專利名稱：用于不同材料焊接的構造和方法
技術領域：
本發(fā)明的技術領域是焊接，本發(fā)明尤其涉及不同材料的焊接。

背景技術：
類似或相同材料焊接是比較簡單的工藝，并且在各種材料上常規(guī)地執(zhí)行。然而，不同材料之間的焊接接頭的穩(wěn)定性和整體性通常是有問題的，并且根據特定的材料和構造，已經證實不同材料的焊接在現場條件下是困難的。
例如，當將對較寬泛地選擇的不同材料進行接合時，可以采用將不同材料電弧熔接焊。然而，由于典型電弧熔接焊的完全控制通常是不能實現的，必須對這種焊接施加嚴格的限制，尤其是當被焊接的材料應用于對焊縫施加高的機械應力和/或化學應力的環(huán)境中時。這樣，不同材料電弧熔接焊常常被認為具有更高的失效風險。在其它已知方式中，可以采用摩擦焊，以用觀念上簡單且不需要填料金屬和焊劑的工藝將不同材料熔接。此外，與不同材料的電弧熔接焊相比，摩擦焊有利地提高了各種材料組合中的穩(wěn)定性和整體性。但是，在大多數情況下，摩擦焊需要專門的設備并且常常受到待焊接材料的特定構造的限制。因此，對于大部分現場焊接需求，通常不推薦摩擦焊。
為了克服與以上焊接工藝相關的問題，可以進行對不同材料的機械接合。美國專利No.255,163、No.831,588、No.2,159,811、No.3,858,911和No.4,712,812描述了用于接合的實例。雖然這種接合通常容許在現場條件下將不同材料聯接起來，但是仍然存在大量困難。在這些困難中，通常導致泄露或者甚至導致這種接合失效的問題常見于設計、成型、螺栓扭轉以及這些接合的螺栓拉伸上。此外，這種機械接合的安裝常常耗時長，尤其是當不同材料是具有較大直徑的管件時。
因此，雖然使不同材料接合的大量構造和方法在本領域中是已知的，但是它們中的所有或幾乎所有的構造和方法都存在一個或多個缺點。因而，仍然有需要提供改良的構造和方法，以便將不同材料可靠地焊接以形成穩(wěn)定的材料連接，尤其是在現場條件下。


發(fā)明內容
本發(fā)明針對轉接件以及使用轉接件以使得能夠對不同材料進行焊接的方法，其中該轉接件包括由不同的材料制造的第一部分和第二部分，或包括與待焊接的不同材料類似的第一種和第二種不同材料。最優(yōu)選地，轉接件在車間環(huán)境(例如使用摩擦攪拌(stir)焊接)中在受控條件下制造，而通過轉接件對不同材料的焊接(例如管到設備)卻在室外進行。
在發(fā)明主題的一個方面，一種將可焊接的不同材料聯接的方法，包括由第一材料和第二材料使用熔接工藝形成轉接件的步驟，在該熔接工藝中，將該第一材料和第二材料的相應的端部接合，其中該第一材料和第二材料是不同的材料。在另一個步驟中，確定轉接件的整體性，并且在又一步驟中，在不同材料之間的某中間位置焊接轉接件，以使得該轉接件的第一材料焊接到不同材料的第一種材料上，其中該轉接件第一材料和所述不同材料的第一種材料相似；并且使得轉接件的第二材料焊接到所述不同材料的第二種材料上，其中該轉接件第二材料和所述不同材料的第二種材料相似。
最優(yōu)選地，該第一材料和第二材料是或包括碳鋼、不銹鋼、超級奧氏體不銹鋼、高強度低合金鋼、鎳合金、銅合金、鋁合金、鈦、鉛、鋅和鎂，或者熱固性聚合物和熱塑性聚合物。尤其應該理解的是，通過使用這種轉接件，焊接能夠在現場操作中執(zhí)行，而形成轉接件的步驟可以在相對于現場操作的遠程場所執(zhí)行，從而顯著地簡化了現場操作。根據現場中的不同材料，可以以傳統(tǒng)方式使用電弧焊、氣焊、電阻焊、超聲波焊、高頻焊或能束焊以手動方法或以至少部分自動的方式來執(zhí)行焊接。通常優(yōu)選的是，轉接件具有環(huán)形形狀，并且熔接工藝是固態(tài)接合工藝(例如摩擦攪拌焊接或旋轉摩擦焊接)。此外，通常優(yōu)選的是，使用非破壞性工藝(例如X射線或超聲波)來確定轉接件中的焊縫的整體性。
這樣，在發(fā)明主題的另一方面，本發(fā)明人構思了一種用于在焊接工藝中使不同材料永久地接合的轉接件(例如環(huán)形)，其中該轉接件包括摩擦攪拌焊接到第二部分上的第一部分，并且，其中該第一部分和第二部分分別由類似于所述不同材料的不同的材料制造。關于用于轉接件的適當材料，同樣適用與以上所提供的相同的考慮。這種轉接件可以單獨提供或者作為套件的一部分來提供，該套件提供了指示(例如與轉接件相聯系或者通過網站、廣告或手冊)，以將該轉接件焊接在第一管和第二管的某中間位置，其中第一管和第二管由不同材料制造。該構造和裝置的、包括本申請?zhí)岢龅霓D接件的特別有用的實施例是繞線管(pipe spool)、管道、T接頭、壓力容器和歧管，其中，至少兩種不同材料構件聯接一起的。
通過下文對本發(fā)明的優(yōu)選實施例和附圖的詳細描述，本發(fā)明的各種目的、特征、方面和優(yōu)點將變得顯而易見。



圖1為根據發(fā)明主題的不同材料轉接件的示例性應用的示意圖。

具體實施例方式 本發(fā)明人已經公開，可以通過使用預先形成的、可為規(guī)范所接受的不同材料轉接件(DMA)以簡單的現場可接受的方式使多種不同材料可靠地接合。通常優(yōu)選的是，可以通過摩擦攪拌焊接(FSW)來制造該DMA。然而，其它焊接工藝并且尤其是固態(tài)焊接工藝在本申請也構思為是適用的。然后可以使用使相似材料接合的所有已知方式將DMA焊接或以其它方式熔接到其相應的對應物上。尤其優(yōu)選DMA為環(huán)形，并且因此將在管到管和管到設備的接合中消除對存在于車間和室外的不同材料熔焊焊縫的需要。
本申請所使用的用語“不同(的)材料”指這樣的材料，其具有不同到使得普通的弧焊工藝通常不會產生具有結構和功能整體性的一致焊縫的不同熔融特性和熱傳導性。從另外的角度來看，在本申請中提供的定義范圍下的不同材料也能夠表征為具有不同的基體金屬的材料，該基體金屬具有不同的合金成分，在某些情況下也具有不同的微觀結構。例如，在以上所提供的定義下，碳鋼與不銹鋼、或者高強度低合金鋼與鋁合金被認為是不同材料。雖然在一些情況下這些不同材料能夠使用傳統(tǒng)焊接工藝來焊接，但是要取得一致的和滿意的焊縫是非常困難的，并且這些不同材料的焊接通常不利于在現場條件下進行。這樣，本申請所使用的用語“相似材料”指這樣的材料，其具有類似到使得普通的弧焊工藝將典型地產生具有結構和功能整體性的一致焊縫的類似熔融特性和熱傳導性。例如，碳鋼AISI 4110和AISI4160被認為屬于上面提供的定義下的相似材料。
關于DMA的適用的制造工藝，由于與FSW工藝相關的大量優(yōu)點，通常優(yōu)選采用FSW來產生DMA。例如，FSW消除了對填料金屬和高焊接沉積溫度的需要，從而提供了低的扭曲和收縮。而且，因為FSW不需要材料熔融，所以以這種方式形成的接頭不容易受熔焊中常見的與凝固有關的缺陷的影響。此外，FSW通常僅需要最小的接邊加工，并且在接合材料時不需要保護氣體，在熔焊時通常是需要保護的。FSW的優(yōu)點還延伸至已接合材料的材料特性。例如，與典型的熔焊技術相比，在大多數情況下，FSW焊縫在室溫下更加穩(wěn)定，具有改進了的低溫特性、呈現更高的疲勞壽命和焊縫破裂不敏感性，并且常常提供更高的屈服強度和拉伸強度。此外，由于低熱量輸入和淬水沉淀劑的分解以及對例如破裂和疲勞的現有失效機理的高不敏感性，FSW的優(yōu)點包括更低程度的機械特性可變性、對應力腐蝕破裂機理的低敏感度。示例性的FSW工藝和裝置在本領域中已為人們所熟知，并且已在WO93/010935中描述了一種典型的工藝和裝置，該申請通過引用而結合在本申請中。本申請所構思的用以準備DMA的其它適合的、次優(yōu)選的“固態(tài)焊接”方法包括冷焊、擴散焊、爆炸焊、鍛焊、熱壓焊、軋焊和超聲波焊。應該理解的是，根據不同材料的性質和/或它們的構造，本領域的普通技術人員能夠容易地選擇最適合的焊接技術。
從而，應當了解的是，這些優(yōu)點被引入到所構思的DMA中，在DMA中，使用FSW或其它適合的工藝來制造轉接件部分。由于FSW工藝的提高了的質量，在這些DMA中的接縫通常將具有質量更高的、更加均勻的且具有非常低的修理可能性的焊縫。此外，應該了解的是，所構思的DMA容許將不同材料焊接，以便從管和設備的制造車間及現場轉移到受控的FSW車間，并且利用FSW技術、嚴格受控的FSW車間環(huán)境以及增強了的質量保證技術。這樣，尤其應該理解的是，所構思的DMA將會替代典型的不同材料電弧熔接“對接焊縫”，因此容許車間制造者專注于相似材料的焊接。當然，在車間和現場應用中，所構思的DMA可完全地消除對不同材料電弧熔接焊的需要。
在一個優(yōu)選實施例中，DMA構造成為焊接環(huán)并且具有至少兩種不同的材料(例如金屬材料和/或非金屬材料)和如在圖1中示例性地描述的大體一致的直徑。在這里，環(huán)形DMA 130以側視圖進行了顯示，并且位于第一材料管110(例如碳鋼111)的端部和第二管120(例如不銹鋼121)的端部之間。DMA 130由具有相同直徑的兩個環(huán)形成，其中第一環(huán)131由碳鋼制成并且第二環(huán)133由不銹鋼制成。在焊接車間中使用FSW將這兩個環(huán)131和133焊接在一起，以產生不同材料焊縫132。由于DMA的兩端具有與碳鋼管端部和不銹鋼管端部(分別為112和114，優(yōu)選地構造成為普通的對接焊縫端)一樣的直徑，可以在現場或車間中使用適用于碳鋼和不銹鋼的普通電弧焊，以將碳鋼管接合至不銹鋼管。
在這種DMA的典型實施例中，3英寸長的NPS 10＂s/40碳鋼件將被摩擦攪拌焊接到3英寸長的10＂s/40不銹鋼件上。這樣形成的DMA將會被機械地和冶金學地評估、根據可適用的工業(yè)標準規(guī)范以破壞性的和/或非破壞性的(例如通過超聲波或X射線)方式進行測試。這樣，這些通過質量控制和保證的DMA將會提供遠遠優(yōu)于可以在現場環(huán)境(例如位于離DMA制造車間多于1英里、更典型地多于10英里、最典型地多于100英里)中使用的傳統(tǒng)方法的組件，而不需要專門設備或經過培訓的FSW人員。然后以傳統(tǒng)的手動或自動的方式在現場將類似的端部焊接或以其它方式接合。
當然，應該了解，本申請中所構思的DMA不必局限于由碳鋼和不銹鋼材料制成的DMA，并且可以熔合以提供可為規(guī)范所接受的熔接的所有已知不同的材料及其組合都被認為適于在本申請中使用。因此，適用的材料包括金屬材料和非金屬材料。例如，適用的金屬包括碳鋼，不銹鋼(300和400系列)，特級奧氏體不銹鋼(AL6XN)，高強度低合金鋼(HSLA，1-1/4、2-1/4、5&9 Cr-Mo、X80)，各種鎳、銅和鋁合金，鈦，鉛，鋅和鎂。類似地，非金屬材料包括各種熱固性聚合物和熱塑性聚合物(HDPE、聚乙烯、聚酰胺、聚丙烯、PVC及其它)。因此，應該理解的是，可以將多種材料接合以產生用于現場使用的、可為規(guī)范所接受的焊接，包括金屬到金屬和非金屬到非金屬以及在某些情況下甚至是金屬到非金屬的接合。
類似地，應該注意的是，雖然管形或具有環(huán)形或圓形截面的其它構造通常是本申請所構思的DMA所優(yōu)選的，但是大量的備選構造也被認為適于與本申請所提出的教導相結合而使用。例如，在其它構造中，具有矩形截面、球形或錐臺形截面和甚至不規(guī)則截面的管以及包括歧管、盒子等的非管形元件是適用的。同樣，應該理解的是，特定的尺寸不限制發(fā)明的主題，并且所有的空間尺寸都是適當的，只要DMA具有兩種或更多種不同材料的可為規(guī)范所接受的熔接。
根據發(fā)明主題，關于DMA的端部，可以預期的是，這些端部可以具有適用于相似材料焊接(其可以是或可以不是自動化焊接)的任何幾何形狀/構造。因此，所構思的端部可具有平的端部，或者可以是標準的類似的對接焊縫端部，例如，用標準37.5°“V”斜角、“J”斜角或工業(yè)上所接受的任何其它類型的焊接接頭制備法來加工。類似地，有待熔接以形成DMA的不同的材料的端部性質可以有相當大的不同，并且特定的端部制備將至少部分地取決于特定的熔接工藝。然而，通常優(yōu)選的是，端部是平的對接表面或者呈現為斜邊，并且最優(yōu)選地適用于摩擦攪拌焊接或旋轉摩擦焊接。
一旦已經制造和測試，DMA就能夠插入到不同材料之間(例如插入到管系統(tǒng)中)，并且能夠使用任何合適的焊接工藝來焊接，以使用適當的填料金屬、焊劑和保護氣體等將環(huán)的各側接合至其相應的材料。
從而，公開了用于不同材料焊接的特定的組成和方法。然而，對于本領域的技術人員而言顯而易見的是，除了那些已經描述的內容外，在沒有脫離本申請的發(fā)明構思的情況下，許多更多的修改是可行的。因此，除了所附的權利要求的精神之外，發(fā)明主題不受到限制。而且，在解釋說明書和權利要求時，所有的用語都應該用與上下文相一致的、盡可能寬的方式來解釋。特別地，用語“包括”應該解釋為以非排除的方式引用元件、構件或步驟，表明可以存在或使用所引用的元件、構件或步驟，或者可以與沒有明確地提到的其它元件、構件或步驟相結合。此外，當本申請通過引用而結合的、所引用的用語的定義和使用與本申請所提供的用語的定義不一致或相矛盾時，適用本申請?zhí)峁┑挠谜Z的定義而不適用用語在引用中的定義。
權利要求書(按照條約第19條的修改)
1.一種聯接可焊接的不同材料的方法，包括
使用熔接工藝由第一材料和第二材料形成轉接件，在所述熔接工藝中，所述第一材料和所述第二材料的相應端部被永久地接合，其中，所述第一材料和所述第二材料是不同的材料；
確定所述轉接件的整體性；和
在所述不同材料之間的某中間位置處焊接所述轉接件，以使得所述轉接件的第一材料焊接到所述不同材料的第一種材料上，其中所述第一材料和所述不同材料的第一種材料相似，并且使得所述轉接件的第二材料焊接到所述不同材料的第二種材料上，其中所述第二材料和所述不同材料的第二種材料相似。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一材料和所述第二材料中的至少一種材料選自包括碳鋼、不銹鋼、超級奧氏體不銹鋼、高強度低合金鋼、鎳合金、銅合金、鋁合金、鈦、鉛、鋅和鎂的組。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一材料和所述第二材料中的至少一種材料選自包括熱固性聚合物和熱塑性聚合物的組。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述轉接件具有環(huán)形形狀。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述熔接工藝是固態(tài)接合工藝。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述固態(tài)接合工藝是摩擦攪拌焊接或旋轉摩擦焊接。
7.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，以非破壞性工藝來確定所述整體性。
8.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述焊接步驟在現場操作中執(zhí)行，并且，其中，所述形成轉接件的步驟在相對于所述現場操作的遠程場所執(zhí)行。
9.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述焊接轉接件的步驟是選自包括電弧焊、氣焊、電阻焊、超聲波焊、高頻焊和能束焊的組的工藝。
10.一種用于在焊接工藝中使不同材料永久地接合的轉接件，其中，所述轉接件包括永久地、且以摩擦攪拌焊接的方式焊接到第二部分上的第一部分，并且，其中，所述第一部分和所述第二部分分別由與所述不同材料相似的不同的材料制造。
11.根據權利要求10所述的轉接件，其特征在于，所述轉接件具有環(huán)形形狀，并且，其中，所述不同材料是管。
12.根據權利要求10所述的轉接件，其特征在于，所述第一部分和所述第二部分中的至少一個部分由選自包括碳鋼、不銹鋼、超級奧氏體不銹鋼、高強度低合金鋼、鎳合金、銅合金、鋁合金、鈦、鉛、鋅和鎂的組的材料制造。
13.根據權利要求10所述的轉接件，其特征在于，所述第一部分由選自包括碳鋼、鎳合金、銅合金和鋁合金的組的材料制造，并且，其中，所述第二部分由選自包括不銹鋼、超級奧氏體不銹鋼、高強度低合金鋼的組的材料制造。
14.根據權利要求10所述的轉接件，其特征在于，所述第一部分由選自包括碳鋼、不銹鋼、超級奧氏體不銹鋼、高強度低合金鋼、鎳合金、銅合金、鋁合金、鈦、鉛、鋅和鎂的組的材料制造，并且，其中，所述第二部分由選自包括熱固性聚合物和熱塑性聚合物的組的材料制造。
15.根據權利要求10所述的轉接件，其特征在于，所述第一部分和所述第二部分中的至少一個部分由選自包括熱固性聚合物和熱塑性聚合物的組的材料制造。
16.根據權利要求10所述的轉接件，其特征在于，所述焊接工藝選自包括電弧焊、氣焊、電阻焊、超聲波焊、高頻焊和能束焊的組。
17.一種套件，其包括根據權利要求10所述的轉接件以及用以在第一管和第二管的某中間位置處焊接所述轉接件的指示，其中，所述第一管和所述第二管由不同材料制造。
18.根據權利要求17所述的套件，其特征在于，所述第一管由選自包括碳鋼、鎳合金、銅合金以及鋁合金的組的材料制造，并且，其中，所述第二管由選自包括不銹鋼、超級奧氏體不銹鋼以及高強度低合金鋼的組的材料制造。
19.一種歧管或T接頭，其包括根據權利要求10所述的轉接件。
20.一種管線，其包括根據權利要求10所述的轉接。
權利要求
1.一種聯接可焊接的不同材料的方法，包括
使用熔接工藝由第一材料和第二材料形成轉接件，在所述熔接工藝中，所述第一材料和所述第二材料的相應端部被接合，其中，所述第一材料和所述第二材料是不同的材料；
確定所述轉接件的整體性；和
在所述不同材料之間的某中間位置處焊接所述轉接件，以使得所述轉接件的第一材料焊接到所述不同材料的第一種材料上，其中所述第一材料和所述不同材料的第一種材料相似，并且使得所述轉接件的第二材料焊接到所述不同材料的第二種材料上，其中所述第二材料和所述不同材料的第二種材料相似。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一材料和所述第二材料中的至少一種材料選自包括碳鋼、不銹鋼、超級奧氏體不銹鋼、高強度低合金鋼、鎳合金、銅合金、鋁合金、鈦、鉛、鋅和鎂的組。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一材料和所述第二材料中的至少一種材料選自包括熱固性聚合物和熱塑性聚合物的組。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述轉接件具有環(huán)形形狀。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述熔接工藝是固態(tài)接合工藝。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述固態(tài)接合工藝是摩擦攪拌焊接或旋轉摩擦焊接。
7.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，以非破壞性工藝來確定所述整體性。
8.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述焊接步驟在現場操作中執(zhí)行，并且，其中，所述形成轉接件的步驟在相對于所述現場操作的遠程場所執(zhí)行。
9.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述焊接轉接件的步驟是選自包括電弧焊、氣焊、電阻焊、超聲波焊、高頻焊和能束焊的組的工藝。
10.一種用于在焊接工藝中使不同材料永久地接合的轉接件，其中，所述轉接件包括以摩擦攪拌焊接的方式焊接到第二部分上的第一部分，并且，其中，所述第一部分和所述第二部分分別由與所述不同材料相似的不同的材料制造。
11.根據權利要求10所述的轉接件，其特征在于，所述轉接件具有環(huán)形形狀，并且，其中，所述不同材料是管。
12.根據權利要求10所述的轉接件，其特征在于，所述第一部分和所述第二部分中的至少一個部分由選自包括碳鋼、不銹鋼、超級奧氏體不銹鋼、高強度低合金鋼、鎳合金、銅合金、鋁合金、鈦、鉛、鋅和鎂的組的材料制造。
13.根據權利要求10所述的轉接件，其特征在于，所述第一部分由選自包括碳鋼、鎳合金、銅合金和鋁合金的組的材料制造，并且，其中，所述第二部分由選自包括不銹鋼、超級奧氏體不銹鋼、高強度低合金鋼的組的材料制造。
14.根據權利要求10所述的轉接件，其特征在于，所述第一部分由選自包括碳鋼、不銹鋼、超級奧氏體不銹鋼、高強度低合金鋼、鎳合金、銅合金、鋁合金、鈦、鉛、鋅和鎂的組的材料制造，并且，其中，所述第二部分由選自包括熱固性聚合物和熱塑性聚合物的組的材料制造。
15.根據權利要求10所述的轉接件，其特征在于，所述第一部分和所述第二部分中的至少一個部分由選自包括熱固性聚合物和熱塑性聚合物的組的材料制造。
16.根據權利要求10所述的轉接件，其特征在于，所述焊接工藝選自包括電弧焊、氣焊、電阻焊、超聲波焊、高頻焊和能束焊的組。
17.一種套件，其包括根據權利要求10所述的轉接件以及用以在第一管和第二管的某中間位置處焊接所述轉接件的指示，其中，所述第一管和所述第二管由不同材料制造。
19.一種歧管或T接頭，其包括根據權利要求10所述的轉接件。
20.一種管線，其包括根據權利要求10所述的轉接件。
全文摘要
本發(fā)明構思了焊接不同材料的裝置和方法，其中在所述不同材料之間的某中間位置處使用轉接件。最優(yōu)選的轉接件是由與待焊接在一起的所述不同材料相同或相類似的兩種不同的材料，利用摩擦攪拌焊接來制造的。因此，經由轉接件在現場對不同材料的聯接大大地簡化了目前可以采用的傳統(tǒng)焊接工藝。
文檔編號F16L11/12GK101506566SQ200780031648
公開日2009年8月12日 申請日期2007年8月27日 優(yōu)先權日2006年8月30日
發(fā)明者B·梅塞爾, S·塞茨 申請人:氟石科技公司