通过应变硬化的高强度镍合金焊接的制作方法

专利名称：通过应变硬化的高强度镍合金焊接的制作方法
技术领域：
本发明整体上涉及钢结构和构件的焊接领域。更特别地，本发明涉及使用镍基焊 接金属焊接钢结构和构件，所述镍基焊接金属进行应变硬化以获得高性能接合点。
背景技术：
为方便起见，在本说明书中使用的各种焊接术语定义在下面术语汇编中。术语汇编CRA 抗腐蚀合金。用于完成可能存在腐蚀问题的构件而特别配制的材料。抗腐蚀 合金可针对许多腐蚀性条件而配制。HAZ:热影响区。热影响区靠近焊线并受焊接热影响的基底金属。韧性抗破裂发生性。疲劳在周期载荷下的抗破裂性。磨蚀疲劳磨蚀包括进行小周期性相对切向运动时表面之间的接触。抗磨蚀疲劳 性是在有缺口的金属部件或具有孔的金属部件中的抗破裂性。屈服强度承受载荷不变形的能力。FS:摩擦搅拌。FSW:摩擦搅拌焊接。摩擦搅拌焊接在两个工件间形成焊接接合点的固态接合方法，其中通过在工件 之间插入工具的旋转销生成用于接合金属工件的热。FSP:摩擦搅拌处理。摩擦搅拌处理通过将销部分插入结构中对着表面挤压FSW工具，从而处理和调 节结构表面的方法。焊接接合点包括熔融或热机械改变的金属和在该熔融金属附近(但不在该熔融 金属处)的基底金属的焊接接合点。被认为是在熔融金属附近的基底金属部分根据焊接领 域中已知的那些因素而改变。焊件通过焊接接合的构件部件的组件。可焊接性焊接特定金属或合金的可行性。许多因素影响可焊接性，包括化学性 质、表面光洁度、热处理倾向等。碳当量用于定义钢的可焊接性并通过式CE = C+Mn/6+ (Cr+Mo+V) /5+ (Ni+Cu) /15 表示的参数，其中所有单位为重量百分比。氢破裂在焊接之后的焊接点中发生的破裂。TMAZ 热机械影响区。热机械影响区经历过温度周期变化和塑性变形的接合点区域。TMAZ-HZ 焊件中最硬的区域。LNG:液化天然气。在大气压和低温下液化的气体，主要是甲烷。CNG 压缩天然气。在高度压缩(但非液化点)的高压表面容器中的天然气。
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PLNG 加压液化天然气。在中压和低温(比LNG高的温度)下液化的气体，主要是 甲烷。SCR 钢悬链立管。悬浮在平台的单悬链中并水平连接在海底上的深海钢立管。TTR 顶部张力立管。以保持海上立管均勻压力的张力放置的在海上石油钻机上的立管。不胀钢特别设计成具有低热膨胀系数的铁和镍的合金两相体(Duplex)由两相，特别是奥氏体和铁素体组成的钢。开采树(trees)用于控制来自井的油和气的流量的阀、管道和配件的组件。BOP 喷出防护器。安装在井头上的用于在钻井、完井(completion)和检查操作期 间控制套管与钻管或管道之间环形空间内压力的设备。0CTG:石油工业用管材。应用于套管、管道、平管口套衬、短接合点(pup joint)、 接合处、连接器和平管口钻管的术语。半潜式钻探平台(semi-submersibles)具有浸在水中的漂浮物或浮码头以在运 行时得到稳定性的移动式钻井平台。用于降至360米或更多的较深水域中。通过锚或动力 定位保持在适当位置。自升式钻探平台(Jack-up rigs)在小于100米深度的浅海中使用的具有可伸缩 腿的移动式钻井平台。TLP:张力腿平台。通过许多锚定在海底的张力保持锚链而保持在适当位置的漂浮 海上结构。锚链抑制波动作用以保持平台静止。DDCV 深吃水沉箱船。深吃水水面划割滚筒式漂浮物，特别是适合于深海的井，其 具有钻井、顶部张力立管和干式完井。柔性塔架窄的、柔性塔架和支撑常规钻井和生产作业用甲板的桩基。设计成承受 显著的侧向偏转和侧向力，并且通常用在1，500-3，000英尺(450-900m)的水深范围中。FPSO 浮式生产、储存和卸料船。变换或定制的船舶形漂浮物，用于加工油和气体 以及用于在转船之前临时储油。FSO 浮式储存和卸料船。一种通常储油的浮动储存装置，通常用在不能或未有效 将管线放置在岸边的地方。生产平台将油转移到FS0，油储存在FSO中，直到油船抵达并连 接到FSO以将其卸下为止。锚索连接在每个结构的角上将浮动平台永久固定的管状绳索。脐带用于控制海底结构或来自平台或船的ROV的液压软管装置，其还可包括电 缆或光纤维。易倾船用于往返于靠近海岸的设施运送乘客和补给的运输/补给船。应变硬化延性金属在其塑性变形时的硬度和强度增加。X65 屈服强度为65Ksi (65，OOOpsi)的线管钢。电子束焊接(EBW)对要接合的材料施加高速电子束的焊接方法。随着冲击时电 子的动能转化成热，工件熔融，并且填充金属(如果使用)也熔融以成为焊接点的一部分。 不施加压力和不使用保护气，但是通常在真空条件下进行焊接以防止电子束分散。激光束焊接(LBW)用于通过使用激光将多重金属件接合的焊接方法。该束提供 集中的热源，能进行窄的、深度焊接并且有高焊接速率。
长期需求(LONG-FELTNEED)大多数钢结构使用钢(还称为铁(ferrous)基或铁(iron)基)焊接金属焊接。这 些钢焊接点通常是铁，其具有大约0. 1衬％碳和至多2-3衬％其它合金元素，如胞、附、01及 其组合。在这些含铁的焊接点/焊件中形成的韧性和剩余应力是基底钢性能、焊接金属的 类型和与焊接方法有关的热循环复合相互作用的结果。大多数焊接结构的性能(例如承载 能力、疲劳、环境破裂)通过焊件的性能进行控制，其由焊接点和热影响区(HAZ)组成。尽 管通过设计焊接金属的化学性质可控制焊接点的性能，但接合点性能由基底金属/焊接金 属化学性质与焊接方法之间的复合相互作用确定。历史上，大多数钢结构通过使用铁基焊 接金属熔融焊接而接合。使用铁基焊接点的主要原因在于它们成本低，能够通过形成合金 而具有与基底金属匹配的强度，并广泛使用在工业中。尽管通过增加的冗余可弥补在用于许多陆地型结构应用的焊件完整性方面的不 足，但这种方法对于其中构件重量是关键因素的海上结构和深海结构并不实际或经济。在 这种结构中，必须增加焊件完整性以使它们不限制结构的完整性。主要通过使用这些常规 铁基焊接金属常规弧焊或熔融焊接钢结构或构件而将金属部件接合，所述金属部件如用于 形成油井、气井和地热井等管路的各类管线和管道。弧焊或熔融焊接通常包括熔融钢焊接 金属以形成将两个含铁构件或部件接合的接合点。这种铁基金属接合点通常具有可接受的性能，然而在焊件的强度、韧性和完整性 方面的改进将进一步改进焊件性能，以及相应的结构/构件性能。例如，在使用铁基焊件焊 接海上管路的钢管时，存在由于完成的管悬挂在铺管船的船尾而导致的弯曲应力问题。另 外，常规的铁基熔融焊接的接合点遭受其它特征，所述特征损害接合点机械完整性。这种特 征的实例是拉伸剩余应力、氢破裂、未融合缺陷和低韧性。由Inconel 625组成的镍合金焊接点用来焊接一些高强度钢(例如X_65钢管)以 使焊件产生优良的疲劳强度。在这些接合点中，Inconel 625合金的屈服强度(大约70Ksi) 大于待焊接的X-65钢的屈服强度(65Ksi)，这提供了优胜的条件。这种接合点的疲劳强度 增加的主要原因起于Inconel 625镍合金焊接点的优良的疲劳性能。然而，当焊接更高强 度的钢管(例如X-80钢-屈服强度为80Ksi (551. 6MPa))时，Inconel 625不提供优胜的 条件。因此需要新型的焊接金属组合物，其具有高于目前本领域中已知的焊接金属组合物 的屈服强度以使焊件具有改进的性能。更特别地，需要更高强度的镍合金焊接金属组合物， 其用于接合高强度铁基或非铁基基材以提供优胜的条件以及在焊件疲劳性和性能方面的 改进。发明概述广泛地说，本发明提供由镍基合金制成的焊接金属的用途，其中加固来自除碳以 外的来源，从而改进焊件性能和在钢构件和结构接合时的性能。更特别地，通过使用镍基组 合物实现改进的焊件性能，所述组合物在焊件冷却期间进行应变硬化以改进性能，由此发 现在接合高强度结构方面的特定应用。在本发明的一种形式中，提供了一种有利的焊件，其包含两个或更多个铁或非 铁构件片段，和使相邻的构件片段结合在一起的熔融焊接点、摩擦搅拌焊接点、电子束焊接 点、激光束焊接点或其组合，其中焊接点包含应变硬化的镍基合金焊接金属组合物，该组合 物基于镍基合金焊接金属组合物的总重量包含大于或等于10衬％的Mo。
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在本发明的另一个形式中，提供了将两个或更多个金属结构接合的有利方法，包 括提供两个或更多个铁或非铁构件片段，和将相邻的构件片段熔融焊接、摩擦搅拌焊接、 电子束焊接、激光束焊接或其组合焊接在一起，其中焊接点包含应变硬化的镍基合金焊接 金属组合物，该组合物基于应变硬化的镍基合金焊接金属组合物的总重量包含大于或等于 IOwt%的 Mo。在本发明的另一个形式中，提供了一种有利的方法，其用于焊接两个或更多个铁 或非铁构件以产生具有为预定应用而选择的特定性能或性能组的焊接点，该方法包括获 得镍基焊接点的焊接性能的数据库，所述焊接点通过在多种条件下并且从各种焊接金属组 合物进行熔融焊接、摩擦搅拌焊接、电子束焊接、激光束焊接或其组合焊接形成；将焊接条 件和焊接金属组合物与焊接点性能关联；从数据库选择将产生具有最适合于预定应用的性 能或性能组的焊接点的焊接条件；使构件在所选择的条件下进行熔融焊接、摩擦搅拌焊接、 电子束焊接、激光束焊接或其组合焊接以形成焊接结构，其中焊接点包含应变硬化的镍基 合金焊接金属组合物，该组合物基于应变硬化的镍基合金焊接金属组合物的总重量包含大 于或等于IOwt%的Mo。当阅读随后的详细描述后，在此公开的这些及其它形式的新型应变硬化的高强度 镍基合金焊接组合物、用这种组合物的焊接方法和这种组合物在油和气应用中的应用将变 得明显。附图简述为帮助相关领域的普通技术人员在制备和使用此处的主题，参考所附附图，其 中

图1描述了用于接合钢的各种应变硬化的镍基焊接金属组合物的压缩强度对应 变示例图。发明详述本发明涉及新型镍基合金焊接组合物，其经历应变硬化用于接合更高强度的钢 (大于SOksi (551. 6MPa)屈服强度)以达到优越的焊件机械性能如疲劳强度或应变能力。 目前，奥氏体合金如Inconel 625用于焊接高强度钢如X-65级线管钢。Inconel 625焊接 点的强度为大约70Ksi(482.6MPa)，其胜任X-65钢(65Ksi (448. 2MPa)屈服强度)的所需。 Inconel 625 包含 22wt% Cr、9wt% Mo、3wt% Nb、5wt% Fe、0. 6wt% Al+Ti 和其余为 Ni。大 于80Ksi(551.6MPa)屈服强度钢的过匹配焊接点需要镍合金焊接金属组合物的屈服强度 为大约90Ksi(620.5MPa)或更高，这需要新型焊接金属组合物来实现过匹配条件。在单相 镍合金中达到所需的强度是有利的，其中唯一的加固源经由固体溶液。为了将应变硬化法 用在在此公开的镍基合金焊接组合物上，通过控制与通过沉淀硬化相反的加工硬化率获得 更高的强度。尽管焊件性能会受焊接方法的影响，但已发现如果焊接金属具有基本上不同于待 焊接的基础钢构件的组成和性能，则可实现可比的或更好的效果。特别地，焊接金属的热膨 胀系数和控制相变温度(在一些体系中)的能力能够更好地控制焊接金属性能。另外，焊 接金属的晶体结构(例如立方体相对于六边形)及其对机械流动的影响可对焊件性能具有 显著影响。已发现应变硬化的镍基合金金属组合物可设计成在接合铁和非铁基金属构件时 实现用于增加的焊件完整性的特定性能。
于2007年9月19日提交的美国专利申请No. 11/901，488公开用于油、气和/或 石化应用的金属结构和形成这种结构的方法，其用非铁焊接金属组合物或高合金焊接金属 组合物接合。焊接的金属结构包括两个或更多个铁或非铁构件片段，和使相邻的构件片 段接合在一起的熔融焊接点、摩擦搅拌焊接点或其组合，其中焊接点包含非铁焊接金属组 合物或高合金焊接金属组合物，所述组合物基本不同于该两个或更多个构件的金属组合 物。所形成的焊接结构与传统的铁基焊接组合物相比，在抗疲劳性、韧性、应变能力、强度、 抗应力腐蚀破裂性和抗氢脆性方面有所改善。在此通过参考其全部内容将美国专利申请 No. 11/901，488 引入。本发明提供了更高强度的镍基合金焊接点以及通过应变硬化实现这种焊接点的 方法。当使用镍基合金焊接接合点时，下面的每个焊缝变得固化收缩。在其中存在来自基底 金属的显著限制情况下，收缩主要集中在焊缝中。焊缝的部分收缩可发生在更高温度(大 约超过熔点的一半，用度K表示)下并且可通过回收和再结晶损耗，并因此会对焊接金属的 机械性能产生很少影响。然而，将发生在较低温度下的镍基合金焊缝的变形调节为永久塑 性变形。镍基焊接金属的永久塑性变形导致焊件的应变硬化(还称为加工硬化)以及其强 度的相应改进。因此，镍基合金焊接金属的强度取决于焊接合金的应变硬化能力。因此，通 过控制在此公开的镍基合金焊接金属组合物的加工硬化响应，可将焊接金属中的强度水平 定制到所需性能。通过焊件的冷却速率测定加工硬化响应。通常，对于熔融焊接、摩擦搅拌 熔接、电子束焊接、或激光束焊接，通过围绕焊接区的环境条件决定冷却速率。然而，本发明 还包括冷却焊件以进一步增加和控制焊件冷却速率的人工方法，从而进一步定制在此公开 的镍基合金焊接金属组合物的应变硬化响应。这种在熔融、摩擦搅拌、激光束和电子束焊接 后人工冷却焊件的方法包括但不限于强制空气惯例、液体冷却(有利地为水)，其中控制冷 却介质(例如水、空气或其它流体)的温度。本发明涉及设计特定的焊接金属化学性质以实现更高的镍合金熔融焊接点、摩擦 焊接点、激光束焊接点和/或电子束焊接点的强度。可将特定的镍合金基焊接金属化学引 入在现有的焊接操作内并且可使用现有的硬件进行。已发现通过合金的化学性质可控制镍 基合金焊接点的加工硬化响应。已发现向镍中添加某些合金元素如Mo和/或W提高了在 冷却期间焊件的加工硬化速率，这提高了焊件性能。因此，具有高浓度钼和/或钨的镍合金 的化学性质提供了接合含铁金属的更高强度焊接。在一种形式中，在此公开的高强度镍基合金焊接组合物包含0_40wt%，或 5-35wt %，或有利地10-30wt %，或更有利地15-25wt %的Mo。在另一个形式中，镍基合金包 含O-IOwt %，或2-8wt %，或有利地3-6wt %的W。在一种形式中，在此公开的镍基合金还包 含0-25wt%，或5-20wt%，或8-18wt%，或10_16wt%的用于增强耐腐蚀性的Cr。在一个有 利的形式中，在此公开的高强度镍基合金焊接组合物包含大于或等于10衬％的临和大于 等于2衬％的W。在另一个有利的形式中，在此公开的高强度镍基合金焊接组合物包含Cr、 Mo和W的组合，其中Cr的范围为5-20wt %，Mo的范围为10-20wt %，和W的范围为2_8wt %。 在又一个有利的形式中，镍基合金包含Cr和Mo的组合，其中Cr的范围为5_20衬％和临的 范围为10-20wt%o在此公开的用于应变硬化的高强度镍基合金焊接组合物还可包含一种或多种其 它合金元素。根据体系可将其它合金元素添加到镍基合金中，并且所述其它合金元素包括V、Ti、Co、Mn、Ta、Zr、Hf、铝、锡、硅、铌及其组合。这些合金元素的一些非限制性示例添加 范围如下Ti，O-IOwt%的 Ta，O-IOwt%的 Zr，O-IOwt%的 Hf，O-IOwt% 的 V 和 0-2(^%的 Nb。非限制性例举的市场上可买到的镍基合金(当其用作接合铁和非铁基材的焊接 金属时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衬％的W。Hastelloy B2包 含25-3(^1%的] 0，^^%的(0和其余为·。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 和其余为 Ni。Inconel 625 包含2Iwt %的Cr，5wt %的Fe，IOwt %的Mo，4wt %的Nb和其余为Ni。另外经由应变硬化实 现高强度的镍基合金化学性质也可基于待接合的金属强度而设计成满足目标强度。因此， 当将更高强度的金属经由熔融焊接、摩擦搅拌焊接、电子束焊接或激光束焊接接合时，将需 要更高强度的镍基合金焊接金属组合物以实现相对于用于接合的金属结构过匹配的焊件 条件。对于在此公开的镍基合金焊接组合物，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 %的合金选自下列元素的一种 或多种Ni、Mo、W和Cr。另外，在此公开的这些镍基合金焊接组合物也可以任选包含小于 50wt%，或小于40wt%，或小于30wt%，或小于20wt%，或小于IOwt %或小于5wt%的铁。 由于冷却期间的焊接点的塑性变形和收缩造成的应变硬化，使这些镍基合金焊接组合物中 的强度增加。镍基合金焊接组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) 或非市售镍基合金，其包含大于或等于IOwt %的Mo和/或大于或等于2wt %的W以及任选 添加Cr及其它合金元素。或者，镍基焊接金属组合物可以是由市售镍基合金和非市售镍基 合金的组合形成。图1是各种镍基焊接金属组合物的焊接强度对应变的曲线图。应变是冷却过程中 焊接点收缩或应变硬化的量度。纯镍焊接金属组合物与Hastelloy B2和Inconel 625 (现 有技术)焊接金属组合物相比，当应变硬化时产生相对较差的拉伸强度。特别地，纯镍焊 接金属组合物产生小于400MPa的拉伸强度，而镍基合金组合物在应变硬化时产生大于 SOOMPa的拉伸强度。参考图1，还可以看出使镍基合金焊接金属组合物退火相对于只焊 接状态的影响。退火的Hastelloy B2的焊接强度明显大于退火的Inconel 625(现有技 术)，这归因于在Hastelloy B2组合物中存在Mo和W。换句话说，对于给定的应变，退火的 Hastelloy B2的焊接强度大于退火的Inconel 625(现有技术)的焊接强度。另外，退火的 Hastelloy B2应力-应变曲线斜率显著大于退火的Inconel 625 (现有技术)的应力-应 变曲线斜率，这也可归因于在Hastelloy B2组合物中存在Mo和W合金元素。本发明还涉及这种应变硬化的镍基合金焊接金属组合物用于接合钢结构(代替 常规使用的钢焊接金属和Inconel 625)以获得高性能接合点的用途。焊接金属在焊件性 能中具有关键作用。使用在此公开的高强度应变硬化的镍基合金焊接金属组合物代替常规 的钢焊接金属和Inconel 625以多种方式增加焊件的完整性。首先，在此公开的应变硬化 的高强度镍基合金焊接金属组合物由于其固有的微观结构可增加焊接点的强度和韧性。第 二，在此公开的应变硬化的高强度镍基合金焊接金属组合物由于其对物理性能如应变硬化
10系数、热膨胀系数、熔化潜热、更高相变温度和不同高温流动应力的影响，可通过其对剩余 应力的影响增强焊件的完整性。这些性能相比于焊接的钢构件/结构的差异提供了增强焊 件性能如疲劳、HAZ和焊接金属强度和韧性的机会。在一个方面，在此公开的应变硬化的高强度镍基合金焊接金属组合物用于焊接铸 铁和碳钢构件。在另一方面，在此公开的应变硬化的镍基合金焊接金属组合物特别用于焊 接高碳钢，尤其是CE等于或大于0. 48的那些。例举性却非限制性普通碳钢和合金钢包括 AISI 1010、1020、1040、1080、1095、A36、A516、A440、A633、A656、4063、4340 和 6150。例举 性却非限制性的高碳钢包括AISI WI、SI、01、A2、D2、M1和API L80。在本发明的另一方面， 在此公开的应变硬化的高强度镍基合金焊接金属组合物用于焊接耐腐蚀铁合金，包括但不 限于不锈钢。例举性却非限制性的不锈钢包括AISI 409、446、304、316L、410、440A、17-7PH 和双相不锈钢。在本发明的另一方面，在此公开的应变硬化的高强度镍基合金焊接金属组 合物用于处理/焊接非铁合金，包括但不限于钛合金、钴合金、铁镍合金和镍合金。在本发 明的又一方面，在此公开的应变硬化的高强度镍基合金焊接金属组合物用于焊接高强度钢 衬管，如X65禾口 X80钢管。可使用所有常规熔融焊接法来焊接在此公开的应变硬化的高强度镍基合金焊接 金属组合物，包括但不限于SMAW(手工电弧焊(Shielded Metal Arc Welding))、SAW(埋 弧焊(Submerged Arc Welding))、GMAW(气体保护金属极弧焊(GasMetal SRc Welding))、 FCAW(药芯焊丝电弧焊(Flux Cored Arc Welding))、PAW(等离子弧焊(Plasma Arc Welding))、ESW (电渣焊(Electroslag Welding) )、EGW (电气焊(Electrogas Welding))、 RW(电阻焊(Resistance Welding))和 OFW(氧染料气焊(Oxyfuel Gas Welding))。另夕卜， 可通过固态方法如摩擦搅拌焊接(FSW)或熔融焊接方法与固态焊接方法(FSW)的组合来焊 接应变硬化的高强度镍基合金焊接金属组合物。FSW的优点主要来自下列特征(1)进行接 合所需的较低温度并且在接合点中的较低温度导致邻接的基底金属中具有更少的有害影 响(例如粗粒)；(2)由工具旋转产生的高塑性变形程度，所述工具旋转产生有利于改进强 度和韧性的细晶粒大小；和(3)相比于熔融焊接，避免了焊件中的氢脆性，所述熔融焊接常 常由电弧中残留水分分解导致氢脆性倾向。在美国专利申请No. 11/643，528中公开了 FSW 焊接在油、气和石化应用中的用途，在此通过参考其全部内容将其引入。通过使用在此公开的应变硬化的高强度镍基合金焊接金属组合物提供的有利性 能包括下列一种或多种非限制性性能增加的抗疲劳性、增加的韧性、增加的应变能力、增 加的拉伸强度、增加的抗应力腐蚀破裂性、更高的抗氢脆性和增加的相对于被焊接基材的 过匹配条件。应用在此公开的应变硬化的高强度镍基合金焊接金属组合物在接合高强度金属基材 (铁和非铁的)中具有特定的应用，其中焊件屈服强度相对于粗粉基材的过匹配条件是有 利的。非限制性例举的金属基材包括高强度钢(X-65、X_80等)、高强度镍合金和高强度钛合金。在此公开的应变硬化的高强度镍基合金焊接金属组合物可用于焊接双相不锈钢 (双相s. s.或DSS)。双相不锈钢的强度和抗腐蚀性来源于铁素体和奥氏体相的受控平衡。 通过受控的热加工和/或冷加工与退火处理的组合实现本体双相不锈钢中相的所需混合物。然而，当焊接双相不锈钢时，钢在单相铁素体区域中被加热到极高温度并且当冷却到室 温时冷却到双相。为了在室温下在焊件中达到所需的相平衡，必须控制焊接点的冷却速率。 实际上，冷却速率明显改变，影响相平衡和因此影响所形成的焊件性能。使用在此公开的应 变硬化的高强度镍基合金焊接金属组合物焊接双相不锈钢可提供改进的接合点性能。在应 变硬化的高强度镍基合金焊接金属组合物的情况下，焊接点主要由单相(例如立方体的或 六边形的)组成，并因此可使通过不合适的冷却导致的焊接点性能降低最小化。焊接点基 本具有单相，并因此对冷却速率相对不敏感。在此公开的应变硬化的高强度镍基合金焊接金属组合物可用来形成焊接点，例如 作为点焊接点和对接焊接点，以及用于修理焊接区。更特别地，在此公开的镍基合金焊接组 合物可分别用于接合和修理/处理与油、气和石化工业有关的钢结构和结构构件。在此公 开的焊接组合物可用在制造设施如制造构件的轧钢机中，或用在装配构件的装配场领域。 使用在此公开的应变硬化的高强度镍基合金焊接金属组合物的熔融焊接、摩擦搅拌焊接、 电子束焊接、激光束焊接及其组合还适合于形成和修理/处理油和气勘探、生产与精炼应 用中的结构。FSW对于形成这类应用中的管状构件的点焊接点和对接焊接点是特别有利的。在此公开的新型应变硬化的高强度镍基合金焊接金属组合物所适合的油和气勘 探、生产、精炼工业中的例举性但非限制性结构包括高强度管路焊接区、SCR和TTR焊接区、 带螺纹构件、石油钻井装置焊接区(即双节深水石油钻柱)、液化天然气(LNG)和加压液化 天然气(PLNG)或压缩天然气(CNG)贮存器焊接区、立管/套管接头和井头装置。在油和气上游应用中，在此公开的新型应变硬化的高强度镍基合金焊接金属组合 物还适合于接合和修理用于天然气输送和储存型应用中的结构和构件。特别地，在此公 开的应变硬化的镍基合金焊接金属可用于能够使气体输送技术延伸到管路、压缩天然气 (CNG)、加压液化天然气(PLNG)、液化天然气(LNG)及其他储存/输送技术。在天然气输送 和储存类应用的一种形式中，在此公开的焊接组合物可用于接合/加工管路、流送管、收集 管、膨胀环及其他传输线。在天然气输送和储存类应用的另一种形式中，在此公开的焊接组 合物可用于接合/加工由碳钢、高强度钢、铸铁、结构钢、或抗腐蚀合金制成的材料，所述抗 腐蚀合金包括钢、铸铁、不锈钢、双相不锈钢、镍或钴基合金、钛基合金、其它Fe-M合金(例 如不胀钢)，或用于接合其它异金属(例如钢和镍)。在天然气输送和储存类应用的又一个 形式中，在此公开的焊接组合物可用于接合/加工LNG、CNG和PLNG储存和/或输送结构。 这包括模块LNG结构、运输船、转移构件和管路，以及有关技术(例如9%镍罐、不胀钢罐)。在油和气勘探和生产应用中，在此公开的应变硬化的高强度镍基合金焊接金属组 合物还可用于接合和修理各种用于油和气井完井和生产中的结构。这些结构包括但不限于 海上和陆上的生产结构、油管路、储油罐、套管/管道、完井和生产构件、流送管连接的铸造 结构、海底构件、井下管状产品(例如0CTG)、干舷及相关结构、脐带、易倾船和供应船以及 火炬塔。更特别地，例举性的海上生产结构包括夹套式平台、移动式海上钻井装置和相关的 生产构件例如套管、锚索、立管和海底设施。移动式海上钻井装置包括但不限于半潜式钻探 平台和升降式钻探平台、TLP、DDCV、柔性塔架、FPS0、FS0、船舶、油船等。例举性海底构件包 括但不限于双工结构(duplex)、歧管体系、开采树和Β0Ρ。例举性干舷及相关结构包括甲板 上层结构、钻机、住舱、直升机坪和相关结构。应当理解FSW可用于形成包含这种结构与构 件的焊接点以及FSP可用于修理和处理包含这种结构的焊接点或接合点。
在下游应用中，在此公开的应变硬化的高强度镍基合金焊接金属组合物适合于接 合和修理用于精炼和化工装置中的结构与构件。在此公开的焊接组合物尤其是通过修理构 件/结构、接合异金属、接合钢结构和接合难焊接的材料如铸铁而在精炼和化工装置应用 中提供优势。这些应用包括但不限于铸铁、换热器管以及低温和高温处理与压力容器。例 举性的低温和高温处理与压力容器包括蒸汽裂化管、蒸汽转化管和精炼结构与构件。在此公开的应变硬化的高强度镍基合金焊接金属组合物还在许多除油、气和石化 工业以外的工业中得到应用。例如，运输(包括汽车)、建筑和器械工业是其中在此公开的 应变硬化的高强度镍基合金焊接金属组合物也可在接合金属结构中具有益处的领域。在本发明的实践中，无论是使用在此公开的新型焊接组合物进行熔融焊接、FSW、 FSP、激光束焊接或电子束焊接，在足以提供基于焊件的预定用途具有预选性能或性能组的 焊接结合点或破裂修理的条件下进行该方法。例如，如果焊件的使用需要韧性超过疲劳，则 选择有利于使焊接点具有那些性能的条件。在一种使用在此公开的应变硬化的高强度镍基合金焊接金属组合物的焊接方法 形式中，获得了各种基底金属的焊接性能的数据库并且其与进行焊接或修理的焊接条件相 关联，所述焊接性能包括但不限于韧性、强度、应变或收缩、硬度、疲劳、晶粒大小等。然后当 根据预定应用选择焊接接合点的性能或性能组时，所使用的焊接组合物和焊接或修理条件 选自产生所选性能的那些条件。如容易理解的，在以上实施方案描述的工件不必由相同的基底金属形成。类似地， 焊接金属组合物不必由与工件相同的金属形成。由此，工件通常由含铁材料和焊接金属形 成，所述焊接金属包含不同材料的在此公开的焊接组合物(在此公开的应变硬化的高强度 镍基合金焊接金属组合物)。然而，工件可由非铁材料(如镍基合金)形成并使用在此公开 的应变硬化的高强度镍基合金焊接金属组合物焊接。申请人:尝试公开所公开主题的可合理预见的所有形式和应用。然而，可能仍然存 在与其等效的不可预见的、非实质性改变。尽管本发明已经接合其特定的、例举性形式予以 描述，显然在不脱离本发明精神和范围的情况下，根据上述描述，许多改变、改进和变化对 于本领域技术人员将是显而易见的。因此，本发明用来涵盖上述详细说明的所有这种改变、 改进和变化。通过参考形式将所有的专利、测试步骤及在此引用的其他文献(包括优先权文 件)充分引入到以下程度这些公开内容与本发明一致并且对于所有的权限，这种引入是 允许的。当在此列出数字下限和数字上限时，意指从任何下限到任何上限的范围。位于在 此的详细说明和权利要求中的所有数值还理解为可通过“大约”修饰。
1权利要求
一种焊件，其包含两个或更多个铁或非铁构件片段，和使相邻的构件片段结合在一起的熔融焊接点、摩擦搅拌焊接点、电子束焊接点、激光束焊接点或其组合，其中焊接点包含应变硬化的镍基合金焊接金属组合物，该组合物基于镍基合金焊接金属组合物的总重量包含大于或等于10wt％的Mo。
2.权利要求1的焊件，其中Mo大于或等于15wt%。
3.权利要求1的焊件，其还包含大于或等于3衬％的W。
4.权利要求1的焊件，其还包含大于或等于5衬％的Cr。
5.权利要求1的焊件，其还包含一种或多种选自V、Ti、C0、Mn、Ta、&、Hf、mJM、-Jjg 及其组合的合金元素。
6.权利要求1的焊件，其中镍基合金焊接金属组合物选自HastelloyB_2、Hastelloy C-276及其组合。
7.权利要求1的焊件，其中焊件的屈服强度大于或等于551.BMPa0
8.权利要求1的焊件，其中两个或更多个铁或非铁构件选自高强度钢、普通碳钢、铸 铁、CE等于或大于0. 48的高碳钢、钛合金、镍基合金、钴基合金、铁镍合金、不锈钢和双相不 锈钢。
9.权利要求8的焊件，其中高强度钢是X-65钢或X-80钢。
10.权利要求1的焊件，其中形成熔融焊接点的方法选自SMAW、SAW、GMAff,FCAff, PAW、 ESW、EGW、Rff 禾口 OFW0
11.权利要求1的焊件，其中摩擦搅拌焊接条件包括用于影响焊接点的摩擦搅拌焊接 工具的转速、载荷和移动速度。
12.权利要求1的焊件，其中该焊件相对于两个或更多个铁或非铁构件显示一种或多 种增加的抗疲劳性、增加的韧性、增加的应变能力、增加的拉伸强度、增加的抗应力腐蚀破 裂性、更高的抗氢脆性和增加的过匹配条件。
13.权利要求1的焊件，其用于石油、天燃气和石化工业、运输工业、器械工业和建筑工 业中的焊接结构。
14.权利要求13的焊件，其中在石油、天燃气和石化工业中的结构包括高强度管路、钢 悬链立管、顶部张力立管、带螺纹的构件、液化天然气贮存器、加压液化天然气贮存器、深水 石油钻柱、立管/套管接头、井头设备、流送管、收集管、传输管、装运船、转移构件、储罐和 膨胀环。
15.权利要求13的焊件，其中在石油、天燃气和石化工业中的结构用于油和气井完井 和生产结构与构件。
16.权利要求15的焊件，其中油和气井完井和生产结构与构件选自用于流动连接的铸 造结构、海底构件、套管/管子、完井和生产构件、井下管状产品、石油管路、储油箱、海上生 产结构/构件、干舷、甲板上层结构、钻机、住舱、直升机坪、脐带、易倾船和供应船以及火炬士X
17.权利要求16的焊件，其中海上生产结构/构件选自夹套式平台、移动式海上钻井 装置、套管、锚索、立管、海底设施、半潜式钻探平台、升降式钻探平台、TLP、DDCV、柔性塔架、 FPS0、FS0、船舶和油船。
18.权利要求16的焊件，其中海底构件选自双工结构、歧管体系、采油树和Β0Ρ。
19.权利要求13的焊件，其中该结构用于油和气精炼厂和化工厂的结构与构件，并且 其中油和气精炼厂和化工厂结构与构件选自铸铁构件、换热器管以及低温和高温处理与压 力容器。
20.权利要求19的焊件，其中低温和高温处理与压力容器选自蒸汽裂化管和蒸汽转化管。
21.一种接合两个或更多个金属结构的方法，其包含提供两个或更多个铁或非铁构件片段，和将相邻的构件片段熔融焊接、摩擦搅拌焊接、电子束焊接、激光束焊接或其组合焊接在 一起，其中焊接点包含应变硬化的镍基合金焊接金属组合物，该组合物基于应变硬化的镍基 合金焊接金属组合物的总重量包含大于或等于10衬％的Mo。
22.权利要求21的方法，其中在环境条件下进行焊接点的冷却。
23.权利要求21的方法，其中使用用于增加焊接点的冷却速率的人工装置进行焊接点 的冷却。
24.权利要求21的方法，其中Mo大于或等于15wt%。
25.权利要求21的方法，其中焊接点还包含大于或等于3衬％的W。
26.权利要求21的方法，其中焊接点还包含大于或等于5衬％的Cr。
27.权利要求21的方法，其中焊接点还包含一种或多种选自V、Ti、Co、Mn、Ta、&、Hf、 铝、锡、硅、铌及其组合的合金元素。
28.权利要求21的方法，其中镍基合金焊接金属组合物选自HastelloyB_2、 Hastelloy C-276 及其组合。
29.权利要求21的方法，其中焊接点的屈服强度大于或等于551.6MPa。
30.权利要求21的方法，其中两个或更多个铁或非铁构件选自高强度钢、普通碳钢、铸 铁、CE等于或大于0. 48的高碳钢、钛合金、镍基合金、钴基合金、铁镍合金、不锈钢和双相不 锈钢。
31.权利要求30的方法，其中高强度钢是X-65钢或X-80钢。
32.权利要求21的方法，其中熔融焊接步骤选自SMAW、SAW、GMAW、FCAW、PAW、ESW、EGW、 Rff 禾口 OFW。
33.权利要求21的方法，其中摩擦搅拌焊接步骤条件包括用于影响焊接点的摩擦搅拌 焊接工具的转速、载荷和移动速度。
34.权利要求21的方法，其中相对于两个或更多个铁或非铁构件，该焊接点显示一种 或多种增加的抗疲劳性、增加的韧性、增加的应变能力、增加的拉伸强度、增加的抗应力腐 蚀破裂性、更高的抗氢脆性和增加的过匹配条件。
35.权利要求21的方法，其用于焊接石油、天燃气和石化工业、运输工业、器械工业和 建筑工业中的结构。
36.权利要求35的方法，其中用于石油、天燃气和石化工业的结构包括高强度管路、钢 悬链立管、顶部张力立管、带螺纹的构件、液化天然气贮存器、加压液化天然气贮存器、深水 石油钻柱、立管/套管接头、井头设备、流送管、收集管、传输管、装运船、转移构件、储罐和 膨胀环。
37.权利要求35的方法，其中用于石油、天燃气和石化工业的结构用于油和气井完井 和生产结构与构件中。
38.权利要求37的方法，其中油和气井完井和生产结构与构件选自用于流动连接的铸 造结构、海底构件、套管/管子、完井和生产构件、井下管状产品、石油管路、储油箱、海上生 产结构/构件、干舷、甲板上层结构、钻机、住舱、直升机坪、脐带、易倾船和供应船以及火炬士X
39.权利要求38的方法，其中海上生产结构/构件选自夹套式平台、移动式海上钻井 装置、套管、锚索、立管、海底设施、半潜式钻探平台、升降式钻探平台、TLP、DDCV、柔性塔架、 FPS0、FS0、船舶和油船。
40.权利要求38的方法，其中海底构件选自双工结构、歧管体系、采油树和Β0Ρ。
41.权利要求35的方法，其中该结构用于油和气精炼厂和化工厂的结构与构件，并且 其中油和气精炼厂和化工厂结构与构件选自铸铁构件、换热器管以及低温和高温处理与压 力容器。
42.权利要求41的方法，其中低温和高温处理与压力容器选自蒸汽裂化管和蒸汽转化管。
43.一种将两个或更多个铁或非铁构件焊接以产生具有为预定应用选择的特定性能或 性能组的焊接点的方法，该方法包括获得镍基焊接点的焊接性能数据库，所述焊接点通过在多种条件下并且从各种焊接金 属组合物进行熔融焊接、摩擦搅拌焊接、电子束焊接、激光束焊接或其组合焊接形成； 将焊接条件和焊接金属组合物与焊接性能关联；从数据库选择将产生具有最适合于预定应用的性能或性能组的焊接点的焊接条件； 使构件在所选择的条件下进行熔融焊接、摩擦搅拌焊接、电子束焊接、激光束焊接或其 组合焊接以形成焊接结构，其中焊接点包含应变硬化的镍基合金焊接金属组合物，该组合物基于应变硬化的镍基 合金焊接金属组合物的总重量包含大于或等于10衬％的临。
44.权利要求43的方法，其中焊接点还包含大于或等于3wt%的W。
45.权利要求43的方法，其中镍基合金焊接金属组合物选自HastelloyB_2、 Hastelloy C-276 及其组合。全文摘要
本发明提供应变硬化的高强度镍基合金焊接点，其在接合高强度金属时产生改进的性质和性能。有利的焊件包括两个或更多个铁或非铁构件片段，和使相邻的构件片段结合在一起的熔融焊接点、摩擦搅拌焊接点、电子束焊接点、激光束焊接点或其组合，其中该焊接点包含应变硬化的镍基合金焊接金属组合物，该组合物基于镍基合金焊接金属组合物的总重量包含大于或等于10wt％的Mo。本发明还提供了用于从镍基合金焊接组合物形成焊接点的方法。应变硬化的高强度镍基合金焊接点用于石油、天然气和石化工业中，用于天然气输送和储存、油和气井完井和生产、以及油和气精炼厂和化工厂。
文档编号B23K9/022GK101945724SQ200880126881
公开日2011年1月12日 申请日期2008年12月16日 优先权日2007年12月17日
发明者D·B·利利格, D·P·费尔柴尔德, N·S·蒂鲁马莱, R·艾尔, S·J·福特, 陈炫佑 申请人:埃克森美孚研究工程公司