CN101939454A - 通过沉淀硬化的高强度镍合金焊缝 - Google Patents

Abstract

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。

Description

通过沉淀硬化的高强度镍合金焊缝

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

发明背景

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。

LNG：液化天然气。气体，主要为甲烷，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。

FSO：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PSO，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ROV。

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。

X-65：屈服强度为65Ksi(65,000psi)的线管钢。

电子束焊(EBW)：一种焊接方法，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)：一种通过使用激光，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0.1wt％的碳和最高达2-3wt％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

概述

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、9Wt％Mo、3Wt％Nb、5Wt％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Al、Ti、Nb、Hf、Zr、V和/或Ta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℃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0.5-5.0wt％，或0.5-2.5wt％，或1.0-2.0wt％，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0.5-4.0wt％，或0.9-2.5wt％，或0.9-2.0wt％，或1.5-2.0wt％，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1.0wt％。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2.5-6.0wt％，或2.5-5.0wt％，或3.0-5.0wt％，或3.0-4.0wt％。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2.0wt％，或大于或等于3.0wt％，或大于或等于4.0wt％，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(Na、Ta、Hf、Zr、V及其组合)的范围可以是镍基焊接金属组合物的0.5-4.0wt％、0.5-2.5wt％，或1.0-2.0wt％，或1.5-2.0wt％。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80Ksi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15-30wt％、或15-28wt％、或15-20wt％、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1-20wt％，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1-20wt％，或2-15wt％，或3-10wt％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10-30wt％，或15-30wt％，或15-28wt％，或15-20wt％，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Inconel718)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1wt％钴。MAR-M200的组成如下：5.0wt％镍，2.0wt％钛，12.5wt％钨，9.0wt％铬，1.0wt％铌，10.0wt％钴，0.15wt％碳，0.015wt％的硼，0.05wt％锆和余量镍。Inconel 718包括1.4wt％的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7.0wt％的Ti和Al的组合，还包括1.0wt％的其它沉淀元素Nb，因此，MAR-M200中的沉淀元素的总wt％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γ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γ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#1(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#1(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

可选择地，镍基焊接金属组合物可以由合适的市售镍基合金(Inconel 718和MAR-M200)和非市售镍基合金(参见上表1)组合构成。此处公开的镍基合金还可含有Cr和其它合金元素。还可以设计另外的通过沉淀硬化来获得高强度的镍基合金的化学成分以满足基于要连接金属强度的目标强度。因此，当通过熔焊、搅拌摩擦焊、电子束焊或激光束焊来连接更高强度的金属时，将需要更高强度的镍基合金焊接金属组合物，以便相对于用于连接的金属结构获得焊件的过匹配条件。

本公开还包括在焊态条件下提供良好强度和韧性的焊接金属化学组成的设计。此处公开的焊接金属组合物不需要焊缝区的热处理或时效处理。在本公开的一个特别有利的形式中，镍基焊接金属组合物包括铬、钛和铝的组合。铬含量高，强度和延性需要的铝和钛就较少。相反地，铬含量低，强度和延性所需的铝和钛则较多。能产生充分的沉淀硬化的非限制焊接金属化学组成的示例列于上表1。

通常采用熔焊、搅拌摩擦焊、电子束焊或激光束焊时，冷却速度是由焊接区周围的环境条件控制的。但是本公开也包括冷却焊件以进一步提高并控制焊件的冷却速度的人工方法，以便进一步调整此处公开的镍基合金焊接金属组合物的应变硬化反应。在熔焊、搅拌摩擦焊、电子束焊或激光束焊后人工冷却焊件的这些方法包括但不限于，强制空气对流(air convention)，液体冷却(优选水)，其中控制冷却介质(例如水、空气或者其它流体)的温度。

本公开还涉及采用这种沉淀硬化的镍基合金焊接金属组合物连接钢结构(代替常用的钢焊接金属和Inconel 625)以获得高性能的接头的应用。焊接金属在焊件的性能中起着重要的作用。用此处公开的高强度沉淀硬化镍基合金焊接金属组合物代替传统的钢焊接金属和Inconel625，以若干方式增强了焊件的完整性。首先，此处公开的沉淀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会加强焊缝的强度和韧性。第二，由于它们对物理性能(比如热膨胀系数、熔融潜热、更高的相转变温度和不同的高温流动应力)影响的结果，此处公开的沉淀硬化的高强度镍基合金焊接金属组合物通过它们对残余应力的影响会增强焊件的完整性。与被焊接的钢部件/结构相比，这些性能的不同提供了增强焊件性能(比如疲劳度、HAZ和焊接金属强度和韧性的)的机会。

一方面，此处公开的沉淀硬化的高强度镍基合金焊接金属组合物可用于焊接铸铁和碳钢部件。另一方面，此处公开的沉淀硬化的镍基合金焊接金属组合物尤其可用于焊接高碳钢，特别是那些CE等于或大于0.48的高碳钢。举例来说，但不限于，普碳钢和合金钢包括AISI 1010、1020、1040、1080、1095、A36、A516、A440、A633、A656、4063、4340和6150。举例来说，但不限于，高碳钢包括AISI WI、SI、O1、A2、D2、M1和API L80。本发明的另一方面，此处公开的沉淀硬化的高强度镍基合金焊接金属组合物对焊接含铁抗腐蚀合金很有用，包括但不限于不锈钢。举例来说，但不限于，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，此处公开的沉淀硬化的高强度镍基合金焊接金属组合物对处理/焊接非铁合金很有用，包括但不限于钛合金、钴合金、铁镍合金和镍合金。在本发明的另一方面，此处公开的沉淀硬化的高强度镍基合金焊接金属组合物在焊接高强度钢管线中很有用，比如X-65和X-80钢管。

此处公开的沉淀硬化的高强度镍基合金焊接金属组合物可以采用所有的传统熔焊方法焊接，包括但不限于SMAW(屏蔽金属电弧焊)、SAW(埋弧焊)、GMAW(气体金属电弧焊GasMetal SRc Welding)、FCAW(焊剂芯焊丝电弧焊)、PAW(等离子弧焊)、ESW(电渣焊)、EGW(气电立焊)、RW(电阻焊)和OFW(氧燃料气焊)。另外，沉淀硬化的高强度镍基合金焊接金属组合物可以通过固态方法焊接，比如搅拌摩擦焊(FSW)或熔焊和固态焊接方法(FSW)的组合。FSW的好处主要来自于以下几个特点：(1)实施连接所需的较低温度和接头中较低的温度在邻近的基材金属中引起的有害作用(例如粗晶粒)较少；(2)由于工具的旋转引起的高度塑性变形，其产生细的晶粒尺寸，这有益于提高强度和韧性；(3)与熔焊相比，避免了焊件中的氢脆，所述熔焊由于电弧中的残余水分分解容易通常产生氢脆。美国专利申请第11/643,528号公开的在油、气和石化应用中FSW焊接的应用在此全文引入作为参考。

采用此处公开的沉淀硬化的高强度镍基合金焊接金属组合物所提供的有利特性包括一个或多个下列非限制性能：提高的抗疲劳性、提高的韧性、提高的沉淀能力、提高的抗张强度、提高的抗应力腐蚀开裂性、更高的抗氢脆性能且相对于要焊接的基材良好的过匹配条件。

应用

发现此处公开的沉淀硬化的高强度镍基合金焊接金属组合物在连接高强度金属基材(含铁和非铁)中有特殊的应用，其中相对于金属基材的焊件屈服强度的过匹配条件是有利的。非限制、示例性的金属基材包括高强度钢(X-65、X-80等等)、高强度镍合金和高强度钛合金。

此处公开的沉淀硬化的高强度镍基合金焊接金属组合物可以用于双相不锈钢的焊接(双相s.s或DSS)。双相s.s的强度和抗腐蚀性来自于铁素体和奥氏体相的受控平衡。在主体双相s.s中所需的相的混合通过控制热加工和/或冷加工和退火处理的组合来实现。然而，当双相ss被焊接时，钢在单相铁素体区域被加热到非常高的温度，然后在冷却到室温时冷却成双相。为了在室温下在焊件中获得所需的相平衡，焊缝的冷却速度必须控制。在实践中，冷却速度的变化会很大程度地影响相平衡，从而影响得到的焊件最终性能，采用此处公开的沉淀硬化的高强度镍基合金焊接金属组合物的双相S.S焊接可以提供提高的接头性能。

此处公开的沉淀硬化的高强度镍基合金焊接金属组合物可以用来形成焊缝，例如作为点焊缝和对接焊缝，以及修复焊接区域。更具体地说，此处公开的镍基合金焊缝组合物可以被用来分别连接和修补/处理与油、气和石化工业有关的钢结构和结构部件。此处公开的焊接组合物可以用在制造厂，比如制造部件的钢厂或组装部件的预制场。采用此处公开的沉淀硬化高强度镍基合金焊接金属组合物进行的熔焊、搅拌摩擦焊、电子束焊、激光束焊和它们的组合也适合于形成和修复/处理油和气体勘探、生产和精炼应用中的结构。FSW特别有利于形成这类应用中管状部件的点焊焊缝和对接焊缝。

举例来说，但不限于，在油和天然气勘探、生产、精炼行业中的结构中，所述结构适用此处公开的新型的沉淀硬化高强度镍基合金焊接金属组合物，所述结构包括：高强度管线焊缝区域、SCR和TTR焊缝区域、带螺纹的部件、石油钻探设备焊缝区域(即，深海石油钻柱(oildrill string)的两个部分)、液化天然气(LNG)或压缩液化天然气(PLNG)或压缩天然气(CNG)容器焊缝区域、立管/套管接箍和井口设备。

在油和天然气逆流应用中，此处公开的新型的沉淀硬化高强度镍基合金焊接金属组合物也适合连接和修复在天然气运输和储存类应用中所用的钢结构和部件。特别地，此处公开的沉淀硬化的镍基合金焊接金属可以用于能使气体输送的技术，范围有：管线、压缩天然气(CNG)、加压液化天然气(PLNG)、液化天然气(LNG)和其它储存/运输技术。在天然气运输和储存类应用的一种形式中，此处公开的焊接组合物可以用于管线、出油管线、收集管线、膨胀圈和其它传输线的连接/处理。在天然气运输和储存类应用的另一种形式中，此处公开的焊接组合物可以用于连接/处理由碳钢、高强度钢、铸铁、结构钢或抗腐蚀合金(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-Ni合金(比如不胀钢))制成的材料或者用于连接其它不同的金属(比如钢和镍)。在天然气运输和储存类应用的另一种形式中，此处公开的焊接组合物可以用于连接/处理LNG、CNG和PLNG储存和/或运输结构。这包括模块化的LNG结构、航运船只、转换部件和管线以及相关的技术(例如9％Ni的罐、不胀钢罐)。

在油和天然气的勘探和生产应用中，此处公开的沉淀硬化高强度镍基合金焊接金属组合物也可以用来连接和修复用于油和天然气完井和生产的各种结构。这些结构包括，但不限于，海上和陆地上生产结构、石油管线、储油罐、套管/管、完井(completion)和生产部件、用于流体连接管线的铸造结构、海底部件、在钻井中使用的管材(例如OCTG)、上部结构和相关结构、脐带缆、补给船和供应船，和火炬塔。更具体地，示例性的海上生产结构包括导管架平台、移动式海上钻井装置及相关的生产部件如套管、筋束，立管和海底设施。移动式海上钻井装置包括，但不限于，半潜式和桩脚式钻探平台、TLP，DDCV，随动塔式平台、FPSO、FSO、船舶、油轮等。示例性的海底组件包括，但不限于，双向管(duplex)、多头管系、树管系和BOP。示例性的上部结构和相关结构包括，甲板上部结构、钻机、住舱、直升机甲板和相关结构。应理解FSW可以用于形成包括这些结构和部件的焊缝，FSP也可以用于修复和处理焊缝或者包括这些结构的接头。

在下游应用中，此处公开的沉淀硬化高强度镍基合金焊接金属组合物适于连接和修复用于精炼和化工厂的结构和部件。此处公开的焊接组合物通过(和其它事物)部件/结构的修复、异金属的连接、钢结构的连接和难以焊接材料(比如铸铁)的连接在精炼和化工厂应用中有很多优点。这些应用包括，但不限于，铸铁、换热管和低温和高温处理和压力容器，示例性的低温和高温处理和压力容器包括蒸汽裂化炉管、蒸汽转化管和精炼结构和部件。

已经发现此处公开的沉淀硬化高强度镍基合金焊接金属组合物除了石油、天然气和石化产品外，还可以在大量的工业中应用。例如运输(包括汽车)、建筑和器械业，在这些领域中此处公开的沉淀硬化高强度镍基合金焊接金属组合物在金属结构的连接中也有很多好处。

在本发明的实际应用中，无论采用此处公开的新型的焊接组合物进行熔焊接、FSW、FSP、激光焊还是电子束焊，处理都在足以提供具有基于焊件的预定的应用所选性能或一组性能的焊缝接头或裂纹修复的条件下进行处理。例如，如果焊件的应用更需要韧性胜过疲劳度，则选择条件以利于焊缝具有这些性能。

在使用此处公开的沉淀硬化高强度镍基合金焊接金属组合物的焊接方法的一种方式中，焊缝性能的数据库包括，但不限于，韧性、强度、沉淀或浓缩、硬度、疲劳度、晶粒尺寸等等。对不同的所得基材金属，在相关的焊接条件下进行焊接或修复。然后，当为预期应用的焊缝接头选定了一个或一组性能时，焊接组合物和采用的焊接或修复条件也从这些能产生所选性能的条件中进行选择。

容易理解，上述实施方式中的工件不必是一种基材金属形成的。类似地，焊接金属组合物也不必和工件是同样的金属制成的。因此，工件一般由含铁材料制成，而焊接金属包括不同材料的此处公开的焊接组合物(此处公开的沉淀硬化高强度镍基合金焊接金属组合物)。然而工件可以由非铁材料(比如镍基合金)形成，并用此处公开的沉淀硬化高强度镍基合金焊接金属组合物焊接。

具体实施方式

实施例

用不同镍基焊接金属线组合物制作8个实施例样本或试样。所有组合物含有15-28wt％的铬。铬的加入是问了降低γ相(γ′)的溶解度。所有组合物均包括铝和钛的组合以助于自然冷却时焊后形态中沉淀硬化的形成。钛的加入有助于γ相的快速形核。铝和钛组合的负荷占合金的2.5-3.5wt％。选择相II的化学成分以在焊接冷却时γ相(γ′)形成快速沉淀物。γ′在可热处理Inconel合金(比如718)中是主要的强化相，而且长时间、高温热处理是在传统沉淀硬化中生成所需微观结构所必须的。在该实施例中，相II线的概念是为了增加γ′前体(Al和Ti)的量以便在焊接(焊后)的自然冷却时出沉淀该相，以避免进行随后的时效化或热处理。包芯线的生产是为了灵活和快速的周转时间。用平整的道次生产的焊缝有助于γ′相的形成。

8个实施例样品的成分结果列于下表2，所有的百分数均为wt％。

表2：示例性镍基合金焊缝线材化学成分

两个实施例镍基合金(线材8和9)的a 3/4”厚板接头中焊接金属(焊后条件)接头性能列于下表3。对于a 3/4”的板厚，Al和Ti的组合必须大于或等于3wt％，以便使最终的抗拉强度为119ksi(820.5MPa)或更大。

表3：选择厚的焊接金属的示例性抗拉强度

申请人试图披露能合理预见的所有形式和所有公开主题的应用。但是仍然有不可预见的，作为等同物的非实质性改动。虽然本发明已经结合具体描述，它们示例性的形式进行了描述，但是很显然，对于本领域技术人员来说，在不背离本发明主旨和范围的可预见描述中还有很多改变、变动和改动是显而易见的。因此，本发明试图包括所有上述详细描述的那些改变、变动和改动。

此处引用的所有专利、试验过程和其它文件，包括优先权文件，在此引入与本发明并不矛盾的内容，而且对于所有权限这些结合是允许的。

当此处列出了数值下限和数值上限时，任何下限到任何上限的范围都是预期的，所有在详细描述部分和此处权利要求中的数值也被理解用“约”来修正。

Claims (50)

1.一种焊件，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2.0wt％。

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3.0wt％。

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1.0wt％。

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1.0wt％。

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1wt％的Mo。

8.如权利要求1的焊件，还包括大于或等于1wt％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Inconel 718、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、GMAW、FCAW、PAW、ESW、EGW、RW和OFW。

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1.0wt％。

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1.0wt％。

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1wt％Mo。

33.如权利要求26的方法，还包括大于或等于1wt％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Inconel 718、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、GMAW、FCAW、PAW、ESW、EGW、RW和OFW。

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、FSO、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BOP。

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。