專利名稱：利用摩擦攪拌焊的高強(qiáng)度和剛度的鋼結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及鋼化學(xué)成分和鋼結(jié)構(gòu)。具體地，本發(fā)明涉及利用摩擦攪拌焊接件的鋼化學(xué)成分和鋼結(jié)構(gòu)。更具體地，本發(fā)明涉及利用呈現(xiàn)出有利的強(qiáng)度和剛度特性的摩擦攪拌焊接件的鋼化學(xué)成分和鋼結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
主要通過(guò)熔焊來(lái)實(shí)現(xiàn)諸如成形件、鍛件、鑄件或板件之類的金屬部件的連接，以構(gòu)成用于各種工業(yè)的任意數(shù)量的結(jié)構(gòu)或元件。例如，主要通過(guò)常見(jiàn)的電弧焊或熔焊來(lái)實(shí)現(xiàn)使用管道和管材形成用于油、氣和地?zé)峋鹊墓芫€的構(gòu)造。數(shù)十年來(lái)，管道業(yè)已經(jīng)廣泛地使用了多種熔焊技術(shù)，例如用于管道構(gòu)造的有保護(hù)的金屬電弧焊(SMAW)和機(jī)械化的氣體保護(hù)金屬電弧焊(GMAW)。已經(jīng)做出了相當(dāng)大的努力來(lái)發(fā)展能提供合適的焊接件特性(例如強(qiáng)度、剛度)的焊材和焊接工藝。電弧焊或熔焊涉及被焊接的材料的熔化，以形成接縫。在這樣的過(guò)程中，管徑越大或管壁越厚，則焊接越慢，因?yàn)楸仨毴刍罅康慕饘俨⑹蛊涑练e在焊縫中。對(duì)于陸上管道，尤其是在偏遠(yuǎn)區(qū)域，由于與工人調(diào)度和通行(ROW)管線的設(shè)備相關(guān)的大的花費(fèi)，焊接盡可能地省錢是重要的。對(duì)于海上管道，由于與布管駁船相關(guān)的大的花費(fèi)，焊接盡可能地省錢是重要的。對(duì)于陸上或海上管線，在焊接和布置管線期間可能存在多方面原因?qū)е碌娘@著的應(yīng)力。例如，在布管駁船操作期間，從布管駁船懸下的完成的管線會(huì)產(chǎn)生大的彎曲應(yīng)力。 管線除了包含內(nèi)部壓力之外可能還必須支承地面運(yùn)動(dòng)。此外，傳統(tǒng)的熔焊焊縫可能會(huì)遭受與熱相關(guān)的破壞，這降低了焊縫的機(jī)械完整性。這種品質(zhì)的示例是殘余張應(yīng)力、加氫裂化、 未熔合缺陷和低剛度。根據(jù)管道厚度，利用廣泛使用的熔焊工藝的管線鋼的環(huán)形焊縫一般包括3-20條焊道。在標(biāo)準(zhǔn)的陸上管線構(gòu)造過(guò)程中，通過(guò)具有與焊道數(shù)量大約一樣多的許多焊接站來(lái)完成連接，每個(gè)站設(shè)計(jì)用于產(chǎn)生一條或兩條特定的焊道，這限制了焊接速度。因此，整個(gè)過(guò)程需要相當(dāng)多的人力和供其住宿所需的相關(guān)費(fèi)用(尤其是在偏遠(yuǎn)的地方)以及時(shí)間，這影響了管線構(gòu)造成本。在高碳鋼、例如具有在大約0. 48-1. 00范圍內(nèi)的CE的套管鋼的情況下，當(dāng)前的焊接技術(shù)要求將工件預(yù)熱到100-400°C并且利用低氫技術(shù)形成焊縫。這些程序是必要的，以便將造成裂化可能性的硬HAZ的形成和與焊縫相關(guān)的氫的吸收減到最小。由于與這樣的焊接技術(shù)相關(guān)的困難，通常使用各種連接件來(lái)機(jī)械連接高碳鋼工件。傳統(tǒng)的熔焊在焊接金屬或HAZ中均可以呈現(xiàn)出裂紋，這些裂紋是在焊接過(guò)程中或在某使用期之后形成的。焊接件的硬的低剛度區(qū)域尤其是HAZ可能容易在使用中產(chǎn)生裂紋，尤其是在將被焊接元件用在酸性場(chǎng)合或其他腐蝕性處理環(huán)境中時(shí)。在石化工業(yè)中，每年安裝數(shù)千英里的管道來(lái)輸送氣體、石油和流體，維修成本是顯著的。在這些裂紋發(fā)展到可能災(zāi)害性地傳播的臨界尺寸之前對(duì)其進(jìn)行維修是很重要的。對(duì)于焊接低熔點(diǎn)材料(例如鋁合金)，已經(jīng)認(rèn)識(shí)到并使用了摩擦攪拌焊接法(FSW)。將FSW應(yīng)用到鋼和其它高熔點(diǎn)材料的連接主要受限于缺乏能在高溫(在 1000-1400°C范圍內(nèi))下操作的合適的工具材料。因此，在連接鋼的領(lǐng)域內(nèi)當(dāng)前的FSW工作集中在工具改進(jìn)上。很少有工作關(guān)注于理解鋼中摩擦攪拌焊縫的微結(jié)構(gòu)以獲得適合于結(jié)構(gòu)應(yīng)用的機(jī)械特性。類似地，基本上沒(méi)有發(fā)現(xiàn)用來(lái)解釋基本鋼化學(xué)成分和微結(jié)構(gòu)對(duì)FSW連接特性(尤其是強(qiáng)度和剛度)的影響的工作。在油氣工業(yè)中，F(xiàn)SW的潛在的應(yīng)用包括管線、船只、壓力容器、儲(chǔ)罐和海上結(jié)構(gòu)的制造。FSW潛在地可應(yīng)用于需要大量焊接的任何應(yīng)用中，并且鼓勵(lì)使用高熱輸入焊接程序、更快焊接工藝、或減少焊道數(shù)量。但是，對(duì)于這種應(yīng)用，為了利用廣泛使用的熔焊來(lái)完成FSW， 必須克服許多挑戰(zhàn)。在確定FSW對(duì)于管線連接的技術(shù)可行性方面的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是在接縫中獲得所需的強(qiáng)度和剛度。在傳統(tǒng)的熔焊中，接縫的目標(biāo)特性是通過(guò)焊接金屬化學(xué)成分和焊接程序來(lái)獲得的，包括對(duì)于焊材如焊絲、保護(hù)氣體和/或焊劑的仔細(xì)選擇。在FSW中，基本上失去了選擇獨(dú)立的焊接金屬化學(xué)成分的自由度，這些特性必須通過(guò)對(duì)基本金屬的熱機(jī)械加工來(lái)獲得。就這點(diǎn)而言，需要形成最佳結(jié)構(gòu)鋼的方法與FSW相容。為了獲得可接受的強(qiáng)度和剛度特性，可以通過(guò)傳統(tǒng)過(guò)程將用于FSW的基本金屬熔化或?qū)ζ溥M(jìn)行二次精煉，這些傳統(tǒng)過(guò)程包括但不局限于使用電弧爐、真空爐、高爐/鼓風(fēng)爐或氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐，但是這里需要合適地選擇化學(xué)成分、處理過(guò)程和粒度。許多結(jié)構(gòu)鋼具有20-75微米的粒度。具有更大處理程度的鋼具有10-20微米范圍內(nèi)的粒度。更先進(jìn)的熱機(jī)械控制工藝(TMCP)處理能夠產(chǎn)生5-10微米粒度的基本金屬。更先進(jìn)的TMCP處理能夠形成具有1-5微米粒度的基本金屬。根據(jù)基本金屬和摩擦攪拌焊接件的最終應(yīng)用，可以選擇起始粒度并使其與合適的FSW 程序匹配以產(chǎn)生所需的特性。因此，存在對(duì)于新的有效的焊接技術(shù)的需要來(lái)制作鋼結(jié)構(gòu)。這包括使用摩擦攪拌焊制作的具有改進(jìn)的焊接件強(qiáng)度和剛度的結(jié)構(gòu)。還存在對(duì)于更快、更簡(jiǎn)單、資金耗費(fèi)更少的焊接鋼結(jié)構(gòu)(尤其是管線構(gòu)造)的方法的需要，以降低管線構(gòu)造成本。還需要使形成和生產(chǎn)基本金屬的方法與摩擦攪拌焊相容，以及根據(jù)摩擦攪拌焊接制成品的最終應(yīng)用選擇特定的基本金屬。定義為了方便起見(jiàn)，在該說(shuō)明書和權(quán)利要求中使用的各種結(jié)構(gòu)鋼和焊接術(shù)語(yǔ)定義如下?？山邮艿暮附蛹?qiáng)度始終高于基本金屬的強(qiáng)度等級(jí)的強(qiáng)度等級(jí)。可接受的焊接件剛度在低于或等于0°C下通過(guò)裂尖張開(kāi)位移(CTOD)測(cè)試測(cè)量到的高于0. 05mm的剛度。HAZ:熱影響區(qū)。熱影響區(qū)臨近焊接線并且受焊接熱影響的基本金屬。剛度抵抗斷裂的能力。疲勞強(qiáng)度在周期載荷下抵抗斷裂(裂紋萌生和傳播)的能力。屈服強(qiáng)度與載荷承載對(duì)應(yīng)而沒(méi)有永久變形的強(qiáng)度。FS:摩擦攪拌。FSW:摩擦攪拌焊。摩擦攪拌焊用于在兩工件之間形成焊縫的固態(tài)連接過(guò)程，其中，通過(guò)在工件之間插入轉(zhuǎn)動(dòng)工具并沿著接合面來(lái)回移動(dòng)所述工具來(lái)產(chǎn)生用于連接金屬工件的熱量。FSP 摩擦攪拌處理。摩擦攪拌處理通過(guò)將銷部分地插入到結(jié)構(gòu)中使得FSW工具壓向結(jié)構(gòu)表面來(lái)處理和調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)表面的方法。粒度對(duì)基本顯微結(jié)構(gòu)單元尺寸的度量，其中，每個(gè)單元與相鄰單元相比具有明顯不同的晶體取向和/或基本顯微結(jié)構(gòu)。這里使用的粒度指的是金屬的平均粒度，其可以通過(guò)對(duì)于冶金學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)公知的多種技術(shù)中的一種進(jìn)行測(cè)量。在ASTM E1382中描述了一種這樣的技術(shù)。焊縫包含有熔化金屬或在熱機(jī)械方面發(fā)生改變的金屬以及在熔化金屬附近但超出熔化金屬的基本金屬的焊縫。被認(rèn)為是在熔化金屬附近范圍內(nèi)的基本金屬部分根據(jù)對(duì)于焊接工程領(lǐng)域技術(shù)人員公知的因素而變化。焊接件通過(guò)焊接連接的元/部件的組件?？珊感院附犹囟ń饘倩蚝辖鸬目尚行?。影響可焊性的多種因素包括化學(xué)因素、表面光潔度、熱處理傾向、缺陷形成傾向等等。碳當(dāng)量用于定義鋼的可焊性的參數(shù)，由公式CE = C+Mn/6+ (Cr+Mo+V) /5+ (Ni+Cu)/15表達(dá)，其中所有單位均是重量百分比。加氫裂化在焊接之后發(fā)生在焊縫中的裂化，其是由于被吸收的氫、諸如殘余應(yīng)力之類的應(yīng)力、以及像馬氏體之類的敏感顯微結(jié)構(gòu)的存在造成的。TMAZ 熱機(jī)械影響區(qū)。熱機(jī)械影響區(qū)經(jīng)歷了溫度周期變化和塑性變形的FSW焊縫區(qū)域。TMAZ-HZ =TMAZ硬區(qū)，在FSW焊接件中最硬的區(qū)域。雙相體包含兩相(尤其是奧氏體和鐵素體)的不銹鋼。結(jié)構(gòu)鋼在使用中承受某種機(jī)械載荷的鋼。馬氏體奧氏體成分(MA):鐵素體鋼或焊縫中的顯微結(jié)構(gòu)的殘留區(qū)域，其在冷卻時(shí)轉(zhuǎn)化成馬氏體和殘留奧氏體的混合物。這些區(qū)域通常是在冷卻時(shí)最后轉(zhuǎn)化的區(qū)域。MA區(qū)域由于來(lái)自已在較高溫度下轉(zhuǎn)化的周圍區(qū)域的碳排斥而被穩(wěn)定化。由于穩(wěn)定化，奧氏體到MA 的轉(zhuǎn)化是在比周圍區(qū)域更低的溫度下發(fā)生的。MA區(qū)域一般馬氏體占優(yōu)，而僅含有小體積分?jǐn)?shù)的殘余奧氏體(少于10% )。MA通?？梢?jiàn)于經(jīng)歷雙重?zé)嵫h(huán)的焊縫或HAZ的原始奧氏體晶粒邊界上。MA還可見(jiàn)于退化上貝氏體和下貝氏體的基于板條的顯微結(jié)構(gòu)的板條邊界上。 一般在存在于結(jié)構(gòu)鋼中的任意數(shù)量的板條、晶包或晶粒邊界上觀察到MA。針狀鐵素體(AF) :AF通常是鋼焊縫中在冷卻期間從奧氏體轉(zhuǎn)化的第一分解產(chǎn)物， 盡管有時(shí)會(huì)首先形成先共析鐵素體(多角形鐵素體)。AF在小的非金屬內(nèi)含物上集結(jié)，然后通過(guò)貝氏體式轉(zhuǎn)化機(jī)理快速生長(zhǎng)。AF晶粒一般呈現(xiàn)針狀形態(tài)，并根據(jù)冷卻速率和化學(xué)成分而具有大約2 1至20 1的長(zhǎng)寬比。這種轉(zhuǎn)化涉及剪切和擴(kuò)散分量。轉(zhuǎn)化溫度控制著擴(kuò)散和剪切分量之間的相互影響，從而確定AF形態(tài)。粒狀貝氏體(GB)指的是圍繞位于中心的馬氏體-奧氏體(MA)小“島”的一簇3-5 個(gè)相對(duì)來(lái)講各方等大的貝氏體鐵素體晶粒。一般的“晶?！敝睆酱蠹s1-2 μ m。上貝氏體(UB)指的是點(diǎn)綴有諸如滲碳體之類的碳化物相的脈道或薄膜的針狀或板條貝氏體鐵素體的混合物。鋼中最常見(jiàn)的碳含量高于大約0. 15wt%。
退化上貝氏體(DUB)—種貝氏體產(chǎn)物，其中每個(gè)集群通過(guò)剪應(yīng)力成長(zhǎng)成一組 (群)平行板條。在板條生長(zhǎng)期間以及在板條生長(zhǎng)之后立即拒絕一些碳進(jìn)入條間奧氏體。 由于相對(duì)低的碳含量，內(nèi)部奧氏體的碳富集不足以觸發(fā)滲碳體板片的晶核生成。這種晶核生成確實(shí)發(fā)生在中碳含量和較高碳含量的鋼中，導(dǎo)致傳統(tǒng)的上貝氏體(UB)的形成。在DUB 中的條間奧氏體上的較少的碳含量富集導(dǎo)致馬氏體或馬氏體-奧氏體(MA)混合物的形成， 或者可以被保留為殘余奧氏體(RA)。DUB可與傳統(tǒng)的上貝氏體(UB)混淆。數(shù)十年前在中碳鋼中首先識(shí)別出的UB類型包括兩個(gè)關(guān)鍵的特征(1)成群生長(zhǎng)的平行板條組，和(2)在板條邊界上的滲碳體薄膜。UB與DUB類似，因?yàn)槎叨己谐扇旱钠叫邪鍡l；但是，關(guān)鍵的區(qū)別在于條間材料。當(dāng)碳含量是大約0.15-0. 40時(shí)，可以在板條間形成滲碳體(Fe3C)。這些“薄膜”相比于DUB中的間斷MA而言是相對(duì)連續(xù)的。對(duì)于低碳鋼，不形成條間滲碳體；而是殘余奧氏體最終形成MA、馬氏體或RA。下貝氏體(LB)類似于DUB，LB具有成群的平行板條。LB還包括小的條內(nèi)碳化物沉淀。這些板狀顆?？偸浅恋碓趩蝹€(gè)結(jié)晶態(tài)變體上，其取向成與主板條生長(zhǎng)方向(板條的長(zhǎng)尺寸)成大約55°。板條馬氏體(LM) :LM作為成群的細(xì)平行板條出現(xiàn)。板條寬度一般小于大約 0.5μπι。沒(méi)有回火的馬氏體板條集群是沒(méi)有碳化物的，而自動(dòng)回火的LM呈現(xiàn)出條內(nèi)碳化物沉淀。自動(dòng)回火的LM中的條內(nèi)碳化物形成在多于一個(gè)結(jié)晶態(tài)變體上，例如在馬氏體的 {110}面上。通常滲碳體不沿一個(gè)方向?qū)R，而是沉淀在多個(gè)面上?；鼗瘃R氏體(TM) :ΤΜ指的是鋼中經(jīng)熱處理的馬氏體形式，其中熱處理是在熔爐中或者通過(guò)區(qū)域性裝置(例如使用加熱包)執(zhí)行的。這種形式的回火是在焊接成型操作之后實(shí)施的。在能實(shí)現(xiàn)滲碳體沉淀、但對(duì)于奧氏體形成而言太低的溫度范圍內(nèi)的變化期間，當(dāng)亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)馬氏體引起滲碳體沉淀時(shí)，顯微結(jié)構(gòu)和機(jī)械特性改變。自動(dòng)回火板條馬氏體在從諸如焊接之類的操作進(jìn)行冷卻期間發(fā)生自回火的馬氏體。冷卻時(shí)就地發(fā)生滲碳體沉淀，并且不像傳統(tǒng)的回火那樣需要再加熱。珠光體一般是由鐵素體和滲碳體(Fe53C)的交替層構(gòu)成的兩相層狀混合物。在低碳結(jié)構(gòu)鋼中，珠光體通常以所謂的集群出現(xiàn)，集群的意思是具有共同層狀取向的不同珠光體區(qū)的組群。晶粒多晶物質(zhì)中的單個(gè)結(jié)晶體。晶界指的是金屬中的窄帶，其對(duì)應(yīng)于從一個(gè)晶體取向到另一個(gè)晶體取向的過(guò)渡， 從而將一個(gè)晶粒與另一個(gè)晶粒分開(kāi)。晶粒粗化溫差Α3溫度與發(fā)生快速晶粒生長(zhǎng)的溫度之間的溫度范圍。發(fā)生快速晶粒生長(zhǎng)的溫度取決于鋼的化學(xué)成分和顯微結(jié)構(gòu)以及在高溫下花費(fèi)的時(shí)間量。原始奧氏體粒度指的是鋼元件冷卻到產(chǎn)生較低溫度轉(zhuǎn)化產(chǎn)物(例如AF、GB、DUB、 LB或LM)的溫度范圍之前存在的平均奧氏體粒度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了鋼結(jié)構(gòu)，該鋼結(jié)構(gòu)包括通過(guò)摩擦攪拌焊接件連接的結(jié)構(gòu)鋼元件，該摩擦攪拌焊接件具有有利的顯微結(jié)構(gòu)，以產(chǎn)生提高的焊接件強(qiáng)度和焊接件剛度。本發(fā)明還提供了制造這種鋼結(jié)構(gòu)的方法。
在本發(fā)明的一種形式中，一種有利的鋼結(jié)構(gòu)包括通過(guò)傳統(tǒng)的熔化或二次精煉技術(shù)生產(chǎn)的兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)鋼元件，以及將這些元件的接合面連接在一起的摩擦攪拌焊接件，其中，起始結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分和粒度滿足如下的一條或多條標(biāo)準(zhǔn)a)0. 02wt%< Ti+Nb < 0. 12wt%,b)0. 7 < Ti/N < 3· 5，c)0. 5wt%< Mo+ff+Cr+Cu+Co+Ni < 1. 75wt%,d)0. 01wt%< TiN+NbC+TiO/MgO < 0. Iwt%,e)至少2微米的平均粒度，其中，摩擦攪拌焊接件具有介于5-60微米之間的原始奧氏體粒度以及小于 50vol %的馬氏體-奧氏體成分，摩擦攪拌焊接件強(qiáng)度高于起始結(jié)構(gòu)鋼，并且通過(guò)裂尖張開(kāi)位移測(cè)試在小于或等于0°C下測(cè)量到的摩擦攪拌焊接件剛度高于或等于0. 05mm，或者通過(guò)夏比(Charpy)V型缺口沖擊測(cè)試在小于或等于0°C下測(cè)量到的摩擦攪拌焊接件剛度高于 40J。在本發(fā)明的另一種形式中，一種用于焊接結(jié)構(gòu)鋼的有利的方法包括提供兩個(gè)或多個(gè)通過(guò)傳統(tǒng)的熔化或二次精煉技術(shù)生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)鋼元件，其中，起始結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分和粒度滿足如下的一條或多條標(biāo)準(zhǔn)a) 0. 02wt % < Ti+Nb < 0. 12wt%,b)0. 7 < Ti/N < 3· 5，c)0. 5wt%< Mo+ff+Cr+Cu+Co+Ni < 1. 75wt%,d)0. 01wt%< TiN+NbC+TiO/MgO < 0. Iwt%,e)至少2微米的平均粒度，在足夠形成摩擦攪拌焊接件的條件下對(duì)要被焊接的結(jié)構(gòu)鋼元件的接合面進(jìn)行摩擦攪拌焊接，其中，摩擦攪拌焊接件具有介于5-60微米之間的原始奧氏體粒度以及小于 50vol %的馬氏體-奧氏體成分，摩擦攪拌焊接件強(qiáng)度高于起始結(jié)構(gòu)鋼，并且通過(guò)裂尖張開(kāi)位移測(cè)試在小于或等于0°C下測(cè)量到的摩擦攪拌焊接件剛度高于或等于0. 05mm,或者通過(guò)夏比V型缺口沖擊測(cè)試在小于或等于0°C下測(cè)量到的摩擦攪拌焊接件剛度高于40J。本發(fā)明所披露的鋼結(jié)構(gòu)和用于焊接結(jié)構(gòu)鋼的方法的這些和其它形式及其有利的應(yīng)用和/或用途將會(huì)從如下的詳細(xì)描述中顯而易見(jiàn)，尤其是在結(jié)合附圖進(jìn)行閱讀時(shí)。


為了幫助相關(guān)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員制造和使用本文所述的主題，可參照附圖，其中圖1是通過(guò)摩擦攪拌焊連接兩個(gè)管狀結(jié)構(gòu)鋼元件的方法的示意圖。圖2示出了在通過(guò)摩擦攪拌焊連接兩個(gè)管狀結(jié)構(gòu)鋼元件時(shí)使用金屬墊片。圖3示出用于通過(guò)摩擦攪拌焊連接兩個(gè)管狀結(jié)構(gòu)鋼元件的摩擦攪拌焊工具部件 (銷和凸肩)。圖4在上部示出了當(dāng)摩擦焊工具從右向左通過(guò)結(jié)構(gòu)鋼上方時(shí)對(duì)于結(jié)構(gòu)鋼的冷卻和加熱，在下部相應(yīng)地示出了結(jié)構(gòu)鋼的溫度和塑性應(yīng)變隨時(shí)間的變化。圖5示出了通過(guò)兩個(gè)市售管線鋼板產(chǎn)生的FSW接縫中的攪拌區(qū)中的CTOD剛度的變化。圖6示出了 NbC的固溶溫度隨Nb和C含量的變化。圖7示出了 TEM顯微照片，顯示了(a)在鋼1中的細(xì)( 10nm)Nb (C, N)沉淀物和 (b)在鋼2中的較粗( 200nm)Ti (C，N)沉淀物的基本金屬顯微結(jié)構(gòu)。圖8示出了 SEM顯微照片，顯示了(a)鋼3(本發(fā)明的鋼)和(b)鋼2(作為比較的鋼)的X80鋼的基本金屬顯微結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式這里詳細(xì)描述和權(quán)利要求中的所有數(shù)值都是由“大約”或“大致”修飾的指定值， 并且考慮了本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以預(yù)期到的實(shí)驗(yàn)誤差和變化。通過(guò)引用全文結(jié)合于此的US專利公開(kāi)文獻(xiàn)No. 20070175967披露了一種焊接和修補(bǔ)金屬部件中的裂紋的方法，該方法基于焊接件的預(yù)期用途在足夠提供具有預(yù)先選定的特性或一組特性的焊縫或裂紋修補(bǔ)的條件下使要被焊接的金屬部件經(jīng)受摩擦攪拌焊和使要被修補(bǔ)的裂紋經(jīng)受摩擦攪拌處理。通過(guò)引用全文結(jié)合于此的US專利公開(kāi)文獻(xiàn)No. 20070181647披露了摩擦攪拌處理和摩擦攪拌焊接方法在天然氣輸送和存儲(chǔ)、油氣井鉆井完成和生產(chǎn)、以及油氣精煉和化工廠的應(yīng)用中用于連接和修補(bǔ)金屬結(jié)構(gòu)和元件的用途。通過(guò)引用全文結(jié)合于此的US專利公開(kāi)文獻(xiàn)No. 20080032153披露了油氣和/或石油化工應(yīng)用中的摩擦攪拌和激光沖擊處理的應(yīng)用。通過(guò)引用全文結(jié)合于此的PCT專利公開(kāi)文獻(xiàn)No. W02008/045631披露了一種鋼復(fù)合物以及由其制造雙相鋼的方法。在一種形式中，雙相鋼包括含量按重量計(jì)大約0. 05%到大約0. 12wt%的碳；含量大約0. 005wt%到大約0. 03wt%的鈮；含量大約0. 005wt%到大約0. 02wt%的鈦；含量大約0. OOlwt %到大約0. Olwt %的氮；含量大約0. Olwt %到大約 0. 5wt%的硅；含量大約0. 5wt%到大約2. 0襯％的錳；和總量少于大約0. 15wt%的鉬、鉻、 釩和銅。所述鋼具有由鐵素體構(gòu)成的第一相和包括從由碳化物、珠光體、馬氏體、下貝氏體、 粒狀貝氏體、上貝氏體和退化上貝氏體構(gòu)成的集合中選出的一種或多種成分的第二相。通過(guò)引用全文結(jié)合于此的日本專利公開(kāi)文獻(xiàn)No. JP2008-31494披露了低合金結(jié)構(gòu)鋼，其對(duì)于在高于600°C時(shí)的擴(kuò)大鐵素體區(qū)和混合雙相(鐵素體+奧氏體)區(qū)或者對(duì)于通過(guò)添加鐵素體穩(wěn)定元素而形成的平衡相圖中的減小的奧氏體相區(qū)具有設(shè)計(jì)的化學(xué)成分，所述鐵素體穩(wěn)定元素例如是Si (0. 4 4% )、Al (0. 3% 3% )、Ti (0. 3% 3% )和/或其混合物。艦這里提供了鋼結(jié)構(gòu)以及制造這種鋼結(jié)構(gòu)的方法，該鋼結(jié)構(gòu)包括通過(guò)傳統(tǒng)的熔化或二次精煉技術(shù)生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)鋼元件，這些結(jié)構(gòu)鋼元件通過(guò)具有有利的顯微結(jié)構(gòu)的摩擦攪拌焊接件連接，以產(chǎn)生提高的焊接件強(qiáng)度和焊接件剛度。這里所披露的鋼結(jié)構(gòu)以及制造這種鋼結(jié)構(gòu)的方法在摩擦攪拌焊接件中提供了 “可接受的”強(qiáng)度和剛度。所述鋼結(jié)構(gòu)和制造這種鋼結(jié)構(gòu)的方法教導(dǎo)了結(jié)構(gòu)鋼化學(xué)成分的范圍、包括粒度在內(nèi)的原始結(jié)構(gòu)鋼顯微結(jié)構(gòu)、以及獲得這種可接受的焊接件強(qiáng)度和焊接件剛度的結(jié)合所需的摩擦攪拌處理參數(shù)。這里所披露的鋼結(jié)構(gòu)以及制造這種鋼結(jié)構(gòu)的方法在廣泛的碳和合金鋼應(yīng)用中具有實(shí)用性，尤其是用于油氣工業(yè)中的管線。其他應(yīng)用包括管線、船只、壓力容器、儲(chǔ)罐和海上結(jié)構(gòu)的制造。這里所披露的鋼結(jié)構(gòu)以及制造這種鋼結(jié)構(gòu)的方法在需要大量焊接的應(yīng)用中也是有用的，并且其對(duì)于使用高熱輸入焊接工藝、更快焊接過(guò)程或者對(duì)于焊道數(shù)量的減少具有誘惑力。這里所披露的利用摩擦攪拌焊接的鋼結(jié)構(gòu)以及制造這種鋼結(jié)構(gòu)的方法的非限制性的示例性優(yōu)點(diǎn)包括相比于熔焊降低了制造成本、相比于熔焊減少了焊接件缺陷、降低了 NDE需求、降低了維修成本、以及減少了對(duì)熟練工人的需求。摩擦攪拌焊工藝摩擦攪拌焊(FSW)是固態(tài)連接技術(shù)，其不像熔焊那樣涉及熔化和凝固。在摩擦攪拌焊期間，使用轉(zhuǎn)動(dòng)工具由通過(guò)摩擦和塑煉產(chǎn)生的熱量來(lái)將兩個(gè)不同的工件焊接在一起。 將非消耗的轉(zhuǎn)動(dòng)工具推入要被焊接的材料中，然后使后面帶有凸肩的中心銷或探頭與要被連接的兩個(gè)部件接觸。工具的轉(zhuǎn)動(dòng)將工件的材料加熱并使其軟化到塑性狀態(tài)、但不達(dá)到工件材料的熔點(diǎn)。當(dāng)工具沿著接合線運(yùn)動(dòng)時(shí)，工具前面的材料掠過(guò)被塑煉的環(huán)形物到達(dá)后部， 從而消除接口。一些進(jìn)入塑煉區(qū)的材料在從焊縫后部附近出來(lái)之前可以圍繞轉(zhuǎn)動(dòng)工具行進(jìn)多于一轉(zhuǎn)，然后冷卻到室溫。參見(jiàn)圖1，示出了兩個(gè)管狀工件1和2，它們定位成使得它們的接合面3和4彼此接觸。要將工件1和2沿著它們的接合面3和4彼此焊接。如圖1中所示，摩擦攪拌焊(FSW) 工具包括具有肩部5和摩擦銷6的焊接頭。肩部和銷的相對(duì)尺寸或形狀可以改變以適合特殊的焊接需要，并且對(duì)于本發(fā)明多種幾何形狀都是合適的。工件1和2通過(guò)諸如夾鉗之類的機(jī)械裝置保持在一起，以便在開(kāi)始焊接之前和焊接期間所述接合面3和4實(shí)體上彼此接觸。使摩擦攪拌焊接頭5如由箭頭7所示那樣轉(zhuǎn)動(dòng)，向下插入到工件1和3中，正如由箭頭 8所示，并且沿周向推進(jìn)，正如由箭頭9所標(biāo)示出的。對(duì)于單側(cè)焊縫，工具插入的深度基本是被焊接的工件或元件的厚度。對(duì)于雙側(cè)焊縫，該深度可以大致是被焊接的工件的厚度的一半。因此，產(chǎn)生了環(huán)形焊縫。FSW工具可以由能夠高溫接合的任何工具材料構(gòu)成，包括陶瓷、金屬、復(fù)合材料以及它們的其他衍生材料。在修補(bǔ)例如管狀工件中的表面開(kāi)口裂紋的情況下，使用與結(jié)合圖1描述的程序類似的程序，除了所述銷6不是一直地而是在表面上插入到工件中、并且推進(jìn)工具的方向是沿著裂紋的輪廓之外。這被稱作是不同于摩擦攪拌焊的摩擦攪拌修補(bǔ)或摩擦攪拌處理。修補(bǔ)和/或加工也稱做處理。在圖2中示出的示例性實(shí)施方式中，工件1和2具有插置于接合面3和4之間的金屬墊片11。這些工件布置成使得接合面與墊片11接觸。FSW工具被推進(jìn)以便于形成焊縫，該焊縫結(jié)合有工件1和2以及金屬墊片11的基本金屬。這被稱作是不同于摩擦攪拌修補(bǔ)或摩擦攪拌處理的摩擦攪拌焊。容易意識(shí)到的，在上面實(shí)施方式中描述的工件(也稱做結(jié)構(gòu)鋼元件)可以由相同的基本金屬(結(jié)構(gòu)鋼類型)構(gòu)成，或者它們可以具有不同的鋼類型。類似地，所述金屬墊片可以由與用于連接的工件相同的金屬構(gòu)成，或者其可以具有特種合金來(lái)增強(qiáng)焊縫性能。因此，根據(jù)應(yīng)用，用于摩擦攪拌焊的結(jié)構(gòu)鋼元件和金屬墊片可以由相同的鋼類型或由不同的材料構(gòu)成。可以通過(guò)傳統(tǒng)的熔化或二次精煉技術(shù)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)鋼，包括但不局限于在真空爐、電弧爐、高爐/鼓風(fēng)爐或氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐中的熔化，并且一般具有2微米至100微米的平均基本金屬粒度。非限制性的示例性結(jié)構(gòu)鋼包括從)(50、)(52、)(60、)(65、X70、X80、X90、X100和X120中選出的API (美國(guó)石油學(xué)會(huì))5L管規(guī)范的管等級(jí)或者更高強(qiáng)度的鋼。在另一個(gè)方面中，結(jié)構(gòu)鋼可以包括普通碳鋼和合金鋼，包括但不局限于AISI 1010、1020、1040、1080、1095、A36、 A516、A440、A633、A656、4063、4;340、6150以及其他AISI等級(jí)(包括高強(qiáng)度等級(jí))。在又一個(gè)實(shí)施方式中，結(jié)構(gòu)鋼可以包括ASTM等級(jí)A^5、A387、A515、A516、A517以及其他ASTM等級(jí)的低碳合金鋼。正如在圖3中更詳細(xì)示出的，F(xiàn)SW工具100包括兩部分，摩擦銷110和工具肩部 120。所述肩部120是在FSW期間產(chǎn)生熱量的主要裝置，并且其阻止材料排出并且有助于工具周圍的材料運(yùn)動(dòng)。摩擦銷110的功能是主要使工具周圍的材料變形，而其次要功能是產(chǎn)生熱量。用在鋁的FSW中的FSW工具一般具有圓柱形銷，其具有多個(gè)小的特征，例如大的插入壓力，限制了工具材料的選擇和工具設(shè)計(jì)。對(duì)于鋼的焊接，由W-Re或PCBN制成的可變銷直徑工具是有利的。多種FSW工具幾何形狀是與本發(fā)明相容的。本發(fā)明關(guān)注用于提高摩擦攪拌焊特性的基本金屬冶金學(xué)結(jié)構(gòu)/性質(zhì)的選擇。這里所描述的工具形成了必要的熱機(jī)械循環(huán)，本發(fā)明的基本金屬將很好地響應(yīng)于所述熱機(jī)械循環(huán)。通過(guò)使用正確的工具設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)可以形成無(wú)缺陷FSW。這些工藝參數(shù)包括但不局限于如下的一個(gè)或多個(gè)摩擦攪拌焊工具的焊接運(yùn)行速度、摩擦攪拌焊工具的轉(zhuǎn)速、施加到摩擦攪拌焊工具的扭轉(zhuǎn)載荷、摩擦攪拌焊工具上的向下力載荷或平移載荷、以及焊接件的冷卻速率。工具設(shè)計(jì)和前面提到的工藝參數(shù)影響材料流動(dòng)，其可以被控制以在處理期間補(bǔ)償高應(yīng)變率和溫度。FSW的好處主要來(lái)源于如下的特征(1)相比于熔焊，實(shí)施連接需要較低的溫度， 接縫中較低的溫度在接縫和被連接的基本金屬(例如粗晶粒)中均造成了更少的不利影響；( 由工具的轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致的高度塑性變形，這形成了有助于提高強(qiáng)度和剛度的細(xì)粒度； (3)相比于熔焊，避免了焊接件中的氫脆化，熔焊通常容易由于電弧中的殘余水分的分解而形成氫脆化。當(dāng)連接結(jié)構(gòu)鋼時(shí)在FSW接縫中同時(shí)獲得強(qiáng)度和剛度的困難通過(guò)圖4中的示意圖可以圖示出來(lái)。圖4示出了當(dāng)FSW工具在FSW過(guò)程中通過(guò)接縫中的任意點(diǎn)時(shí)的溫度和應(yīng)變變化。圖表中的實(shí)線表示溫度變化，而圖表中的虛線表示塑性應(yīng)變的變化。水平虛線表示鐵素體與奧氏體之間的轉(zhuǎn)化。當(dāng)工具通過(guò)時(shí)，接縫中的每個(gè)點(diǎn)會(huì)經(jīng)歷三個(gè)熱機(jī)械階段加熱、加熱+變形和最終冷卻。在該說(shuō)明中，冶金學(xué)結(jié)構(gòu)的變化是針對(duì)假設(shè)固定點(diǎn)進(jìn)行描述的，該假設(shè)固定點(diǎn)在溫度和應(yīng)變的改變方面被監(jiān)控。在加熱階段，所述點(diǎn)的溫度在工具到達(dá)之前由于熱傳導(dǎo)而升高，該熱傳導(dǎo)來(lái)自由前面區(qū)域中的變形產(chǎn)生的熱量。溫度的升高導(dǎo)致從鐵素體到奧氏體的相變以及奧氏體晶粒的生長(zhǎng)。在第二階段，當(dāng)工具到達(dá)該點(diǎn)時(shí)，晶粒經(jīng)歷塑性變形，由于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶導(dǎo)致晶粒細(xì)化。在第三階段，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的晶粒經(jīng)歷靜態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶以及隨后的晶粒生長(zhǎng)。根據(jù)鋼鐵化學(xué)成分、處理?xiàng)l件、包括粒度在內(nèi)的初始顯微結(jié)構(gòu)、以及焊縫冷卻速率，再結(jié)晶晶粒最后在冷卻期間轉(zhuǎn)變成一種可能的顯微結(jié)構(gòu)或可能的顯微結(jié)構(gòu)的混合物，這些可能的顯微結(jié)構(gòu)包括板條馬氏體、自動(dòng)回火板條馬氏體、諸如粒狀貝氏體或退化上貝氏體或下貝氏體之類的各種貝氏體中的任何一種、和/或馬氏體奧氏體組分、 或殘留奧氏體。因?yàn)槟Σ翑嚢韬附蛹蚪涌p的強(qiáng)度和剛度隨著接縫顯微結(jié)構(gòu)而變化，所以FSW工藝參數(shù)可以用于提供目標(biāo)顯微結(jié)構(gòu)。因?yàn)樽罱K的顯微結(jié)構(gòu)是最終冷卻之前的所有熱機(jī)械處
12理的產(chǎn)物，所以控制FSW方法的工藝參數(shù)是必要的，以確保接縫中目標(biāo)特性的獲得。這里所披露的摩擦攪拌焊接縫的顯微結(jié)構(gòu)和機(jī)械特性取決于基本材料(結(jié)構(gòu)鋼)的化學(xué)成分、處理歷史、顯微結(jié)構(gòu)和粒度以及FSW處理參數(shù)(摩擦攪拌焊工具的焊接運(yùn)行速度、摩擦攪拌焊工具的轉(zhuǎn)速、施加到摩擦攪拌焊工具的扭轉(zhuǎn)載荷、摩擦攪拌焊工具上的向下力載荷或平移載荷、以及焊接件的冷卻速率)。因此，結(jié)構(gòu)鋼的FSW接縫可以具有可變的剛度，根據(jù)基本金屬的化學(xué)成分和顯微結(jié)構(gòu)以及FSW處理參數(shù)，一些滿足規(guī)定的可接受性CTOD或夏比V型缺口目標(biāo)，一些不滿足。 圖5描繪了在兩個(gè)市售管線鋼中產(chǎn)生的FSW接縫的攪拌區(qū)中的CTOD剛度的變化。低焊縫剛度的主要來(lái)源產(chǎn)生于具有高碳馬氏體-奧氏體(MA)組分的大粒度和粗粒貝氏體的不理想顯微結(jié)構(gòu)。因此，存在控制摩擦攪拌焊的處理參數(shù)和基本鋼(鋼化學(xué)成分、包括粒度在內(nèi)的原始顯微結(jié)構(gòu))的需要，以便于所得的接縫具有總是滿足所規(guī)定的可接受值的強(qiáng)度和剛度值。這里所披露的鋼結(jié)構(gòu)以及制造這種鋼結(jié)構(gòu)的方法規(guī)定了這些參數(shù)的范圍，以生產(chǎn)具有總是滿足或超出焊接件強(qiáng)度和剛度的可接受性指導(dǎo)準(zhǔn)則的摩擦攪拌焊縫的鋼結(jié)構(gòu)。示例件鋼結(jié)構(gòu)這里所披露的鋼結(jié)構(gòu)的一種形式包括通過(guò)傳統(tǒng)熔化技術(shù)生產(chǎn)的兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)鋼元件以及將這些元件的接合面連接在一起的摩擦攪拌焊接件，其中起始結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分和粒度滿足如下的一條或多條標(biāo)準(zhǔn)a. 0. 02wt % < Ti+Nb < 0. 12wt%,b. 0. 7 < Ti/N < 3. 5，c. 0. 5wt%< Mo+ff+Cr+Cu+Co+Ni < 1. 75wt%,d. 0. 01wt%< TiN+NbC+TiO/MgO < 0. Iwt%,e.至少2微米的平均粒度，其中，摩擦攪拌焊接件具有5至60微米的原始奧氏體粒度以及小于50vOl%的馬氏體-奧氏體成分，摩擦攪拌焊接件強(qiáng)度高于起始結(jié)構(gòu)鋼，并且通過(guò)裂尖張開(kāi)位移測(cè)試在小于或等于0°c下測(cè)量到的摩擦攪拌焊接件剛度高于0. 05mm，或者通過(guò)夏比V型缺口沖擊測(cè)試在小于或等于0°C下測(cè)量到的摩擦攪拌焊接件剛度高于40J。在一種形式中，摩擦攪拌焊接件可以具有小于或等于60、50或40、或30、或20、或 10、或5微米的原始奧氏體粒度。在另一種形式中，摩擦攪拌焊接件可以具有高于或等于2、 或5、或7、或10、或15、或20微米的原始奧氏體粒度。在FSW期間原始奧氏體粒度可以通過(guò)像鋼化學(xué)成分、包括粒度在內(nèi)的初始基本金屬顯微結(jié)構(gòu)、FSW參數(shù)、剛好在FSW攪拌作用之前的加熱速率、以及FSW攪拌作用之后的冷卻速率這樣的因素來(lái)控制。在確定原始奧氏體粒度時(shí)多個(gè)因素是有影響的，這控制FSW接縫中的最終室溫粒度。動(dòng)態(tài)和靜態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象是特別有影響力的因素。在焊接期間在攪拌區(qū)內(nèi)達(dá)到的最高溫度的量級(jí)以及在這些溫度下的時(shí)長(zhǎng)也是特別有影響力的因素。FSW熱機(jī)械循環(huán)的最高溫度部分之前和之后的晶粒生長(zhǎng)程度也是一個(gè)因素，在該期間的晶粒生長(zhǎng)由溫度、在該溫度下的時(shí)間、以及對(duì)晶粒生長(zhǎng)的顯微結(jié)構(gòu)的阻力控制。關(guān)于通過(guò)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的晶粒細(xì)化，多個(gè)因素控制粒度，包括但不局限于變形溫度、 塑性應(yīng)變以及應(yīng)變率。就重要性而言，溫度對(duì)粒度可以具有顯著的影響，接著是應(yīng)變率，然后是應(yīng)變。在該排列中，假設(shè)塑性應(yīng)變超過(guò)了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界應(yīng)變。當(dāng)塑性應(yīng)變超過(guò)所述臨界應(yīng)變時(shí)，其對(duì)粒度沒(méi)有額外的影響，而如果塑性應(yīng)變小于所述臨界應(yīng)變，則其具有顯著的影響。基于先前的研究，F(xiàn)SW期間的塑性應(yīng)變超過(guò)了臨界應(yīng)變，因此，當(dāng)顯微結(jié)構(gòu)在最高溫度附近并且引起顯著的由FSW施加的應(yīng)變時(shí)，該應(yīng)變不被當(dāng)作一個(gè)主要因素。應(yīng)變率對(duì)粒度有影響，應(yīng)變率越高，粒度越細(xì)。但是，應(yīng)變率的影響相比于溫度是不太顯著的?？梢圆捎脩?yīng)變率的多個(gè)級(jí)別的幅度改變以產(chǎn)生可與10-20%的溫度改變相當(dāng)?shù)挠绊?。溫度和?yīng)變率具有相反的效果；因此，溫度降低以及較高的應(yīng)變率造成更細(xì)的(動(dòng)態(tài))再結(jié)晶粒度， 反之亦然。當(dāng)在FSW期間材料經(jīng)受高溫時(shí)，所達(dá)到的溫度以及在高溫下花費(fèi)的時(shí)間量是影響粒度的重要因素。在其他研究者的過(guò)去的工作中，在鋼的FSW期間發(fā)生的溫度估計(jì)大約 1000°C。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，根據(jù)例如焊接區(qū)內(nèi)的位置的變化，在鋼的摩擦攪拌焊期間的實(shí)際溫度可以高達(dá)1100°C，或者1200°C，或者甚至是1300°C。這些高溫使新方法成為必要，以控制并優(yōu)化攪拌區(qū)顯微結(jié)構(gòu)。較高的溫度以及在較高溫度下較長(zhǎng)的時(shí)間增大了粒度。根據(jù)圖4，影響晶粒生長(zhǎng)的溫度是那些等于或高于鐵素體-奧氏體臨界溫度的溫度，正如由水平虛線示意性表示的。該圖實(shí)際上是示意性的，對(duì)于晶粒生長(zhǎng)重要的溫度或溫度范圍不可能僅由單個(gè)溫度值表示。對(duì)于鐵素體鋼，正如對(duì)于冶鋼領(lǐng)域的工程技術(shù)人員公知的，當(dāng)溫度分別在所謂的下和上臨界溫度Al和A3附近時(shí)發(fā)生像鐵素體、貝氏體和馬氏體這樣的室溫顯微結(jié)構(gòu)與較高溫度的奧氏體結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)化。當(dāng)被焊接的材料的溫度明顯高于A3溫度(這里也稱做晶粒粗化溫差)并且在該溫度下花費(fèi)的時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，在FSW期間發(fā)生晶粒生長(zhǎng)。根據(jù)鋼顯微結(jié)構(gòu)以及化學(xué)成分，晶粒粗化溫差可以改變。確定晶粒粗化溫度是有利的，以更好地理解如何選擇FSW參數(shù)和條件以最終控制顯微結(jié)構(gòu)粗度。正如對(duì)于冶鋼領(lǐng)域的技術(shù)人員、尤其是對(duì)于高溫鋼處理領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的，可以實(shí)施使用Gleeble或其他熱循環(huán)模擬器的一系列實(shí)驗(yàn)來(lái)確定特定鋼的晶粒粗化溫度?？梢詫?shí)施熱扭轉(zhuǎn)或熱壓縮實(shí)驗(yàn)，籍此對(duì)一系列樣本施加從900°C到1300°C、或者甚至高達(dá)1400°C的不同峰值溫度?？梢赃x擇應(yīng)變循環(huán)以模擬被研究的工藝，例如FSW。在達(dá)到預(yù)先規(guī)定的峰值溫度并且將樣本保持在該溫度特定的時(shí)長(zhǎng)之后，然后對(duì)樣本進(jìn)行淬火。淬火之后，可以使用標(biāo)準(zhǔn)金相技術(shù)測(cè)量原始奧氏體粒度?？梢允褂靡幌盗袑?shí)驗(yàn)來(lái)確定任何特定鋼的晶粒粗化溫度和溫差，在實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)地改變峰值溫度以及在該峰值溫度下的時(shí)間。 作為對(duì)實(shí)驗(yàn)性方法的替換，可以使用許多模型化方法中的其中一種來(lái)預(yù)測(cè)鋼的晶粒粗化行為。雖然不像前面提到的對(duì)于特定鋼的實(shí)驗(yàn)技術(shù)那樣精確，但是晶粒粗化行為的模型化預(yù)測(cè)可以足夠精確地提供必要的信息以選擇最佳的焊接條件來(lái)控制顯微結(jié)構(gòu)粗度。FSW期間的晶粒生長(zhǎng)可以剛好發(fā)生在熱機(jī)械循環(huán)的高應(yīng)變部分之前、剛好發(fā)生在該循環(huán)(如圖4中所標(biāo)示出的)之后，或者取決于FSW參數(shù)和運(yùn)行速度，對(duì)于某種晶粒生長(zhǎng)現(xiàn)象還可以發(fā)生在熱循環(huán)的最高溫度部分期間。不管其何時(shí)發(fā)生，是焊接熱循環(huán)早期、中期或晚期，焊縫材料(攪拌區(qū))達(dá)到的溫度以及在這些溫度上花費(fèi)的時(shí)間量是控制粒度的主要因素?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)FSW焊接參數(shù)的選擇以及對(duì)FSW周圍環(huán)境的溫度控制來(lái)控制這些溫度以及在高于A3溫度的溫度下花費(fèi)的時(shí)間。FSW焊接參數(shù)可以包括例如焊接運(yùn)行速度、工具轉(zhuǎn)速和FSW工具上施加的力等項(xiàng)目?？刂浦車h(huán)境的溫度可以包括基本材料的局部加熱或冷卻。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果FSW期間攪拌區(qū)溫度在A3溫度之上大于或等于100°C、或200°C、或300°C、或400°C并且在這些溫度下保持長(zhǎng)于數(shù)秒，則晶粒生長(zhǎng)可以發(fā)生，導(dǎo)致粗粒度、大量MA和其他不理想的顯微結(jié)構(gòu)特征，并最終使性能退化。晶粒粗化溫差在這里定義為FSW 期間攪拌區(qū)的溫度與被焊接的鋼的A3溫度之間的溫度差。根據(jù)摩擦攪拌焊縫的用途限制晶粒粗化溫差是所希望的。根據(jù)通過(guò)FSW生產(chǎn)的鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用以及被焊接的鋼類型，晶粒粗化溫差可以控制到小于或等于100°C、或200°C、或300°C、或400°C的量級(jí)。對(duì)于一些對(duì)強(qiáng)度和剛度僅有不過(guò)分的要求的一般應(yīng)用，晶粒粗化溫差可以控制到小于或等于400°C的量級(jí)。對(duì)于對(duì)機(jī)械特性有更高要求的其他應(yīng)用，晶粒粗化溫差可以控制到小于或等于300°C、 或200°C、或100°C的量級(jí)。因此，根據(jù)應(yīng)用，晶粒粗化溫差的范圍可以從0至400°C、或0至 300°C、或 0 至 200°C、或 0 至 100°C。關(guān)于在高于A3溫度下花費(fèi)的時(shí)間，根據(jù)由FSW生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)的應(yīng)用以及被焊接的鋼，將該時(shí)間控制到10秒或更少可能便足夠了。在更高要求的結(jié)構(gòu)應(yīng)用中，可能有必要將在高于A3溫度下花費(fèi)的時(shí)間限制到8秒或更少。對(duì)于更高剛度的應(yīng)用，可能需要將在高于晶粒粗化溫度下花費(fèi)的時(shí)間控制到6秒或更少，或者可選擇地控制到4秒或更少。對(duì)于具有特別嚴(yán)格的剛度要求的結(jié)構(gòu)應(yīng)用，可以將在晶粒粗化溫度之上花費(fèi)的時(shí)間限制到2秒或更少，或者可選擇地限制到1秒或更少。可以通過(guò)對(duì)諸如FSW工具類型、焊接參數(shù)和二次溫度控制(例如預(yù)熱或增強(qiáng)冷卻) 之類的變量的選擇來(lái)控制溫度和時(shí)間(即，焊接熱循環(huán))。正如對(duì)于FSW領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的，具有較高摩擦系數(shù)的工具材料相比于以類似焊接參數(shù)運(yùn)行但具有較低摩擦系數(shù)的工具而言將會(huì)產(chǎn)生更高的溫度。施加到FSW工具的較高的轉(zhuǎn)速造成更高的溫度。較慢的焊接運(yùn)行速度也在焊縫中產(chǎn)生較高的溫度。較慢的運(yùn)行速度也使焊縫材料保持在較高溫度更長(zhǎng)的時(shí)間。工具幾何形狀影響(例如較大的肩部區(qū)域)也可以產(chǎn)生較高的溫度。因此，對(duì)于焊接工程師而言，許多參數(shù)都可用于改變焊接熱循環(huán)。焊接運(yùn)行速度和工具轉(zhuǎn)速是控制焊接熱循環(huán)中有影響力的FSW工藝變量。為了避免這里所披露的鋼結(jié)構(gòu)中的粗晶粒、大量MA、粗顯微結(jié)構(gòu)以及退化的機(jī)械性能(像低剛度)，應(yīng)該仔細(xì)地選擇和控制FSW焊接參數(shù)以適合由FSW制造的鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。太慢的焊接運(yùn)行速度或太高的工具轉(zhuǎn)速或者這二者的任意組合可以導(dǎo)致不可接受的顯微結(jié)構(gòu)和機(jī)械特性。對(duì)于一般的應(yīng)用，以小于或等于5英寸每分鐘的運(yùn)行速度操作FSW工藝可能便足夠了。對(duì)于更高要求的應(yīng)用，可能需要運(yùn)行速度高于或等于5英寸每分鐘，或者高于或等于 10英寸每分鐘。對(duì)于希望有高剛度的甚至更高要求的應(yīng)用，可能需要焊接運(yùn)行速度高于或等于15英寸每分鐘，或者高于或等于20英寸每分鐘。因此，根據(jù)應(yīng)用，F(xiàn)SW工具的運(yùn)行速度的范圍可以為1至30英寸每分鐘，或者5至30英寸每分鐘，或者10至30英寸每分鐘， 或者15至30英寸每分鐘，或者20至30英寸每分鐘。至于工具轉(zhuǎn)速，對(duì)于一般的應(yīng)用，對(duì)于必要的顯微結(jié)構(gòu)和特性以小于或等于 SOOrpm的速度操作FSW工藝可能便足夠了。對(duì)于更高要求的應(yīng)用，可能需要工具速度小于或等于600rpm，或者小于或等于500rpm，或者小于或等于400rpm。對(duì)于希望有高剛度的甚至更高要求的應(yīng)用，可能需要工具速度小于或等于300rpm，或者小于或等于200rpm。因此， 根據(jù)應(yīng)用，F(xiàn)SW工具的工具轉(zhuǎn)速的范圍可以為100至800rpm，或者100至600rpm，或者100 至500rpm，或者100至400rpm，或者100至300rpm，或者100至200rpm。對(duì)于為了生產(chǎn)率目的而希望以高運(yùn)行速度(例如15英寸每分鐘或者以上)運(yùn)行的某些具體應(yīng)用，可能有必要使用高工具轉(zhuǎn)速，例如IOOOrpm，或者2000rpm，但是在該操作期間產(chǎn)生的熱量可以由運(yùn)行速度抵消。通過(guò)這種抵消，攪拌區(qū)顯微結(jié)構(gòu)仍然可以使用這里所披露的新方法來(lái)控制，以獲得目標(biāo)顯微結(jié)構(gòu)和特性。結(jié)構(gòu)鋼的初始顯微結(jié)構(gòu)可以不僅具有小到2微米的細(xì)的粒度，而且還可以在其內(nèi)具有細(xì)的彌散粒子。這些細(xì)的彌散粒子可以包括但不局限于氮化物(例如TiN，BN)、碳化物 (例如 NbC)、碳氮化物(例如 Nb (C，N)，Ti (C，N))、氧化物(例如 TiO, TiO2、MgO、TiO/MgO)、 過(guò)渡元素的硼化物(例如TiB2Je2B, Cr2B)以及它們的組合。在用于這里所披露的摩擦攪拌焊的結(jié)構(gòu)鋼的一種形式中，TiN+NbC+TiO/MgO的組合wt %的范圍可以從高于0. Olwt %到小于0. Iwt %，或者可選地從高于0. 03襯％到小于0. 07wt%。結(jié)構(gòu)鋼的起始顯微結(jié)構(gòu)以更細(xì)的初始粒度影響最終粒度的發(fā)展，導(dǎo)致更快的再結(jié)晶動(dòng)力和更細(xì)的再結(jié)晶粒度，這是因?yàn)樵俳Y(jié)晶的成核現(xiàn)象優(yōu)選地發(fā)生在晶界上。根據(jù)這里所披露的新的FSW工藝的結(jié)構(gòu)鋼(這里也稱做“起始結(jié)構(gòu)鋼”或“原始結(jié)構(gòu)鋼”)的基本金屬的起始粒度可以小到2微米。沒(méi)必要給基本金屬粒度設(shè)置上界，因?yàn)閷?duì)于具有較粗晶粒的鋼，根據(jù)特定鋼化學(xué)成分和焊接條件， 該新的FSW工藝將會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)精細(xì)化并且呈現(xiàn)出60微米或更小的最終原始奧氏體粒度。起始結(jié)構(gòu)鋼顯微結(jié)構(gòu)中細(xì)的彌散粒子(其在FSW溫度下是穩(wěn)定的)的存在延緩了 FSW期間熱機(jī)械循環(huán)的所有階段中的晶粒生長(zhǎng)。一般地，這些細(xì)的彌散粒子的存在還與起始顯微結(jié)構(gòu)中更細(xì)的粒度有關(guān)，因?yàn)檫@些粒子在用于板制造的熱機(jī)械控制處理(TMCP)期間延緩了晶粒生長(zhǎng)。因此，起始結(jié)構(gòu)鋼顯微結(jié)構(gòu)中的細(xì)的粒度和細(xì)的第二相彌散粒子的結(jié)合對(duì)于這里所披露的鋼結(jié)構(gòu)和形成該鋼結(jié)構(gòu)的方法而言是有利的。還可以使用某些合金元素例如Ti和Mg來(lái)在起始結(jié)構(gòu)鋼中產(chǎn)生細(xì)彌散粒子。存在在奧氏體晶粒內(nèi)部的這些細(xì)彌散粒子可以作為用于間粒狀鐵素體(IGF)或針狀鐵素體 (AF)以及沉淀釘扎的核以抑制晶粒生長(zhǎng)。IGF形成在細(xì)彌散粒子周圍，結(jié)果將奧氏體晶粒分成了更細(xì)的晶粒，這造成增強(qiáng)的強(qiáng)度和剛度。因此，在這些鋼中抑制了奧氏體晶粒的粗化，IGF形成在它們內(nèi)部，從而可以顯著地改善顯微結(jié)構(gòu)。起始結(jié)構(gòu)鋼的初始顯微結(jié)構(gòu)還可以沒(méi)有碳隔離相，例如珠光體團(tuán)。諸如珠光體團(tuán)之類的粗的碳隔離相的存在可以導(dǎo)致FSW接縫中的低剛度，這是因?yàn)樵谠撓嘀懈叩奶紳舛瓤梢栽贔SW期間增強(qiáng)粗MA成分的形成。MA可以形成在攪拌區(qū)中或附近區(qū)域(例如TMAZ或 HAZ)中。在用于這里所披露的摩擦攪拌焊的結(jié)構(gòu)鋼的一種形式中，可以包括少于25ν01%、 或少于20vol%、或者少于15vol%、或者少于10vol%的珠光體?？刂谱罱K粒度的另一個(gè)因素是FSW熱循環(huán)后期中的晶粒生長(zhǎng)。即使在通過(guò)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶產(chǎn)生細(xì)晶粒時(shí)，也可以通過(guò)利用第二相粒子進(jìn)行的晶界釘扎或由溶質(zhì)元素施加的拖曳避免晶粒生長(zhǎng)?？梢允褂眠@兩種方法中的一種或兩種來(lái)細(xì)化粒度?？梢詢H通過(guò)對(duì)基本鋼化學(xué)成分和處理過(guò)程的修改來(lái)結(jié)合這些方法。對(duì)于通過(guò)粒子釘扎產(chǎn)生的晶粒生長(zhǎng)延緩，可以使用第二相粒子，包括但不局限于氮化物(例如TiN, BN)、碳化物(例如NbC)、碳氮化物(例如Nb (C，N)，Ti (C，N))、氧化物 (例如110、1102、1%0、110/1%0)、文中所述形式的過(guò)渡元素的硼化物(例如Ti&，F(xiàn)e2B, Cr2B) 以及它們的組合。根據(jù)與摩擦攪拌焊一起發(fā)生的峰值溫度的發(fā)現(xiàn)來(lái)選擇這些粒子。這些粒子能夠在高于iooo°c下進(jìn)行邊界釘扎。例如，這些粒子對(duì)于iioo°c、i2(Krc、i3(Krc或者甚
16至1400°C的峰值溫度是有用的。對(duì)于通過(guò)溶質(zhì)拖曳產(chǎn)生的晶粒生長(zhǎng)延緩，相比于鐵具有不同原子大小的溶質(zhì)元素可能是有利的。非限制性的示例性溶質(zhì)元素是鎢、鉬和鈮。與鐵相比在原子尺寸上沒(méi)有大的不同的元素可以對(duì)晶粒生長(zhǎng)產(chǎn)生次要作用，這些元素包括但不局限于鉻、銅、釩、鎳以及它們的組合。對(duì)于晶粒生長(zhǎng)延緩而言，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了對(duì)于粒子設(shè)計(jì)可能較為重要的兩個(gè)因素。第一個(gè)因素是粒子間距，較大的粒子間距允許晶界成環(huán)通過(guò)，并因此對(duì)晶粒生長(zhǎng)提供了較少的阻力。相反，小的粒子間距可以防止晶界成環(huán)，并從而對(duì)晶粒生長(zhǎng)提供了增加的阻力。這些粒子的粒子間距可以小于100、或80、或60、或40、或20、或lOnm。第二相粒子尺寸可以由化學(xué)結(jié)構(gòu)和鋼制造期間的處理來(lái)控制。例如，TiN粒子的粒子間距可以通過(guò)低的Ti/N比率來(lái)減小，即，比氮化物的化學(xué)計(jì)量比(3.4 更低，而較高的比率提供了具有更大粒子間距的更粗粒子。在第二相粒子的設(shè)計(jì)中可決定晶粒生長(zhǎng)延緩的第二個(gè)因素是它們?cè)贔SW溫度下的穩(wěn)定性。不太穩(wěn)定的粒子會(huì)變粗，從而增大了粒子間距，而更穩(wěn)定的粒子不會(huì)變粗。對(duì)于鋼的焊接應(yīng)用有用的多個(gè)粒子的相對(duì)穩(wěn)定性的列表的非限制性示例如下BN > Τ 02 > TiN > TiB2 > NbC > VC該列表不是窮舉性的，而是可以例如擴(kuò)展到包括Nb或V的許多碳化物和碳氮化物。釘扎元素的濃度可以影響FSW溫度下的穩(wěn)定性，使粒子在1000°C以上的溫度下穩(wěn)定是重要的。圖6描繪了在高溫下鋼中NbC的計(jì)算出的溶解性。正如可以從圖表中看出的， 在0. 1至0. 15wt%范圍內(nèi)的鈮濃度可以在FSW溫度下提供穩(wěn)定的粒子。生長(zhǎng)的延緩還可以通過(guò)在鋼中結(jié)合特定溶質(zhì)元素來(lái)實(shí)現(xiàn)。在固溶體中的微合金化元素例如Nb、Ti、V、Mo和W延緩了鋼中大部分的擴(kuò)散受控過(guò)程。任意特定元素的原子尺寸與狗原子的原子尺寸差別越大，則延緩越強(qiáng)。Nb、Mo和W在本文中可以是有利的微合金化元素。但是，諸如Nb、Mo、W之類的元素還可以促進(jìn)MA成分的形成，濃度高的MA成分會(huì)降低剛度。因此，不能以高濃度添加這些元素?？梢蕴砑硬粫?huì)促進(jìn)MA成分形成的第二組元素以提供對(duì)晶界運(yùn)動(dòng)的適度延緩。這些元素的示例包括但不局限于Cu、Cr、Co、Ni和Mn。通過(guò)將合金元素進(jìn)行組合可以顯著增強(qiáng)溶質(zhì)拖曳效果。Nb和B的組合添加可以對(duì)溶質(zhì)拖曳產(chǎn)生強(qiáng)的協(xié)同效應(yīng)，這是由于在高溫下形成了(Nb，B)合成體。在奧氏體晶界上這些合成體的存在還可以通過(guò)增強(qiáng)Nb原子的溶質(zhì)拖曳力來(lái)減小邊界移動(dòng)速度?；谇懊娴挠懻摚ㄟ^(guò)溶質(zhì)拖曳和粒子釘扎，起始結(jié)構(gòu)鋼中的化學(xué)成分的如下范圍可以減小晶粒生長(zhǎng)。
權(quán)利要求
1.一種鋼結(jié)構(gòu)，包括通過(guò)傳統(tǒng)的熔化或二次精煉技術(shù)生產(chǎn)的兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)鋼元件以及將這些元件的接合面連接在一起的摩擦攪拌焊接件，其中，起始結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分和粒度滿足如下的一條或多條標(biāo)準(zhǔn)a)0.02wt%< Ti+Nb < 0. 12wt%,b)0.7 < Ti/N < 3. 5，c)0.5wt % < Mo+ff+Cr+Cu+Co+Ni < 1. 75wt%,d)0.01wt%< TiN+NbC+TiO/MgO < 0. Iwt%,e)至少2微米的平均粒度，其中，摩擦攪拌焊接件具有介于5-60微米之間的原始奧氏體粒度以及小于50vOl%的馬氏體-奧氏體成分，其中，摩擦攪拌焊接件強(qiáng)度高于起始結(jié)構(gòu)鋼，并且通過(guò)裂尖張開(kāi)位移測(cè)試在小于或等于0°C下測(cè)量到的摩擦攪拌焊接件剛度高于或等于0. 05mm，或者通過(guò)夏比V型缺口沖擊測(cè)試在小于或等于0°C下測(cè)量到的摩擦攪拌焊接件剛度高于40J。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼結(jié)構(gòu)，其中，所述起始結(jié)構(gòu)鋼包括少于IOOppm的硫和少于 150ppm 的磷。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋼結(jié)構(gòu)，其中，所述起始結(jié)構(gòu)鋼包括少于50ppm的硫和少于 75ppm的磷。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼結(jié)構(gòu)，其中，所述起始結(jié)構(gòu)鋼包括少于25ν01%的珠光體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鋼結(jié)構(gòu)，其中，所述起始結(jié)構(gòu)鋼包括少于15ν01%的珠光體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼結(jié)構(gòu)，其中，所述摩擦攪拌焊接件具有介于5-40微米之間的原始奧氏體粒度和少于25Vol%的馬氏體-奧氏體成分。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的鋼結(jié)構(gòu)，其中，所述摩擦攪拌焊接件具有介于5-20微米之間的原始奧氏體粒度和少于IOvol %的馬氏體-奧氏體成分。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼結(jié)構(gòu)，其中，所述兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)鋼元件是從)(50、X52, X60, X65, X70、X80、X90、XlOO和X120中選出的API (美國(guó)石油學(xué)會(huì))5L管規(guī)范的管等級(jí)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼結(jié)構(gòu)，其中，所述兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)鋼元件是從AISI等級(jí) 1010、1020、1040、1080、1095、A36、A516、A440、A633、A656、4063、4340、6150 以及 ASTM 等級(jí) A285、A387、A515、A516、A517選出的普通碳鋼和合金鋼。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼結(jié)構(gòu)，其中，通過(guò)裂尖張開(kāi)位移測(cè)試在小于或等于o°c下測(cè)量到的所述摩擦攪拌焊接件剛度高于或等于0. 1mm。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的鋼結(jié)構(gòu)，其中，通過(guò)裂尖張開(kāi)位移測(cè)試在小于或等于0°C下測(cè)量到的所述摩擦攪拌焊接件剛度高于或等于0. 2mm。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼結(jié)構(gòu)，其中，通過(guò)夏比V型缺口沖擊測(cè)試在小于或等于 0°C下測(cè)量到的所述摩擦攪拌焊接件剛度高于75J。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的鋼結(jié)構(gòu)，其中，通過(guò)夏比V型缺口沖擊測(cè)試在小于或等于 0°C下測(cè)量到的所述摩擦攪拌焊接件剛度高于150J。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼結(jié)構(gòu)，其中，所述起始結(jié)構(gòu)鋼還包括從5ppm至50ppm的硼。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼結(jié)構(gòu)，其中，所述起始結(jié)構(gòu)鋼包括每平方毫米少于100的平均粒度為0. 5微米或更大的非金屬內(nèi)含物。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的鋼結(jié)構(gòu)，其中，所述起始結(jié)構(gòu)鋼包括每平方毫米少于50的平均粒度為0. 5微米或更大的非金屬內(nèi)含物。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的鋼結(jié)構(gòu)，其中，所述起始結(jié)構(gòu)鋼包括每平方毫米少于20的平均粒度為0. 5微米或更大的非金屬內(nèi)含物。
18.一種用于焊接結(jié)構(gòu)鋼的方法，包括提供通過(guò)傳統(tǒng)的熔化或二次精煉技術(shù)生產(chǎn)的兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)鋼元件，其中，起始結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分和粒度滿足如下的一條或多條標(biāo)準(zhǔn)a)0.02wt%< Ti+Nb < 0. 12wt%,b)0.7 < Ti/N < 3. 5，c)0.5wt % < Mo+ff+Cr+Cu+Co+Ni < 1. 75wt%,d)0.01wt%< TiN+NbC+TiO/MgO < 0. Iwt%,e)至少2微米的平均粒度，在足夠形成摩擦攪拌焊接件的條件下對(duì)要被焊接的結(jié)構(gòu)鋼元件的接合面進(jìn)行摩擦攪拌焊接，其中，摩擦攪拌焊接件具有介于5-60微米之間的原始奧氏體粒度以及小于50vOl%的馬氏體-奧氏體成分，以及其中，摩擦攪拌焊接件強(qiáng)度高于起始結(jié)構(gòu)鋼，并且通過(guò)裂尖張開(kāi)位移測(cè)試在小于或等于0°C下測(cè)量到的摩擦攪拌焊接件剛度高于或等于0. 05mm，或者通過(guò)夏比V型缺口沖擊測(cè)試在小于或等于0°C下測(cè)量到的摩擦攪拌焊接件剛度高于40J。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述起始結(jié)構(gòu)鋼包括少于IOOppm的硫和少于 150ppm 的磷。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的鋼結(jié)構(gòu)，其中，所述起始結(jié)構(gòu)鋼包括少于50ppm的硫和少于 75ppm的磷。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述起始結(jié)構(gòu)鋼包括少于25vol%的珠光體。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述起始結(jié)構(gòu)鋼包括少于15ν01%的珠光體。
23.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述足夠形成摩擦攪拌焊接件的條件選自于下列條件中的至少一個(gè)焊接期間攪拌區(qū)域的溫度、焊接期間在攪拌區(qū)域的溫度下花費(fèi)的時(shí)間、摩擦攪拌焊接工具的焊接運(yùn)行速度、摩擦攪拌焊接工具的轉(zhuǎn)速、施加到摩擦攪拌焊接工具的扭轉(zhuǎn)載荷、摩擦攪拌焊接工具上的向下力載荷或平移載荷、以及焊接件的冷卻速率。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，摩擦攪拌焊接工具的焊接運(yùn)行速度的范圍是每分鐘1-30英寸。
25.根據(jù)權(quán)利要求M所述的方法，其中，摩擦攪拌焊接工具的焊接運(yùn)行速度的范圍是每分鐘10-30英寸。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，摩擦攪拌焊接工具的焊接運(yùn)行速度的范圍是每分鐘15-30英寸。
27.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，摩擦攪拌焊接工具的轉(zhuǎn)速的范圍是 100-800rpm。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，摩擦攪拌焊接工具的轉(zhuǎn)速的范圍是100-500rpm。
29.根據(jù)權(quán)利要求觀所述的方法，其中，摩擦攪拌焊接工具的轉(zhuǎn)速的范圍是 100-200rpm。
30.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，摩擦攪拌焊接工具上的向下力載荷或平移載荷大于或等于IOOOlbf且小于或等于250001bf。
31.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，焊接件的冷卻速率的范圍是每秒10°C到每秒 400 "C。
32.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述摩擦攪拌焊接件具有介于5-20微米之間的原始奧氏體粒度和少于IOvol %的馬氏體-奧氏體成分。
33.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述的兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)鋼元件是從)(50、X52, X60, X65, X70、X80、X90、XlOO和X120中選出的API (美國(guó)石油學(xué)會(huì))5L管規(guī)范的管等級(jí)。
34.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述的兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)鋼元件是從AISI等級(jí) 1010、1020、1040、1080、1095、A36、A516、A440、A633、A656、4063、4340、6150 以及 ASTM 等級(jí) A285、A387、A515、A516、A517選出的普通碳鋼和合金鋼。
35.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，通過(guò)裂尖張開(kāi)位移測(cè)試在小于或等于0°C下測(cè)量到的所述摩擦攪拌焊接件剛度高于或等于0. 2mm。
36.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，通過(guò)夏比V型缺口沖擊測(cè)試在小于或等于0°C 下測(cè)量到的所述摩擦攪拌焊接件剛度高于150J。
37.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述起始結(jié)構(gòu)鋼還包括從5ppm至50ppm的硼。
38.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述起始結(jié)構(gòu)鋼包括每平方毫米少于100的平均粒度為0. 5微米或更大的非金屬內(nèi)含物。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，其中，所述起始結(jié)構(gòu)鋼包括每平方毫米少于50的平均粒度為0. 5微米或更大的非金屬內(nèi)含物。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中，所述起始結(jié)構(gòu)鋼包括每平方毫米少于20的平均粒度為0. 5微米或更大的非金屬內(nèi)含物。
41.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，晶粒粗化溫差小于或等于400°C。
42.根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，其中，晶粒粗化溫差小于或等于300°C。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其中，晶粒粗化溫差小于或等于200°C。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的方法，其中，晶粒粗化溫差小于或等于100°C。
45.根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，其中，在晶粒粗化溫差下的時(shí)間少于或等于10秒。
46.根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其中，在晶粒粗化溫差下的時(shí)間少于或等于8秒。
47.根據(jù)權(quán)利要求43所述的方法，其中，在晶粒粗化溫差下的時(shí)間少于或等于6秒。
48.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，其中，在晶粒粗化溫差下的時(shí)間少于或等于2秒。
全文摘要
本發(fā)明提供了鋼結(jié)構(gòu)，該鋼結(jié)構(gòu)包括通過(guò)具有有利的顯微結(jié)構(gòu)的摩擦攪拌焊接件連接在一起的結(jié)構(gòu)鋼元件，以產(chǎn)生提高的焊接件強(qiáng)度和焊接件剛度。在本發(fā)明的一種形式中，所述鋼結(jié)構(gòu)包括通過(guò)傳統(tǒng)的熔化或二次精煉技術(shù)生產(chǎn)的兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)鋼元件以及將這些元件的接合面連接在一起的摩擦攪拌焊接件，其中，摩擦攪拌焊接件具有介于5-60微米之間的原始奧氏體粒度以及小于50vol％的馬氏體-奧氏體成分；摩擦攪拌焊接件強(qiáng)度高于起始結(jié)構(gòu)鋼，并且通過(guò)裂尖張開(kāi)位移測(cè)試在小于或等于0℃下測(cè)量到的摩擦攪拌焊接件剛度高于或等于0.05mm，或者通過(guò)夏比V型缺口沖擊測(cè)試在小于或等于0℃下測(cè)量到的摩擦攪拌焊接件剛度高于40J。
文檔編號(hào)B23K20/12GK102216483SQ200980145969
公開(kāi)日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2009年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月18日
發(fā)明者A·奧賽克森, D·P·費(fèi)爾柴爾德, H·金, R·艾爾, S·J·福特 申請(qǐng)人:?？松梨谘芯抗こ坦?br>