專利名稱：通過應變硬化的高強度鎳合金焊接的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明整體上涉及鋼結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的焊接領域。更特別地，本發(fā)明涉及使用鎳基焊 接金屬焊接鋼結(jié)構(gòu)和構(gòu)件，所述鎳基焊接金屬進行應變硬化以獲得高性能接合點。
背景技術(shù)：
為方便起見，在本說明書中使用的各種焊接術(shù)語定義在下面術(shù)語匯編中。術(shù)語匯編CRA 抗腐蝕合金。用于完成可能存在腐蝕問題的構(gòu)件而特別配制的材料?？垢g 合金可針對許多腐蝕性條件而配制。HAZ:熱影響區(qū)。熱影響區(qū)靠近焊線并受焊接熱影響的基底金屬。韌性抗破裂發(fā)生性。疲勞在周期載荷下的抗破裂性。磨蝕疲勞磨蝕包括進行小周期性相對切向運動時表面之間的接觸?？鼓ノg疲勞 性是在有缺口的金屬部件或具有孔的金屬部件中的抗破裂性。屈服強度承受載荷不變形的能力。FS:摩擦攪拌。FSW:摩擦攪拌焊接。摩擦攪拌焊接在兩個工件間形成焊接接合點的固態(tài)接合方法，其中通過在工件 之間插入工具的旋轉(zhuǎn)銷生成用于接合金屬工件的熱。FSP:摩擦攪拌處理。摩擦攪拌處理通過將銷部分插入結(jié)構(gòu)中對著表面擠壓FSW工具，從而處理和調(diào) 節(jié)結(jié)構(gòu)表面的方法。焊接接合點包括熔融或熱機械改變的金屬和在該熔融金屬附近(但不在該熔融 金屬處)的基底金屬的焊接接合點。被認為是在熔融金屬附近的基底金屬部分根據(jù)焊接領 域中已知的那些因素而改變。焊件通過焊接接合的構(gòu)件部件的組件?？珊附有院附犹囟ń饘倩蚝辖鸬目尚行?。許多因素影響可焊接性，包括化學性 質(zhì)、表面光潔度、熱處理傾向等。碳當量用于定義鋼的可焊接性并通過式CE = C+Mn/6+ (Cr+Mo+V) /5+ (Ni+Cu) /15 表示的參數(shù)，其中所有單位為重量百分比。氫破裂在焊接之后的焊接點中發(fā)生的破裂。TMAZ 熱機械影響區(qū)。熱機械影響區(qū)經(jīng)歷過溫度周期變化和塑性變形的接合點區(qū)域。TMAZ-HZ 焊件中最硬的區(qū)域。LNG:液化天然氣。在大氣壓和低溫下液化的氣體，主要是甲烷。CNG 壓縮天然氣。在高度壓縮(但非液化點)的高壓表面容器中的天然氣。
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PLNG 加壓液化天然氣。在中壓和低溫(比LNG高的溫度)下液化的氣體，主要是 甲烷。SCR 鋼懸鏈立管。懸浮在平臺的單懸鏈中并水平連接在海底上的深海鋼立管。TTR 頂部張力立管。以保持海上立管均勻壓力的張力放置的在海上石油鉆機上的立管。不脹鋼特別設計成具有低熱膨脹系數(shù)的鐵和鎳的合金兩相體(Duplex)由兩相，特別是奧氏體和鐵素體組成的鋼。開采樹(trees)用于控制來自井的油和氣的流量的閥、管道和配件的組件。BOP 噴出防護器。安裝在井頭上的用于在鉆井、完井(completion)和檢查操作期 間控制套管與鉆管或管道之間環(huán)形空間內(nèi)壓力的設備。0CTG:石油工業(yè)用管材。應用于套管、管道、平管口套襯、短接合點(pup joint)、 接合處、連接器和平管口鉆管的術(shù)語。半潛式鉆探平臺(semi-submersibles)具有浸在水中的漂浮物或浮碼頭以在運 行時得到穩(wěn)定性的移動式鉆井平臺。用于降至360米或更多的較深水域中。通過錨或動力 定位保持在適當位置。自升式鉆探平臺(Jack-up rigs)在小于100米深度的淺海中使用的具有可伸縮 腿的移動式鉆井平臺。TLP:張力腿平臺。通過許多錨定在海底的張力保持錨鏈而保持在適當位置的漂浮 海上結(jié)構(gòu)。錨鏈抑制波動作用以保持平臺靜止。DDCV 深吃水沉箱船。深吃水水面劃割滾筒式漂浮物，特別是適合于深海的井，其 具有鉆井、頂部張力立管和干式完井。柔性塔架窄的、柔性塔架和支撐常規(guī)鉆井和生產(chǎn)作業(yè)用甲板的樁基。設計成承受 顯著的側(cè)向偏轉(zhuǎn)和側(cè)向力，并且通常用在1，500-3，000英尺(450-900m)的水深范圍中。FPSO 浮式生產(chǎn)、儲存和卸料船。變換或定制的船舶形漂浮物，用于加工油和氣體 以及用于在轉(zhuǎn)船之前臨時儲油。FSO 浮式儲存和卸料船。一種通常儲油的浮動儲存裝置，通常用在不能或未有效 將管線放置在岸邊的地方。生產(chǎn)平臺將油轉(zhuǎn)移到FS0，油儲存在FSO中，直到油船抵達并連 接到FSO以將其卸下為止。錨索連接在每個結(jié)構(gòu)的角上將浮動平臺永久固定的管狀繩索。臍帶用于控制海底結(jié)構(gòu)或來自平臺或船的ROV的液壓軟管裝置，其還可包括電 纜或光纖維。易傾船用于往返于靠近海岸的設施運送乘客和補給的運輸/補給船。應變硬化延性金屬在其塑性變形時的硬度和強度增加。X65 屈服強度為65Ksi (65，OOOpsi)的線管鋼。電子束焊接(EBW)對要接合的材料施加高速電子束的焊接方法。隨著沖擊時電 子的動能轉(zhuǎn)化成熱，工件熔融，并且填充金屬(如果使用)也熔融以成為焊接點的一部分。 不施加壓力和不使用保護氣，但是通常在真空條件下進行焊接以防止電子束分散。激光束焊接(LBW)用于通過使用激光將多重金屬件接合的焊接方法。該束提供 集中的熱源，能進行窄的、深度焊接并且有高焊接速率。
長期需求(LONG-FELTNEED)大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)使用鋼(還稱為鐵(ferrous)基或鐵(iron)基)焊接金屬焊接。這 些鋼焊接點通常是鐵，其具有大約0. 1襯％碳和至多2-3襯％其它合金元素，如胞、附、01及 其組合。在這些含鐵的焊接點/焊件中形成的韌性和剩余應力是基底鋼性能、焊接金屬的 類型和與焊接方法有關的熱循環(huán)復合相互作用的結(jié)果。大多數(shù)焊接結(jié)構(gòu)的性能(例如承載 能力、疲勞、環(huán)境破裂)通過焊件的性能進行控制，其由焊接點和熱影響區(qū)(HAZ)組成。盡 管通過設計焊接金屬的化學性質(zhì)可控制焊接點的性能，但接合點性能由基底金屬/焊接金 屬化學性質(zhì)與焊接方法之間的復合相互作用確定。歷史上，大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)通過使用鐵基焊 接金屬熔融焊接而接合。使用鐵基焊接點的主要原因在于它們成本低，能夠通過形成合金 而具有與基底金屬匹配的強度，并廣泛使用在工業(yè)中。盡管通過增加的冗余可彌補在用于許多陸地型結(jié)構(gòu)應用的焊件完整性方面的不 足，但這種方法對于其中構(gòu)件重量是關鍵因素的海上結(jié)構(gòu)和深海結(jié)構(gòu)并不實際或經(jīng)濟。在 這種結(jié)構(gòu)中，必須增加焊件完整性以使它們不限制結(jié)構(gòu)的完整性。主要通過使用這些常規(guī) 鐵基焊接金屬常規(guī)弧焊或熔融焊接鋼結(jié)構(gòu)或構(gòu)件而將金屬部件接合，所述金屬部件如用于 形成油井、氣井和地熱井等管路的各類管線和管道?；『富蛉廴诤附油ǔ０ㄈ廴阡摵附?金屬以形成將兩個含鐵構(gòu)件或部件接合的接合點。這種鐵基金屬接合點通常具有可接受的性能，然而在焊件的強度、韌性和完整性 方面的改進將進一步改進焊件性能，以及相應的結(jié)構(gòu)/構(gòu)件性能。例如，在使用鐵基焊件焊 接海上管路的鋼管時，存在由于完成的管懸掛在鋪管船的船尾而導致的彎曲應力問題。另 外，常規(guī)的鐵基熔融焊接的接合點遭受其它特征，所述特征損害接合點機械完整性。這種特 征的實例是拉伸剩余應力、氫破裂、未融合缺陷和低韌性。由Inconel 625組成的鎳合金焊接點用來焊接一些高強度鋼(例如X_65鋼管)以 使焊件產(chǎn)生優(yōu)良的疲勞強度。在這些接合點中，Inconel 625合金的屈服強度(大約70Ksi) 大于待焊接的X-65鋼的屈服強度(65Ksi)，這提供了優(yōu)勝的條件。這種接合點的疲勞強度 增加的主要原因起于Inconel 625鎳合金焊接點的優(yōu)良的疲勞性能。然而，當焊接更高強 度的鋼管(例如X-80鋼-屈服強度為80Ksi (551. 6MPa))時，Inconel 625不提供優(yōu)勝的 條件。因此需要新型的焊接金屬組合物，其具有高于目前本領域中已知的焊接金屬組合物 的屈服強度以使焊件具有改進的性能。更特別地，需要更高強度的鎳合金焊接金屬組合物， 其用于接合高強度鐵基或非鐵基基材以提供優(yōu)勝的條件以及在焊件疲勞性和性能方面的 改進。發(fā)明概述廣泛地說，本發(fā)明提供由鎳基合金制成的焊接金屬的用途，其中加固來自除碳以 外的來源，從而改進焊件性能和在鋼構(gòu)件和結(jié)構(gòu)接合時的性能。更特別地，通過使用鎳基組 合物實現(xiàn)改進的焊件性能，所述組合物在焊件冷卻期間進行應變硬化以改進性能，由此發(fā) 現(xiàn)在接合高強度結(jié)構(gòu)方面的特定應用。在本發(fā)明的一種形式中，提供了一種有利的焊件，其包含兩個或更多個鐵或非 鐵構(gòu)件片段，和使相鄰的構(gòu)件片段結(jié)合在一起的熔融焊接點、摩擦攪拌焊接點、電子束焊接 點、激光束焊接點或其組合，其中焊接點包含應變硬化的鎳基合金焊接金屬組合物，該組合 物基于鎳基合金焊接金屬組合物的總重量包含大于或等于10襯％的Mo。
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在本發(fā)明的另一個形式中，提供了將兩個或更多個金屬結(jié)構(gòu)接合的有利方法，包 括提供兩個或更多個鐵或非鐵構(gòu)件片段，和將相鄰的構(gòu)件片段熔融焊接、摩擦攪拌焊接、 電子束焊接、激光束焊接或其組合焊接在一起，其中焊接點包含應變硬化的鎳基合金焊接 金屬組合物，該組合物基于應變硬化的鎳基合金焊接金屬組合物的總重量包含大于或等于 IOwt%的 Mo。在本發(fā)明的另一個形式中，提供了一種有利的方法，其用于焊接兩個或更多個鐵 或非鐵構(gòu)件以產(chǎn)生具有為預定應用而選擇的特定性能或性能組的焊接點，該方法包括獲 得鎳基焊接點的焊接性能的數(shù)據(jù)庫，所述焊接點通過在多種條件下并且從各種焊接金屬組 合物進行熔融焊接、摩擦攪拌焊接、電子束焊接、激光束焊接或其組合焊接形成；將焊接條 件和焊接金屬組合物與焊接點性能關聯(lián)；從數(shù)據(jù)庫選擇將產(chǎn)生具有最適合于預定應用的性 能或性能組的焊接點的焊接條件；使構(gòu)件在所選擇的條件下進行熔融焊接、摩擦攪拌焊接、 電子束焊接、激光束焊接或其組合焊接以形成焊接結(jié)構(gòu)，其中焊接點包含應變硬化的鎳基 合金焊接金屬組合物，該組合物基于應變硬化的鎳基合金焊接金屬組合物的總重量包含大 于或等于IOwt%的Mo。當閱讀隨后的詳細描述后，在此公開的這些及其它形式的新型應變硬化的高強度 鎳基合金焊接組合物、用這種組合物的焊接方法和這種組合物在油和氣應用中的應用將變 得明顯。附圖簡述為幫助相關領域的普通技術(shù)人員在制備和使用此處的主題，參考所附附圖，其 中

圖1描述了用于接合鋼的各種應變硬化的鎳基焊接金屬組合物的壓縮強度對應 變示例圖。發(fā)明詳述本發(fā)明涉及新型鎳基合金焊接組合物，其經(jīng)歷應變硬化用于接合更高強度的鋼 (大于SOksi (551. 6MPa)屈服強度)以達到優(yōu)越的焊件機械性能如疲勞強度或應變能力。 目前，奧氏體合金如Inconel 625用于焊接高強度鋼如X-65級線管鋼。Inconel 625焊接 點的強度為大約70Ksi(482.6MPa)，其勝任X-65鋼(65Ksi (448. 2MPa)屈服強度)的所需。 Inconel 625 包含 22wt% Cr、9wt% Mo、3wt% Nb、5wt% Fe、0. 6wt% Al+Ti 和其余為 Ni。大 于80Ksi(551.6MPa)屈服強度鋼的過匹配焊接點需要鎳合金焊接金屬組合物的屈服強度 為大約90Ksi(620.5MPa)或更高，這需要新型焊接金屬組合物來實現(xiàn)過匹配條件。在單相 鎳合金中達到所需的強度是有利的，其中唯一的加固源經(jīng)由固體溶液。為了將應變硬化法 用在在此公開的鎳基合金焊接組合物上，通過控制與通過沉淀硬化相反的加工硬化率獲得 更高的強度。盡管焊件性能會受焊接方法的影響，但已發(fā)現(xiàn)如果焊接金屬具有基本上不同于待 焊接的基礎鋼構(gòu)件的組成和性能，則可實現(xiàn)可比的或更好的效果。特別地，焊接金屬的熱膨 脹系數(shù)和控制相變溫度(在一些體系中)的能力能夠更好地控制焊接金屬性能。另外，焊 接金屬的晶體結(jié)構(gòu)(例如立方體相對于六邊形)及其對機械流動的影響可對焊件性能具有 顯著影響。已發(fā)現(xiàn)應變硬化的鎳基合金金屬組合物可設計成在接合鐵和非鐵基金屬構(gòu)件時 實現(xiàn)用于增加的焊件完整性的特定性能。
于2007年9月19日提交的美國專利申請No. 11/901，488公開用于油、氣和/或 石化應用的金屬結(jié)構(gòu)和形成這種結(jié)構(gòu)的方法，其用非鐵焊接金屬組合物或高合金焊接金屬 組合物接合。焊接的金屬結(jié)構(gòu)包括兩個或更多個鐵或非鐵構(gòu)件片段，和使相鄰的構(gòu)件片 段接合在一起的熔融焊接點、摩擦攪拌焊接點或其組合，其中焊接點包含非鐵焊接金屬組 合物或高合金焊接金屬組合物，所述組合物基本不同于該兩個或更多個構(gòu)件的金屬組合 物。所形成的焊接結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的鐵基焊接組合物相比，在抗疲勞性、韌性、應變能力、強度、 抗應力腐蝕破裂性和抗氫脆性方面有所改善。在此通過參考其全部內(nèi)容將美國專利申請 No. 11/901，488 引入。本發(fā)明提供了更高強度的鎳基合金焊接點以及通過應變硬化實現(xiàn)這種焊接點的 方法。當使用鎳基合金焊接接合點時，下面的每個焊縫變得固化收縮。在其中存在來自基底 金屬的顯著限制情況下，收縮主要集中在焊縫中。焊縫的部分收縮可發(fā)生在更高溫度(大 約超過熔點的一半，用度K表示)下并且可通過回收和再結(jié)晶損耗，并因此會對焊接金屬的 機械性能產(chǎn)生很少影響。然而，將發(fā)生在較低溫度下的鎳基合金焊縫的變形調(diào)節(jié)為永久塑 性變形。鎳基焊接金屬的永久塑性變形導致焊件的應變硬化(還稱為加工硬化)以及其強 度的相應改進。因此，鎳基合金焊接金屬的強度取決于焊接合金的應變硬化能力。因此，通 過控制在此公開的鎳基合金焊接金屬組合物的加工硬化響應，可將焊接金屬中的強度水平 定制到所需性能。通過焊件的冷卻速率測定加工硬化響應。通常，對于熔融焊接、摩擦攪拌 熔接、電子束焊接、或激光束焊接，通過圍繞焊接區(qū)的環(huán)境條件決定冷卻速率。然而，本發(fā)明 還包括冷卻焊件以進一步增加和控制焊件冷卻速率的人工方法，從而進一步定制在此公開 的鎳基合金焊接金屬組合物的應變硬化響應。這種在熔融、摩擦攪拌、激光束和電子束焊接 后人工冷卻焊件的方法包括但不限于強制空氣慣例、液體冷卻(有利地為水)，其中控制冷 卻介質(zhì)(例如水、空氣或其它流體)的溫度。本發(fā)明涉及設計特定的焊接金屬化學性質(zhì)以實現(xiàn)更高的鎳合金熔融焊接點、摩擦 焊接點、激光束焊接點和/或電子束焊接點的強度。可將特定的鎳合金基焊接金屬化學引 入在現(xiàn)有的焊接操作內(nèi)并且可使用現(xiàn)有的硬件進行。已發(fā)現(xiàn)通過合金的化學性質(zhì)可控制鎳 基合金焊接點的加工硬化響應。已發(fā)現(xiàn)向鎳中添加某些合金元素如Mo和/或W提高了在 冷卻期間焊件的加工硬化速率，這提高了焊件性能。因此，具有高濃度鉬和/或鎢的鎳合金 的化學性質(zhì)提供了接合含鐵金屬的更高強度焊接。在一種形式中，在此公開的高強度鎳基合金焊接組合物包含0_40wt%，或 5-35wt %，或有利地10-30wt %，或更有利地15-25wt %的Mo。在另一個形式中，鎳基合金包 含O-IOwt %，或2-8wt %，或有利地3-6wt %的W。在一種形式中，在此公開的鎳基合金還包 含0-25wt%，或5-20wt%，或8-18wt%，或10_16wt%的用于增強耐腐蝕性的Cr。在一個有 利的形式中，在此公開的高強度鎳基合金焊接組合物包含大于或等于10襯％的臨和大于 等于2襯％的W。在另一個有利的形式中，在此公開的高強度鎳基合金焊接組合物包含Cr、 Mo和W的組合，其中Cr的范圍為5-20wt %，Mo的范圍為10-20wt %，和W的范圍為2_8wt %。 在又一個有利的形式中，鎳基合金包含Cr和Mo的組合，其中Cr的范圍為5_20襯％和臨的 范圍為10-20wt%o在此公開的用于應變硬化的高強度鎳基合金焊接組合物還可包含一種或多種其 它合金元素。根據(jù)體系可將其它合金元素添加到鎳基合金中，并且所述其它合金元素包括V、Ti、Co、Mn、Ta、Zr、Hf、鋁、錫、硅、鈮及其組合。這些合金元素的一些非限制性示例添加 范圍如下Ti，O-IOwt%的 Ta，O-IOwt%的 Zr，O-IOwt%的 Hf，O-IOwt% 的 V 和 0-2(^%的 Nb。非限制性例舉的市場上可買到的鎳基合金(當其用作接合鐵和非鐵基材的焊接 金屬時提供更高的加工硬化)包括Hastelloy B2、Hastelloy C-276及其它Hastelloy系 列合金，其包含大于或等于IOwt%的Mo和/或大于或等于2襯％的W。Hastelloy B2包 含25-3(^1%的] 0，^^%的(0和其余為·。Hastelloy C-276 包含 14. 5-16. 5wt%&Cr， 4-7wt%&C，15-17wt%&Mo，3-4. 5wt%&W，至多 2. 5wt % 的 Co 和其余為 Ni。Inconel 625 包含2Iwt %的Cr，5wt %的Fe，IOwt %的Mo，4wt %的Nb和其余為Ni。另外經(jīng)由應變硬化實 現(xiàn)高強度的鎳基合金化學性質(zhì)也可基于待接合的金屬強度而設計成滿足目標強度。因此， 當將更高強度的金屬經(jīng)由熔融焊接、摩擦攪拌焊接、電子束焊接或激光束焊接接合時，將需 要更高強度的鎳基合金焊接金屬組合物以實現(xiàn)相對于用于接合的金屬結(jié)構(gòu)過匹配的焊件 條件。對于在此公開的鎳基合金焊接組合物，大于50wt %，或大于60wt %，或大于 70wt %，或大于80wt %或大于90wt %的合金，或者大于95wt %的合金選自下列元素的一種 或多種Ni、Mo、W和Cr。另外，在此公開的這些鎳基合金焊接組合物也可以任選包含小于 50wt%，或小于40wt%，或小于30wt%，或小于20wt%，或小于IOwt %或小于5wt%的鐵。 由于冷卻期間的焊接點的塑性變形和收縮造成的應變硬化，使這些鎳基合金焊接組合物中 的強度增加。鎳基合金焊接組合物可以是市售合金(如Hastelloy B2, Hastelloy C-276 及其它Hastelloy系列合金，其具有大于或等于IOwt %的Mo和/或大于或等于2wt %的W) 或非市售鎳基合金，其包含大于或等于IOwt %的Mo和/或大于或等于2wt %的W以及任選 添加Cr及其它合金元素?；蛘?，鎳基焊接金屬組合物可以是由市售鎳基合金和非市售鎳基 合金的組合形成。圖1是各種鎳基焊接金屬組合物的焊接強度對應變的曲線圖。應變是冷卻過程中 焊接點收縮或應變硬化的量度。純鎳焊接金屬組合物與Hastelloy B2和Inconel 625 (現(xiàn) 有技術(shù))焊接金屬組合物相比，當應變硬化時產(chǎn)生相對較差的拉伸強度。特別地，純鎳焊 接金屬組合物產(chǎn)生小于400MPa的拉伸強度，而鎳基合金組合物在應變硬化時產(chǎn)生大于 SOOMPa的拉伸強度。參考圖1，還可以看出使鎳基合金焊接金屬組合物退火相對于只焊 接狀態(tài)的影響。退火的Hastelloy B2的焊接強度明顯大于退火的Inconel 625(現(xiàn)有技 術(shù))，這歸因于在Hastelloy B2組合物中存在Mo和W。換句話說，對于給定的應變，退火的 Hastelloy B2的焊接強度大于退火的Inconel 625(現(xiàn)有技術(shù))的焊接強度。另外，退火的 Hastelloy B2應力-應變曲線斜率顯著大于退火的Inconel 625 (現(xiàn)有技術(shù))的應力-應 變曲線斜率，這也可歸因于在Hastelloy B2組合物中存在Mo和W合金元素。本發(fā)明還涉及這種應變硬化的鎳基合金焊接金屬組合物用于接合鋼結(jié)構(gòu)(代替 常規(guī)使用的鋼焊接金屬和Inconel 625)以獲得高性能接合點的用途。焊接金屬在焊件性 能中具有關鍵作用。使用在此公開的高強度應變硬化的鎳基合金焊接金屬組合物代替常規(guī) 的鋼焊接金屬和Inconel 625以多種方式增加焊件的完整性。首先，在此公開的應變硬化 的高強度鎳基合金焊接金屬組合物由于其固有的微觀結(jié)構(gòu)可增加焊接點的強度和韌性。第 二，在此公開的應變硬化的高強度鎳基合金焊接金屬組合物由于其對物理性能如應變硬化
10系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、熔化潛熱、更高相變溫度和不同高溫流動應力的影響，可通過其對剩余 應力的影響增強焊件的完整性。這些性能相比于焊接的鋼構(gòu)件/結(jié)構(gòu)的差異提供了增強焊 件性能如疲勞、HAZ和焊接金屬強度和韌性的機會。在一個方面，在此公開的應變硬化的高強度鎳基合金焊接金屬組合物用于焊接鑄 鐵和碳鋼構(gòu)件。在另一方面，在此公開的應變硬化的鎳基合金焊接金屬組合物特別用于焊 接高碳鋼，尤其是CE等于或大于0. 48的那些。例舉性卻非限制性普通碳鋼和合金鋼包括 AISI 1010、1020、1040、1080、1095、A36、A516、A440、A633、A656、4063、4340 和 6150。例舉 性卻非限制性的高碳鋼包括AISI WI、SI、01、A2、D2、M1和API L80。在本發(fā)明的另一方面， 在此公開的應變硬化的高強度鎳基合金焊接金屬組合物用于焊接耐腐蝕鐵合金，包括但不 限于不銹鋼。例舉性卻非限制性的不銹鋼包括AISI 409、446、304、316L、410、440A、17-7PH 和雙相不銹鋼。在本發(fā)明的另一方面，在此公開的應變硬化的高強度鎳基合金焊接金屬組 合物用于處理/焊接非鐵合金，包括但不限于鈦合金、鈷合金、鐵鎳合金和鎳合金。在本發(fā) 明的又一方面，在此公開的應變硬化的高強度鎳基合金焊接金屬組合物用于焊接高強度鋼 襯管，如X65禾口 X80鋼管?？墒褂盟谐Ｒ?guī)熔融焊接法來焊接在此公開的應變硬化的高強度鎳基合金焊接 金屬組合物，包括但不限于SMAW(手工電弧焊(Shielded Metal Arc Welding))、SAW(埋 弧焊(Submerged Arc Welding))、GMAW(氣體保護金屬極弧焊(GasMetal SRc Welding))、 FCAW(藥芯焊絲電弧焊(Flux Cored Arc Welding))、PAW(等離子弧焊(Plasma Arc Welding))、ESW (電渣焊(Electroslag Welding) )、EGW (電氣焊(Electrogas Welding))、 RW(電阻焊(Resistance Welding))和 OFW(氧染料氣焊(Oxyfuel Gas Welding))。另夕卜， 可通過固態(tài)方法如摩擦攪拌焊接(FSW)或熔融焊接方法與固態(tài)焊接方法(FSW)的組合來焊 接應變硬化的高強度鎳基合金焊接金屬組合物。FSW的優(yōu)點主要來自下列特征(1)進行接 合所需的較低溫度并且在接合點中的較低溫度導致鄰接的基底金屬中具有更少的有害影 響(例如粗粒)；(2)由工具旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的高塑性變形程度，所述工具旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生有利于改進強 度和韌性的細晶粒大??；和(3)相比于熔融焊接，避免了焊件中的氫脆性，所述熔融焊接常 常由電弧中殘留水分分解導致氫脆性傾向。在美國專利申請No. 11/643，528中公開了 FSW 焊接在油、氣和石化應用中的用途，在此通過參考其全部內(nèi)容將其引入。通過使用在此公開的應變硬化的高強度鎳基合金焊接金屬組合物提供的有利性 能包括下列一種或多種非限制性性能增加的抗疲勞性、增加的韌性、增加的應變能力、增 加的拉伸強度、增加的抗應力腐蝕破裂性、更高的抗氫脆性和增加的相對于被焊接基材的 過匹配條件。應用在此公開的應變硬化的高強度鎳基合金焊接金屬組合物在接合高強度金屬基材 (鐵和非鐵的)中具有特定的應用，其中焊件屈服強度相對于粗粉基材的過匹配條件是有 利的。非限制性例舉的金屬基材包括高強度鋼(X-65、X_80等)、高強度鎳合金和高強度鈦合金。在此公開的應變硬化的高強度鎳基合金焊接金屬組合物可用于焊接雙相不銹鋼 (雙相s. s.或DSS)。雙相不銹鋼的強度和抗腐蝕性來源于鐵素體和奧氏體相的受控平衡。 通過受控的熱加工和/或冷加工與退火處理的組合實現(xiàn)本體雙相不銹鋼中相的所需混合物。然而，當焊接雙相不銹鋼時，鋼在單相鐵素體區(qū)域中被加熱到極高溫度并且當冷卻到室 溫時冷卻到雙相。為了在室溫下在焊件中達到所需的相平衡，必須控制焊接點的冷卻速率。 實際上，冷卻速率明顯改變，影響相平衡和因此影響所形成的焊件性能。使用在此公開的應 變硬化的高強度鎳基合金焊接金屬組合物焊接雙相不銹鋼可提供改進的接合點性能。在應 變硬化的高強度鎳基合金焊接金屬組合物的情況下，焊接點主要由單相(例如立方體的或 六邊形的)組成，并因此可使通過不合適的冷卻導致的焊接點性能降低最小化。焊接點基 本具有單相，并因此對冷卻速率相對不敏感。在此公開的應變硬化的高強度鎳基合金焊接金屬組合物可用來形成焊接點，例如 作為點焊接點和對接焊接點，以及用于修理焊接區(qū)。更特別地，在此公開的鎳基合金焊接組 合物可分別用于接合和修理/處理與油、氣和石化工業(yè)有關的鋼結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件。在此公 開的焊接組合物可用在制造設施如制造構(gòu)件的軋鋼機中，或用在裝配構(gòu)件的裝配場領域。 使用在此公開的應變硬化的高強度鎳基合金焊接金屬組合物的熔融焊接、摩擦攪拌焊接、 電子束焊接、激光束焊接及其組合還適合于形成和修理/處理油和氣勘探、生產(chǎn)與精煉應 用中的結(jié)構(gòu)。FSW對于形成這類應用中的管狀構(gòu)件的點焊接點和對接焊接點是特別有利的。在此公開的新型應變硬化的高強度鎳基合金焊接金屬組合物所適合的油和氣勘 探、生產(chǎn)、精煉工業(yè)中的例舉性但非限制性結(jié)構(gòu)包括高強度管路焊接區(qū)、SCR和TTR焊接區(qū)、 帶螺紋構(gòu)件、石油鉆井裝置焊接區(qū)(即雙節(jié)深水石油鉆柱)、液化天然氣(LNG)和加壓液化 天然氣(PLNG)或壓縮天然氣(CNG)貯存器焊接區(qū)、立管/套管接頭和井頭裝置。在油和氣上游應用中，在此公開的新型應變硬化的高強度鎳基合金焊接金屬組合 物還適合于接合和修理用于天然氣輸送和儲存型應用中的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件。特別地，在此公 開的應變硬化的鎳基合金焊接金屬可用于能夠使氣體輸送技術(shù)延伸到管路、壓縮天然氣 (CNG)、加壓液化天然氣(PLNG)、液化天然氣(LNG)及其他儲存/輸送技術(shù)。在天然氣輸送 和儲存類應用的一種形式中，在此公開的焊接組合物可用于接合/加工管路、流送管、收集 管、膨脹環(huán)及其他傳輸線。在天然氣輸送和儲存類應用的另一種形式中，在此公開的焊接組 合物可用于接合/加工由碳鋼、高強度鋼、鑄鐵、結(jié)構(gòu)鋼、或抗腐蝕合金制成的材料，所述抗 腐蝕合金包括鋼、鑄鐵、不銹鋼、雙相不銹鋼、鎳或鈷基合金、鈦基合金、其它Fe-M合金(例 如不脹鋼)，或用于接合其它異金屬(例如鋼和鎳)。在天然氣輸送和儲存類應用的又一個 形式中，在此公開的焊接組合物可用于接合/加工LNG、CNG和PLNG儲存和/或輸送結(jié)構(gòu)。 這包括模塊LNG結(jié)構(gòu)、運輸船、轉(zhuǎn)移構(gòu)件和管路，以及有關技術(shù)(例如9%鎳罐、不脹鋼罐)。在油和氣勘探和生產(chǎn)應用中，在此公開的應變硬化的高強度鎳基合金焊接金屬組 合物還可用于接合和修理各種用于油和氣井完井和生產(chǎn)中的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)包括但不限于 海上和陸上的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、油管路、儲油罐、套管/管道、完井和生產(chǎn)構(gòu)件、流送管連接的鑄造 結(jié)構(gòu)、海底構(gòu)件、井下管狀產(chǎn)品(例如0CTG)、干舷及相關結(jié)構(gòu)、臍帶、易傾船和供應船以及 火炬塔。更特別地，例舉性的海上生產(chǎn)結(jié)構(gòu)包括夾套式平臺、移動式海上鉆井裝置和相關的 生產(chǎn)構(gòu)件例如套管、錨索、立管和海底設施。移動式海上鉆井裝置包括但不限于半潛式鉆探 平臺和升降式鉆探平臺、TLP、DDCV、柔性塔架、FPS0、FS0、船舶、油船等。例舉性海底構(gòu)件包 括但不限于雙工結(jié)構(gòu)(duplex)、歧管體系、開采樹和Β0Ρ。例舉性干舷及相關結(jié)構(gòu)包括甲板 上層結(jié)構(gòu)、鉆機、住艙、直升機坪和相關結(jié)構(gòu)。應當理解FSW可用于形成包含這種結(jié)構(gòu)與構(gòu) 件的焊接點以及FSP可用于修理和處理包含這種結(jié)構(gòu)的焊接點或接合點。
在下游應用中，在此公開的應變硬化的高強度鎳基合金焊接金屬組合物適合于接 合和修理用于精煉和化工裝置中的結(jié)構(gòu)與構(gòu)件。在此公開的焊接組合物尤其是通過修理構(gòu) 件/結(jié)構(gòu)、接合異金屬、接合鋼結(jié)構(gòu)和接合難焊接的材料如鑄鐵而在精煉和化工裝置應用 中提供優(yōu)勢。這些應用包括但不限于鑄鐵、換熱器管以及低溫和高溫處理與壓力容器。例 舉性的低溫和高溫處理與壓力容器包括蒸汽裂化管、蒸汽轉(zhuǎn)化管和精煉結(jié)構(gòu)與構(gòu)件。在此公開的應變硬化的高強度鎳基合金焊接金屬組合物還在許多除油、氣和石化 工業(yè)以外的工業(yè)中得到應用。例如，運輸(包括汽車)、建筑和器械工業(yè)是其中在此公開的 應變硬化的高強度鎳基合金焊接金屬組合物也可在接合金屬結(jié)構(gòu)中具有益處的領域。在本發(fā)明的實踐中，無論是使用在此公開的新型焊接組合物進行熔融焊接、FSW、 FSP、激光束焊接或電子束焊接，在足以提供基于焊件的預定用途具有預選性能或性能組的 焊接結(jié)合點或破裂修理的條件下進行該方法。例如，如果焊件的使用需要韌性超過疲勞，則 選擇有利于使焊接點具有那些性能的條件。在一種使用在此公開的應變硬化的高強度鎳基合金焊接金屬組合物的焊接方法 形式中，獲得了各種基底金屬的焊接性能的數(shù)據(jù)庫并且其與進行焊接或修理的焊接條件相 關聯(lián)，所述焊接性能包括但不限于韌性、強度、應變或收縮、硬度、疲勞、晶粒大小等。然后當 根據(jù)預定應用選擇焊接接合點的性能或性能組時，所使用的焊接組合物和焊接或修理條件 選自產(chǎn)生所選性能的那些條件。如容易理解的，在以上實施方案描述的工件不必由相同的基底金屬形成。類似地， 焊接金屬組合物不必由與工件相同的金屬形成。由此，工件通常由含鐵材料和焊接金屬形 成，所述焊接金屬包含不同材料的在此公開的焊接組合物(在此公開的應變硬化的高強度 鎳基合金焊接金屬組合物)。然而，工件可由非鐵材料(如鎳基合金)形成并使用在此公開 的應變硬化的高強度鎳基合金焊接金屬組合物焊接。申請人:嘗試公開所公開主題的可合理預見的所有形式和應用。然而，可能仍然存 在與其等效的不可預見的、非實質(zhì)性改變。盡管本發(fā)明已經(jīng)接合其特定的、例舉性形式予以 描述，顯然在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下，根據(jù)上述描述，許多改變、改進和變化對 于本領域技術(shù)人員將是顯而易見的。因此，本發(fā)明用來涵蓋上述詳細說明的所有這種改變、 改進和變化。通過參考形式將所有的專利、測試步驟及在此引用的其他文獻(包括優(yōu)先權(quán)文 件)充分引入到以下程度這些公開內(nèi)容與本發(fā)明一致并且對于所有的權(quán)限，這種引入是 允許的。當在此列出數(shù)字下限和數(shù)字上限時，意指從任何下限到任何上限的范圍。位于在 此的詳細說明和權(quán)利要求中的所有數(shù)值還理解為可通過“大約”修飾。
1權(quán)利要求
一種焊件，其包含兩個或更多個鐵或非鐵構(gòu)件片段，和使相鄰的構(gòu)件片段結(jié)合在一起的熔融焊接點、摩擦攪拌焊接點、電子束焊接點、激光束焊接點或其組合，其中焊接點包含應變硬化的鎳基合金焊接金屬組合物，該組合物基于鎳基合金焊接金屬組合物的總重量包含大于或等于10wt％的Mo。
2.權(quán)利要求1的焊件，其中Mo大于或等于15wt%。
3.權(quán)利要求1的焊件，其還包含大于或等于3襯％的W。
4.權(quán)利要求1的焊件，其還包含大于或等于5襯％的Cr。
5.權(quán)利要求1的焊件，其還包含一種或多種選自V、Ti、C0、Mn、Ta、&、Hf、mJM、-Jjg 及其組合的合金元素。
6.權(quán)利要求1的焊件，其中鎳基合金焊接金屬組合物選自HastelloyB_2、Hastelloy C-276及其組合。
7.權(quán)利要求1的焊件，其中焊件的屈服強度大于或等于551.BMPa0
8.權(quán)利要求1的焊件，其中兩個或更多個鐵或非鐵構(gòu)件選自高強度鋼、普通碳鋼、鑄 鐵、CE等于或大于0. 48的高碳鋼、鈦合金、鎳基合金、鈷基合金、鐵鎳合金、不銹鋼和雙相不 銹鋼。
9.權(quán)利要求8的焊件，其中高強度鋼是X-65鋼或X-80鋼。
10.權(quán)利要求1的焊件，其中形成熔融焊接點的方法選自SMAW、SAW、GMAff,FCAff, PAW、 ESW、EGW、Rff 禾口 OFW0
11.權(quán)利要求1的焊件，其中摩擦攪拌焊接條件包括用于影響焊接點的摩擦攪拌焊接 工具的轉(zhuǎn)速、載荷和移動速度。
12.權(quán)利要求1的焊件，其中該焊件相對于兩個或更多個鐵或非鐵構(gòu)件顯示一種或多 種增加的抗疲勞性、增加的韌性、增加的應變能力、增加的拉伸強度、增加的抗應力腐蝕破 裂性、更高的抗氫脆性和增加的過匹配條件。
13.權(quán)利要求1的焊件，其用于石油、天燃氣和石化工業(yè)、運輸工業(yè)、器械工業(yè)和建筑工 業(yè)中的焊接結(jié)構(gòu)。
14.權(quán)利要求13的焊件，其中在石油、天燃氣和石化工業(yè)中的結(jié)構(gòu)包括高強度管路、鋼 懸鏈立管、頂部張力立管、帶螺紋的構(gòu)件、液化天然氣貯存器、加壓液化天然氣貯存器、深水 石油鉆柱、立管/套管接頭、井頭設備、流送管、收集管、傳輸管、裝運船、轉(zhuǎn)移構(gòu)件、儲罐和 膨脹環(huán)。
15.權(quán)利要求13的焊件，其中在石油、天燃氣和石化工業(yè)中的結(jié)構(gòu)用于油和氣井完井 和生產(chǎn)結(jié)構(gòu)與構(gòu)件。
16.權(quán)利要求15的焊件，其中油和氣井完井和生產(chǎn)結(jié)構(gòu)與構(gòu)件選自用于流動連接的鑄 造結(jié)構(gòu)、海底構(gòu)件、套管/管子、完井和生產(chǎn)構(gòu)件、井下管狀產(chǎn)品、石油管路、儲油箱、海上生 產(chǎn)結(jié)構(gòu)/構(gòu)件、干舷、甲板上層結(jié)構(gòu)、鉆機、住艙、直升機坪、臍帶、易傾船和供應船以及火炬士X
17.權(quán)利要求16的焊件，其中海上生產(chǎn)結(jié)構(gòu)/構(gòu)件選自夾套式平臺、移動式海上鉆井 裝置、套管、錨索、立管、海底設施、半潛式鉆探平臺、升降式鉆探平臺、TLP、DDCV、柔性塔架、 FPS0、FS0、船舶和油船。
18.權(quán)利要求16的焊件，其中海底構(gòu)件選自雙工結(jié)構(gòu)、歧管體系、采油樹和Β0Ρ。
19.權(quán)利要求13的焊件，其中該結(jié)構(gòu)用于油和氣精煉廠和化工廠的結(jié)構(gòu)與構(gòu)件，并且 其中油和氣精煉廠和化工廠結(jié)構(gòu)與構(gòu)件選自鑄鐵構(gòu)件、換熱器管以及低溫和高溫處理與壓 力容器。
20.權(quán)利要求19的焊件，其中低溫和高溫處理與壓力容器選自蒸汽裂化管和蒸汽轉(zhuǎn)化管。
21.一種接合兩個或更多個金屬結(jié)構(gòu)的方法，其包含提供兩個或更多個鐵或非鐵構(gòu)件片段，和將相鄰的構(gòu)件片段熔融焊接、摩擦攪拌焊接、電子束焊接、激光束焊接或其組合焊接在 一起，其中焊接點包含應變硬化的鎳基合金焊接金屬組合物，該組合物基于應變硬化的鎳基 合金焊接金屬組合物的總重量包含大于或等于10襯％的Mo。
22.權(quán)利要求21的方法，其中在環(huán)境條件下進行焊接點的冷卻。
23.權(quán)利要求21的方法，其中使用用于增加焊接點的冷卻速率的人工裝置進行焊接點 的冷卻。
24.權(quán)利要求21的方法，其中Mo大于或等于15wt%。
25.權(quán)利要求21的方法，其中焊接點還包含大于或等于3襯％的W。
26.權(quán)利要求21的方法，其中焊接點還包含大于或等于5襯％的Cr。
27.權(quán)利要求21的方法，其中焊接點還包含一種或多種選自V、Ti、Co、Mn、Ta、&、Hf、 鋁、錫、硅、鈮及其組合的合金元素。
28.權(quán)利要求21的方法，其中鎳基合金焊接金屬組合物選自HastelloyB_2、 Hastelloy C-276 及其組合。
29.權(quán)利要求21的方法，其中焊接點的屈服強度大于或等于551.6MPa。
30.權(quán)利要求21的方法，其中兩個或更多個鐵或非鐵構(gòu)件選自高強度鋼、普通碳鋼、鑄 鐵、CE等于或大于0. 48的高碳鋼、鈦合金、鎳基合金、鈷基合金、鐵鎳合金、不銹鋼和雙相不 銹鋼。
31.權(quán)利要求30的方法，其中高強度鋼是X-65鋼或X-80鋼。
32.權(quán)利要求21的方法，其中熔融焊接步驟選自SMAW、SAW、GMAW、FCAW、PAW、ESW、EGW、 Rff 禾口 OFW。
33.權(quán)利要求21的方法，其中摩擦攪拌焊接步驟條件包括用于影響焊接點的摩擦攪拌 焊接工具的轉(zhuǎn)速、載荷和移動速度。
34.權(quán)利要求21的方法，其中相對于兩個或更多個鐵或非鐵構(gòu)件，該焊接點顯示一種 或多種增加的抗疲勞性、增加的韌性、增加的應變能力、增加的拉伸強度、增加的抗應力腐 蝕破裂性、更高的抗氫脆性和增加的過匹配條件。
35.權(quán)利要求21的方法，其用于焊接石油、天燃氣和石化工業(yè)、運輸工業(yè)、器械工業(yè)和 建筑工業(yè)中的結(jié)構(gòu)。
36.權(quán)利要求35的方法，其中用于石油、天燃氣和石化工業(yè)的結(jié)構(gòu)包括高強度管路、鋼 懸鏈立管、頂部張力立管、帶螺紋的構(gòu)件、液化天然氣貯存器、加壓液化天然氣貯存器、深水 石油鉆柱、立管/套管接頭、井頭設備、流送管、收集管、傳輸管、裝運船、轉(zhuǎn)移構(gòu)件、儲罐和 膨脹環(huán)。
37.權(quán)利要求35的方法，其中用于石油、天燃氣和石化工業(yè)的結(jié)構(gòu)用于油和氣井完井 和生產(chǎn)結(jié)構(gòu)與構(gòu)件中。
38.權(quán)利要求37的方法，其中油和氣井完井和生產(chǎn)結(jié)構(gòu)與構(gòu)件選自用于流動連接的鑄 造結(jié)構(gòu)、海底構(gòu)件、套管/管子、完井和生產(chǎn)構(gòu)件、井下管狀產(chǎn)品、石油管路、儲油箱、海上生 產(chǎn)結(jié)構(gòu)/構(gòu)件、干舷、甲板上層結(jié)構(gòu)、鉆機、住艙、直升機坪、臍帶、易傾船和供應船以及火炬士X
39.權(quán)利要求38的方法，其中海上生產(chǎn)結(jié)構(gòu)/構(gòu)件選自夾套式平臺、移動式海上鉆井 裝置、套管、錨索、立管、海底設施、半潛式鉆探平臺、升降式鉆探平臺、TLP、DDCV、柔性塔架、 FPS0、FS0、船舶和油船。
40.權(quán)利要求38的方法，其中海底構(gòu)件選自雙工結(jié)構(gòu)、歧管體系、采油樹和Β0Ρ。
41.權(quán)利要求35的方法，其中該結(jié)構(gòu)用于油和氣精煉廠和化工廠的結(jié)構(gòu)與構(gòu)件，并且 其中油和氣精煉廠和化工廠結(jié)構(gòu)與構(gòu)件選自鑄鐵構(gòu)件、換熱器管以及低溫和高溫處理與壓 力容器。
42.權(quán)利要求41的方法，其中低溫和高溫處理與壓力容器選自蒸汽裂化管和蒸汽轉(zhuǎn)化管。
43.一種將兩個或更多個鐵或非鐵構(gòu)件焊接以產(chǎn)生具有為預定應用選擇的特定性能或 性能組的焊接點的方法，該方法包括獲得鎳基焊接點的焊接性能數(shù)據(jù)庫，所述焊接點通過在多種條件下并且從各種焊接金 屬組合物進行熔融焊接、摩擦攪拌焊接、電子束焊接、激光束焊接或其組合焊接形成； 將焊接條件和焊接金屬組合物與焊接性能關聯(lián)；從數(shù)據(jù)庫選擇將產(chǎn)生具有最適合于預定應用的性能或性能組的焊接點的焊接條件； 使構(gòu)件在所選擇的條件下進行熔融焊接、摩擦攪拌焊接、電子束焊接、激光束焊接或其 組合焊接以形成焊接結(jié)構(gòu)，其中焊接點包含應變硬化的鎳基合金焊接金屬組合物，該組合物基于應變硬化的鎳基 合金焊接金屬組合物的總重量包含大于或等于10襯％的臨。
44.權(quán)利要求43的方法，其中焊接點還包含大于或等于3wt%的W。
45.權(quán)利要求43的方法，其中鎳基合金焊接金屬組合物選自HastelloyB_2、 Hastelloy C-276 及其組合。全文摘要
本發(fā)明提供應變硬化的高強度鎳基合金焊接點，其在接合高強度金屬時產(chǎn)生改進的性質(zhì)和性能。有利的焊件包括兩個或更多個鐵或非鐵構(gòu)件片段，和使相鄰的構(gòu)件片段結(jié)合在一起的熔融焊接點、摩擦攪拌焊接點、電子束焊接點、激光束焊接點或其組合，其中該焊接點包含應變硬化的鎳基合金焊接金屬組合物，該組合物基于鎳基合金焊接金屬組合物的總重量包含大于或等于10wt％的Mo。本發(fā)明還提供了用于從鎳基合金焊接組合物形成焊接點的方法。應變硬化的高強度鎳基合金焊接點用于石油、天然氣和石化工業(yè)中，用于天然氣輸送和儲存、油和氣井完井和生產(chǎn)、以及油和氣精煉廠和化工廠。
文檔編號B23K9/022GK101945724SQ200880126881
公開日2011年1月12日 申請日期2008年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月17日
發(fā)明者D·B·利利格, D·P·費爾柴爾德, N·S·蒂魯馬萊, R·艾爾, S·J·福特, 陳炫佑 申請人:?？松梨谘芯抗こ坦?br>