专利名称：通过沉淀硬化的高强度镍合金焊缝的制作方法
技术领域：
本公开主要涉及钢结构和部件的焊接领域。具体而言，本公开涉及采用经沉淀硬 化的镍基焊接金属焊接钢结构和部件以获得高性能接头。
背景技术：
背景技术：
为方便起见，将说明书中采用的各种焊接术语在下面的术语表中进行了定义。术语表CRA 抗腐蚀合金，一种用于可能出现腐蚀问题的完成部件的特殊配制的材料。抗 腐蚀合金可以配制用于宽范围的侵蚀性条件。HAZ:热影响区。热影响区毗邻焊接线并受焊接热量影响的基材金属。韧性抗裂纹产生性能。疲劳度循环载荷作用下的抗断裂性能。微动疲劳微动磨损涉及经受小的循环相对切向运动的表面之间的接触。抗微动 疲劳性能是缺口金属件或有孔金属件中的抗断裂性能。屈服强度承受负荷而不变形的能力。FS:搅拌摩擦。FSW:搅拌摩擦焊接。搅拌摩擦焊接为了在两个工件之间产生焊接接头的固态连接工艺，其中用于连 接金属工件的热量是通过插入工件间的工具旋转销产生。FSP:搅拌摩擦处理。搅拌摩擦处理通过将针部分地插入在结构中把FSW工具压于表面来处理和调节 结构表面的方法。焊接接头焊接接头包括熔融的或热机械性改变的金属和在熔融金属“附近”但除 熔融金属外的基材金属。被认为在熔融金属“附近”的基材金属的部分取决于焊接领域已 知的那些因素而不同。焊件通过焊接连接的一组部件。焊接能力焊接特定金属或合金的可行性。许多因素影响焊接性能，包括化学、表 面精加工、热处理倾向等等。碳当量用于定义钢的焊接性能的参数，其表示为式CE = C+Mn/6+ (Cr+Mo+V) /5+ (Ni+Cu) /15，其中所有单位为重量百分数。氢裂焊接后在焊缝中发生的破裂。TMAZ 热机械影响区。热机械影响区同时经历温度周期变化和塑性变形的连接区域。TMAZ-HZ 焊件中最硬的区域。
6为甲烷，在大气压和低温下液化。CNG 压缩天然气。在高度压缩(但未到液化点)的高压表面容器中的天然气。PLNG 加压液化天然气。气体，主要为甲烷，在中等压力和低温(温度高于LNG)下 液化。SCR 钢悬链线立管。用单悬链线从平台悬挂并水平连接到海底的深海钢立管。TTR 顶部张紧立管。海上石油钻塔上的立管，其被置于张力状态下，以在海洋立管 的管中保持平稳压力。不胀钢专门设计以具有低热膨胀系数的铁和镍的合金。双相钢由两相(特别是奥氏体和铁素体)组成的钢。树管系用于控制来自井的油和气的流的阀门、管道和配件的组合装置。BOP 防喷器。安装在井口，以控制钻井、完井和操作工作过程中套管和钻杆或油管 之间环形空间中的压力的装置。OCTG 石油专用管材。应用于套管、油管、平端套管衬管、短节、接箍、连接器和平端 钻杆的术语。半潜式带有没入水中的浮子或浮箱以在操作时赋予稳定性的移动钻井平台，用 于深至360米或更深的深海中。用锚定位或动力定位保持在适当的位置。自升式钻井平台带有可伸缩腿的移动钻井平台，用于不到100米深的浅水区。TLP:张力腿平台。通过许多张力保持电缆锚至海底以保持适当位置的浮式海上结 构。电缆减缓波动作用以保持平台静止。DDCV 深吃水沉箱船。深吃水表面穿入圆筒形浮子，特别适合于深海，其容纳钻井、 顶部张紧立管和干式完井。随动塔式平台窄且柔韧的塔楼和桩基支撑常规甲板，用于钻井和生产操作。其 设计使得可承受相当大的横向挠曲和力的作用，并通常用在1500到3000英尺(450至900 米)深的水中。FPSO 浮式生产储卸油装置。改装或定制的船形浮子，用于在转船运输前处理油和 气并用于油的临时储存。FS0:浮式储卸油装置。浮式存储设备，通常用于油，一般用于其中不可能或无法有 效地铺设管线到岸上的情况。生产平台将把油输送到PS0，在该处其将被储存至油轮抵达， 并连接到FSO以便将其卸下。筋束永久地系泊连接在各个结构的角上的浮式平台的管状系链。脐带缆水力制动用软管的组合装置，其还可包括电缆或光纤，用于控制来自平台 或装置的海底结构或R0V。补给船用于将乘客和补给运送至靠近岸的场所和从靠近岸的场所运出乘客和补 给的补给运输/供应船。沉淀硬化用于强化可锻材料的技术，依靠随温度而变化的固溶性而产生第二相 的细粒，其阻止晶格中位错或缺陷的移动。由于位错经常是塑性的主要携带者，因此这用于 硬化材料。也称为时效硬化。沉淀硬化通常涉及热处理或低温下的时效硬化，以促进沉淀 的形成。但是，正如本发明中所用，沉淀硬化不包括热处理或时效步骤，而是在冷却时在焊 缝中发生；即在焊态条件下。
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X-65 屈服强度为 65Ksi (65，OOOpsi)的线管钢。电子束焊(EBW)—种焊接方法，其中将高速电子束应用于要进行连接的材料。一 旦发生碰撞，由于电子的动能被转化成热，工件熔化，并且如果使用填充金属，则填充金属 也熔化形成焊缝的一部分。不施加压力，也不用保护气体，虽然经常在真空条件下进行焊接 以防止电子束的扩散。激光焊(LBW)—种通过使用激光，用于连接多个金属件的焊接方法。激光束提供 集中的热源，使得可以得到窄且深的焊缝和高的焊接速度。长期的需要大多数钢结构是采用钢(也称为含铁基或铁基)焊接金属焊接的。这些钢焊缝一 般是含有约0. Iwt%的碳和最高达2-3衬％的其它合金元素(比如Mn、Ni、Cu和它们的组 合)的铁。在这些含铁焊缝/焊件中产生的韧性和残余压力是钢基的性能、焊接金属的类 型和与焊接处理相关的热周期之间复杂的相互作用的结果。大部分焊接结构的性能(例如 承载能力、疲劳、环境开裂)是由焊件(由焊缝和热影响区HAZ组成)的性能控制的。虽然 可以通过焊接金属化学组成的设计来控制焊缝的性能，但是接头性能是由基材/焊接金属 化学组成之间复杂的相互作用和焊接工艺控制的。从以往来看，大多数钢结构都是采用铁 基焊接金属通过熔焊连接的。采用铁基焊缝的主要原因在于它们的低成本、通过合金配制 能与基材金属强度相匹配的能力以及工业中的广泛使用。虽然对于许多陆基结构应用而言的焊件完整性缺陷可以通过增加冗余量来调节， 但是这类方法对于海上和深海结构来说是不切实际或不经济的，因为对于海上和深海结构 而言部件的重量是关键性的。在这些结构中，有必要加强焊件完整性以使得它们不会对结 构的完整性产生限制。金属部件比如管道和管材的连接，以形成用于油、气和地热井等的 管线，大部分是采用这些传统的铁基焊接金属通过钢结构或部件的传统电弧焊或熔焊实现 的。电弧或熔焊通常涉及钢焊接金属的熔化以便形成连接两个含铁部件或构件的接头。这种含铁基的金属接头通常具有可接受的性能，然而，焊件在强度、韧性和完整性 上的改善将会进一步提高焊件的性能，并相应地提高结构/部件性能。例如，在焊接海上管 线用钢管与含铁基焊件中，存在着产生自悬挂于铺管船船尾的完成的管(completed pipe) 的弯曲应力的问题。此外，传统的含铁基熔融焊接接头受到其它属性的影响，它们也会降低 接头的机械完整性。这些属性的例子有拉伸残余应力、氢裂、未融合缺陷和低的韧性。采用由Inconel 625组成的镍合金焊缝焊接一些高强度钢(例如X_65钢管)以 获得焊件较好的疲劳强度。在这些接头中，Inconel 625合金的屈服强度(约70Ksi)比待 被焊接的X-65钢的屈服强度(65Ksi)更大，这提供了过匹配(overmatched)条件。接头的 这种疲劳强度的改善主要来源是产生自Inconel 625镍合金焊件良好的疲劳性能。然而， 当焊接更高强度钢管(例如X-80钢-屈服强度为80Ksi (551. 6MPa))时，Inconel 625不 能提供过匹配条件，因此需要新的焊接金属组合物和形成这类组合物的方法，它能提供比 本领域已知的焊接金属组合物更高的屈服强度以便改善焊件的性能。更特别地，需要更高 强度的镍合金焊接金属组合物，用于连接高强度含铁和非铁基底，以无需热处理而提供过 匹配条件和改善焊件疲劳性和性能。
发明内容
MM笼统地说，本公开提供了由镍基合金制成的焊接金属的应用，其中强化来自非碳 源，以改善焊件的性能和在钢部件和结构的连接中的性能。更特别地，通过采用在焊件冷却 过程中经受沉淀硬化作用以改善性能的镍基组合物，来实现改善的焊件性能，因此发现在 连接高强度结构中的特定应用。本公开的一种形式中提供了一种有利的焊件，其包括两个或更多个含铁或非铁部 件的部分，和将所述部件的相邻部分结合在一起的熔融焊缝、搅拌摩擦焊缝、电子束焊缝、 激光束焊缝或它们的组合，其中焊缝包括沉淀硬化的镍基合金焊接金属组合物，其包括基 于镍基合金焊接金属组合物总重量大于或等于1. 4wt%的铝和钛的组合。本公开的另一种形式提供了一种连接两个或更多个金属结构的有利方法，其包 括提供两个或更多个含铁或非铁部件的部分，并将相邻的部件部分采用熔焊、搅拌摩擦 焊、电子束焊、激光束焊或它们的组合焊接在一起，其中焊缝包括沉淀硬化的镍基合金焊接 金属组合物，其含有基于沉淀硬化的镍基合金焊接金属组合物总重量大于或等于1. 4wt% 的铝和钛。本公开的另一种形式提供了一种焊接两个或更多个含铁或非铁部件以生产焊缝 的有利方法，对于预期的应用所述焊缝具有所选择的特定的一种性能或一组性能，该方法 包括获得在多种条件下和来自各种焊接金属组合物的、通过如下方法形成的镍基焊缝的 焊接性能数据库，所述方法包括熔焊、搅拌摩擦焊、电子束焊、激光束焊或它们的组合；将焊 接条件和焊接金属组合物与焊接性能相关联；从将产生具有适合所需应用的一种性能或一 组性能的焊缝的数据库中选择焊接条件；在所选用以形成焊缝结构的条件下使部件进行 熔焊、搅拌摩擦焊、电子束焊、激光束焊或它们的组合焊接；其中焊缝包括沉淀硬化的镍基 合金焊接金属组合物，其包括基于沉淀硬化的镍基合金焊接金属组合物总重量大于或等于 1. 4wt%的铝和钛的组合和15-30wt%的铬，其中该焊缝的屈服强度大于或等于551. 6MPa。新型的沉淀硬化的高强度镍基合金焊接组合物的这些和其它形式，这些组合物的 焊接方法以及这些组合物在此处公开的在油和天然气应用中的应用，将在阅读下面的详细 描述后是显而易见的。发明详述本公开涉及一种新型的镍基合金焊接组合物，为了获得良好的机械性能(比 如疲劳强度或焊件的沉淀能力)，将其进行沉淀硬化用以连接更高强度(屈服强度大于 80Ksi(551.6MPa))的钢。目前，用奥氏体合金(比如Inconel 625)来焊接高强度钢(比 如X-65级线管钢)。Inconel 625焊缝的强度约为70Ksi (482. 6MPa)，这就为X-65钢 (屈服强度为65Ksi(448. 2MPa))提供了所需的过匹配(overmatch)。Inconel625包括 22wt% Cr,9fft% Mo,3fft% Nb,5fft% Fe,0. 6wt % Al+Ti 和余量 Ni。对于屈服强度大于 80Ksi (551. 6MPa))的钢，过匹配的焊缝要求具有约90Ksi (620. 5MPa)或更高的屈服强度的 镍合金焊接金属组合物，这就需要新型的焊接金属组合物以便获得过匹配条件。在单相镍 合金中获得所需的强度是有利的，所述单相镍合金中强化的单一来源是通过强化沉淀物。 采用此处公开的镍焊接金属组合物，可以通过焊缝冷却过程中形成的强化沉淀物获得更高 的焊缝强度。
虽然焊件性能可能会受到焊接工艺的影响，但是已经发现如果焊接金属具有与那 些要焊接的钢基部件实质不同的组成和性能，就可以获得相当或更大的作用。具体地，焊接 金属的热膨胀系数和控制相变温度的能力(在某些系统中)提供了更好地控制焊接金属性 能的能力。另外，焊接金属的晶体结构(例如立方体对六边形)和其对工程流程的影响对 焊件性能有显著影响。已经发现，可以专门设计沉淀硬化的镍基合金金属组合物以在连接 含铁和非铁基金属部件时获得提高焊件完整性的特定性能。2007年9月19日提交的美国专利申请第11/901，488号公开了用于油、气和/或 石化应用的金属结构和形成这种结构的方法，其中所述金属结构采用非铁焊接金属组合物 或高合金焊接金属组合物连接。焊接的金属结构包括两个或更多个含铁或非铁部件的部 分，和将相邻的部件部分焊接在一起的熔融焊缝、搅拌摩擦焊缝或它们的组合，其中焊缝包 括与两个或更多个部件的金属组成实质不同的非铁焊接金属组成或高合金焊接金属组成。 所得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、沉淀能力、强度、抗应力 腐蚀断裂和抗氢脆性上表现出改进。美国专利申请第11/901，488号在此处全文引入作为 参考。本公开涉及一种特定的焊接金属化学设计，以通过焊态条件下的沉淀硬化获得更 高强度的镍合金熔融焊缝、摩擦焊缝、激光焊缝和/或电子束焊缝。焊态条件意指焊缝在焊 接后不进行单独的热处理步骤，而是在焊接步骤后简单冷却，以产生此处公开的优良性能。 特定的镍合金基焊接金属化学可以与现有焊接实践结合，并可用现有的硬件实施。已经发 现镍基合金焊缝的沉淀硬化反应可以通过合金的化学组成控制。而且还发现向镍中添加某 些合金元素，比如々1、11、他、!^、&、￥和/或1^增加了改善焊件性能所需的沉淀物。因此， 具有特定浓度的Al、Ti、Nb、Ta、Hf、Zr、V和/或其它沉淀元素的镍合金提供了用于连接含 铁金属的更高强度焊缝。已经发现Al和Ti的组合是镍基合金中有效的沉淀元素。本公开提供了更高强度的镍基合金焊缝和通过沉淀硬化获得该焊缝的方法。以前 并未发现在焊态条件下通过沉淀硬化而强化镍合金焊缝。按照惯例，通过时效热处理而强 化沉淀硬化的镍合金，所述时效热处理包含将合金暴露于500-800°C范围内的中温。然而， 为了获得强度而热处理焊缝是不实际或不经济的。需要在焊态条件下获得焊接金属强度。 为了通过沉淀硬化获得焊接金属强度，必须调整焊接金属的组成以在焊缝的自然固化或冷 却过程中引起沉淀。这是通过对存在的元素(比如Al、Ti、Nb和类似的沉淀硬化元素)小 心控制焊接金属的过饱来实现的。如果所述元素的过饱和太低，则焊接金属可能无法获得 足够的强度。在另一方面，如果过分过饱和，焊接金属强度可能过高并伴随延性和韧性的降 低。已经发现必须存在这些沉淀硬化元素的特定量和组合，以在镍基焊缝中获得足够的强 度和韧性。在本公开的一个有利形式中，此处公开的高强度镍基合金焊接组合物包括 作为沉淀元素的铝和钛的组合。铝的范围为镍基焊接金属组合物的0.5-6. 0wt%，或
0.5-5. Owt %，或 0. 5-2. 5wt %，或 1. 0-2. Owt %，或 1. 07-1. 7wt %，或 1. 13-1. 5wt %，或 1.28-1.50wt%。在一个有利形式中，铝至少是镍基焊接金属组合物的1.0Wt%。钛可以 是焊接金属组合物的 0. 5-4. Owt %，或 0. 9-2. 5wt %，或 0. 9-2. Owt %，或 1. 5-2. Owt %，或
1.56-1. 96wt%，或1. 60-1. 85wt%。在一个有利形式中，钛至少是镍基焊接金属组合物的 1. Owt %。铝和钛的组合在焊接金属组合物中的范围可以为2. 0-8wt%，或2. 5-6. Owt %,或2. 5-5. 0wt%，或3. 0-5. 0wt%，或3. 0-4. Owt%。在一个有利形式中，为了在沉淀硬化后 获得高强度，基于镍基合金焊接金属组合物的总重量，铝和钛的组合大于或等于1. 4wt%, 或大于或等于2. Owt %，或大于或等于3. Owt %，或大于或等于4. Owt %，或大于或等于 5. 0wt%。如果镍基焊接金属组合物中同时存在铝和钛，当冷却焊缝时，形成包括镍、铝和钛 的沉淀物。钛在沉淀硬化期间有效帮助所形成沉淀物的快速成核。此外，其它沉淀元素，包括但不限于Na、Ta、Hf、Zr, V及其组合，也可在镍基焊接金 属组合物中存在或者代替铝或钛。这些其它沉淀元素(妝、1^、肚、21~、￥及其组合)的范围可 以是镍基焊接金属组合物的 0. 5-4. Owt%,0. 5-2. 5wt%，或 1. 0-2. (^{%，或 1. 5-2. Owt% 为了在焊态条件下获得强度，沉淀硬化元素(例如Al、Ti、Na、Ta、Hf、Zr、V及其组合)的 量应该在特定的范围。为了获得大于SOKsi的强度水平，这些组合元素的总量可能至少为 2wt%。极高浓度的这些组合元素(例如大于8% )可能会导致非常高的强度，但韧性差。在此处公开的镍基焊接金属组合物的另一个有利形式中，铬还可以以10_30wt%、 或15-30 丨％、或15-28wt%、或15-20 丨％、或20_25wt%的量存在。铬可添加到镍基合金 中以降低在沉淀硬化过程中形成的沉淀相的溶解度。这些组合物还包括铝和钛的组合，以 有助于形成焊态形式的沉淀硬化。在此处公开的镍基焊接金属组合物的另一个有利形式 中，钴可以以l_20wt%，或2-15wt%，或3-10wt%的范围存在。仍在此处公开的镍基焊接 金属组合物的另一个有利形式中，钼可以以l_20wt%，或2-15wt%，或3-10衬％的范围存 在。也是在此处公开的另一个镍基焊接金属组合物的有利形式中，铬、钼、钴的组合也可以 以 10-3(^1%，或 15-3(^1%，或 15-28wt%，或 15-2(^1%，或 20-25wt%的范围存在。用于 固溶液的钴、钼和/或铬强化并还提高了沉淀硬化元素的有效性。当用作焊接金属连接含铁和非铁基材时，提供用于沉淀硬化的可商购得到的镍 基合金的非限制示例包括可锻铁镍基合金(比如Inc0ne1718)和铸造镍基合金(比 如 MAR-M200)。Inconel 718 的组成如下52. 5wt % 镍，18. 5wt % 铁，19wt % 铬，0. 9wt % 钛，0. 5wt%铝，5. 13wt %钽铌组合，3. 05wt %钼，和最大Iwt %钴。MAR-M200的组成如 下5· Owt %镍，2. Owt %It, 12. 5wt%钨，9. Owt %铬，1. Owt %铌，10. (^{%钴，0· 15wt%碳， 0. 015wt%的硼，0. 05wt%锆和余量镍。Inconel 718包括1.Ti和Al的组合，还包 括另外的5. 13wt%的沉淀元素Nb和Ta的组合。因此，Inconel 718中沉淀元素的总wt% 是6. 53wt %。MAR-M200含有7. Owt %的Ti和Al的组合，还包括1. Owt %的其它沉淀元素 Nb,因此，MAR-M200中的沉淀元素的总胃1%是8. 0wt%。可选择地，用于沉淀硬化的镍基合金可以是非市售的镍基合金。适合于沉淀硬化 的非市售镍基合金的非限制示例包括下表1中的那些。表1中的铝和钛负荷的组合范围为 合金的3-6wt%。一些线材也可包括其它合金元素，比如用于固溶液强化的Mo或用于沉淀 硬化的Nb。沉淀硬化的Y相的体积百分数应该在20-38%。用于强化各个不含钼的镍基 焊接金属化学组成的Y相的量的范围从用于强化线材#1的较低水平到用于强化线材#3 的较高水平。对于这些不含钼的合金，将由更高的Al和Ti负荷的组合(线材#l(4wt%)， 线材#2(5wt%)，线材#3(6wt%))和γ相中相应的体积百分数增加(线材#l(25Vol%)， 线材#2(32Vol% )，线材#3(38Volwt% ))产生更高的强化。表1 镍基焊接金属化学组成
1权利要求
一种焊件，包括两个或更多个含铁或非铁部件的部分，和将所述部件的相邻部分结合在一起的熔融焊缝、搅拌摩擦焊缝、电子束焊缝、激光束焊缝或其组合，其中所述焊缝包括沉淀硬化的镍基合金焊接金属组合物，其基于所述镍基合金焊接金属组合物的总重量计包括大于或等于1.4wt％的铝和钛的组合。
2.如权利要求1的焊件，其中所述铝和钛的组合大于或等于2.Owt%。
3.如权利要求1的焊件，其中所述铝和钛的组合大于或等于3.Owt%。
4.如权利要求1的焊件，其中基于所述镍基合金焊接金属组合物的总重量计，钛至少 为 1. Owt%。
5.如权利要求1的焊件，其中基于所述镍基合金焊接金属组合物的总重量计，铝至少 为 1. Owt%。
6.如权利要求1的焊件，还包括基于所述镍基合金焊接金属组合物的总重量计 15-30wt% 的铬。
7.如权利要求1的焊件，还包括大于或等于1衬％的临。
8.如权利要求1的焊件，还包括大于或等于1衬％的Co。
9.如权利要求1的焊件，还包括另外的选自Nb、Ta、Hf、Zr、V和其组合的沉淀元素。
10.如权利要求9的焊件，其中基于所述镍基合金焊接金属组合物的总重量计，所述另 外的沉淀元素至少为0. 5wt%。
11.如权利要求1的焊件，其中所述镍基合金焊接金属组合物选自Inconel718、 MAR-M200及其组合。
12.如权利要求1的焊件，其中所述焊件的屈服强度为大于或等于551.6MPa。
13.如权利要求1的焊件，其中所述两个或更多个含铁或非铁部件选自高强度钢、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。
14.如权利要求13的焊件，其中所述高强度钢是X-65钢或X-80钢。
15.如权利要求1的焊件，其中形成所述熔融焊缝的方法选自SMAW、SAW、GMAff,FCAff, PAW、ESW、EGW、Rff 禾口 OFW0
16.如权利要求1的焊件，其中所述搅拌摩擦焊接的条件包括转动速度、用于影响所述 焊接的搅拌摩擦焊接工具的负荷和行走速度。
17.如权利要求1的焊件，其中所述焊件表现出一种或多种以下性能提高的抗疲劳 性、提高的韧性、提高的抗张强度、提高的抗应力腐蚀开裂性、较高的抗氢脆性和相对于两 个或更多个含铁或非铁部件提高的过匹配条件。
18.如权利要求1的焊件，其用于焊接在油、气和石化工业、运输业、器械业和建筑业中 的结构。
19.如权利要求18的焊件，其中所述在油、气和石化工业中的结构包括高强度管线、钢 悬链线立管、顶部张紧立管、带螺纹部件、液化天然气容器、加压液化天然气容器、深海石油 钻柱、立管/套管接箍、井口设备、出油管线、集输管线、传输管线、航运船只、传输部件、储 油罐和膨胀圈。
20.如权利要求18的焊件，其中所述在油、气和石化工业中的结构用在油和气完井和 生产结构和部件中。
21.如权利要求20的焊件，其中所述油和气完井和生产结构和部件选自用于流体连 接的铸造结构、海底部件、套管/管、完井和生产部件、井下管材、输油管道、储油罐、近海生 产结构/部件、上部结构、甲板上层结构、钻机、住舱、直升机甲板、脐带缆、补给船和供应 船，和火炬塔。
22.如权利要求21的焊件，其中所述近海生产结构/部件选自导管架平台、移动式近海 钻井平台、套管、筋束、立管、海底设施、半潜式钻井平台、自升式钻井平台，TLP、DDCV、随动 塔式平台、FPSO、FSO、船舶和油轮。
23.如权利要求21的焊件，其中所述海底部件选自双向管、多头管系、树管系和BOP。
24.如权利要求18的焊件，其中所述结构用在油和气精炼和化学厂的结构和部件中， 和其中所述油和气精炼和化学厂的结构和部件选自铸铁部件、换热器管和低温和高温处理 和压力容器。
25.如权利要求24的焊件，其中所述低温和高温处理和压力容器选自蒸汽裂化炉管和蒸汽转化管。
26.一种连接两个或更多个金属结构的方法，包括提供两个或更多个含铁或非铁部件的部分；和用熔焊、搅拌摩擦焊、电子束焊、激光束焊或它们的组合将所述部件的相邻部分焊接在 一起，其中所述焊缝包括沉淀硬化的镍基合金焊接金属组合物，其包括基于所述镍基合金 焊接金属组合物总重量计的大于或等于1. 4wt%的铝和钛的组合。
27.如权利要求26的方法，其中所述焊缝的冷却发生在环境条件下或采用人工方法以 增加所述焊缝的冷却速度。
28.如权利要求26的方法，其中所述铝和钛的组合大于或等于3wt%。
29.如权利要求26的方法，其中基于所述镍基合金焊接金属组合物的总重量计，钛至 少为 1. Owt % ο
30.如权利要求26的方法，其中基于所述镍基合金焊接金属组合物的总重量计，铝至 少为 1. Owt % ο
31.如权利要求26的方法，还包括基于所述镍基合金焊接金属组合物的总重量计的 15-30wt% 的铬。
32.如权利要求26的方法，还包括大于或等于Iwt%Mo。
33.如权利要求26的方法，还包括大于或等于Iwt%的Co。
34.如权利要求26的方法，还包括另外的沉淀元素，其选自Nb、Ta、Hf、Zr、V和它们 的组合，其中基于所述镍基合金焊接金属组合物的总重量计，所述另外的沉淀元素至少为 0. 5wt%。
35.如权利要求26的方法，其中所述镍基合金焊接金属组合物选自Inconel718、 MAR-M200及其组合。
36.如权利要求26的方法，其中所述焊缝的屈服强度大于或等于551.6MPa.
37.如权利要求26的方法，其中所述两个或更多个含铁或非铁部件选自高强度钢、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。
38.如权利要求37的方法，其中所述高强度钢是X-65钢或X-80钢。
39.如权利要求26的方法，其中所述熔焊步骤选自SMAW、SAW、GMAff,FCAff, PAW、ESW、 EGW、Rff 禾口 OFW0
40.如权利要求26的方法，其中所述搅拌摩擦焊步骤的条件包括转动速度、用于影响 所述焊接的搅拌摩擦焊接工具的负荷和行走速度。
41.如权利要求26的方法，其中所述焊缝表现出一种或多种以下性能提高的抗疲劳 性、提高的韧性、提高的抗张强度、提高的抗应力腐蚀开裂性、较高的抗氢脆性和相对于两 个或更多个含铁或非铁部件提高的过匹配条件。
42.如权利要求26的方法，其用于焊接在油、气和石化工业、运输业、器械业和建筑业 中的结构。
43.如权利要求42的方法，其中在油、气和石化工业中使用的结构包括高强度管线、钢 悬链线立管、顶部张紧立管、带螺纹部件、液化天然气容器、加压液化天然气容器、深海石油 钻柱、立管/套管接箍、井口设备、出油管线、集输管线、传输管线、航运船只、传输部件、储 油罐和膨胀圈。
44.如权利要求43的方法，其中在油、气和石化工业中使用的结构用在油和气完井和 生产结构和部件中。
45.如权利要求44的方法，其中所述油和气完井和生产结构和部件选自用于流体连接 的铸造结构、海底部件、套管/管、完井和生产部件、井下管材、输油管道、储油罐、近海生产 结构/部件、上部结构、甲板上层结构、钻机、住舱、直升机甲板、脐带缆、补给船和供应船， 和火炬塔。
46.如权利要求45的方法，其中近海生产结构/部件选自导管架平台、移动式近海钻井 平台、套管、筋束、立管、海底设施、半潜式钻井平台、自升式钻井平台，TLP、DDCV、随动塔式 平台、FPSO、FS0、船舶和油轮。
47.如权利要求45的方法，其中所述海底部件选自双向管、多头管系、树管系和Β0Ρ。
48.如权利要求42的方法，其中所述结构用在油和气精炼和化学厂的结构和部件中， 和其中所述油和气精炼和化学厂的结构和部件选自铸铁部件、换热器管和低温和高温处理 和压力容器。
49.如权利要求48的方法，其中所述低温和高温处理和压力容器选自蒸汽裂化炉管和蒸汽转化管。
50.一种焊接两个或更多个含铁或非铁部件以生产焊缝的方法，所述焊缝具有为所需 应用而选择的特定的一种性能或一组性能，该方法包括获得在多种条件下和由各种焊接金属组合物形成的镍基焊缝的焊接性能数据库，所述 镍基焊缝通过熔焊、搅拌摩擦焊、电子束焊、激光束焊或它们的组合形成；使所述焊接条件和焊接金属组合物与所述焊接性能相关联；从所述数据库中选择焊接条件，所述焊接条件将产生具有最适于所需应用的一种性能 或一组性能的焊缝；在所选择以形成焊接结构的条件下，使所述部件进行熔焊、搅拌摩擦焊、电子束焊、激 光束焊或其组合；其中所述焊缝包括沉淀硬化的镍基合金焊接金属组合物，其包括基于所述沉淀硬 化的镍基合金焊接金属组合物的总重量计的大于或等于1.4wt%的铝和钛的组合，和15-30wt%的铬，并且其中所述焊缝的屈服强度大于或等于551.6MPa。
全文摘要
本发明提供了沉淀硬化的高强度镍基合金焊缝，其在连接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含铁或非铁部件的部分，和将所述部件的相邻部分结合在一起的熔融焊缝、搅拌摩擦焊缝、电子束焊缝、激光束焊缝或它们的组合，其中所述焊缝包括一种沉淀硬化的镍基合金焊接金属组合物，其包括基于所述镍基合金焊接金属组合物总重量计的大于或等于1.4wt％的铝和钛的组合。本发明还提供了一种由所述镍基合金焊接组合物形成所述焊缝的方法，其中所述沉淀硬化发生在焊态条件中。为了产生有利的强度性能，所述镍基焊缝不要求在焊接后进行单独的热处理步骤。
文档编号C22C27/06GK101939454SQ200880126499
公开日2011年1月5日 申请日期2008年11月25日 优先权日2007年12月17日
发明者丹尼尔·B·利利格, 史蒂文·J·福特, 尼尔拉吉·S·蒂鲁马里亚, 拉加万·阿耶尔, 道格拉斯·P·弗尔柴尔德, 陈炫佑 申请人:埃克森美孚研究工程公司