專利名稱：對(duì)接焊縫和使用熔焊和攪拌摩擦焊的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開(kāi)主要涉及鋼結(jié)構(gòu)中的對(duì)接焊縫。更具體地，本公開(kāi)涉及使用熔焊和攪拌摩擦焊方法組合形成的在鋼結(jié)構(gòu)中的對(duì)接焊縫。
背景技術(shù)：
接合例如成形形狀、鍛件、鑄件或板的金屬部件以構(gòu)造用于多種工業(yè)的許多結(jié)構(gòu)或構(gòu)件主要通過(guò)熔焊進(jìn)行。例如，使用各種管構(gòu)造形成用于石油、煤氣和地?zé)峋鹊墓芫€主要通過(guò)常規(guī)弧焊或熔焊進(jìn)行。數(shù)十年間，管線工業(yè)廣泛使用了若干種熔焊技術(shù)進(jìn)行管線構(gòu)造，例如有保護(hù)的金屬電弧焊(SMAW)和機(jī)械化金屬極惰性氣體保護(hù)焊(GMAW)?；『富蛉酆赴ㄈ廴诖覆牧弦援a(chǎn)生接頭。在這種工藝中，管徑越大，或管壁越厚，焊接變得越慢，因?yàn)樵诤附咏宇^中必須熔融或沉積更大量的金屬。對(duì)于岸上管線，特別是邊遠(yuǎn)地區(qū)的岸上管線，重要的是盡可能經(jīng)濟(jì)地焊接，這是因?yàn)榕c調(diào)配工人和設(shè)備到管線用地(ROW)有關(guān)的高費(fèi)用。對(duì)于海底管線，重要的是盡可能經(jīng)濟(jì)地焊接，這是因?yàn)榕c鋪管船相關(guān)的巨大成本。例如合格焊工的可得性、管道厚度、焊接生產(chǎn)率、焊縫質(zhì)量和焊接工藝的自動(dòng)化等的若干其它因素也可以在焊接工藝的選擇中起作用。使用沿用已久的熔焊工藝的管線鋼的環(huán)焊縫通常依管道的厚度而由3-20道焊縫組成。管線通過(guò)將管道的單獨(dú)的接頭環(huán)縫焊接在一起來(lái)構(gòu)造。在標(biāo)準(zhǔn)管線構(gòu)造工藝中，通過(guò)設(shè)置與焊道數(shù)大致一樣多的焊接站來(lái)實(shí)現(xiàn)干線焊接，設(shè)計(jì)各焊接站用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)或兩個(gè)特定焊道。因此，特別是在邊遠(yuǎn)地區(qū)，整個(gè)工藝需要相當(dāng)大的人力和相關(guān)費(fèi)用來(lái)容納和支持工人。構(gòu)造過(guò)程也是費(fèi)時(shí)的，這影響著管線構(gòu)造成本。有時(shí)，首先在店里將兩個(gè)管道焊接以產(chǎn)生“雙接頭”，隨后將雙接頭運(yùn)輸?shù)焦芫€用地(ROW)用于最終現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)造。在典型的現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)造過(guò)程中，將管道末端對(duì)接在一起，隨后使用焊接工藝將對(duì)接的表面熔合在一起。焊料也按制造的原樣加到焊縫中。在各焊接站處常使用焊棚來(lái)保護(hù)外部焊接活動(dòng)不受天氣因素影響。 通常，各個(gè)棚專門應(yīng)用一個(gè)或兩個(gè)焊縫。攪拌摩擦焊(FSW)是一種固態(tài)接合技術(shù)，其使用旋轉(zhuǎn)(旋壓)工具將金屬攪拌在一起以形成接頭或焊縫。旋壓工具以相當(dāng)大的力擠壓焊接的材料。對(duì)所焊接的部件垂直施加下壓力。大致平行于所焊接部件的表面施加平移力，該力用以使工具沿焊接接頭平移。如果焊接接頭由弧形路線組成，則還可以存在由FSW設(shè)備支持的橫向反作用力。FSff適合對(duì)縫焊接，但也可以用于其它接合構(gòu)造。在FSW期間產(chǎn)生的熱使與工具鄰接的材料軟化并降低其強(qiáng)度。該軟化(其從工具延伸幾毫米)對(duì)于使材料塑化是必需的且允許材料被攪拌。被機(jī)械混合的軟化區(qū)域通常被稱為攪拌區(qū)。因?yàn)樵跀嚢枘Σ梁钢袛嚢鑵^(qū)中的材料被加熱到相對(duì)高的溫度，所以其被弱化。這也包括在根部區(qū)域中的材料，所述根部區(qū)域?yàn)槁缘陀谛龎汗ぞ唔敹说拇附硬牧蠀^(qū)域。因此，在FSW期間，通常從工件下面支撐根部區(qū)域，使得攪拌區(qū)不移離焊接接頭的底部。背面支撐板常用以在FSW期間提供對(duì)攪拌區(qū)的支撐。在缺乏抵抗在FSW期間施加的下壓力的背面支撐的情況下，焊縫的攪拌區(qū)中的材料可能從焊接接頭的底部移離，產(chǎn)生有缺陷的焊縫或接頭。
希望在不使用獨(dú)立背面支撐的情況下使用FSW來(lái)接合金屬構(gòu)件，并解決可能隨背面支撐的使用而出現(xiàn)的常見(jiàn)根部缺陷的問(wèn)題。更具體地，希望在沒(méi)有背面支撐的情況下使用FSW構(gòu)造輸油輸氣管線。FSW能夠單道接合需要多個(gè)弧焊道的管道的整個(gè)壁厚或幾乎整個(gè)壁厚。然而，對(duì)于管線構(gòu)造應(yīng)用FSW的問(wèn)題之一涉及到需要背面支撐和如何使背面支撐的任何實(shí)用方法適應(yīng)在將管道焊接到新構(gòu)造的管道支線上時(shí)發(fā)生的相當(dāng)大的“前端”活動(dòng)。 在構(gòu)造工藝的前端，工人進(jìn)行例如管道開(kāi)坡口和預(yù)加熱的活動(dòng)，這可能限制進(jìn)入到管道內(nèi)部以便使用內(nèi)部背面支撐來(lái)抵抗FSW的下壓力。這種內(nèi)部背面支撐也將是需要一些動(dòng)力和遙控手段的龐大設(shè)備，這將是困難的且高成本的。另外，使用背面支撐增加根部缺陷的可能性，因?yàn)楸趁嬷尾荒茼樌剡m應(yīng)管道錯(cuò)邊、管徑變化和壁厚變化的常見(jiàn)問(wèn)題。在管線構(gòu)造期間對(duì)于FSW使用背面支撐成問(wèn)題。因此，需要對(duì)接焊縫和使用FSW形成對(duì)接焊縫的方法，其可以用強(qiáng)度足夠的根部焊接區(qū)域來(lái)形成，從而避免在FSW期間對(duì)于背面支撐的需要，由此，所述對(duì)接焊縫和形成對(duì)接焊縫的方法實(shí)現(xiàn)了在當(dāng)將兩個(gè)工件對(duì)接在一起時(shí)在根部區(qū)域中出現(xiàn)的常見(jiàn)幾何錯(cuò)邊方面使根部缺陷最小化的目標(biāo)。為了方便起見(jiàn)，下文定義在本說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)中使用的各種結(jié)構(gòu)鋼和焊接術(shù)語(yǔ)。可接受的焊件強(qiáng)度始終高于鋼基的強(qiáng)度的強(qiáng)度水平。可接受的焊件韌度如通過(guò)裂紋尖端張開(kāi)位移(crack-tip opening displacement, CT0D)試驗(yàn)測(cè)量，在小于或等于0°C下大于0. 05mm的韌度。HAZ:熱影響區(qū)。熱影響區(qū)與焊接線鄰接并受焊接熱影響的基底金屬。韌性抗斷裂性?？蛊谛栽谘h(huán)載荷下的抗斷裂性(裂紋開(kāi)始和蔓延)。屈服強(qiáng)度該強(qiáng)度對(duì)應(yīng)于在無(wú)永久變形下的承載。FS:攪拌摩擦。FSW:攪拌摩擦焊。攪拌摩擦焊在兩個(gè)工件之間產(chǎn)生焊接接頭的固態(tài)接合工藝，其中通過(guò)在工件之間插進(jìn)旋轉(zhuǎn)工具并沿搭接面往復(fù)移動(dòng)該工具產(chǎn)生用于接合金屬工件的熱。FSP 攪拌摩擦工藝。攪拌摩擦工藝通過(guò)將銷部分插進(jìn)結(jié)構(gòu)中來(lái)相對(duì)于表面擠壓FSW工具從而加工并調(diào)節(jié)該結(jié)構(gòu)表面的方法。晶粒度基本微結(jié)構(gòu)單元尺寸的量度，其中，與相鄰單元相比，各單元具有顯著不同的晶向和/或基本微觀結(jié)構(gòu)。在此處使用時(shí)，晶粒度是指金屬的平均晶粒度，其可以通過(guò)冶金學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的若干種技術(shù)之一來(lái)測(cè)量。一種這樣的技術(shù)描述在ASTM E1382 或E112中。焊接接頭包括熔合金屬或熱-機(jī)械改變的金屬和“靠近”熔合金屬、但在熔合金屬以外的基底金屬的焊接接頭。被視為“靠近”熔合金屬的那部分基底金屬依焊接工程領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的因素而變化。
焊件通過(guò)焊接接合的組成部件的組合件。焊接性焊接特定金屬或合金的可行性。許多因素影響焊接性，包括化學(xué)作用、表面光潔度、熱處理趨勢(shì)、缺陷形成傾向等。碳當(dāng)量用于定義鋼的焊接性并通過(guò)式CE = C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15來(lái)表示的參數(shù)，其中所有單位都是重量％。Pcm 用于定義鋼的焊接性并通過(guò)式 Pcm = C+Si/30+ (Mn+Cu+Cr) /20+Ni/60+Mo/15 +V/10+5B來(lái)表示的參數(shù)。氫致開(kāi)裂焊接后在焊縫中出現(xiàn)且由所吸收的氫、例如殘余應(yīng)力的應(yīng)力和易受影響的微觀結(jié)構(gòu)如馬氏體(martensite)的存在引起的開(kāi)裂。TMAZ 熱-機(jī)械影響區(qū)。熱-機(jī)械影響區(qū)經(jīng)受溫度循環(huán)和塑性變形二者的FSW接頭的區(qū)域。TMAZ-HZ :TMAZ_硬化區(qū)，在FSW焊件中的最硬區(qū)域。脫落在FSW期間由于所焊接部件下面支撐不足、在FSW工具之下被加熱且軟化的材料從焊接接頭移離引起的情形。變形的材料留下常表現(xiàn)為從材料表面上升的突起的永久性幾何變化。脫落的量度由最初工件表面的位置與材料拋送(material expulsion)的最遠(yuǎn)點(diǎn)之間的距離定義。過(guò)度脫落可以導(dǎo)致形成焊接缺陷。交叉焊透是指其中在由工件的兩個(gè)側(cè)面(即，頂側(cè)和底側(cè))制成的焊縫中，在焊縫的第二側(cè)面上的第一焊道穿透到焊縫的第一側(cè)面的根部焊道中的情形。實(shí)現(xiàn)交叉焊透保證了焊縫沒(méi)有內(nèi)部缺陷。雙相鋼(Duplex):由兩相、具體是奧氏體和鐵氧體組成的鋼。結(jié)構(gòu)鋼在使用期間經(jīng)受某一類型的機(jī)械載荷的鋼。馬氏體奧氏體成分(MA)冷卻時(shí)轉(zhuǎn)化為馬氏體和殘留奧氏體的混合物的在鐵氧體鋼或焊縫中的微觀結(jié)構(gòu)的殘留區(qū)域。這些區(qū)域通常為在冷卻時(shí)轉(zhuǎn)化的最后區(qū)域。MA區(qū)域由于從已經(jīng)在較高溫度下轉(zhuǎn)化的周圍區(qū)域中脫碳而穩(wěn)定化。由于穩(wěn)定作用，與周圍區(qū)域相比，奧氏體到MA的轉(zhuǎn)化在較低溫度下發(fā)生。MA區(qū)域中通常馬氏體占優(yōu)勢(shì)，而僅含小體積分?jǐn)?shù)的殘留奧氏體(小于10% )。常在經(jīng)受雙重?zé)嵫h(huán)的焊縫或HAZ的原奧氏體晶界上見(jiàn)到MA。還在退化上貝氏體和下貝氏體的基于板條的微觀結(jié)構(gòu)中的板條邊界上見(jiàn)到MA。通常在存在于結(jié)構(gòu)鋼中的任何數(shù)量的板條、板條束或晶界上觀察到MA。針狀鐵氧體(AF) :AF常為在冷卻期間在鋼焊縫中從奧氏體轉(zhuǎn)化的第一分解產(chǎn)物， 而先共析鐵氧體(多邊形鐵氧體)有時(shí)能夠首先形成。AF在小的非金屬夾雜物上成核，隨后經(jīng)受以貝氏體型轉(zhuǎn)化機(jī)制的迅速生長(zhǎng)。AF晶粒通常顯示出針狀形態(tài)，取決于冷卻速度和化學(xué)作用，其縱橫比為約2 1至20 1。該轉(zhuǎn)化包括剪切分量(shear cmponent)和擴(kuò)散分量。轉(zhuǎn)化溫度控制擴(kuò)散分量與剪切分量之間的相互作用，因此決定了 AF的形態(tài)。粒狀貝氏體(GB):是指圍繞中心定位的馬氏體-奧氏體(MA)的小“島”的一串3 至5個(gè)相對(duì)等軸的貝氏體鐵氧體晶粒。典型的“晶?！敝睆綖榧s1-2 μ m。上貝氏體(UB)是指與例如滲碳體的碳化物相的薄層或薄膜散布的貝氏體鐵氧體的針狀體或板條的混合物。鋼中最常見(jiàn)的碳含量高于約0. 15重量％。退化上貝氏體(DUB)貝氏體產(chǎn)物，其中各晶團(tuán)因剪切應(yīng)力而生長(zhǎng)成一組(束)平行板條。一些碳在板條生長(zhǎng)期間和板條生長(zhǎng)之后立即被拒絕進(jìn)入板條間奧氏體中。由于相對(duì)低的碳含量，截留奧氏體中的碳富集不足以觸發(fā)滲碳體板成核。這種成核在中碳鋼和高碳鋼中發(fā)生，導(dǎo)致形成傳統(tǒng)的上貝氏體(UB)。在DUB中的板條間奧氏體處的較低碳富集導(dǎo)致形成馬氏體或馬氏體-奧氏體(MA)混合物或可以作為殘留奧氏體(RA)而殘留。DUB可以與傳統(tǒng)的上貝氏體(UB)混同。數(shù)十年前，在中碳鋼中首先識(shí)別出的一類UB由兩個(gè)關(guān)鍵部件組成(1)以板條束生長(zhǎng)的平行板條組，和( 在板條邊界處的滲碳體薄膜。UB與DUB 的類似之處在于兩者都含有平行板條束；然而，關(guān)鍵不同之處在于板條間材料。當(dāng)碳含量為約0. 15-0. 40時(shí)，可以在板條之間形成滲碳體(F^C)。與DUB中的間斷性MA相比，這些“薄膜”可以是相對(duì)連續(xù)的。對(duì)于低碳鋼，沒(méi)有形成板條間滲碳體；而是殘留奧氏體以MA、馬氏體或RA終止。下貝氏體(LB) =LB類似于DUB具有平行板條束。LB還包括小的板條內(nèi)碳化物沉淀。這些板樣微粒始終沉淀在單晶變體上，所述單晶變體從原始板條生長(zhǎng)方向(板條的長(zhǎng)尺寸)以約55°定向。板條馬氏體(LM) =LM表現(xiàn)為薄平行板條束。板條寬度通常小于約0. 5 μ m。經(jīng)表征馬氏體板條的未回火晶團(tuán)不含碳化物，而自動(dòng)回火的LM顯示出板條內(nèi)碳化物沉淀。自動(dòng)回火的LM的板條內(nèi)碳化物在多于一種結(jié)晶變體上形成，例如在馬氏體的{110}面上形成。 滲碳體常常不是沿一個(gè)方向?qū)?zhǔn)，而是其沉淀在多個(gè)平面上。回火馬氏體(TM) :TM是指鋼中馬氏體的熱處理過(guò)的形式，其中熱處理是在爐中或通過(guò)局部措施，例如使用加熱包，進(jìn)行。該形式的回火是在焊接加工之后進(jìn)行。亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)馬氏體的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能改變引起在一定溫度范圍內(nèi)漂移(excursion)期間滲碳體的沉淀，在該溫度范圍中，滲碳體可能沉淀，但對(duì)于奧氏體的形成溫度太低。自動(dòng)回火的板條馬氏體在冷卻期間因例如焊接的操作而引起自回火的馬氏體。 就地、在冷卻時(shí)且在沒(méi)有如對(duì)于傳統(tǒng)回火進(jìn)行的再加熱的情況下發(fā)生滲碳體沉淀。珠光體通常為由鐵氧體和滲碳體(Fe53C)的交替層構(gòu)成的兩相薄片狀混合物。在低碳結(jié)構(gòu)鋼中，珠光體常表現(xiàn)在所謂的晶團(tuán)中，晶團(tuán)是指具有常見(jiàn)薄片定位的不同珠光體區(qū)域的分群。晶粒多晶材料中的個(gè)別晶體。晶界是指金屬中對(duì)應(yīng)于從一個(gè)晶向過(guò)渡到另一晶向的狹區(qū)，因此將一個(gè)晶粒與另一晶粒分開(kāi)。晶粒粗化溫度差在A3溫度與發(fā)生晶粒迅速生長(zhǎng)的溫度之間的溫度范圍。發(fā)生晶粒迅速生長(zhǎng)的溫度取決于鋼的化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)以及高溫下度過(guò)的時(shí)間量。原奧氏體晶粒度是指在鋼構(gòu)件冷卻到其中析出例如AF、GB、DUB、LB或LM的較低溫度轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的溫度范圍之前存在的平均奧氏體晶粒度。發(fā)明概述本公開(kāi)提供對(duì)接焊縫，其包括通過(guò)在結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件的一側(cè)上的熔合根部焊縫和在結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件的另一側(cè)上的攪拌摩擦焊縫的組合接合的結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件。還提供了制造這類對(duì)接焊縫的方法。應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)于結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件，在時(shí)間上首先形成熔合根部焊縫，且在時(shí)間上隨后或其次形成攪拌摩擦焊縫。因此，貫穿本說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)使用術(shù)語(yǔ)“第一熔合根部焊縫”和“第二攪拌摩擦焊縫”。在本公開(kāi)的一種形式中，有利的對(duì)接焊縫包括兩個(gè)或多個(gè)對(duì)接結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件，在所述構(gòu)件的一側(cè)上的搭接面上開(kāi)坡口以形成合適形狀的熔合根部焊縫坡口且在所述構(gòu)件的相對(duì)側(cè)的搭接面上未開(kāi)坡口并且所述構(gòu)件與在所述構(gòu)件的開(kāi)坡口側(cè)上的第一熔合根部焊縫和在所述構(gòu)件的未開(kāi)坡口側(cè)上的第二攪拌摩擦焊縫相互連接，其中所述第一熔合根部焊縫的寬度為7mm至30mm，穿透深度為2mm至20mm和過(guò)量填注為2mm至5mm，且其中所述第二攪拌摩擦焊縫的攪拌區(qū)穿透所述第一熔合根部焊縫。在本公開(kāi)的另一形式中，制造對(duì)接焊縫的有利方法包括提供兩個(gè)或多個(gè)對(duì)接結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件，在所述構(gòu)件的一側(cè)的搭接面上開(kāi)坡口以形成合適形狀的熔合根部焊縫坡口且在所述構(gòu)件的相對(duì)側(cè)的搭接面上未開(kāi)坡口，在足以形成熔合根部焊縫的條件下熔焊所述構(gòu)件的一側(cè)的坡口搭接面，其中所述熔合根部焊縫的寬度為7mm至30mm，穿透深度為2mm至 20mm和過(guò)量填注為2mm至5mm，以及在足以形成攪拌摩擦焊縫的條件下攪拌摩擦焊所述構(gòu)件的相對(duì)側(cè)的未開(kāi)坡口搭接面，其中所述攪拌摩擦焊縫的攪拌區(qū)穿透所述熔合根部焊縫以在兩個(gè)焊縫之間產(chǎn)生連續(xù)緊密連接，穿透深度從接近零毫米至5mm變化。在本公開(kāi)的又一形式中，有利的對(duì)接焊縫包括兩個(gè)或多個(gè)對(duì)接結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件，在所述構(gòu)件的一側(cè)上的搭接面上開(kāi)坡口以形成合適形狀的熔合根部焊縫坡口且在所述構(gòu)件的相對(duì)側(cè)的搭接面上未開(kāi)坡口并且所述構(gòu)件與在所述構(gòu)件的開(kāi)坡口側(cè)上的第一熔合根部焊縫和在所述構(gòu)件的未開(kāi)坡口側(cè)上的第二攪拌摩擦焊縫相互連接，其中所述第一熔合根部焊縫具有足以支撐在形成所述第二攪拌摩擦焊縫時(shí)施加的下壓力的大小和強(qiáng)度，且其中所述第二攪拌摩擦焊縫的攪拌區(qū)穿透所述第一熔合根部焊縫到足以提供連續(xù)接合表面的深度。本公開(kāi)也包括完成攪拌摩擦對(duì)縫焊接的方法，其可用于在沒(méi)有心軸的背面支撐的任何措施的情況下焊接結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件，例如板、束、管道、管線或容器。本公開(kāi)中的熔合根部焊接消除了使用例如心軸或氣囊(bladder)的內(nèi)部支撐系統(tǒng)的需要。結(jié)構(gòu)構(gòu)件通過(guò)根部焊縫結(jié)合在一起且根部焊縫提供必要的支撐以對(duì)工具插進(jìn)力和焊接下壓力做出反應(yīng)。該方法可以包括使用軌道攪拌摩擦焊系統(tǒng)。所公開(kāi)的對(duì)接焊縫和制造本公開(kāi)的對(duì)接焊縫的方法及其有利的應(yīng)用和/或用途的這些和其它形式將從如下說(shuō)明書(shū)、特別是在結(jié)合附圖閱讀時(shí)變得顯而易見(jiàn)。


為了幫助相關(guān)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員完成并使用本文中的主題，參考附圖，其中圖1為通過(guò)攪拌摩擦焊接合兩個(gè)管狀結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件的方法的示意圖。圖2為顯示金屬墊片在通過(guò)攪拌摩擦焊接合兩個(gè)管狀結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件中的用途的示意圖。圖3描繪了具有所指出的銷和凸肩的常見(jiàn)攪拌摩擦焊工具。圖4描繪了在沒(méi)有背面支撐板的情況下通過(guò)FSW對(duì)縫焊接的兩個(gè)板的示意圖。圖5描繪了在有背面支撐板的情況下通過(guò)FSW對(duì)縫焊接的兩個(gè)板的示意圖。圖6描繪了在沒(méi)有背面支撐板(a)和有背面支撐板(b)的情況下在攪拌摩擦焊期間攪拌區(qū)和根部區(qū)域的示意圖。圖7描繪了管道對(duì)接接頭的截面示意圖，其顯示出(a)管壁錯(cuò)邊，(b)假設(shè)情形， 其中在存在錯(cuò)邊的情況下將攪拌摩擦焊進(jìn)行到背面支撐上，因此導(dǎo)致無(wú)支撐的邊緣，(c)理想的焊接坡口配合、但穿透不足且具有相應(yīng)焊接缺陷的情形，和(d)攪拌摩擦焊縫穿透到背面支撐。圖8描繪了用于機(jī)械化管道對(duì)縫焊接的典型常規(guī)焊接坡口的截面示意圖。圖9描繪了管道對(duì)接接頭的截面示意圖，其顯示出(a)在熔合根部焊接和FSW之前的平坦的對(duì)接表面和小的根部坡口，(b)在根部焊接之后且在FSW之前的平坦的對(duì)接表面，(c)在根部焊接和FSW之后的平坦的對(duì)接表面，和(d)在根部焊接和FSW之后在構(gòu)件之間存在錯(cuò)邊的平坦的對(duì)接表面。在(c)中，定義了根部焊縫穿透，其為對(duì)于根部焊接強(qiáng)度關(guān)鍵的因素之一。圖10描繪了攪拌摩擦焊的示意圖，其顯示出(a)剛好穿透熔合根部焊縫的攪拌區(qū)，(b)在根部區(qū)域中存在顯著弱化的區(qū)且存在脫落，(c)在焊接之后在大直徑(30”)管道內(nèi)部的脫落，(d)在攪拌摩擦焊的板的下側(cè)上的脫落(在脫落區(qū)域中有裂紋)。圖11描繪了此處公開(kāi)的新的對(duì)接焊縫的截面，其顯示出臨界尺寸T1，該尺寸大到足以防止脫落，但又小到足以容許足夠的根部焊縫穿透。圖12描繪了此處公開(kāi)的新的對(duì)接焊縫的截面，其顯示出大的根部焊道和影響根部區(qū)域的強(qiáng)度的兩個(gè)尺寸(過(guò)量填注和焊道寬度)。圖13描繪了此處公開(kāi)的新的對(duì)接焊縫，其包括在形成攪拌摩擦焊縫期間用于熔合根部焊接的機(jī)械順應(yīng)背面支撐層。圖14描繪了用于確定最小弱化區(qū)厚度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其顯示出(a)在攪拌摩擦焊之前在板樣品背面機(jī)械加工的步進(jìn)通道的示意性透視圖，和(b)攪拌摩擦焊的機(jī)械加工的板樣品的示意性側(cè)視圖。圖15描繪了顯示不同板厚度(標(biāo)記出)的五個(gè)不同區(qū)域的拍攝的脫落實(shí)驗(yàn)板底部的照片，其中在通道的最薄區(qū)域處，存在大量脫落，且文字框中顯示的數(shù)字指示以英寸表示的實(shí)測(cè)脫落。發(fā)明詳述在此處的說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)中的所有數(shù)值都由“約”或“大約”指示值修飾，且考慮了本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以預(yù)期的實(shí)驗(yàn)誤差和變化。通過(guò)參考在此全文引入的美國(guó)專利公開(kāi)20070175967公開(kāi)了焊接并修復(fù)金屬部件中的裂紋的方法，其通過(guò)在足以提供具有基于焊件的預(yù)定用途而預(yù)選的性質(zhì)或性質(zhì)組的焊接接頭或裂紋修復(fù)的條件下使待焊金屬部件經(jīng)受攪拌摩擦焊且使待修復(fù)裂紋經(jīng)受攪拌摩擦加工來(lái)提供。通過(guò)參考在此全文引入的美國(guó)專利公開(kāi)20070181647公開(kāi)了攪拌摩擦加工和攪拌摩擦焊方法在天然氣輸送和儲(chǔ)存、油氣完井和生產(chǎn)及油氣精煉和化工廠的應(yīng)用中用于接合并修復(fù)金屬結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的用途。通過(guò)參考在此全文引入的美國(guó)專利公開(kāi)20080032153公開(kāi)了攪拌摩擦和激光沖
擊工藝在油氣和/或石化應(yīng)用中的用途。通過(guò)參考在此全文引入的PCT專利公開(kāi)W02008/045631公開(kāi)了鋼組合物和由其制造雙相鋼的方法。在一種形式中，雙相鋼包含約0. 05%重量％至約0. 12重量％的碳；約 0. 005重量％至約0. 03重量％的鈮；約0. 005重量％至約0. 02重量％的鈦；約0. 001重量％至約0. 01重量％的氮；約0. 01重量％至約0. 5重量％的硅；約0. 5重量％至約2. 0重量％的錳；和總量小于約0. 15重量％的鉬、鉻、釩和銅。所述鋼具有由鐵氧體組成的第一相和包含選自碳化物、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的一種或多種成分的第二相。通過(guò)參考在此全文引入的日本專利公開(kāi)JP2008-31494公開(kāi)了低合金結(jié)構(gòu)鋼，其具有對(duì)于在高于600°C的溫度下具有放大的鐵氧體區(qū)域和混合兩相(鐵氧體+奧氏體)區(qū)域或在通過(guò)加入例如硅(0. 4% 4% )、A1 (0. 3% 3% )、Ti (0. 3% 3% )和/或其組合的鐵氧體穩(wěn)定化元素形成的平衡相圖中奧氏體減少的相區(qū)的設(shè)計(jì)化學(xué)。通過(guò)參考在此全文引入的2008年11月18日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào) 61/199，557公開(kāi)了鋼結(jié)構(gòu)和制造這類鋼結(jié)構(gòu)的方法，所述鋼結(jié)構(gòu)包括通過(guò)具有有利微觀結(jié)構(gòu)以產(chǎn)生改善的焊件強(qiáng)度和焊件韌度的攪拌摩擦焊件結(jié)合的結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件。通過(guò)參考在此全文引入的美國(guó)專利6，259，052公開(kāi)了提供背側(cè)焊接支撐的軌道攪拌摩擦焊系統(tǒng)。通過(guò)參考在此全文引入的美國(guó)專利7，270，257也公開(kāi)了利用心軸支撐管道內(nèi)部的軌道攪拌摩擦焊系統(tǒng)。概沭此處提供了對(duì)接焊縫和制造這類對(duì)接焊縫的方法，所述對(duì)接焊縫包括通過(guò)在結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件的一側(cè)上的熔合根部焊縫和在結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件的另一側(cè)上的攪拌摩擦焊縫的組合接合的結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件。此處公開(kāi)的對(duì)接焊縫和制造方法減輕了攪拌摩擦焊期間對(duì)于背面支撐的需要。此處公開(kāi)的對(duì)接焊縫和制造這類對(duì)接焊縫的方法在碳素鋼和合金鋼的大范圍應(yīng)用、尤其是油氣工業(yè)中的管線構(gòu)造中獲得應(yīng)用。其它應(yīng)用包括制造船舶、壓力容器、貯罐和海上結(jié)構(gòu)。此處公開(kāi)的對(duì)接焊縫和制造方法也可用于其中需要大量焊接且鼓勵(lì)使用高熱輸入焊接程序、快速焊接工藝或焊道數(shù)目減少的應(yīng)用中。此處公開(kāi)的對(duì)接焊縫和制造這類對(duì)接焊縫的方法的非限制性示例性優(yōu)勢(shì)包括但不限于與熔焊相比生產(chǎn)成本降低、與熔焊相比制造焊縫的時(shí)間減少、與熔焊相比勞動(dòng)力和固定設(shè)備成本降低、焊件缺陷減少、NDE需求降低、維修成本降低且對(duì)于熟練工人的需求降低。攪拌摩擦焊工藝=攪拌摩擦焊(FSW)是一種固態(tài)接合技術(shù)，其不包括熔焊中進(jìn)行的熔融和固化。FSff 能夠在不使結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件熔融且不加入焊料的情況下接合對(duì)接表面。在攪拌摩擦焊期間，使用旋轉(zhuǎn)工具來(lái)通過(guò)經(jīng)由摩擦和增塑產(chǎn)生熱來(lái)將兩個(gè)不同工件焊接在一起。將非自耗旋轉(zhuǎn)工具推到待焊材料中，隨后使中心銷或探針、接著是凸肩與待接合的兩個(gè)部件接觸。工具旋轉(zhuǎn)發(fā)熱并引起工件的材料軟化到塑性狀態(tài)而沒(méi)有達(dá)到工件材料的熔點(diǎn)。隨著工具沿接合線移動(dòng)，材料從工具的前方掃過(guò)該塑化環(huán)帶到達(dá)工具后方，因此消除了界面。進(jìn)入塑化區(qū)域的一些材料可以在離開(kāi)焊縫背后附近之前繞旋轉(zhuǎn)工具行進(jìn)一圈以上，隨后冷卻至室溫。FSW能夠單道接合需要多個(gè)弧焊道的管道的整個(gè)壁厚，然而，存在以下討論的問(wèn)題，這些問(wèn)題用此處公開(kāi)的本發(fā)明實(shí)施方案解決?；蛘撸現(xiàn)SW可以用于接合相當(dāng)大部分的壁厚，雖然不是整個(gè)壁厚。換句話說(shuō)，在管線制造應(yīng)用中，F(xiàn)SW可以用于替換所有管線熔焊站 (棚)或只是一些熔焊站，且FSW工藝可以在內(nèi)部或外部應(yīng)用。FSW的使用可以潛在地減少管線上焊接棚的數(shù)目，由于工人和設(shè)備二者減少而節(jié)約管線ROW生產(chǎn)成本。參照?qǐng)D1，顯示了兩個(gè)被安置以使得其搭接面3和4彼此接觸的管狀工件1和2。工件1和2將沿著其搭接面3和4彼此焊接在一起。如圖1所示，攪拌摩擦焊(FSW)工具包括具有凸肩5和銷6的焊頭?？梢愿淖兺辜绾弯N的相對(duì)尺寸或形狀以適應(yīng)具體焊接需要且多種幾何形狀適合于本公開(kāi)。通過(guò)例如夾合的機(jī)械手段使工件1和2結(jié)合在一起，使得搭接面3和4在開(kāi)始焊接之前和焊接期間彼此物理接觸。如箭頭7所示旋轉(zhuǎn)攪拌摩擦焊頭 5，如箭頭8所示將其向下插進(jìn)工件1和3中并如箭頭9所示使其圓周式前進(jìn)。對(duì)于單側(cè)焊接，工具插進(jìn)深度基本上是待焊接工件或構(gòu)件的厚度。對(duì)于雙側(cè)焊接，該深度可以約為待焊工件厚度的一半。因此，生成環(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，所述材料包括陶瓷、金屬材料、其復(fù)合物及其它衍生物。在修復(fù)表面開(kāi)裂的情況下，例如在管狀工件中，采用與關(guān)于圖1描述程序類似的程序，不同之處在于銷6沒(méi)有全部插進(jìn)工件中，而是僅表面插進(jìn)，且工具的前進(jìn)方向沿著裂紋的輪廓。這稱為攪拌摩擦修復(fù)或攪拌摩擦加工，與攪拌摩擦焊不同。修復(fù)和/或處理也稱作加工。在圖2所示的示例性實(shí)施方案中，工件1和2具有插在搭接面3和4之間的金屬墊片11。放置工件使得搭接面與墊片11接觸。FSW工具前進(jìn)以形成合并工件1和2的基底金屬和金屬墊片11的焊縫。這被稱為攪拌摩擦焊，與攪拌摩擦修復(fù)或攪拌摩擦加工不同。如將容易地理解，上述實(shí)施方案中描述的工件(也被稱為結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件)可以由相同基底金屬(結(jié)構(gòu)鋼種)形成或它們可以是不同鋼種的。類似地，金屬墊片可以由與接合的工件相同的金屬形成或者其可以是增強(qiáng)焊縫性能的特種合金。因此，用于攪拌摩擦焊的結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件和金屬墊片可以根據(jù)應(yīng)用而由相同鋼種或不同材料形成?？梢酝ㄟ^(guò)包括但不限于在真空爐、電弧爐、鼓風(fēng)爐或堿性氧氣轉(zhuǎn)爐中熔融的常規(guī)熔融或再精煉實(shí)踐生產(chǎn)所述結(jié)構(gòu)鋼且其通常具有2微米至100微米的平均基底金屬晶粒度。非限制性示例性結(jié)構(gòu)鋼包括選自 X50、X52、X60、X65、X70、X80、X90、XlOO 和 X120 的 API (美國(guó)石油學(xué)會(huì)(American Petroleum Institute))管道規(guī)格5L牌號(hào)管材。除了例如4360-型板的英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)等之外， 例如2H、2Y等的其它API結(jié)構(gòu)鋼級(jí)提供非限制性示例性基底材料的其它實(shí)例。另一方面， 結(jié)構(gòu)鋼可以包括普碳鋼和合金鋼，其包括但不限于AISI牌號(hào)1010、1020、1040、1080、1095、 A36、A516、A440、A633、A656、4063、4340、6150 及其它 AISI 牌號(hào)(包括高強(qiáng)度牌號(hào))。再一方面，結(jié)構(gòu)鋼可以包括ASTM牌號(hào)A^5、A387、A515、A516、A517及其它ASTM牌號(hào)碳素低合金鋼。如圖3更詳細(xì)地顯示，F(xiàn)Sff工具100包括兩部分摩擦銷110和工具凸肩120。凸肩120是FSW期間的主要發(fā)熱設(shè)備，其防止材料拋送并幫助材料圍繞工具移動(dòng)。銷110的作用主要是使材料圍繞工具變形，由此形成跨越初始搭接面的緊密接合。鋁的FSW中使用的FSW工具通常具有帶有若干小的部件的圓柱形銷，例如大的插進(jìn)壓力限制工具材料和工具設(shè)計(jì)的選擇。對(duì)于鋼焊接，由鎢-錸(W-Re)、多晶氮化硼(PCBN)、這些材料的組合、這些材料的合金形式或其它硬質(zhì)工具材料構(gòu)成的銷直徑可變的工具可能是有利的。多種FSW工具幾何形狀和材料適合于本公開(kāi)。本公開(kāi)考慮使用熔焊來(lái)形成根部焊縫且使用攪拌摩擦焊來(lái)形成將兩個(gè)結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件接合在一起的大部分焊縫。此處描述的工具產(chǎn)生必要的熱-機(jī)械循環(huán)，此處公開(kāi)的FSW工藝和基底材料將有利地對(duì)其做出響應(yīng)。參照?qǐng)D4，在FSW期間，對(duì)工具施加巨大的力。這些力起到將工具推動(dòng)到工件中、使工具旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生攪拌作用和使工具沿焊接的接頭平移的作用。這些力幫助通過(guò)摩擦發(fā)熱。對(duì)工具施加的力幫助對(duì)攪拌的材料保持臨界壓力或者相反使攪拌的材料變形以使其合并到無(wú)缺陷的焊縫中。將工具推動(dòng)到基底金屬中的力被稱為下壓力或在焊縫開(kāi)始處被稱為插進(jìn)力。在FSW期間施加的巨大力，特別是下壓力，常需要背面支撐裝置來(lái)支撐攪拌摩擦焊縫并保持軟化材料在焊縫底部避免從焊接接頭移離。背面支撐板示于圖5中。圖6(a)顯示了在焊接期間圍繞FSW工具的攪拌區(qū)的截面示意圖。指出了攪拌區(qū)域和根部焊接區(qū)域。圖6(b)描繪了在焊接期間圍繞FSW工具的攪拌區(qū)的截面示意圖，其具有背面支撐板以支撐焊縫的下側(cè)并防止軟化的根部區(qū)域從焊接接頭移離。攪拌摩擦焊縫的根部區(qū)域通常需要支撐，因?yàn)樗驍嚢枘Σ梁钙陂g的相對(duì)高的溫度而弱化。可以通過(guò)使用恰當(dāng)?shù)墓ぞ咴O(shè)計(jì)和工藝參數(shù)來(lái)產(chǎn)生無(wú)缺陷的攪拌摩擦焊縫。這些工藝參數(shù)包括以下參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)但不限于以下參數(shù)攪拌摩擦焊工具的焊接行進(jìn)速度、攪拌摩擦焊工具的旋轉(zhuǎn)速度、對(duì)攪拌摩擦焊工具施加的扭轉(zhuǎn)載荷、攪拌摩擦焊工具上的下壓力載荷或平移載荷以及焊件的冷卻速度。工具設(shè)計(jì)和上述工藝參數(shù)影響材料流動(dòng)，可以控制它們以彌補(bǔ)加工期間的高應(yīng)變率和溫度。FSff的益處主要源于以下特征(1)與熔焊相比，進(jìn)行接合需要較低溫度且接頭中的較低溫度在接頭內(nèi)和在鄰近熱影響區(qū)中引起較低程度的不利影響(例如粗粒)；( 由工具的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生高度塑性變形，這產(chǎn)生導(dǎo)致強(qiáng)度和韌性改善的細(xì)晶粒度；和(3)與熔焊相比， 避免了焊件中的氫脆，在熔焊中在電弧中殘余水分的分解常常趨于導(dǎo)致氫脆；(4)與熔焊相比，避免了凝固開(kāi)裂，在熔焊中常生成在焊接冷卻期間會(huì)開(kāi)裂的低熔點(diǎn)薄膜或其它弱化的界面。對(duì)管線應(yīng)用FSW工藝此處公開(kāi)的發(fā)明可以適用于任何對(duì)接焊縫構(gòu)造，雖然將對(duì)于用于油氣傳輸?shù)暮附庸芫€應(yīng)用加以詳細(xì)描述。通過(guò)將管道的單獨(dú)接頭環(huán)縫焊接在一起來(lái)構(gòu)造管線。有時(shí)，首先在店里將兩個(gè)管道焊接以產(chǎn)生“雙接頭”，隨后將雙接頭運(yùn)輸?shù)焦芫€用地(ROW)以便最終現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)造。在典型的現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)造工藝中，將管道末端對(duì)接在一起，隨后使用焊接工藝將對(duì)接的表面熔合在一起。焊料也按制造的原樣加到焊縫中。用于接合管道的第一焊道被稱為根部焊縫且其可以內(nèi)部或外部應(yīng)用。在應(yīng)用根部焊道之后，外部應(yīng)用隨后的焊道以填充焊接坡口。 使用焊接棚來(lái)保護(hù)外部焊接活動(dòng)不受天氣因素影響。通常，各個(gè)棚專門用于一個(gè)或兩個(gè)焊道。使用FSW將管道焊接在一起的一種可能的途徑是使用內(nèi)部背面支撐并用FSW工藝焊接整個(gè)壁厚。在這種情況下，將不需要在管道內(nèi)放置除背面支撐之外的任何其它大型設(shè)備，因此內(nèi)部背面支撐能夠相對(duì)容易地進(jìn)入管道內(nèi)部。背面支撐可以為氣動(dòng)、電力或液動(dòng)內(nèi)對(duì)管器形式，其在管道內(nèi)部滑動(dòng)以相對(duì)于內(nèi)部管壁擴(kuò)張并提供對(duì)FSW工藝的背面支撐。對(duì)背面支撐供以動(dòng)力的任何合適的手段均適用于本技術(shù)。然而，與管壁錯(cuò)邊有關(guān)的實(shí)施該方法的問(wèn)題在于在管道末端對(duì)接在一起時(shí)管徑、橢圓度和壁厚的變化引起不可避免的管壁錯(cuò)邊。管壁錯(cuò)邊的截面示意圖示于圖7(a)中。如果結(jié)合FSW使用背面支撐以試圖焊接這些管道，錯(cuò)邊將產(chǎn)生如圖7(b)所示的無(wú)支撐的邊緣。該無(wú)支撐的邊緣能夠?qū)е禄虼龠M(jìn)焊接缺陷形成。雖然使用足夠強(qiáng)勁的對(duì)準(zhǔn)夾具可以去除由橢圓度引起的大部分錯(cuò)邊，但是在管道沒(méi)有永久變形的情況下其不能除去由直徑或壁厚變化引起的錯(cuò)邊。因此，在應(yīng)用內(nèi)部背面支撐以及對(duì)于滿焊穿透依賴FSW工藝時(shí)，在錯(cuò)邊管道中產(chǎn)生無(wú)缺陷的根部區(qū)域是成問(wèn)題的。
即使在管壁完美對(duì)準(zhǔn)的情況下，仍然存在在有內(nèi)部背面支撐的情況下外部應(yīng)用 FSff來(lái)接合兩個(gè)管道的實(shí)際問(wèn)題。攪拌摩擦焊必須完全穿透以將焊接根部中的材料準(zhǔn)確地?cái)嚢柙谝黄稹４嬖诖┩干疃炔粔?，在此情況下將留下焊接缺陷，或穿透地太深，在此情況下攪拌區(qū)可能透入背面支撐，的風(fēng)險(xiǎn)。圖7(c)描繪了僅由FSW工藝生產(chǎn)的管道對(duì)接接頭的截面示意圖，其顯示了理想配合，但在未焊接的板邊處有不足的攪拌摩擦穿透和相應(yīng)焊接缺陷的情形。圖7(d)描繪了僅由FSW工藝生產(chǎn)的管道對(duì)接接頭的截面示意圖，其顯示理想配合，但是攪拌摩擦焊穿透到背面支撐和在管道內(nèi)部有相應(yīng)可能的焊接缺陷的情形。使用FSW工藝進(jìn)行管線構(gòu)造的另一選擇在于使用內(nèi)部根部焊接機(jī)制造第一熔合根部焊縫。在應(yīng)用根部焊接之后，可以對(duì)根部區(qū)域應(yīng)用內(nèi)部背面支撐以支撐接頭以便應(yīng)用 FSW工藝。然而，該選擇很麻煩，因?yàn)殡y以進(jìn)入管道內(nèi)部來(lái)應(yīng)用FSW背面支撐。在構(gòu)造工藝中，在焊接單管接頭的情況下將對(duì)在內(nèi)部根部焊機(jī)的一個(gè)接頭后應(yīng)用FSW焊接或者在套管接頭的情況下將在內(nèi)部根部焊機(jī)的兩個(gè)接頭后應(yīng)用FSW焊接。在其它管路焊接操作中，如海上構(gòu)造，可以使用更長(zhǎng)的管道接頭，使得內(nèi)部背面支撐的應(yīng)用更加復(fù)雜。因?yàn)樵诠艿罉?gòu)造的前端應(yīng)用內(nèi)部根部焊機(jī)，所以其基本上阻塞了管線的入口。將必須在距管道前端相當(dāng)大的距離處配置和操作內(nèi)部FSW背面支撐。因?yàn)閮?nèi)部焊機(jī)阻塞了管道開(kāi)口端，所以出現(xiàn)了對(duì)背面支撐提供動(dòng)力和控制的困難。并且，協(xié)調(diào)遠(yuǎn)距離操作的背面支撐的移動(dòng)與前端管路焊接活動(dòng)成為問(wèn)題。不一定方便(或可以)在前端焊接隊(duì)準(zhǔn)備移動(dòng)到下一管道接頭的同時(shí)移動(dòng)背面支撐。本發(fā)明通過(guò)使用對(duì)隨后FSW工藝提供必要支撐的足夠大且足夠強(qiáng)勁的根部焊接區(qū)域減輕了對(duì)于背面支撐裝置的需要。下文公開(kāi)了新的對(duì)接焊縫和利用熔焊和攪拌摩擦焊的組合制造這類對(duì)接焊縫的方法。示例性對(duì)接焊縫和制造方法通過(guò)首先制造部分壁厚的熔合焊縫，隨后使用攪拌摩擦焊工藝完成接合以生產(chǎn)此處公開(kāi)的對(duì)接焊縫。可以對(duì)結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件的一側(cè)應(yīng)用熔焊以便接合。隨后可以對(duì)結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件的相對(duì)側(cè)應(yīng)用攪拌摩擦焊以便接合。例如，在管線的焊接中，如果首先對(duì)管道內(nèi)部進(jìn)行熔焊，則將對(duì)管道的外部應(yīng)用攪拌摩擦焊?？梢允褂密壍罃嚢枘Σ梁笝C(jī)以在管道外部進(jìn)行攪拌摩擦焊。此處公開(kāi)的對(duì)接焊縫和制造方法可以適用于板或管道或結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件的其它非限制性構(gòu)造的對(duì)縫焊接。在此處公開(kāi)的制造對(duì)接焊縫的方法的一種有利形式中，在管道接合中，首先在管道的內(nèi)部應(yīng)用熔焊，隨后從管道的外部應(yīng)用攪拌摩擦焊。內(nèi)部熔焊可用于橋接任何根部缺口或管壁錯(cuò)邊?？梢允褂冒ǖ幌抻谝韵鹿に嚨娜魏魏线m的熔焊工藝制造熔合焊縫金屬極惰性氣體保護(hù)焊、氣體保護(hù)鎢極電弧焊、藥芯焊絲電弧焊、潛弧焊、等離子弧焊、激光焊接、激光復(fù)合焊接、電子束焊接、閃光對(duì)縫接焊和單極焊接。在管道對(duì)縫焊接中，可以使用任何常規(guī)的內(nèi)部根部焊接機(jī)以在管道的內(nèi)部形成熔合焊縫；然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，與現(xiàn)有工業(yè)實(shí)踐相比，必須應(yīng)用比正常根部焊縫大的焊縫。內(nèi)部管線根部焊接數(shù)十年來(lái)已經(jīng)發(fā)展成了一種快速且有效的工藝。這種發(fā)展導(dǎo)致沉積微細(xì)尺寸的根部焊縫的慣例。由于在如圖8所示的常規(guī)焊接坡口的鈍邊區(qū)域中的有限厚度而在一定程度上促進(jìn)了該小尺寸。典型根部焊縫的穿透必定限于防止鈍邊焊穿且該情形導(dǎo)致小尺寸的根部焊縫。內(nèi)部根部焊縫通常從封蓋表面到焊根僅2至5mm。最小的根部焊縫可以僅穿透基底金屬1至4mm。這種小的根部焊縫對(duì)于FSW背面支撐不足。因此，雖然可以使用常規(guī)內(nèi)部根部焊接機(jī)以應(yīng)用根據(jù)公開(kāi)的本發(fā)明的根部焊縫，但是必須對(duì)根部焊接坡口、焊接工藝、焊接程序或這些因素的組合進(jìn)行一些根本的改變。這些改變?yōu)樘峁?duì)于充分FSW背面支撐的足夠大且強(qiáng)勁的焊縫所必需。根據(jù)所公開(kāi)的新的焊接方法，對(duì)常規(guī)內(nèi)部根部焊接不可行的增加焊透深度的根部焊接機(jī)調(diào)節(jié)是可行的，因?yàn)榇蟛糠植牧吓c通過(guò)FSW接合的未開(kāi)坡口搭接面相關(guān)。如圖9(a) 和9(b)所示，由于直邊制備(square edge pr印aration)，接合的鋼構(gòu)件的邊緣比常規(guī)焊接坡口的邊緣(圖8)厚得多。大部分材料允許內(nèi)部焊接坡口幾何形狀調(diào)節(jié)和焊接工藝調(diào)節(jié)以增加內(nèi)部根部焊接的穿透，其然后使得焊縫能夠?qū)τ贔SW背面支撐足夠強(qiáng)。根部焊透深度繪于圖9(b)中。此處公開(kāi)的對(duì)接焊縫的一個(gè)實(shí)施方案包括兩個(gè)或多個(gè)對(duì)接結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件，在所述構(gòu)件的一側(cè)上的搭接面上開(kāi)坡口以形成合適形狀的熔合根部焊縫坡口且在所述構(gòu)件的相對(duì)側(cè)的搭接面上未開(kāi)坡口并且所述構(gòu)件與在所述構(gòu)件的開(kāi)坡口側(cè)上的第一熔合根部焊縫和在所述構(gòu)件的未開(kāi)坡口側(cè)上的第二攪拌摩擦焊縫相互連接，其中所述第一熔合根部焊縫的寬度為7mm至30mm，穿透深度為2mm至20mm和過(guò)量填注為2mm至5mm，且其中所述第二攪拌摩擦焊縫的攪拌區(qū)穿透所述第一熔合根部焊縫。在該實(shí)施方案的一個(gè)可選形式中，所述第一熔合根部焊縫的寬度可以為7mm至 20mm、或7至15mm、或7mm至10mm。該第一熔合根部焊縫寬度的下限可以為7、或8、或9、或 10mm。該第一熔合根部焊縫寬度的上限可以為10、或15、或20、或25、或30mm。在該實(shí)施方案的一個(gè)可選形式中，所述第一熔合根部焊縫的穿透深度可以為4mm 至15mm、或5至10mm。該第一熔合根部焊透深度的下限可以為2、或3、或4、或5、或6、或 10mm。該第一熔合根部焊透深度的上限可以為10、或12、或15、或17、或20mm。在該實(shí)施方案的一個(gè)可選形式中，所述第一熔合根部焊縫的過(guò)量填注可以為 2. 5mm至4mm。該第一熔合根部焊縫的過(guò)量填注的下限可以為2、或2. 5、或3mm。在使用高度穿透焊接工藝的情況下，可能使用在0毫米至2毫米范圍內(nèi)的較小焊縫過(guò)量填注。該第一熔合根部焊縫的過(guò)量填注的上限可以為3、或3. 5、或4、或4. 5、或5mm。所述第二攪拌摩擦焊縫的攪拌區(qū)可以穿透熔合根部焊縫基本上0毫米(只要在熔合根部焊縫和攪拌摩擦焊縫之間實(shí)現(xiàn)連續(xù)緊密連接即可)至5mm、或0. 5mm至3mm、或1至 2mm的深度。該第二攪拌焊縫的攪拌區(qū)到熔合根部焊縫的穿透深度的下限可以為基本上0、 0. 125,0. 25,0. 5,0. 75、或1mm。該第二攪拌焊縫的攪拌區(qū)到熔合根部焊縫的穿透深度的上限可以為2、或3、或4、或5mm。然而，該第二攪拌焊縫的攪拌區(qū)到熔合根部焊縫的穿透深度的上限可能受到其它實(shí)際問(wèn)題，例如對(duì)于不必要的大的穿透深度所浪費(fèi)的時(shí)間、浪費(fèi)的能量和過(guò)度的焊接成本的限制。合適形狀的熔合根部焊縫坡口可以選自多種形狀和構(gòu)造。非限制性示例性形狀包括U-形坡口、j_形坡口、ν-形坡口及其組合。在一種形式中，合適形狀的熔合根部焊縫坡口的寬度和深度可以為2至15mm、或3至10mm、或4至8mm。合適形狀的熔合根部焊縫坡口的寬度和深度的下限可以為2、或3、或4、或5mm。合適形狀的熔合根部焊縫坡口的寬度和深度的上限可以為6、或7、或8、或9、或10mm。在高度穿透焊接工藝，如激光復(fù)合焊接或甚至脈沖GMAW的情況下，如果所選工藝可以穿透到足夠大的深度，則焊接坡口的寬度和深度可以基本上為0，從而產(chǎn)生足夠大的根部焊縫以支撐FSW工藝。
所述兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件可以為選自X50、X52、X60、X65、X70、X80、X90、XlOO 和X120的API (美國(guó)石油學(xué)會(huì))管道規(guī)格5L牌號(hào)管材。除了例如4360-型板的英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)等之外，例如2H、2Y等的其它API結(jié)構(gòu)鋼級(jí)提供非限制性示例性基底材料的其它實(shí)例。 在一個(gè)可選形式中，所述兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件可以為普碳鋼和合金鋼，其選自AISI牌號(hào) 1010、1020、1040、1080、1095、A36、A516、A440、A633、A656、4063、4340、6150 和 ASTM 牌號(hào) A285、A387、A515、A516、A517。另外，所述兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件可以包括合金元素。非限制性示例性合金元素包括W、Ta、Nb、Mo、V、Cr及其組合。這些合金元素特別適用于高溫強(qiáng)度，其在強(qiáng)化攪拌摩擦焊縫區(qū)域方面具有重要應(yīng)用。用于熔焊根部焊縫的焊絲可以具有與接合的兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件相同或不同的組成。在一種形式中，焊絲的化學(xué)組成可以包括含鐵化學(xué)組成且可以進(jìn)一步包括合金元素。焊絲化學(xué)組成的非限制性示例性合金元素可以選自W、Ta、Nb、Mo、V、Cr及其組合。這些合金元素特別適用于高溫強(qiáng)度，其在強(qiáng)化攪拌摩擦焊縫區(qū)域方面具有重要應(yīng)用。此處公開(kāi)的對(duì)接焊縫的一個(gè)可選的實(shí)施方案包括兩個(gè)或多個(gè)對(duì)接結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件，在所述構(gòu)件的一側(cè)上的搭接面上開(kāi)坡口以形成合適形狀的熔合根部焊縫坡口且在所述構(gòu)件的相對(duì)側(cè)的搭接面上未開(kāi)坡口并且所述構(gòu)件與在所述構(gòu)件的開(kāi)坡口側(cè)上的第一熔合根部焊縫和在所述構(gòu)件的未開(kāi)坡口側(cè)上的第二攪拌摩擦焊縫相互連接，其中所述第一熔合根部焊縫的大小和強(qiáng)度足以支撐在形成所述第二攪拌摩擦焊縫時(shí)施加的下壓力，且其中所述第二攪拌摩擦焊縫的攪拌區(qū)穿透所述第一熔合根部焊縫到足以提供連續(xù)接合表面的深度。在該可選的實(shí)施方案中，尺寸足夠的第一熔合根部焊縫的寬度可以為7mm至 30_、或7mm至20_、或7至15mm、或7mm至10_。該第一熔合根部焊縫寬度的下限可以為7、或8、或9、或10mm。該第一熔合根部焊縫寬度的上限可以為10、或15、或20、或25、或 30mmo在該可選的實(shí)施方案中，尺寸足夠的第一熔合根部焊縫的穿透深度可以為4mm至 15mm、或5至10mm。該第一熔合根部焊透深度的下限可以為2、或3、或4、或5、或6、或10mm。 該第一熔合根部焊透深度的上限可以為10、或12、或15、或17、或20mm。然而，該第一熔合根部焊透深度的上限可能受到其它實(shí)際問(wèn)題，例如對(duì)于不必要的大的穿透深度所浪費(fèi)的時(shí)間、浪費(fèi)的能量和過(guò)度的焊接成本的限制。在該可選的實(shí)施方案中，尺寸足夠的第一熔合根部焊縫的過(guò)量填注可以為2. 5mm 至4mm。該第一熔合根部焊縫的過(guò)量填注的下限可以為2、或2. 5、或3mm。該第一熔合根部焊縫的過(guò)量填注的上限可以為3、或3. 5、或4、或4. 5、或5mm。在使用高度穿透焊接工藝的情況下，可能利用在0毫米至2毫米范圍內(nèi)的較小的焊縫過(guò)量填注。所述第二攪拌摩擦焊縫的攪拌區(qū)可以穿透所述第一熔合根部焊縫基本上0毫米至5mm、或0. 125mm至5mm、或0. 5mm至3mm、或1至2mm的深度。該第二攪拌摩擦焊縫的攪拌區(qū)到熔合根部焊縫的穿透深度的下限可以為基本上0、0. 125,0. 25,0. 5,0. 75、或1mm。該第二攪拌摩擦焊縫的攪拌區(qū)可以穿透熔合根部焊縫基本上0毫米(只要在熔合根部焊縫和攪拌摩擦焊縫之間實(shí)現(xiàn)連續(xù)緊密連接即可)至5mm的深度。該第二攪拌摩擦焊縫的攪拌區(qū)到熔合根部焊縫的穿透深度的上限可以為2、或3、或4、或5mm。然而，該第二攪拌焊縫的攪拌區(qū)到熔合根部焊縫的穿透深度的上限可能受到其它實(shí)際問(wèn)題，例如對(duì)于不必要的大的穿透深度所浪費(fèi)的時(shí)間、浪費(fèi)的能量和過(guò)度的焊接成本的限制。
該可選實(shí)施方案的合適形狀的熔合根部焊縫坡口可以選自多種形狀和構(gòu)造。非限制性示例性形狀包括U-形坡口、j_形坡口、ν-形坡口及其組合。在一種形式中，合適形狀的熔合根部焊縫坡口的寬度和深度可以為2至15mm、或3至10mm、或4至8mm。合適形狀的熔合根部焊縫坡口的寬度和深度的下限可以為2、或3、或4、或5mm。合適形狀的熔合根部焊縫坡口的寬度和深度的上限可以為6、或7、或8、或9、或10mm。該可選實(shí)施方案的所述兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件可以為選自)(50、X52, X60, X65, X70、X80、X90、XlOO和X120的API (美國(guó)石油學(xué)會(huì))管道規(guī)格5L牌號(hào)管材。除了例如 4360-型板的英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)等之外，例如2H、2Y等的其它API結(jié)構(gòu)鋼級(jí)提供了非限制性示例性基底材料的其它實(shí)例。在一個(gè)可選形式中，所述兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件可以為普碳鋼和合金鋼，其選自 AISI 牌號(hào) 1010、1020、1040、1080、1095、A36、A516、A440、A633、A656、4063、 4340,6150和ASTM牌號(hào)A285、A387、A515、A516、A517。另外，所述兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件可以包括合金元素。非限制性示例性合金元素包括W、Ta、Nb、Mo、V、Cr及其組合?；蛘?，所述兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)部件也可以為任何復(fù)合管道材料，由此基底或輸送管道為鐵鋼化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)且內(nèi)部包覆材料為耐腐蝕合金，例如鎳鉻鐵合金或其它Ni 基合金。對(duì)于復(fù)合管道，可以使用合適選擇的耐腐蝕合金焊料制造內(nèi)部根部焊縫。用于該可選實(shí)施方案的熔合根部焊接的可熔焊絲可以具有與接合的兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件相同或不同的組成。在一種形式中，焊絲的化學(xué)組成可以包括含鐵化學(xué)組成且可以進(jìn)一步包括合金元素。焊絲化學(xué)組成的非限制性示例性合金元素可以選自W、Ta、Nb、 Mo、V、Cr及其組合。此處公開(kāi)的制造對(duì)接焊縫的方法的一個(gè)實(shí)施方案包括提供兩個(gè)或多個(gè)對(duì)接結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件，在所述構(gòu)件的一側(cè)的搭接面上開(kāi)坡口以形成合適形狀的熔合根部焊縫坡口且在所述構(gòu)件的相對(duì)側(cè)的搭接面上未開(kāi)坡口，在足以形成熔合根部焊縫的條件下熔焊所述構(gòu)件的一側(cè)的坡口搭接面，其中所述熔合根部焊縫的寬度為7mm至30mm，穿透深度為2mm至20mm 和過(guò)量填注為2mm至5mm，以及在足以形成攪拌摩擦焊縫的條件下攪拌摩擦焊所述構(gòu)件的相對(duì)側(cè)的未開(kāi)坡口搭接面，其中攪拌摩擦焊縫的攪拌區(qū)穿透熔合根部焊縫基本上0毫米 (只要在熔合根部焊縫和攪拌摩擦焊縫之間實(shí)現(xiàn)連續(xù)緊密連接即可)至5mm的深度?？梢酝ㄟ^(guò)許多熔焊工藝之一形成所述第一熔合根部焊縫。非限制性示例性熔焊工藝包括有保護(hù)的金屬電弧焊、金屬極惰性氣體保護(hù)焊、藥芯焊絲電弧焊、金屬芯電弧焊、氣體保護(hù)鎢極電弧焊、等離子弧焊、潛弧焊、激光焊接、激光復(fù)合焊接、電子束焊接、閃光對(duì)焊、 單極焊接及其組合。除了熔焊工藝類型之外，可以選擇對(duì)熔焊工藝條件的控制和焊接材料的選擇來(lái)優(yōu)化根部焊縫的大小和強(qiáng)度?？梢钥刂频姆窍拗菩允纠匀酆腹に嚄l件包括以下條件中的一個(gè)或多個(gè)焊絲的化學(xué)組成、弧電壓、弧電流強(qiáng)度、經(jīng)控制的弧電流波形、焊槍的行進(jìn)速度、 焊絲的送給速率、保護(hù)氣體組成、焊劑組成和第一熔合根部焊縫的冷卻速度。熔焊工藝條件也可以包括任何弧電流脈沖參數(shù)或用以優(yōu)化焊透深度、焊道流動(dòng)性、焊道幾何形狀和/或焊縫性質(zhì)的電流波形的其它控制。用于熔焊根部焊縫的焊絲可以具有與接合的兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件相同或不同的組成。在一種形式中，焊絲的化學(xué)組成可以包括含鐵化學(xué)組成且可以進(jìn)一步包括合金元素。焊絲化學(xué)組成的非限制性示例性合金元素可以選自W、Ta、Nb、Mo、V、Cr及其組合。
在熔焊第一熔合根部焊縫期間的冷卻速度可以為10至200°C /秒、或25至150°C / 秒、或50至100°C /秒。在形成所述第一熔合根部焊縫之后形成所述第二攪拌摩擦焊縫。該第一熔合根部焊縫應(yīng)該具有足以防止大量材料從FSW工具下面拋送出去的尺寸、強(qiáng)度和韌性。該材料移離被稱為脫落。如果熔合根部焊縫具有不足的尺寸、強(qiáng)度或韌性，則在攪拌摩擦焊期間可能發(fā)生脫落，這可以導(dǎo)致焊接缺陷形成和/或幾何不一致。在形成第二攪拌摩擦焊縫的過(guò)程中可以控制的攪拌摩擦焊工藝條件包括但不限于攪拌摩擦焊工具的幾何形狀、攪拌摩擦焊工具的焊接行進(jìn)速度、攪拌摩擦焊工具的旋轉(zhuǎn)速度、施加到攪拌摩擦焊工具上的扭轉(zhuǎn)載荷、 在攪拌摩擦焊工具上的下壓力載荷或平移載荷、第二攪拌摩擦焊縫的冷卻速度和在應(yīng)用攪拌摩擦工藝的同時(shí)冷卻第一熔合根部焊縫。形成所述第二攪拌摩擦焊縫中使用的攪拌摩擦焊工具的幾何形狀可以包括多種構(gòu)造。非限制性示例性幾何形狀包括機(jī)械加工、模制或制造到工具凸肩或銷中的多種形狀、 隆起或圖樣，以改進(jìn)材料流動(dòng)、增大穿透深度、增大焊接行進(jìn)速度、改進(jìn)裝填不滿或表面光潔度和/或減少焊接缺陷。用于FSW第二攪拌摩擦焊縫的攪拌摩擦焊工具的行進(jìn)速度可以為1至30、5至25或10至20英寸/分鐘。用于FSW第二攪拌摩擦焊縫的攪拌摩擦焊工具的旋轉(zhuǎn)速度可以為100至700、或200至600、或300至500rpm。對(duì)于出于生產(chǎn)力目的而希望以例如15英寸/分鐘以上的高行進(jìn)速度行進(jìn)的一些獨(dú)特應(yīng)用來(lái)說(shuō)，可能需要使用高的工具旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，例如IOOOrpm或2000rpm。在應(yīng)用第二攪拌摩擦焊期間，攪拌摩擦焊工具上的下壓力載荷或平移載荷應(yīng)該足夠低以防止在形成攪拌摩擦焊縫期間熔合根部焊縫脫落，并且應(yīng)該足夠高以防止攪拌摩擦焊縫中的缺陷。例如，攪拌摩擦焊工具上的下壓力載荷或平移載荷可以大于或等于1000磅力且小于或等于30，000磅力、或大于或等于5000磅力且小于或等于25，000磅力、大于或等于10，000磅力且小于或等于20，000磅力。在應(yīng)用第二攪拌摩擦焊期間攪拌摩擦焊縫的冷卻速度可以為10°C /秒至400°C /秒、或20°C /秒至300°C /秒、或50°C /秒至200°C / 秒、或75°C /秒至150°C /秒。此處公開(kāi)的制造對(duì)接焊縫的方法也可以包括在應(yīng)用攪拌摩擦焊期間同時(shí)冷卻熔合根部焊縫。在應(yīng)用第二攪拌摩擦焊期間熔合根部焊縫的同時(shí)冷卻可以產(chǎn)生10°c /秒至 2000C / 秒、或 20°C / 秒至 175°C / 秒、50°C / 秒至 150°C / 秒、或 75°C / 秒至 125°C / 秒的冷卻速度?？梢允褂枚喾N方法以在應(yīng)用第二攪拌摩擦焊期間冷卻第一熔合根部焊縫，從而幫助防止脫落。用以在應(yīng)用第二攪拌摩擦焊期間冷卻第一熔合根部焊縫的非限制性示例性方法包括用氣態(tài)介質(zhì)的強(qiáng)制流體冷卻和用液態(tài)介質(zhì)的強(qiáng)制流體冷卻。強(qiáng)制流體冷卻期間使用的氣態(tài)或液態(tài)介質(zhì)可以為水、乙二醇、二氧化碳、氮?dú)饧捌浣M合。此處公開(kāi)的制造對(duì)接焊縫的方法的另一實(shí)施方案描繪于圖9中。參照?qǐng)D9(a)，顯示了將示例性的小的內(nèi)部焊縫坡口機(jī)械加工到兩個(gè)管段的對(duì)接界面處的管壁中。該焊縫坡口可以增加熔合焊透深度，其可以對(duì)從管道的相對(duì)側(cè)應(yīng)用的隨后的攪拌摩擦焊提供增加的支撐。圖9(b)描繪了在通過(guò)合適的熔焊工藝在焊縫坡口中應(yīng)用內(nèi)部熔合根部焊縫之后且在攪拌摩擦焊之前的示例性對(duì)接接頭。根部焊透深度的量值示于圖9(b)中。在熔合根部焊接之后，可以使用攪拌摩擦焊工藝接合管道壁厚的剩余部分。圖9(c)描繪了在攪拌摩擦焊步驟之后的示例性對(duì)接焊縫，其中通過(guò)熔合根部焊接和攪拌摩擦焊接的組合實(shí)現(xiàn)兩個(gè)結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件的完全接合。圖9(d)描繪了在接合的兩個(gè)對(duì)接結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件之間存在錯(cuò)邊的情況， 且顯示了如何可以使熔合根部焊接有效地橋接跨越兩個(gè)構(gòu)件之間的壁錯(cuò)邊的間隙。此處公開(kāi)的對(duì)接焊縫的一方面在于根部區(qū)域(在熔合根部焊道附近的區(qū)域)足夠強(qiáng)以支撐在FSW工藝期間經(jīng)受的下壓力。當(dāng)根部區(qū)域足夠強(qiáng)時(shí)，可以避免在攪拌摩擦焊期間使用背面支撐。根部區(qū)域強(qiáng)度對(duì)于保證對(duì)接表面完全接合且最小化或消除缺陷來(lái)說(shuō)可能是必需的。此處公開(kāi)的制造對(duì)接焊縫的方法限定了形成足夠強(qiáng)根部區(qū)域的條件，其定義為防止施加攪拌摩擦焊的下壓力期間熔合根部焊縫的顯著脫落所必需的強(qiáng)度。更具體地，如果熔合根部焊縫太軟弱(weak)，則對(duì)接接頭的根部區(qū)域中的熔焊材料可能在FSW期間從管壁移離。對(duì)于管道焊接的情況，內(nèi)部根部焊縫將移向管道的內(nèi)部，或者外部根部焊縫(外部根部焊接與內(nèi)部應(yīng)用的攪拌摩擦焊一起使用)將移向外部。顯著脫落的定義可以取決于具體應(yīng)用。對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，限制脫落在2mm內(nèi)可能是足夠的，然而，對(duì)于其中攪拌摩擦焊需要更大剛度以完全合并的更嚴(yán)格應(yīng)用來(lái)說(shuō)，脫落可能被限制在1.5mm。一些應(yīng)用對(duì)于最佳焊接將需要甚至更精細(xì)的脫落控制，且可能需要1mm、或甚至0. 5mm的限制。圖10描繪了包括由于FSW下壓力引起的熔合根部焊縫脫落的情形。在圖10(a) 中，包括熔合根部焊縫的根部區(qū)域已經(jīng)設(shè)計(jì)成足夠強(qiáng)以防止脫落。相比之下，對(duì)于圖10(b)， 攪拌摩擦區(qū)之下的根部區(qū)域材料強(qiáng)度不足以支撐FSW下壓力，因此發(fā)生脫落。圖10(b)中繪出了脫落量值。并且，圖10(b)中示出了軟弱區(qū)，其包括熔合根部焊接金屬和鄰近的基底材料兩者。通過(guò)在FSW期間施加的熱產(chǎn)生弱化區(qū)?？赡苄枰に噧?yōu)化來(lái)獲得防止脫落所必需的足夠根部區(qū)域強(qiáng)度和剛度，從而確保對(duì)接表面以最少的焊接缺陷完全接合。與圖10(b) 形成對(duì)比，圖10(a)中的根部區(qū)域材料可能因FSW熱而稍微弱化；但是沒(méi)有達(dá)到在FSW期間發(fā)生顯著脫落的程度。因此，在圖10(a)中，沒(méi)有指示出弱化區(qū)，這是由于根部區(qū)域具有足以防止在FSW期間發(fā)生脫落的強(qiáng)度。圖10也顯示了兩個(gè)示例性脫落照片。圖10(c)描繪了對(duì)于僅有外部應(yīng)用的攪拌摩擦焊而沒(méi)有內(nèi)部應(yīng)用的熔合根部焊接的情況下在管道內(nèi)部的脫落。制造圖10(c)的樣品以在平管(沒(méi)有對(duì)接管道接頭)上測(cè)試脫落，在初始插進(jìn)FSW工具期間在焊縫開(kāi)始處出現(xiàn)最嚴(yán)重的脫落區(qū)域。隨著FSW工具沿管道周圍(circumference)平移，F(xiàn)SW下壓力從插進(jìn)期間使用的力減小且脫落減少。圖10(d) 了描繪在通過(guò)首先使用金屬極惰性氣體保護(hù)焊工藝應(yīng)用根部焊縫制得的板對(duì)縫焊接樣品的下側(cè)上的脫落的顯微照片。根部焊縫接合約20% 的板厚。隨后將板翻轉(zhuǎn)且應(yīng)用攪拌摩擦焊以接合剩余板厚。如圖10(d)所示，在攪拌摩擦焊開(kāi)始時(shí)(在插進(jìn)期間)發(fā)生脫落，在脫落區(qū)域還出現(xiàn)了裂紋。圖10(d)指示了熔合根部區(qū)域的設(shè)計(jì)是防止FSW期間發(fā)生脫落的一個(gè)因素。只是形成用于管道制造的常規(guī)內(nèi)部焊接所特有的熔合根部焊縫將不可能導(dǎo)致具有在隨后攪拌摩擦焊期間足以防止熔合根部焊縫脫落的強(qiáng)度和韌性的根部區(qū)域。因?yàn)槌跏疾暹M(jìn)力可能大于工具行進(jìn)期間施加的下壓力，所以可以采用步驟來(lái)降低插進(jìn)力，從而減少在插進(jìn)序列期間的脫落。例如，一種方法包括在焊縫開(kāi)始處預(yù)鉆孔或空腔，使得工具和銷遇不到材料，由此不需要高的插進(jìn)力。另一方法包括預(yù)熱插進(jìn)區(qū)域以使基底材料弱化。可以根據(jù)此處公開(kāi)的新焊接技術(shù)的原理使用降低插進(jìn)力的任何其它合適的手段。已經(jīng)設(shè)計(jì)了此處公開(kāi)的對(duì)接焊縫和制造方法以防止根部區(qū)域脫落。在確保焊接根部區(qū)域的強(qiáng)度、因此有能夠支撐FSW工藝的能力的方面有影響力的焊接根部區(qū)域的兩個(gè)特征是根部區(qū)域的尺寸和高溫下根部區(qū)域的材料強(qiáng)度。關(guān)于根部區(qū)域的尺寸，參照?qǐng)D11(a)， 尺寸T1和T2是形成具有足以防止脫落的強(qiáng)度的根部區(qū)域的影響因素。T1定義為其中應(yīng)用熔合根部焊接的工件的表面與攪拌摩擦區(qū)底部之間的距離。T2定義為其中應(yīng)用熔合根部焊接的工件的表面與攪拌摩擦銷底部之間的距離。在設(shè)計(jì)根部區(qū)域的過(guò)程中可以使用T1或 T2或者表征大部分材料在攪拌摩擦焊縫和最靠近根部焊縫的工件表面之間的其它類似尺寸以獲得足以在FSW期間防止脫落的強(qiáng)度。應(yīng)該設(shè)計(jì)1\或1~2以適應(yīng)兩個(gè)目標(biāo)，第一目標(biāo)為產(chǎn)生尺寸上足以防止脫落的的弱化區(qū)且第二目標(biāo)為產(chǎn)生足夠尺寸的根部區(qū)域以使得熔合焊縫被攪拌摩擦焊縫穿透。從強(qiáng)度的觀點(diǎn)來(lái)看，在不會(huì)不利地影響應(yīng)用根部焊縫的能力的情況下使T1 (或T2) 盡可能地大是有利的。如由圖11中的T1或T2定義的熔合根部焊縫深度或如圖9(b)所示的根部焊透深度應(yīng)該足夠大以使得攪拌摩擦焊縫隨后能夠交叉焊縫穿透。對(duì)于交叉焊縫穿透來(lái)說(shuō)，熔合根部焊縫應(yīng)該具有大于尺寸T1的穿透深度。在一種形式中，熔合根部焊透深度(參見(jiàn)圖9(b))可以大于或等于2mm、或3mm、或4mm、或5mm、或6mm、或10mm。如圖12中所示，在決定根部區(qū)域的強(qiáng)度中具有影響力的兩個(gè)其它尺寸為根部焊道寬度和根部焊縫過(guò)量填注。除了 1\或1~2之外，這兩個(gè)尺寸決定根部焊縫的總尺寸。根部焊縫過(guò)量填注定義為延伸超出待熔焊表面的峰值根部焊道高度。圖12描繪了具有所指示的影響根部區(qū)域強(qiáng)度、過(guò)量填注和焊道寬度的兩個(gè)其它因素的特別大的根部焊縫。過(guò)量填注和/或焊道寬度增加將加強(qiáng)根部區(qū)域并幫助防止脫落。大的根部焊縫在根部焊接金屬具有比基底金屬大的強(qiáng)度的情況下特別有用。增加根部焊縫強(qiáng)度的一個(gè)非限制性示例性選擇是使可熔焊絲合金化。增加強(qiáng)度的非限制性示例性合金元素可以選自W、Ta、Nb、Mo、V、Cr 及其組合。這些合金元素特別適用于高溫強(qiáng)度。因此，可以基于根部區(qū)域的尺寸0\或1~2、 過(guò)量填注和/或根部焊道寬度)以及通過(guò)使用用于熔合根部焊接的高強(qiáng)度可熔焊絲來(lái)調(diào)整熔合根部焊縫強(qiáng)度。在一種形式中，過(guò)量填注可以大于或等于2mm、或2. 5mm、或3mm。第一熔合根部焊縫過(guò)量填注的上限可以為3、或3. 5、或4、或4. 5、或5mm。在使用高度穿透焊接工藝的情況下，可以使用在0毫米至2毫米范圍內(nèi)的較小焊縫過(guò)量填注。在另一形式中，根部焊道寬度可以大于或等于7mm、或8mm、或9mm。第一熔合根部焊縫寬度的上限可以為10、 或 15、或 20、或 25、或 30mm。在形成用于管線接合應(yīng)用的此處公開(kāi)的對(duì)接焊縫時(shí)，存在一些關(guān)于可以生產(chǎn)以實(shí)現(xiàn)交叉焊縫(熔合和攪拌摩擦)穿透的根部焊縫尺寸的實(shí)際限制。更具體地，當(dāng)熔合根部焊縫在管道內(nèi)時(shí)，其軌道式形成，或者換句話說(shuō)，在如美國(guó)焊接學(xué)會(huì)(American Welding Society)定義的5G位置形成。該焊接位置意味著管道保持固定，而熔焊機(jī)平移圓形對(duì)焊接頭。熔焊工藝應(yīng)該能夠沿根部焊接接頭的整個(gè)360°旋轉(zhuǎn)應(yīng)用根部焊縫，且這包括在3點(diǎn)鐘和9點(diǎn)鐘的立焊位置焊接以及在12點(diǎn)鐘的仰焊位置焊接。該多位置熔焊方案使其對(duì)于應(yīng)用非常大的根部焊道不實(shí)用。除了平焊位置(6點(diǎn)鐘)，大根部焊道將受重力顯著影響，這可以導(dǎo)致熔合焊池下垂，可能導(dǎo)致不希望的焊道形狀，或者在極端情況下，焊道可能從焊接接頭中完全落下(滴流)?？梢杂媚承┖附蛹夹g(shù)和/或工藝以抵消在5G管道焊接期間的重力挑戰(zhàn)。在一個(gè)非限制性實(shí)施例中，在金屬極惰性氣體保護(hù)焊的情況下，使用脈沖能源可以增加根部焊道穿透，同時(shí)仍然保持相對(duì)小的焊道?？梢允褂秒娀」β蕝?shù)(例如電流波形)的任何其它控制來(lái)優(yōu)化焊透深度、焊道流動(dòng)性、焊道幾何形狀、根部焊縫尺寸或焊縫性質(zhì)以進(jìn)一步抵消重力的影響。也可以利用焊接材料的合理選擇，這對(duì)于焊接工程領(lǐng)域的技術(shù)人員是已知的。通過(guò)焊絲或保護(hù)氣體組成來(lái)調(diào)節(jié)熔池表面張力可能是有用的。在另一非限制性實(shí)施例中，可以使用激光復(fù)合內(nèi)部焊接工藝來(lái)增大穿透，同時(shí)仍然保持能夠5G根部焊接。利用激光復(fù)合內(nèi)部根部焊接機(jī)的激光復(fù)合內(nèi)部焊接工藝對(duì)于此處公開(kāi)的對(duì)接焊縫可能特別有利于在管線中形成內(nèi)部根部焊縫。更具體地，可以將用于內(nèi)部根部焊接的激光復(fù)合工藝與外部攪拌摩擦工藝結(jié)合作為優(yōu)化根部區(qū)域的幾何形狀和強(qiáng)度的一種有利方法，以允許在攪拌摩擦焊期間消除背面支撐板。存在關(guān)于與內(nèi)部管道進(jìn)入和破壞流體流動(dòng)有關(guān)的根部焊縫尺寸的其它實(shí)際限制。 關(guān)于管道進(jìn)入，例如檢查清管的內(nèi)部管道維護(hù)活動(dòng)需要相對(duì)光滑的根部焊縫以便于行進(jìn)， 這意味著，根據(jù)清管裝置的能力，在一定程度上不希望有過(guò)度封蓋強(qiáng)化。關(guān)于流體流動(dòng)，有效管線操作和優(yōu)化的流體流量需要沒(méi)有過(guò)度強(qiáng)化的相對(duì)光滑的根部焊縫。因此，存在防止無(wú)限根部焊縫強(qiáng)化作為生產(chǎn)強(qiáng)勁FSW背面支撐的方式的實(shí)際限制。如前所述，在控制脫落量值方面可以具有影響力的根部焊接區(qū)域的兩個(gè)因素為 1)弱化區(qū)尺寸，和2)高溫下弱化區(qū)內(nèi)材料的強(qiáng)度。減少脫落并防止FSW缺陷的一個(gè)因素是增大弱化區(qū)的強(qiáng)度。該區(qū)域主要由兩種材料構(gòu)成基底金屬和根部焊縫。根部焊縫由焊接金屬和HAZ組成?？梢酝ㄟ^(guò)一種或多種如下示例性非限制性方法增加弱化區(qū)的強(qiáng)度強(qiáng)度-增強(qiáng)合金化、增大根部焊縫尺寸、增大根部焊透深度和增強(qiáng)熔合根部焊縫的冷卻。關(guān)于強(qiáng)度-增強(qiáng)合金化，可以通過(guò)材料化學(xué)的選擇性合金化以產(chǎn)生較高強(qiáng)度以增強(qiáng)弱化區(qū)的強(qiáng)度。特別地，例如但不限于W、Ta、Nb、Mo、V和Cr的元素可以用于增強(qiáng)此處公開(kāi)的結(jié)構(gòu)鋼的高溫強(qiáng)度。也可以使用合金化來(lái)優(yōu)化根部區(qū)域和弱化區(qū)強(qiáng)度?？梢杂脧?qiáng)度增強(qiáng)元素使基底金屬的化學(xué)合金化以改進(jìn)弱化區(qū)的高溫強(qiáng)度。這可以減少脫落并減少焊接缺陷。在將焊料用于熔合根部焊接工藝的情況下，也可以使用包括但不限于W、Ta、Nb、Mo、V 和Cr的元素合金化以增強(qiáng)強(qiáng)度。如果焊料或墊片用于攪拌摩擦工藝，則也可以使用包括但不限于W、Ta、Nb、Mo、V和Cr的元素合金化以增強(qiáng)根部區(qū)域的強(qiáng)度和弱化區(qū)的強(qiáng)度。關(guān)于根部焊縫尺寸，使用較大和/或較強(qiáng)的根部焊縫在攪拌摩擦工具下提供更多材料和/或更強(qiáng)材料以抵抗經(jīng)由工具施加的下壓力，這也可以減少脫落和焊接缺陷的傾向?？梢酝ㄟ^(guò)一個(gè)或多個(gè)如下示例性非限制性熔焊參數(shù)來(lái)增加根部焊縫尺寸增大焊接坡口體積、增大填充焊絲送給速度和增大焊接電流。在應(yīng)用到管道內(nèi)部時(shí)，可能有根部焊縫尺寸的限制。較高強(qiáng)度的根部焊縫對(duì)于較薄的管道可能特別有益，在其中可能由于固有的弱化區(qū)厚度而使工藝受到挑戰(zhàn)。特別地，如果因?yàn)楸诤?，弱化區(qū)薄，則仍然可以通過(guò)使用更大更強(qiáng)的熔合根部焊縫來(lái)改善和控制脫落。關(guān)于根部焊透深度，此處公開(kāi)的新方法包括調(diào)整待通過(guò)FSW接合的區(qū)域中的對(duì)接邊緣且該相對(duì)厚的幾何形狀允許與在用薄鈍邊的常規(guī)內(nèi)部根部焊接期間可行的技術(shù)相比較高的穿透焊接技術(shù)。根部焊透深度增加，增加了根部區(qū)域厚度T2,由此增大了弱化區(qū)的總強(qiáng)度。也可以使用其它方法增大根部焊透深度，包括但不限于增大焊接坡口深度和/或改變坡口幾何形狀以允許通過(guò)焊弧增強(qiáng)穿透，增大焊接電流或使用脈沖波形或其它焊粉參數(shù)控制(例如電流波形)，選擇更有利的保護(hù)氣體以增強(qiáng)穿透和選擇焊接工藝來(lái)增強(qiáng)穿透。例如，激光或激光復(fù)合焊接在增大根部尺寸T2的大小從而增加根部焊透深度方面可能是特別有利的。關(guān)于焊接接頭的強(qiáng)化冷卻，在應(yīng)用此處公開(kāi)的焊接工藝期間可以使用從基底金屬的頂部或底部進(jìn)行的冷卻以降低金屬溫度，從而增大根部區(qū)域的強(qiáng)度?？梢栽谌酆细亢缚p處應(yīng)用冷卻以增大其焊態(tài)強(qiáng)度。也可以在應(yīng)用攪拌摩擦焊期間在基底金屬下側(cè)的熔合根部焊接區(qū)域應(yīng)用強(qiáng)化冷卻以增大強(qiáng)度。這可以降低FSW期間根部區(qū)域和弱化區(qū)的溫度。也可以在基底金屬的外表面(其中應(yīng)用FSW的焊縫的側(cè)面)應(yīng)用強(qiáng)化冷卻，這可以降低攪拌摩擦焊縫和熔合根部區(qū)域的溫度。能夠以多種非限制性方式完成熔合根部焊接區(qū)域的強(qiáng)化冷卻。用于強(qiáng)化冷卻的冷卻介質(zhì)可以為流體或固態(tài)形式，流動(dòng)的流體包括氣態(tài)介質(zhì)或液態(tài)介質(zhì)。在使用流體時(shí)，其可能內(nèi)在地冷卻，例如膨脹氣體，或者其可能在應(yīng)用到焊接區(qū)域之前經(jīng)由預(yù)冷器冷卻。使用流體作為冷卻介質(zhì)可以通過(guò)經(jīng)傳導(dǎo)、對(duì)流及其組合的熱傳遞機(jī)制提取熱而降低根部焊接區(qū)域的溫度。也可以使用具有足夠?qū)崧实墓腆w材料以通過(guò)傳導(dǎo)從根部焊接區(qū)域提取熱。在這種情況下，可以放置金屬塊使其與靠近根部焊縫的區(qū)域接觸。在一種形式中，可以通過(guò)內(nèi)部流體流動(dòng)冷卻金屬塊。也可以在焊接區(qū)域應(yīng)用粉末、糊或噴霧形式的化學(xué)材料以通過(guò)傳導(dǎo)、 對(duì)流、輻射、相變或任何吸熱反應(yīng)提取熱。當(dāng)希望對(duì)根部焊縫或攪拌摩擦焊縫使用強(qiáng)化冷卻時(shí)，可能有關(guān)于在寒冷氣候下現(xiàn)場(chǎng)制作的內(nèi)在優(yōu)點(diǎn)。在低的環(huán)境溫度的情況下，可以使用冷空氣來(lái)幫助焊縫冷卻。這可以通過(guò)使用冷空氣作為強(qiáng)制冷卻流體來(lái)實(shí)現(xiàn)或者可以通過(guò)只是允許環(huán)境空氣自然地影響焊接區(qū)域而稍微被動(dòng)地進(jìn)行冷卻。在此處公開(kāi)的對(duì)接焊縫和制造方法的另一形式中，可以使用機(jī)械支撐來(lái)增大根部焊接區(qū)域的強(qiáng)度并防止脫落。雖然通常由于在管線構(gòu)造期間“前端”焊接活動(dòng)而可能不希望使用內(nèi)部機(jī)械支撐，但是可能有其中這種限制最低或不存在的一些應(yīng)用。在這種情況下， 在管道內(nèi)徑上使用機(jī)械支撐以幫助抵抗攪拌摩擦工具載荷可能是有用的。與熔合根部焊道一起使用機(jī)械支撐可以降低焊道尺寸需求，因?yàn)槠湟矊⒎謸?dān)FSW期間給予的載荷。在組合熔合根部焊接和背面支撐的形式中，此處公開(kāi)的背面支撐顯著不同于用于背面支撐的常規(guī)心軸或砧。而例如美國(guó)專利6，732，901和美國(guó)專利公開(kāi)2006/0081683 Al 描述的常規(guī)心軸和砧設(shè)計(jì)成剛性很高以支撐攪拌摩擦工藝的全部下壓力，且設(shè)計(jì)用來(lái)在高溫下支撐工件，在心軸結(jié)合熔合根部焊接使用時(shí)，需求較低的設(shè)計(jì)是合適的。因?yàn)槿酆细亢附涌梢灾蜗喈?dāng)大的下壓力，所以與常規(guī)方法相比，第二心軸可以具有極小的尺寸和強(qiáng)度。并且，第二心軸不必適應(yīng)由于與攪拌摩擦焊縫直接接觸導(dǎo)致的高溫。因?yàn)槿酆细亢缚p位于攪拌摩擦焊攪拌區(qū)與心軸和工件之間的界面之間，所以與心軸與焊接區(qū)域基本直接接觸的常規(guī)情況相比心軸表面經(jīng)受的溫度低得多?？梢栽O(shè)計(jì)具有耐高溫涂層的常規(guī)心軸以經(jīng)受與達(dá)到約800°C或更高的峰值溫度的表面接觸。結(jié)合熔合根部焊接使用的第二心軸不需要這種涂層且可以將其設(shè)計(jì)為在低于800°C的溫度下支撐工作表面。結(jié)合此處公開(kāi)的熔合根部焊縫使用的第二心軸或砧的一個(gè)其它顯著設(shè)計(jì)因素在于第二心軸的表面材料可以通過(guò)使用順從層來(lái)優(yōu)化以適應(yīng)根部焊接區(qū)域的局部幾何形狀。 因?yàn)榈诙妮S相對(duì)于其中已經(jīng)預(yù)先沉積的熔合根部焊縫的表面壓縮，所以順從層可用于順應(yīng)熔合根部區(qū)域的形狀，從而適應(yīng)可以根據(jù)例如寬度、過(guò)量填注和焊趾幾何形狀的根部焊縫形狀以及工件本身的錯(cuò)邊幾何形狀而變化的局部幾何形狀。心軸順應(yīng)可以設(shè)計(jì)為材料順應(yīng)或機(jī)械順應(yīng)。在材料順應(yīng)的情況下，可以使用高溫聚合物作為接觸材料，而剛性較大的金屬支撐可以提供順從聚合物的支持。所述聚合物或類似材料可以含有基于金屬的添加劑或陶瓷添加劑，從而產(chǎn)生復(fù)合物順從層。在機(jī)械順應(yīng)的情況下，如圖13所示，一種這樣的設(shè)計(jì)包括使用相對(duì)小的分段金屬部件作為心軸的主要接觸部件，由此分段部件由可經(jīng)液壓或機(jī)械手段擴(kuò)展的柔性層支持或支撐?？梢越邮苓@些方法(材料順應(yīng)性、機(jī)械順應(yīng)或其組合) 或其它合適的順應(yīng)性方法的任何組合以提供對(duì)根部焊接區(qū)域應(yīng)用適度支撐所必需的理想的第二心軸。用于確定熔焊根部區(qū)域的實(shí)驗(yàn)方法可以使用實(shí)驗(yàn)方法、數(shù)值/分析方法及其組合來(lái)確定熔合根部焊接區(qū)域的尺寸， 從而實(shí)現(xiàn)足以防止FSW期間發(fā)生脫落的根部區(qū)域強(qiáng)度。數(shù)值/分析方法可以利用計(jì)算或基于計(jì)算機(jī)的模擬。在此處公開(kāi)的對(duì)接焊縫和形成方法的一種形式中，可以通過(guò)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)確定足以防止在FSW期間發(fā)生脫落的熔焊根部區(qū)域尺寸，由此對(duì)結(jié)構(gòu)鋼板或管道構(gòu)件應(yīng)用不同根部焊縫尺寸，隨后進(jìn)行FSW以完成接合?？梢酝ㄟ^(guò)一個(gè)或多個(gè)如下示例性非限制性參數(shù)改變根部焊縫尺寸增大坡口尺寸或深度(參見(jiàn)圖9(b))、增大弧電流、和/或使用脈沖電流波形或電流波形的其它控制、或優(yōu)化選擇焊接材料。隨后可以在所選的焊接參數(shù)范圍內(nèi)在不使用應(yīng)用到熔焊根部區(qū)域的背面支撐的情況下進(jìn)行FSW。在FSW之后，脫落的量(脫落量值或深度)可以通過(guò)圖11(b)所示的測(cè)量技術(shù)量化。使用該方法，可以使熔合根部焊縫尺寸與脫落量值或深度相關(guān)聯(lián)?？梢允褂美鏧射線或超聲波的任何合適非破壞性檢驗(yàn)(NDE) 技術(shù)來(lái)檢查熔合根部焊縫以監(jiān)測(cè)焊縫的內(nèi)部缺陷。通過(guò)檢查，可以使根部焊縫尺寸和脫落量值或深度與焊縫品質(zhì)相關(guān)聯(lián)。另外，可以將實(shí)驗(yàn)根部焊縫切片、拋光并檢查以量化尺寸T1 和T2。上述實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以用來(lái)對(duì)于通過(guò)應(yīng)用FSW到在根部區(qū)域中具有預(yù)機(jī)械加工的厚度的結(jié)構(gòu)鋼板樣品的給定材料組和焊接條件確定關(guān)鍵根部區(qū)域尺寸?？梢詸C(jī)械加工實(shí)心板或兩個(gè)對(duì)接板的下側(cè)以在如圖14所圖示的FSW攪拌區(qū)下面產(chǎn)生不同根部區(qū)域厚度。圖 14(a)顯示了具有機(jī)械加工成底側(cè)以改變?cè)贔SW工具下面存在的材料的厚度的步進(jìn)通道圖樣的結(jié)構(gòu)鋼板。圖14(b)為板的側(cè)視圖且顯示了 FSW工具在沿板的若干位置處以表明在工具和板底部之間的材料厚度(尺寸T2)的變化。在FSW操作期間，隨著工具沿板移動(dòng)，底部上的步進(jìn)構(gòu)造提供連續(xù)減少量的根部區(qū)域和弱化區(qū)厚度，以便關(guān)于脫落進(jìn)行評(píng)估。Μ ^ifft ^ffi^ R a mmmmti^i 也可以使用數(shù)值模型來(lái)確定此處公開(kāi)的對(duì)接焊縫和制造方法的可接受根部區(qū)域厚度范圍。這些模型需要弱化區(qū)內(nèi)材料強(qiáng)度的知識(shí)或估算。因?yàn)椴牧蠌?qiáng)度主要取決于溫度 (和因FSW工藝顯著變形的材料的應(yīng)變)，可以將弱化區(qū)中熱循環(huán)和應(yīng)變循環(huán)的知識(shí)或估算輸入模型中。該信息可以通過(guò)使用基于現(xiàn)象學(xué)定律的數(shù)值模型獲得?？梢曰趶?fù)雜性而將這些數(shù)值模型分成兩組，一組為簡(jiǎn)化的分析模型，另一組為復(fù)雜的分析模型。使用簡(jiǎn)化的分析模型，可以使用熱傳導(dǎo)方程首先估算工具下面的溫度。隨后可以使用溫度分布來(lái)計(jì)算FSW工藝期間材料的強(qiáng)度。最后，可以通過(guò)規(guī)定弱化區(qū)中的工具壓力來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)化的撓度計(jì)算。因此，撓度可以提供脫落尺寸的良好估算。基于計(jì)算的脫落尺寸， 可以規(guī)定根部焊道尺寸且重復(fù)以上實(shí)踐來(lái)計(jì)算脫落?？梢灾貜?fù)該過(guò)程直到脫落尺寸達(dá)到根部焊縫尺寸的容許值或最終指標(biāo)，并確定尺寸τ2。使用復(fù)雜的分析模型，可以使用復(fù)雜現(xiàn)象學(xué)模型計(jì)算估算FSW工藝期間材料強(qiáng)度所需的溫度和應(yīng)變歷程。該模擬程度通過(guò)靠近工具的材料的摩擦和增塑來(lái)研究材料變形和發(fā)熱性。這些模型可以將FSW工藝模擬為熱-機(jī)械耦合問(wèn)題或其中單獨(dú)研究熱學(xué)計(jì)算和機(jī)械計(jì)算的解耦問(wèn)題。使用該模擬方法，將根部焊道置于在管道內(nèi)側(cè)上的焊接接頭線處。隨后，進(jìn)行熱-機(jī)械計(jì)算來(lái)估算規(guī)定條件下的脫落尺寸。如前述方法一樣，可以進(jìn)行多次重復(fù)來(lái)確定根部焊道尺寸、弱化區(qū)尺寸和脫落之間的關(guān)系?！鲛o縮砂棚· - ■徹目☆誠(chéng)可以使用實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值方法的組合來(lái)確定熔合根部焊接區(qū)域的尺寸，從而實(shí)現(xiàn)足以防止FSW期間發(fā)生脫落的根部區(qū)域強(qiáng)度。在使用上述數(shù)值方法的過(guò)程中可能需要許多假定。例如，可能需要材料強(qiáng)度和溫度的估算。在組合方法中，可以進(jìn)行有限次實(shí)驗(yàn)來(lái)提供對(duì)于模型的直接輸入或數(shù)值方法的校準(zhǔn)。例如，可以由FSW工藝期間溫度的熱電偶測(cè)量產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果。另一實(shí)例可以在Gleeble或Gleeble類機(jī)器中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以測(cè)量高溫下的強(qiáng)度性質(zhì)。Gleeble能夠在預(yù)定值的施加應(yīng)變下進(jìn)行高拉伸試驗(yàn)，因此可以用在多種位置處定位的熱電偶預(yù)儀表化實(shí)驗(yàn)焊縫。使用實(shí)驗(yàn)信息，可以較好地校準(zhǔn)數(shù)值模型以預(yù)測(cè)最佳弱化區(qū)尺寸和根部焊道尺寸。這些數(shù)值模型可以是一個(gè)或多個(gè)如下形式分析方程、回歸方程或作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的復(fù)雜現(xiàn)象學(xué)模型。應(yīng)用一方面，此處公開(kāi)的對(duì)接焊縫和制造方法可用于焊接在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中使用的鑄鐵和碳素鋼構(gòu)件。另一方面，此處公開(kāi)的對(duì)接焊縫和制造方法可用于焊接結(jié)構(gòu)鋼。這些結(jié)構(gòu)鋼可以是油氣工業(yè)中使用的管線鋼，其包括但不限于選自)(50、X52, X60, X65, X70、X80、X90、 XlOO和X120或更高強(qiáng)度鋼的API (美國(guó)石油學(xué)會(huì))管道規(guī)格5L管道等級(jí)。管道的壁厚可以為 3. 2mm 至 38. 1mm、或 6. 4mm 至 31. 8mm、或 12. 7 至 25. 4mm、或 25. 5 至 50mm。另一方面，此處公開(kāi)的對(duì)接焊縫和制造方法對(duì)于焊接普碳鋼和合金鋼特別有用。 示例性但非限制性的普碳鋼和合金鋼包括AISI牌號(hào)1010、1020、1040、1080、1095、A36、 A516、A440、A633、A656、4063、4340、6150及其它AISI牌號(hào)，包括高強(qiáng)度牌號(hào)。其它示例性的碳素低合金鋼包括ASTM牌號(hào)A285、A387、A515、A516、A517及碳素低合金鋼的其它ASTM 牌號(hào)。除了例如4360-型板的英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)等之外，例如2H、2Y等的其它API結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)提供非限制性示例性基底材料的其它實(shí)例。此處公開(kāi)的對(duì)接焊縫和制造方法可以用來(lái)接合與油氣工業(yè)相關(guān)的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件。所述制造方法可以在在其中制造構(gòu)件的例如制造車間或軋鋼廠的生產(chǎn)設(shè)施中或在其中組裝構(gòu)件(例如管線)的制造現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。此處公開(kāi)的制造對(duì)接焊縫的方法適合形成油氣勘探、生產(chǎn)和精煉應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)， 例如形成這類應(yīng)用中的管狀結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件的對(duì)接焊縫。此處公開(kāi)的在油氣勘探、生產(chǎn)和精煉工業(yè)中獲得應(yīng)用的制造對(duì)接焊縫的方法的示例性但非限制性鋼結(jié)構(gòu)為管線焊接區(qū)域、鋼懸鏈線立管(SCR)和頂張力立管(TTR)焊接區(qū)域、螺紋構(gòu)件、石油鉆井設(shè)備焊接區(qū)域(即兩段深水石油鉆柱)、液化天然氣(LNG)和加壓 LNG(PLNG)容器焊接區(qū)域、立管/套管接頭和井口設(shè)備。在油氣上游應(yīng)用中，此處公開(kāi)的制造對(duì)接焊縫的方法適于接合和修復(fù)在天然氣輸送和儲(chǔ)存型應(yīng)用中使用的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件。特別地，可以利用此處公開(kāi)的制造對(duì)接焊縫的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)管線、壓縮天然氣(CNG)、加壓液化天然氣(PLNG)、液化天然氣(LNG)的氣體輸送技術(shù)及其它儲(chǔ)存/輸送技術(shù)。在天然氣輸送和儲(chǔ)存型應(yīng)用中的一種形式中，此處公開(kāi)的制造對(duì)接焊縫的方法可以用于接合/加工管線、流向線、收集管線、膨脹圈及其它輸送線。這將包括嚴(yán)格應(yīng)用，所述應(yīng)用包括復(fù)合管或M基合金管、13Cr管、雙相不銹鋼管、超級(jí)雙相不銹鋼管或由36% Ni合金(也稱作因瓦合金(Invar))或可用于低熱膨脹系數(shù)(CTE)的類似合金制成的管道。在天然氣輸送和儲(chǔ)存型應(yīng)用中的另一形式中，此處公開(kāi)的制造對(duì)接焊縫的方法可以用于接合/加工由碳素鋼和結(jié)構(gòu)鋼制成的材料。在天然氣輸送和儲(chǔ)存型應(yīng)用中的另一形式中，此處公開(kāi)的制造對(duì)接焊縫的方法可以用于接合/加工LNG、CNG和PLNG儲(chǔ)存和 /或輸送結(jié)構(gòu)。這包括組裝式LNG結(jié)構(gòu)、運(yùn)送容器、轉(zhuǎn)移構(gòu)件和管線及相關(guān)技術(shù)。在所公開(kāi)的組合熔焊和FSW工藝的另一應(yīng)用中，可以使用該新技術(shù)生成大直徑管道的縱縫焊接。可以使用所公開(kāi)的焊接方法制造螺旋、UOE或輥彎管。在36% Ni管道(也被稱為因瓦合金)或類似低CTE合金的情況下，該技術(shù)可能特別有用，這是由于避免了例如由于粗粒引起的凝固開(kāi)裂、失延裂紋和低強(qiáng)度焊接的典型焊接問(wèn)題。在油氣勘探和生產(chǎn)應(yīng)用中，此處公開(kāi)的制造對(duì)接焊縫的方法也可以用于接合用于油氣完井和生產(chǎn)的各種結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)包括但不限于海上和陸上生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、石油管線、儲(chǔ)油箱、套管/管道、完井和生產(chǎn)構(gòu)件、用于流向線連接的鑄造結(jié)構(gòu)、海底構(gòu)件、井下管狀制品 (例如0CTG)、干舷和相關(guān)結(jié)構(gòu)、臍帶纜、供給船和供應(yīng)船及火炬塔。更具體地，示例性海上生產(chǎn)結(jié)構(gòu)包括套層的平臺(tái)、海上移動(dòng)式鉆井裝置和相關(guān)生產(chǎn)構(gòu)件如套管、鋼筋束、立管和海底設(shè)施。海上移動(dòng)式鉆井裝置包括但不限于半潛式和升降式鉆油臺(tái)、張力腿平臺(tái)(TLP)、深吃水沉箱船(DDCV)、隨動(dòng)塔式平臺(tái)、浮動(dòng)采油、儲(chǔ)載油(FPSO)船、浮式儲(chǔ)卸油(FSO)船、船舶、油船等。示例性海底構(gòu)件包括但不限于管匯系統(tǒng)、采油樹(shù)和Β0Ρ。示例性干舷和相關(guān)結(jié)構(gòu)包括甲板上層建筑、鉆井平臺(tái)、住艙、直升機(jī)甲板和相關(guān)結(jié)構(gòu)。在下游應(yīng)用中，此處公開(kāi)的制造對(duì)接焊縫的方法適于接合精煉和化工廠中使用的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件。此處公開(kāi)的對(duì)接焊縫和制造這類對(duì)接焊縫的方法在精煉和化工廠應(yīng)用中，特別通過(guò)不同類金屬接合、鋼結(jié)構(gòu)接合和例如鑄鐵的難焊接材料接合而提供了有利條件。這些應(yīng)用包括但不限于鑄鐵、換熱器管和低溫和高溫處理和壓力容器。示例性低溫和高溫處理和壓力容器包括蒸汽裂解爐管、蒸汽重整管以及精煉結(jié)構(gòu)和構(gòu)件。適合所公開(kāi)的對(duì)接焊縫的示例性材料包括例如13% Cr鋼級(jí)、雙相不銹鋼和超級(jí)雙相不銹鋼的耐腐蝕材料。
具體實(shí)施例方式以下為本公開(kāi)的實(shí)施例且不應(yīng)將其視為關(guān)于本發(fā)明的范圍或權(quán)利要求書(shū)的范圍的限制。實(shí)施例以下實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明此處公開(kāi)的對(duì)接焊縫和制造這類對(duì)接焊縫的方法。實(shí)施例1-實(shí)驗(yàn)技術(shù)使用圖14描述的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，制備具有不同厚度的五個(gè)區(qū)的槽形底板。在攪拌摩擦焊和NDE檢查之后，測(cè)量脫落且使其與合適攪拌摩擦焊縫品質(zhì)和最小可接受的弱化區(qū)厚度相關(guān)聯(lián)。圖15為顯示具有變化板厚的五個(gè)不同區(qū)域和沿板測(cè)量的相應(yīng)脫落的板底部的照片。沿與槽形底部相關(guān)的長(zhǎng)度的結(jié)構(gòu)鋼板厚度為2mm至6mnK2、3、4、5和6mm)，且相應(yīng)脫落為0. 010英寸至0. 070英寸(文字框中的數(shù)值為0. 070,0. 043,0. 025,0. 015和0. 010英
寸)，較薄的板厚值對(duì)應(yīng)較少脫落。板厚與脫落之間的反比關(guān)系可以從圖15見(jiàn)到。脫落的量隨著厚度T2增加而減少。該實(shí)驗(yàn)技術(shù)提供了使用實(shí)際熔合根部焊接的先前所提到實(shí)驗(yàn)的模擬?？梢允褂脠D15中所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以對(duì)于隨后的大直徑管道焊接或其它結(jié)構(gòu)鋼或管道焊接設(shè)定根部焊縫厚度值(因此為弱化區(qū)厚度值)。發(fā)現(xiàn)了當(dāng)尺寸T2小于約2至3毫米時(shí)，脫落量顯著且焊縫包含缺陷。當(dāng)尺寸T2較接近于約5或6毫米時(shí)，脫落大大降低，且焊縫趨于完全固定且沒(méi)有缺陷。因此，可以確定，對(duì)于所用的材料和FSW參數(shù)，需要T2在約 4至6毫米的等級(jí)。改變材料、FSW參數(shù)或焊縫幾何形狀能夠產(chǎn)生不同的可接受的T2厚度， 但是可以使用所述的通用方法以對(duì)于變量的任何組合確定弱化區(qū)厚度和根部焊縫尺寸。申請(qǐng)人:試圖公開(kāi)能夠合理預(yù)見(jiàn)的所公開(kāi)主題的所有形式和應(yīng)用。然而，可能存在繼續(xù)作為等價(jià)物的不可預(yù)見(jiàn)的非實(shí)質(zhì)性修改。盡管本公開(kāi)已經(jīng)結(jié)合其具體示例性形式進(jìn)行了描述，但是很顯然，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)上述描述在不脫離本公開(kāi)的精神或范圍的情況下明顯看到許多改變、修改和變化。因此，本公開(kāi)旨在涵蓋上述具體實(shí)施方式
的所有這些改變、修改和變化。此處引用的所有專利、試驗(yàn)方法和其它文件，包括優(yōu)先權(quán)文件，都以這些公開(kāi)不與本發(fā)明且不與允許這些結(jié)合的所有司法解釋相矛盾的方式通過(guò)參考完全結(jié)合到本文中。當(dāng)此處列出數(shù)值的下限和數(shù)值的上限時(shí)，涵蓋從任何下限到任何上限的范圍。還應(yīng)該理解在本文的說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)內(nèi)的所有數(shù)值都由“約”修飾。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)接焊縫，其包含兩個(gè)或多個(gè)對(duì)接結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件，在所述構(gòu)件一側(cè)上的搭接面上開(kāi)坡口，以形成合適形狀的熔合根部焊縫坡口，且在所述構(gòu)件的相對(duì)側(cè)的搭接面上未開(kāi)坡口，并且所述構(gòu)件與在所述構(gòu)件的開(kāi)坡口側(cè)上的第一熔合根部焊縫和在所述構(gòu)件的未開(kāi)坡口側(cè)上的第二攪拌摩擦焊縫相互連接，其中所述第一熔合根部焊縫的寬度為7mm至30mm，穿透深度為2mm至20mm和過(guò)量填注為2mm至5mm,且其中所述第二攪拌摩擦焊縫的攪拌區(qū)穿透所述第一熔合根部焊縫。
2.權(quán)利要求1的對(duì)接焊縫，其中所述第一熔合根部焊縫的寬度為7mm至20mm。
3.權(quán)利要求2的對(duì)接焊縫，其中所述第一熔合根部焊縫的寬度為7mm至15mm。
4.權(quán)利要求1的對(duì)接焊縫，其中所述第一熔合根部焊縫的穿透深度為4mm至15mm。
5.權(quán)利要求4的對(duì)接焊縫，其中所述第一熔合根部焊縫的穿透深度為5mm至10mm。
6.權(quán)利要求1的對(duì)接焊縫，其中所述第一熔合根部焊縫的過(guò)量填注范圍為2.5mm至4mm ο
7.權(quán)利要求1的對(duì)接焊縫，其中所述第二攪拌摩擦焊縫的攪拌區(qū)穿透所述熔合根部焊縫至基本上Omm至5mm范圍的深度。
8.權(quán)利要求7的對(duì)接焊縫，其中所述第二攪拌摩擦焊縫的攪拌區(qū)穿透所述第一熔合根部焊縫至0. 5mm至3mm范圍的深度。
9.權(quán)利要求1的對(duì)接焊縫，其中所述合適形狀的熔合根部焊縫坡口選自U-形坡口、 j_形坡口、ν-形坡口及其組合。
10.權(quán)利要求9的對(duì)接焊縫，其中所述合適形狀的熔合根部焊縫坡口的寬度和深度范圍為2mm至15mm。
11.權(quán)利要求10的對(duì)接焊縫，其中所述合適形狀的熔合根部焊縫坡口的寬度和深度范圍為3mm至10mm。
12.權(quán)利要求1的對(duì)接焊縫，其中所述兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件為選自)(50、X52,X60, X65、X70、X80、X90、X100 和 X120 的 API(美國(guó)石油學(xué)會(huì)(American Petroleum Institute)) 管道規(guī)格5L牌號(hào)管材。
13.權(quán)利要求1的對(duì)接焊縫，其中所述兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件為普碳鋼和合金鋼，其選自 AISI 牌號(hào) 1010、1020、1040、1080、1095、A36、A516、A440、A633、A656、4063、4340、6150 和 ASTM 牌號(hào) A285、A387、A515、A516、A517。
14.權(quán)利要求1的對(duì)接焊縫，其中所述兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件為選自API2H級(jí)、API 2Y 級(jí)和英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)4360級(jí)的結(jié)構(gòu)鋼級(jí)。
15.權(quán)利要求1的對(duì)接焊縫，其中所述兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件選自復(fù)合管、螺旋管、UOE 管、輥彎管、Ni基合金管、13Cr管、雙相不銹鋼管、超級(jí)雙相不銹鋼管、36% Ni合金管和由其它低熱膨脹系數(shù)合金制成的管。
16.權(quán)利要求1的對(duì)接焊縫，其中所述兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件包括選自W、Ta、Nb、Mo、 V、Cr及其組合的合金元素。
17.權(quán)利要求1的對(duì)接焊縫，其中通過(guò)控制包括以下條件中的一個(gè)或多個(gè)的熔焊工藝條件形成所述第一熔合根部焊縫焊絲的化學(xué)組成、弧電壓、弧電流強(qiáng)度、弧電流波形、焊槍的行進(jìn)速度、焊絲進(jìn)給速度、保護(hù)氣體組成、焊劑組成和所述第一熔合根部焊縫的冷卻速度。
18.權(quán)利要求17的對(duì)接焊縫，其中所述焊絲的化學(xué)組成包括具有選自W、Ta、Nb、Mo、V、 Cr及其組合的合金元素的含鐵化學(xué)組成。
19.權(quán)利要求1的對(duì)接焊縫，其中通過(guò)控制包括以下條件中一個(gè)或多個(gè)的攪拌摩擦焊接工藝條件形成所述第二攪拌摩擦焊縫攪拌摩擦焊工具的幾何形狀、所述攪拌摩擦焊工具的焊接行進(jìn)速度、所述攪拌摩擦焊工具的旋轉(zhuǎn)速度、施加到所述攪拌摩擦焊工具上的扭轉(zhuǎn)載荷、在所述攪拌摩擦焊工具上的下壓力載荷或平移載荷、所述第二攪拌摩擦焊縫的冷卻速度和在應(yīng)用攪拌摩擦過(guò)程的同時(shí)冷卻所述第一熔合根部焊縫。
20.權(quán)利要求19的對(duì)接焊縫，其中所述攪拌摩擦焊工具上的下壓力載荷或平移載荷足夠低以防止在形成所述第二攪拌摩擦焊縫期間所述第一熔合根部焊縫的脫落，并且足夠高以防止在所述第二攪拌摩擦焊縫中的缺陷。
21.權(quán)利要求20的對(duì)接焊縫，其中所述攪拌摩擦焊工具上的下壓力載荷或平移載荷從大于或等于1000磅力到小于或等于30，000磅力的范圍內(nèi)變化。
22.權(quán)利要求19的對(duì)接焊縫，其中施加到所述攪拌摩擦焊工具上的扭轉(zhuǎn)載荷從大于或等于150英尺·磅到小于或等于1000英尺·磅的范圍內(nèi)變化。
23.權(quán)利要求22的對(duì)接焊縫，其中施加到所述攪拌摩擦焊工具上的扭轉(zhuǎn)載荷從大于或等于200英尺·磅到小于或等于750英尺·磅的范圍內(nèi)變化。
24.權(quán)利要求1的對(duì)接焊縫，其中所述第一熔合根部焊縫具有足夠的強(qiáng)度和韌性以防止在形成所述第二攪拌摩擦焊縫期間所述第一熔合根部焊縫的脫落。
25.權(quán)利要求1的對(duì)接焊縫，其中通過(guò)選自有保護(hù)的金屬電弧焊、金屬極惰性氣體保護(hù)焊、藥芯焊絲電弧焊、金屬芯電弧焊、氣體保護(hù)鎢極電弧焊、等離子弧焊、潛弧焊、激光焊接、 激光復(fù)合焊接、電子束焊接、閃光對(duì)焊、單極焊接及其組合的熔焊工藝形成所述第一熔合根部焊縫。
26.權(quán)利要求1的對(duì)接焊縫，其中在對(duì)所述構(gòu)件的第一熔合根部焊縫側(cè)應(yīng)用機(jī)械背面支撐的同時(shí)形成所述第二攪拌摩擦焊縫。
27.權(quán)利要求沈的對(duì)接焊縫，其中所述機(jī)械背面支撐是與所述第一熔合根部焊接區(qū)域幾何形狀一致的第二心軸或砧。
28.權(quán)利要求27的對(duì)接焊縫，其中所述第二心軸或砧通過(guò)材料順應(yīng)、機(jī)械順應(yīng)或其組合使其與所述第一熔合根部焊接區(qū)域的幾何形狀一致。
29.權(quán)利要求觀的對(duì)接焊縫，其中所述材料順應(yīng)包括由通過(guò)液壓或機(jī)械方式可擴(kuò)展的柔性層支撐的分段部件。
30.制造對(duì)接焊縫的方法，其包括提供兩個(gè)或多個(gè)對(duì)接結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件，在所述構(gòu)件的一側(cè)的搭接面上開(kāi)坡口，以形成合適形狀的熔合根部焊縫坡口，且在所述構(gòu)件的相對(duì)側(cè)的搭接面上未開(kāi)坡口，在足以形成熔合根部焊縫的條件下熔焊所述構(gòu)件的一側(cè)開(kāi)坡口的搭接面，其中所述熔合根部焊縫的寬度為7mm至30mm，穿透深度為2mm至20mm和過(guò)量填注為2mm至5mm，且在足以形成攪拌摩擦焊縫的條件下攪拌摩擦焊所述構(gòu)件的相對(duì)側(cè)的未開(kāi)坡口的搭接面，其中所述攪拌摩擦焊縫的攪拌區(qū)穿透所述熔合根部焊縫至基本上Omm至5mm范圍的深度。
31.權(quán)利要求30的方法，其中所述熔合根部焊縫的寬度為7mm至20mm。
32.權(quán)利要求30的方法，其中所述熔合根部焊縫的寬度為7mm至15mm。
33.權(quán)利要求30的方法，其中所述熔合根部焊縫的穿透深度為4mm至15mm。
34.權(quán)利要求33的方法，其中所述熔合根部焊縫的穿透深度為5mm至10mm。
35.權(quán)利要求30的方法，其中所述熔合根部焊縫的過(guò)量填注為2.5mm至4mm。
36.權(quán)利要求30的方法，其中所述攪拌摩擦焊縫的攪拌區(qū)穿透所述第一熔合根部焊縫至0. 5mm至3mm范圍的深度。
37.權(quán)利要求30的方法，其中所述合適形狀的熔合根部焊縫坡口選自U-形坡口、j_形坡口、ν-形坡口及其組合。
38.權(quán)利要求37的方法，其中所述合適形狀的熔合根部焊縫坡口的寬度和深度范圍為 2mm 至 15mm0
39.權(quán)利要求38的方法，其中所述合適形狀的熔合焊縫坡口的寬度和深度范圍為3mm 至 IOmm0
40.權(quán)利要求30的方法，其中所述兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件為選自)(50、X52,X60, X65, X70、X80、X90、XlOO和X120牌號(hào)的API (美國(guó)石油學(xué)會(huì))管道規(guī)格5L管材。
41.權(quán)利要求30的方法，其中所述兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件為普碳鋼和合金鋼，其選自 AISI 牌號(hào) 1010、1020、1040、1080、1095、A36、A516、A440、A633、A656、4063、4340、6150 ；ASTM 牌號(hào) A^5、A387、A515、A516、A517 ；API 牌號(hào) 2H、2Y ；及英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào) 4360。
42.權(quán)利要求30的方法，其中所述兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件選自復(fù)合管、螺旋管、UOE管、 輥彎管、Ni基合金管、13Cr管、雙相不銹鋼管、超級(jí)雙相不銹鋼管、36% Ni合金管和由其它低熱膨脹系數(shù)合金制成的管。
43.權(quán)利要求30的方法，其中所述兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件包括選自W、Ta、Nb、Mo、V、Cr 及其組合的合金元素。
44.權(quán)利要求30的方法，其中足以形成所述熔合根部焊縫的條件選自以下條件中至少一個(gè)焊絲的化學(xué)組成、弧電壓、弧電流強(qiáng)度、弧電流波形、焊絲進(jìn)給速度、焊槍的行進(jìn)速度、 保護(hù)氣體組成、焊劑組成和所述熔合根部焊縫的冷卻速度。
45.權(quán)利要求44的方法，其中所述焊絲的化學(xué)組成包括具有選自W、Ta、Nb、Mo、V、Cr及其組合的合金元素的含鐵化學(xué)組成。
46.權(quán)利要求44的方法，其中所述熔合根部焊縫的冷卻速度范圍為10至200°C/秒。
47.權(quán)利要求30的方法，其中通過(guò)控制包括以下條件中的一個(gè)或多個(gè)的攪拌摩擦焊工藝條件，形成所述攪拌摩擦焊縫所述攪拌摩擦焊工具的幾何形狀和大小、所述攪拌摩擦焊工具的焊接行進(jìn)速度、所述攪拌摩擦焊工具的旋轉(zhuǎn)速度、在所述攪拌摩擦焊工具上的下壓力載荷或平移載荷、所述攪拌摩擦焊縫的冷卻速度和所述熔合根部焊縫的同時(shí)冷卻速度。
48.權(quán)利要求47的方法，其中所述攪拌摩擦焊工具的幾何形狀包括機(jī)械加工、模制或制造到工具銷中的多種形狀、隆起或圖樣，以改進(jìn)材料流動(dòng)、增大穿透深度、增大焊接行進(jìn)速度和/或減少焊接缺陷。
49.權(quán)利要求47的方法，其中所述攪拌摩擦焊工具的焊接行進(jìn)速度范圍為1至30英寸 /分鐘。
50.權(quán)利要求47的方法，其中所述攪拌摩擦焊工具的旋轉(zhuǎn)速度范圍為100至700rpm。
51.權(quán)利要求47的方法，其中所述攪拌摩擦焊工具上的下壓力載荷或平移載荷足夠低以防止在形成所述攪拌摩擦焊縫期間所述熔合根部焊縫的脫落，并且足夠高以防止在所述攪拌摩擦焊縫中的缺陷。
52.權(quán)利要求51的方法，其中所述攪拌摩擦焊工具上的下壓力載荷或平移載荷大于或等于1000磅力且小于或等于30，000磅力。
53.權(quán)利要求47的方法，其中所述攪拌摩擦焊縫的冷卻速度范圍為10°C/秒至400°C/秒。
54.權(quán)利要求47的方法，其中所述熔合根部焊縫的同時(shí)冷卻速度范圍為10°C/秒至 2000C / 秒。
55.權(quán)利要求30的方法，其中通過(guò)軌道攪拌摩擦焊系統(tǒng)形成攪拌摩擦焊縫。
56.權(quán)利要求30的方法，其中所述熔合根部焊縫的強(qiáng)度和韌性足以在攪拌摩擦焊期間防止所述熔合根部焊縫的脫落。
57.權(quán)利要求44和47的方法，其中在應(yīng)用攪拌摩擦焊期間冷卻所述熔合根部焊縫的方法是通過(guò)用氣態(tài)或液態(tài)介質(zhì)進(jìn)行強(qiáng)制流體冷卻。
58.權(quán)利要求57的方法，其中所述氣態(tài)或液態(tài)介質(zhì)選自水、乙二醇、二氧化碳、氮?dú)饧捌浣M合。
59.權(quán)利要求30的方法，其中所述熔焊工藝選自有保護(hù)的金屬電弧焊、金屬極惰性氣體保護(hù)焊、藥芯焊絲電弧焊、金屬芯電弧焊、氣體保護(hù)鎢極電弧焊、等離子弧焊、潛弧焊、激光焊接、激光復(fù)合焊接、電子束焊接、閃光對(duì)焊、單極焊接及其組合。
60.權(quán)利要求30的方法，其還包括在攪拌摩擦焊期間對(duì)所述構(gòu)件的第一熔合根部焊縫側(cè)施加機(jī)械背面支撐。
61.權(quán)利要求60的方法，其中所述機(jī)械背面支撐為與所述第一熔合根部焊接區(qū)域的幾何形狀一致的第二心軸或砧。
62.權(quán)利要求61的方法，其中所述第二心軸或砧通過(guò)材料順應(yīng)、機(jī)械順應(yīng)或其組合使其與所述第一熔合根部焊接區(qū)域的幾何形狀一致。
63.權(quán)利要求62的方法，其中所述材料順應(yīng)包括由通過(guò)液壓或機(jī)械方式可擴(kuò)展的柔性層支撐的分段部件。
64.一種對(duì)接焊縫，其包括兩個(gè)或多個(gè)對(duì)接結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件，在所述構(gòu)件的一側(cè)上的搭接面上開(kāi)坡口，以形成合適形狀的熔合根部焊縫坡口，且在所述構(gòu)件的相對(duì)側(cè)的搭接面上未開(kāi)坡口，并且所述構(gòu)件與在所述構(gòu)件的開(kāi)坡口側(cè)上的第一熔合根部焊縫和在所述構(gòu)件的未開(kāi)坡口側(cè)上的第二攪拌摩擦焊縫相互連接，其中所述第一熔合根部焊縫的大小足以支撐在形成所述第二攪拌摩擦焊縫時(shí)施加的下壓力，且其中所述第二攪拌摩擦焊縫的攪拌區(qū)穿透所述第一熔合根部焊縫至足以提供連續(xù)接合表面的深度。
65.權(quán)利要求64的對(duì)接焊縫，其中所述第一熔合根部焊縫的寬度范圍為7mm至20mm。
66.權(quán)利要求64的對(duì)接焊縫，其中所述第一熔合根部焊縫的寬度范圍為7mm至15mm。
67.權(quán)利要求64的對(duì)接焊縫，其中所述第一熔合根部焊縫的穿透深度范圍為4mm至 15mm0
68.權(quán)利要求67的對(duì)接焊縫，其中所述第一熔合根部焊縫的穿透深度范圍為5mm至 IOmm0
69.權(quán)利要求64的對(duì)接焊縫，其中所述第一熔合根部焊縫的過(guò)量填注范圍為2.5mm至4mm ο
70.權(quán)利要求64的對(duì)接焊縫，其中所述第二攪拌摩擦焊縫的攪拌區(qū)穿透所述第一熔合根部焊縫至基本上Omm至5mm范圍的深度。
71.權(quán)利要求70的對(duì)接焊縫，其中所述第二攪拌摩擦焊縫的攪拌區(qū)穿透所述第一熔合根部焊縫至0. 5mm至3mm范圍的深度。
72.權(quán)利要求64的對(duì)接焊縫，其中所述合適形狀的熔合根部焊縫坡口選自U-形坡口、 j_形坡口、ν-形坡口及其組合。
73.權(quán)利要求72的對(duì)接焊縫，其中所述合適形狀的熔合根部焊縫坡口的寬度和深度范圍為2mm至15mm。
74.權(quán)利要求64的對(duì)接焊縫，其中所述兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件為選自)(50、X52,X60, X65, X70、X80、X90、XlOO和X120牌號(hào)的API (美國(guó)石油學(xué)會(huì))管道規(guī)格5L管材。
75.權(quán)利要求64的對(duì)接焊縫，其中所述兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件為普碳鋼和合金鋼，其選自 AISI 牌號(hào) 1010、1020、1040、1080、1095、A36、A516、A440、A633、A656、4063、4340、6150 ； 八5丁] 牌號(hào)六285、六387、六515、六516、六517 ；API牌號(hào)2H、2Y ；及英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)4360。
76.權(quán)利要求64的對(duì)接焊縫，其中所述兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件選自復(fù)合管、螺旋管、 UOE管、輥彎管、Ni基合金管、13Cr管、雙相不銹鋼管、超級(jí)雙相不銹鋼管、36% Ni合金管和由其它低熱膨脹系數(shù)合金制成的管。
77.權(quán)利要求64的對(duì)接焊縫，其中所述兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件包括選自W、Ta、Nb、Mo、 V、Cr及其組合的合金元素。
78.權(quán)利要求64的對(duì)接焊縫，其中所述第一熔合根部焊縫的強(qiáng)度和韌性足以在形成所述第二攪拌摩擦焊縫期間防止所述第一熔合根部焊縫脫落。
79.權(quán)利要求64的對(duì)接焊縫，其中通過(guò)選自有保護(hù)的金屬電弧焊、金屬極惰性氣體保護(hù)焊、藥芯焊絲電弧焊、金屬芯電弧焊、氣體保護(hù)鎢極電弧焊、等離子弧焊、潛弧焊、激光焊接、激光復(fù)合焊接、電子束焊接、閃光對(duì)焊、單極焊接及其組合的熔焊工藝形成所述第一熔合根部焊縫。
80.權(quán)利要求64的對(duì)接焊縫，其中在對(duì)所述構(gòu)件的第一熔合根部焊縫側(cè)施加機(jī)械背面支撐的同時(shí)形成所述第二攪拌摩擦焊縫。
81.權(quán)利要求80的對(duì)接焊縫，其中所述機(jī)械背面支撐為與所述第一熔合根部焊接區(qū)域的幾何形狀一致的第二心軸或砧。
82.權(quán)利要求81的對(duì)接焊縫，其中所述第二心軸或砧通過(guò)材料順應(yīng)、機(jī)械順應(yīng)或其組合與所述第一熔合根部焊接區(qū)域幾何形狀一致。
83.權(quán)利要求82的對(duì)接焊縫，其中所述材料順應(yīng)包括由通過(guò)液壓或機(jī)械方式可擴(kuò)展的柔性層支撐的分段部件。
全文摘要
在本公開(kāi)的一種形式中，對(duì)接焊縫包括兩個(gè)或多個(gè)對(duì)接結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件，在所述構(gòu)件一側(cè)上的搭接面上開(kāi)坡口以形成合適形狀的熔合根部焊縫坡口且在所述構(gòu)件的相對(duì)側(cè)的搭接面上未開(kāi)坡口，并且所述構(gòu)件與在所述構(gòu)件的開(kāi)坡口側(cè)上的第一熔合根部焊縫和在所述構(gòu)件的未開(kāi)坡口側(cè)上的第二攪拌摩擦焊縫互相連接，其中所述第一熔合根部焊縫的寬度為7mm至30mm，穿透深度為2mm至20mm和過(guò)量填注為2mm至5mm，且其中所述第二攪拌摩擦焊縫的攪拌區(qū)穿透所述第一熔合根部焊縫。所述對(duì)接焊縫及其制造方法在用于油氣生產(chǎn)的線管接合方面得到應(yīng)用。
文檔編號(hào)B23K20/12GK102264502SQ200980152432
公開(kāi)日2011年11月30日 申請(qǐng)日期2009年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月23日
發(fā)明者史蒂文·J·福特, 尼古拉斯·E·比厄里, 納森·E·尼斯利, 道格拉斯·P·弗爾柴爾德, 阿米特·庫(kù)瑪, 馬里奧·L·瑪西亞 申請(qǐng)人:?？松梨谘芯抗こ坦?br>