后将两条钝边2的端面加工成坡口，组装坡口时，使两条钝边2的坡口的根部之间间隔0-4mm的距离；钝边2采用丝极埋弧焊堆焊而成，且堆焊钝边使用的材料与堆焊层1的材料为同类；钝边2的长度根据对接焊缝采用的焊接方式而确，其范围为6-12mm，钝边2的坡口角度α为15-50°；钝边2加工完成后，需要对其进行100%无损探伤检测，以保证钝边2无堆焊缺陷。

如坡口采用加衬垫的组装方式，需要在对接焊缝底部装焊垫板3，组装坡口时，使两工件的坡口的根部之间间隔12-24mm的距离，垫板3的宽度大于坡口根部的间隔距离，垫板3的长度为整个坡口根部长度，垫板3装点在堆焊层上，装点焊缝不得超出堆焊层；垫板3在对接焊缝焊接完成后加工拆除，并利用与堆焊层1材料相当的材料补焊坡口根部凹坑。

实施例1

在高压加热器中，需要将高压加热器过热段的筒节与管板对接起来，但是由于筒节和管板的材质相差较大，导致二者具有较大的热处理温差，对接后无法直接进行热处理，于是可以利用本发明坡口的设计和加工方法来解决该技术问题，具体包括以下步骤：

首先将壁厚为88mm的高压加热器过热断筒节的端面和要与其对接的壁厚为88mm的管板的端面加工成坡口，由于坡口面采用带极堆焊方式，所以将坡口加工成V形坡口，同时为了减少后续对接焊缝的焊接量，对V形坡口的单侧坡口角度β加工为5°。

然后将加工好坡口的筒节和管板放置在变位机上，再将堆焊位置的坡口面调整至平焊位置，以方便对坡口面的堆焊；为了提高堆焊效率，采用带极堆焊方式分别在筒节和管板的坡口面上堆焊镍基材料，形成堆焊层1，由于该坡口在后续对接焊缝焊接时，会产生热影响区，为了避免热影响区延伸至母材，根据热影响区的宽度，确定最终堆焊层厚度为10mm，为保证机加工后的堆焊层厚度达到10mm的要求，预留2mm加工余量，所以堆焊厚度为不小于12mm。同时为了保证坡口边缘的堆焊层质量，使堆焊层1的两侧均超出坡口边缘两侧约10mm，在后续机加工时加工至与坡口边缘齐平。

然后使用机加工车床将堆焊层1加工至10mm厚，并使加工后的堆焊层面与原坡口面相平行，这样在最小机加工量的前提下保证了堆焊层1的的表面平整度，对后续对接焊缝质量的保证打下了基础。然后，将堆焊层超出坡口两侧的部分进行机加工使与两侧母材齐平，这样可确保堆焊层边缘的质量。

然后对堆焊层1进行100%无损探伤检测，以保证堆焊层1无堆焊缺陷。

然后分别对管板和筒节进行热处理。

确定坡口采用的组装方式，确定原则为：工件直径小于600mm时，坡口采用带钝边的组装方式；工件直径大于600mm时，坡口采用加衬垫的组装方式或带钝边的组装方式均可；由于本实施例的筒节和管板的直径为1700mm，所以坡口采用了加衬垫的组装方式；组装坡口时，考虑到对接焊缝需要采用手工电弧焊+埋弧焊的组合焊接方式，同时，为了保证对接焊缝的质量，所以使筒节和管板的坡口的根部之间间隔20mm的距离，然后在整条对接焊缝底部装焊垫板3，垫板3的宽度为25mm，将垫板点焊在两侧堆焊层上。

然后采用手工电弧焊+埋弧焊的组合焊接方式将对接焊缝焊接完成，焊接材料为镍基材料；对接焊缝焊接完成后，再将垫板3加工拆除，并利用镍基材料补焊坡口根部凹坑；最后再对接焊缝进行100%无损探伤检测，以保证对接焊缝的质量。

综上所述，采用上述方法加工而成的坡口，其堆焊层1的厚度被大大减小，从而使得镍基材料的消耗被大幅减少，所以坡口的制造成本被大幅降低，同时，由于坡口的堆焊层1厚度被大幅减小，相应的，其加工量也会大幅减小，加工周期也会相应的被缩短，坡口质量也能得到有效的提升。