CN102264502B - 对接焊缝和使用熔焊和搅拌摩擦焊的制造方法 - Google Patents

Abstract

在本发明的一种形式中，对接焊缝包括：两个或多个对接结构钢构件，在所述构件一侧上的搭接面上开坡口以形成合适形状的熔合根部焊缝坡口且在所述构件的相对侧的搭接面上未开坡口，并且所述构件与在所述构件的开坡口侧上的第一熔合根部焊缝和在所述构件的未开坡口侧上的第二搅拌摩擦焊缝互相连接，其中所述第一熔合根部焊缝的宽度为7mm至30mm，穿透深度为2mm至20mm和过量填注为2mm至5mm，且其中所述第二搅拌摩擦焊缝的搅拌区穿透所述第一熔合根部焊缝。所述对接焊缝及其制造方法在用于油气生产的线管接合方面得到应用。

Description

对接焊缝和使用熔焊和搅拌摩擦焊的制造方法

技术领域

本公开主要涉及钢结构中的对接焊缝。更具体地，本公开涉及使用熔焊和搅拌摩擦焊方法组合形成的在钢结构中的对接焊缝。

背景技术

接合例如成形形状、锻件、铸件或板的金属部件以构造用于多种工业的许多结构或构件主要通过熔焊进行。例如，使用各种管构造形成用于石油、煤气和地热井等的管线主要通过常规弧焊或熔焊进行。数十年间，管线工业广泛使用了若干种熔焊技术进行管线构造，例如有保护的金属电弧焊(SMAW)和机械化金属极惰性气体保护焊(GMAW)。

弧焊或熔焊包括熔融待焊材料以产生接头。在这种工艺中，管径越大，或管壁越厚，焊接变得越慢，因为在焊接接头中必须熔融或沉积更大量的金属。对于岸上管线，特别是边远地区的岸上管线，重要的是尽可能经济地焊接，这是因为与调配工人和设备到管线用地(ROW)有关的高费用。对于海底管线，重要的是尽可能经济地焊接，这是因为与铺管船相关的巨大成本。例如合格焊工的可得性、管道厚度、焊接生产率、焊缝质量和焊接工艺的自动化等的若干其它因素也可以在焊接工艺的选择中起作用。

使用沿用已久的熔焊工艺的管线钢的环焊缝通常依管道的厚度而由3-20道焊缝组成。管线通过将管道的单独的接头环缝焊接在一起来构造。在标准管线构造工艺中，通过设置与焊道数大致一样多的焊接站来实现干线焊接，设计各焊接站用来产生一个或两个特定焊道。因此，特别是在边远地区，整个工艺需要相当大的人力和相关费用来容纳和支持工人。构造过程也是费时的，这影响着管线构造成本。有时，首先在店里将两个管道焊接以产生“双接头”，随后将双接头运输到管线用地(ROW)用于最终现场构造。在典型的现场构造过程中，将管道末端对接在一起，随后使用焊接工艺将对接的表面熔合在一起。焊料也按制造的原样加到焊缝中。在各焊接站处常使用焊棚来保护外部焊接活动不受天气因素影响。通常，各个棚专门应用一个或两个焊缝。

搅拌摩擦焊(FSW)是一种固态接合技术，其使用旋转(旋压)工具将金属搅拌在一起以形成接头或焊缝。旋压工具以相当大的力挤压焊接的材料。对所焊接的部件垂直施加下压力。大致平行于所焊接部件的表面施加平移力，该力用以使工具沿焊接接头平移。如果焊接接头由弧形路线组成，则还可以存在由FSW设备支持的横向反作用力。FSW适合对缝焊接，但也可以用于其它接合构造。在FSW期间产生的热使与工具邻接的材料软化并降低其强度。该软化(其从工具延伸几毫米)对于使材料塑化是必需的且允许材料被搅拌。被机械混合的软化区域通常被称为搅拌区。因为在搅拌摩擦焊中搅拌区中的材料被加热到相对高的温度，所以其被弱化。这也包括在根部区域中的材料，所述根部区域为略低于旋压工具顶端的待焊接材料区域。因此，在FSW期间，通常从工件下面支撑根部区域，使得搅拌区不移离焊接接头的底部。背面支撑板常用以在FSW期间提供对搅拌区的支撑。在缺乏抵抗在FSW期间施加的下压力的背面支撑的情况下，焊缝的搅拌区中的材料可能从焊接接头的底部移离，产生有缺陷的焊缝或接头。

希望在不使用独立背面支撑的情况下使用FSW来接合金属构件，并解决可能随背面支撑的使用而出现的常见根部缺陷的问题。更具体地，希望在没有背面支撑的情况下使用FSW构造输油输气管线。FSW能够单道接合需要多个弧焊道的管道的整个壁厚或几乎整个壁厚。然而，对于管线构造应用FSW的问题之一涉及到需要背面支撑和如何使背面支撑的任何实用方法适应在将管道焊接到新构造的管道支线上时发生的相当大的“前端”活动。在构造工艺的前端，工人进行例如管道开坡口和预加热的活动，这可能限制进入到管道内部以便使用内部背面支撑来抵抗FSW的下压力。这种内部背面支撑也将是需要一些动力和遥控手段的庞大设备，这将是困难的且高成本的。另外，使用背面支撑增加根部缺陷的可能性，因为背面支撑不能顺利地适应管道错边、管径变化和壁厚变化的常见问题。在管线构造期间对于FSW使用背面支撑成问题。

因此，需要对接焊缝和使用FSW形成对接焊缝的方法，其可以用强度足够的根部焊接区域来形成，从而避免在FSW期间对于背面支撑的需要，由此，所述对接焊缝和形成对接焊缝的方法实现了在当将两个工件对接在一起时在根部区域中出现的常见几何错边方面使根部缺陷最小化的目标。

定义

为了方便起见，下文定义在本说明书和权利要求书中使用的各种结构钢和焊接术语。

可接受的焊件强度：始终高于钢基的强度的强度水平。

可接受的焊件韧度：如通过裂纹尖端张开位移(crack-tip openingdisplacement，CTOD)试验测量，在小于或等于0℃下大于0.05mm的韧度。

HAZ：热影响区。

热影响区：与焊接线邻接并受焊接热影响的基底金属。

韧性：抗断裂性。

抗疲劳性：在循环载荷下的抗断裂性(裂纹开始和蔓延)。

屈服强度：该强度对应于在无永久变形下的承载。

FS：搅拌摩擦。

FSW：搅拌摩擦焊。

搅拌摩擦焊：在两个工件之间产生焊接接头的固态接合工艺，其中通过在工件之间插进旋转工具并沿搭接面往复移动该工具产生用于接合金属工件的热。

FSP：搅拌摩擦工艺。

搅拌摩擦工艺：通过将销部分插进结构中来相对于表面挤压FSW工具从而加工并调节该结构表面的方法。

晶粒度：基本微结构单元尺寸的量度，其中，与相邻单元相比，各单元具有显著不同的晶向和/或基本微观结构。在此处使用时，晶粒度是指金属的平均晶粒度，其可以通过冶金学领域的技术人员已知的若干种技术之一来测量。一种这样的技术描述在ASTM E1382或E112中。

焊接接头：包括熔合金属或热-机械改变的金属和“靠近”熔合金属、但在熔合金属以外的基底金属的焊接接头。被视为“靠近”熔合金属的那部分基底金属依焊接工程领域的技术人员已知的因素而变化。

焊件：通过焊接接合的组成部件的组合件。

焊接性：焊接特定金属或合金的可行性。许多因素影响焊接性，包括化学作用、表面光洁度、热处理趋势、缺陷形成倾向等。

碳当量：用于定义钢的焊接性并通过式CE＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15来表示的参数，其中所有单位都是重量％。

Pcm：用于定义钢的焊接性并通过式Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B来表示的参数。

氢致开裂：焊接后在焊缝中出现且由所吸收的氢、例如残余应力的应力和易受影响的微观结构如马氏体(martensite)的存在引起的开裂。

TMAZ：热-机械影响区。

热-机械影响区：经受温度循环和塑性变形二者的FSW接头的区域。

TMAZ-HZ：TMAZ-硬化区，在FSW焊件中的最硬区域。

脱落：在FSW期间由于所焊接部件下面支撑不足、在FSW工具之下被加热且软化的材料从焊接接头移离引起的情形。变形的材料留下常表现为从材料表面上升的突起的永久性几何变化。脱落的量度由最初工件表面的位置与材料抛送(material expulsion)的最远点之间的距离定义。过度脱落可以导致形成焊接缺陷。

交叉焊透：是指其中在由工件的两个侧面(即，顶侧和底侧)制成的焊缝中，在焊缝的第二侧面上的第一焊道穿透到焊缝的第一侧面的根部焊道中的情形。实现交叉焊透保证了焊缝没有内部缺陷。

双相钢(Duplex)：由两相、具体是奥氏体和铁氧体组成的钢。

结构钢：在使用期间经受某一类型的机械载荷的钢。

马氏体奥氏体成分(MA)：冷却时转化为马氏体和残留奥氏体的混合物的在铁氧体钢或焊缝中的微观结构的残留区域。这些区域通常为在冷却时转化的最后区域。MA区域由于从已经在较高温度下转化的周围区域中脱碳而稳定化。由于稳定作用，与周围区域相比，奥氏体到MA的转化在较低温度下发生。MA区域中通常马氏体占优势，而仅含小体积分数的残留奥氏体(小于10％)。常在经受双重热循环的焊缝或HAZ的原奥氏体晶界上见到MA。还在退化上贝氏体和下贝氏体的基于板条的微观结构中的板条边界上见到MA。通常在存在于结构钢中的任何数量的板条、板条束或晶界上观察到MA。

针状铁氧体(AF)：AF常为在冷却期间在钢焊缝中从奥氏体转化的第一分解产物，而先共析铁氧体(多边形铁氧体)有时能够首先形成。AF在小的非金属夹杂物上成核，随后经受以贝氏体型转化机制的迅速生长。AF晶粒通常显示出针状形态，取决于冷却速度和化学作用，其纵横比为约2∶1至20∶1。该转化包括剪切分量(shear cmponent)和扩散分量。转化温度控制扩散分量与剪切分量之间的相互作用，因此决定了AF的形态。

粒状贝氏体(GB)：是指围绕中心定位的马氏体-奥氏体(MA)的小“岛”的一串3至5个相对等轴的贝氏体铁氧体晶粒。典型的“晶粒”直径为约1-2μm。

上贝氏体(UB)：是指与例如渗碳体的碳化物相的薄层或薄膜散布的贝氏体铁氧体的针状体或板条的混合物。钢中最常见的碳含量高于约0.15重量％。

退化上贝氏体(DUB)：贝氏体产物，其中各晶团因剪切应力而生长成一组(束)平行板条。一些碳在板条生长期间和板条生长之后立即被拒绝进入板条间奥氏体中。由于相对低的碳含量，截留奥氏体中的碳富集不足以触发渗碳体板成核。这种成核在中碳钢和高碳钢中发生，导致形成传统的上贝氏体(UB)。在DUB中的板条间奥氏体处的较低碳富集导致形成马氏体或马氏体-奥氏体(MA)混合物或可以作为残留奥氏体(RA)而残留。DUB可以与传统的上贝氏体(UB)混同。数十年前，在中碳钢中首先识别出的一类UB由两个关键部件组成：(1)以板条束生长的平行板条组，和(2)在板条边界处的渗碳体薄膜。UB与DUB的类似之处在于两者都含有平行板条束；然而，关键不同之处在于板条间材料。当碳含量为约0.15-0.40时，可以在板条之间形成渗碳体(Fe₃C)。与DUB中的间断性MA相比，这些“薄膜”可以是相对连续的。对于低碳钢，没有形成板条间渗碳体；而是残留奥氏体以MA、马氏体或RA终止。

下贝氏体(LB)：LB类似于DUB具有平行板条束。LB还包括小的板条内碳化物沉淀。这些板样微粒始终沉淀在单晶变体上，所述单晶变体从原始板条生长方向(板条的长尺寸)以约55°定向。

板条马氏体(LM)：LM表现为薄平行板条束。板条宽度通常小于约0.5μm。经表征马氏体板条的未回火晶团不含碳化物，而自动回火的LM显示出板条内碳化物沉淀。自动回火的LM的板条内碳化物在多于一种结晶变体上形成，例如在马氏体的{110}面上形成。渗碳体常常不是沿一个方向对准，而是其沉淀在多个平面上。

回火马氏体(TM)：TM是指钢中马氏体的热处理过的形式，其中热处理是在炉中或通过局部措施，例如使用加热包，进行。该形式的回火是在焊接加工之后进行。亚稳结构马氏体的微观结构和机械性能改变引起在一定温度范围内漂移(excursion)期间渗碳体的沉淀，在该温度范围中，渗碳体可能沉淀，但对于奥氏体的形成温度太低。

自动回火的板条马氏体：在冷却期间因例如焊接的操作而引起自回火的马氏体。就地、在冷却时且在没有如对于传统回火进行的再加热的情况下发生渗碳体沉淀。

珠光体：通常为由铁氧体和渗碳体(Fe₃C)的交替层构成的两相薄片状混合物。在低碳结构钢中，珠光体常表现在所谓的晶团中，晶团是指具有常见薄片定位的不同珠光体区域的分群。

晶粒：多晶材料中的个别晶体。

晶界：是指金属中对应于从一个晶向过渡到另一晶向的狭区，因此将一个晶粒与另一晶粒分开。

晶粒粗化温度差：在A3温度与发生晶粒迅速生长的温度之间的温度范围。发生晶粒迅速生长的温度取决于钢的化学组成和微观结构以及高温下度过的时间量。

原奥氏体晶粒度：是指在钢构件冷却到其中析出例如AF、GB、DUB、LB或LM的较低温度转化产物的温度范围之前存在的平均奥氏体晶粒度。

发明概述

本公开提供对接焊缝，其包括通过在结构钢构件的一侧上的熔合根部焊缝和在结构钢构件的另一侧上的搅拌摩擦焊缝的组合接合的结构钢构件。还提供了制造这类对接焊缝的方法。应当理解，对于结构钢构件，在时间上首先形成熔合根部焊缝，且在时间上随后或其次形成搅拌摩擦焊缝。因此，贯穿本说明书和权利要求书使用术语“第一熔合根部焊缝”和“第二搅拌摩擦焊缝”。

在本公开的一种形式中，有利的对接焊缝包括：两个或多个对接结构钢构件，在所述构件的一侧上的搭接面上开坡口以形成合适形状的熔合根部焊缝坡口且在所述构件的相对侧的搭接面上未开坡口并且所述构件与在所述构件的开坡口侧上的第一熔合根部焊缝和在所述构件的未开坡口侧上的第二搅拌摩擦焊缝相互连接，其中所述第一熔合根部焊缝的宽度为7mm至30mm，穿透深度为2mm至20mm和过量填注为2mm至5mm，且其中所述第二搅拌摩擦焊缝的搅拌区穿透所述第一熔合根部焊缝。

在本公开的另一形式中，制造对接焊缝的有利方法包括：提供两个或多个对接结构钢构件，在所述构件的一侧的搭接面上开坡口以形成合适形状的熔合根部焊缝坡口且在所述构件的相对侧的搭接面上未开坡口，在足以形成熔合根部焊缝的条件下熔焊所述构件的一侧的坡口搭接面，其中所述熔合根部焊缝的宽度为7mm至30mm，穿透深度为2mm至20mm和过量填注为2mm至5mm，以及在足以形成搅拌摩擦焊缝的条件下搅拌摩擦焊所述构件的相对侧的未开坡口搭接面，其中所述搅拌摩擦焊缝的搅拌区穿透所述熔合根部焊缝以在两个焊缝之间产生连续紧密连接，穿透深度从接近零毫米至5mm变化。

在本公开的又一形式中，有利的对接焊缝包括：两个或多个对接结构钢构件，在所述构件的一侧上的搭接面上开坡口以形成合适形状的熔合根部焊缝坡口且在所述构件的相对侧的搭接面上未开坡口并且所述构件与在所述构件的开坡口侧上的第一熔合根部焊缝和在所述构件的未开坡口侧上的第二搅拌摩擦焊缝相互连接，其中所述第一熔合根部焊缝具有足以支撑在形成所述第二搅拌摩擦焊缝时施加的下压力的大小和强度，且其中所述第二搅拌摩擦焊缝的搅拌区穿透所述第一熔合根部焊缝到足以提供连续接合表面的深度。

本公开也包括完成搅拌摩擦对缝焊接的方法，其可用于在没有心轴的背面支撑的任何措施的情况下焊接结构钢构件，例如板、束、管道、管线或容器。本公开中的熔合根部焊接消除了使用例如心轴或气囊(bladder)的内部支撑系统的需要。结构构件通过根部焊缝结合在一起且根部焊缝提供必要的支撑以对工具插进力和焊接下压力做出反应。该方法可以包括使用轨道搅拌摩擦焊系统。

所公开的对接焊缝和制造本公开的对接焊缝的方法及其有利的应用和/或用途的这些和其它形式将从如下说明书、特别是在结合附图阅读时变得显而易见。

附图说明

为了帮助相关领域的普通技术人员完成并使用本文中的主题，参考附图，其中：

图1为通过搅拌摩擦焊接合两个管状结构钢构件的方法的示意图。

图2为显示金属垫片在通过搅拌摩擦焊接合两个管状结构钢构件中的用途的示意图。

图3描绘了具有所指出的销和凸肩的常见搅拌摩擦焊工具。

图4描绘了在没有背面支撑板的情况下通过FSW对缝焊接的两个板的示意图。

图5描绘了在有背面支撑板的情况下通过FSW对缝焊接的两个板的示意图。

图6描绘了在没有背面支撑板(a)和有背面支撑板(b)的情况下在搅拌摩擦焊期间搅拌区和根部区域的示意图。

图7描绘了管道对接接头的截面示意图，其显示出：(a)管壁错边，(b)假设情形，其中在存在错边的情况下将搅拌摩擦焊进行到背面支撑上，因此导致无支撑的边缘，(c)理想的焊接坡口配合、但穿透不足且具有相应焊接缺陷的情形，和(d)搅拌摩擦焊缝穿透到背面支撑。

图8描绘了用于机械化管道对缝焊接的典型常规焊接坡口的截面示意图。

图9描绘了管道对接接头的截面示意图，其显示出：(a)在熔合根部焊接和FSW之前的平坦的对接表面和小的根部坡口，(b)在根部焊接之后且在FSW之前的平坦的对接表面，(c)在根部焊接和FSW之后的平坦的对接表面，和(d)在根部焊接和FSW之后在构件之间存在错边的平坦的对接表面。在(c)中，定义了根部焊缝穿透，其为对于根部焊接强度关键的因素之一。

图10描绘了搅拌摩擦焊的示意图，其显示出：(a)刚好穿透熔合根部焊缝的搅拌区，(b)在根部区域中存在显著弱化的区且存在脱落，(c)在焊接之后在大直径(30”)管道内部的脱落，(d)在搅拌摩擦焊的板的下侧上的脱落(在脱落区域中有裂纹)。

图11描绘了此处公开的新的对接焊缝的截面，其显示出临界尺寸T₁，该尺寸大到足以防止脱落，但又小到足以容许足够的根部焊缝穿透。

图12描绘了此处公开的新的对接焊缝的截面，其显示出大的根部焊道和影响根部区域的强度的两个尺寸(过量填注和焊道宽度)。

图13描绘了此处公开的新的对接焊缝，其包括在形成搅拌摩擦焊缝期间用于熔合根部焊接的机械顺应背面支撑层。

图14描绘了用于确定最小弱化区厚度的实验结果，其显示出：(a)在搅拌摩擦焊之前在板样品背面机械加工的步进通道的示意性透视图，和(b)搅拌摩擦焊的机械加工的板样品的示意性侧视图。

图15描绘了显示不同板厚度(标记出)的五个不同区域的拍摄的脱落实验板底部的照片，其中在通道的最薄区域处，存在大量脱落，且文字框中显示的数字指示以英寸表示的实测脱落。

发明详述

在此处的说明书和权利要求书中的所有数值都由“约”或“大约”指示值修饰，且考虑了本领域的普通技术人员可以预期的实验误差和变化。

通过参考在此全文引入的美国专利公开20070175967公开了焊接并修复金属部件中的裂纹的方法，其通过在足以提供具有基于焊件的预定用途而预选的性质或性质组的焊接接头或裂纹修复的条件下使待焊金属部件经受搅拌摩擦焊且使待修复裂纹经受搅拌摩擦加工来提供。

通过参考在此全文引入的美国专利公开20070181647公开了搅拌摩擦加工和搅拌摩擦焊方法在天然气输送和储存、油气完井和生产及油气精炼和化工厂的应用中用于接合并修复金属结构和构件的用途。

通过参考在此全文引入的美国专利公开20080032153公开了搅拌摩擦和激光冲击工艺在油气和/或石化应用中的用途。

通过参考在此全文引入的PCT专利公开WO2008/045631公开了钢组合物和由其制造双相钢的方法。在一种形式中，双相钢包含约0.05％重量％至约0.12重量％的碳；约0.005重量％至约0.03重量％的铌；约0.005重量％至约0.02重量％的钛；约0.001重量％至约0.01重量％的氮；约0.01重量％至约0.5重量％的硅；约0.5重量％至约2.0重量％的锰；和总量小于约0.15重量％的钼、铬、钒和铜。所述钢具有由铁氧体组成的第一相和包含选自碳化物、珠光体、马氏体、下贝氏体、粒状贝氏体、上贝氏体和退化上贝氏体的一种或多种成分的第二相。

通过参考在此全文引入的日本专利公开JP2008-31494公开了低合金结构钢，其具有对于在高于600℃的温度下具有放大的铁氧体区域和混合两相(铁氧体+奥氏体)区域或在通过加入例如硅(0.4％～4％)、Al(0.3％～3％)、Ti(0.3％～3％)和/或其组合的铁氧体稳定化元素形成的平衡相图中奥氏体减少的相区的设计化学。

通过参考在此全文引入的2008年11月18日提交的美国专利申请序列号61/199,557公开了钢结构和制造这类钢结构的方法，所述钢结构包括通过具有有利微观结构以产生改善的焊件强度和焊件韧度的搅拌摩擦焊件结合的结构钢构件。

通过参考在此全文引入的美国专利6,259,052公开了提供背侧焊接支撑的轨道搅拌摩擦焊系统。

通过参考在此全文引入的美国专利7,270,257也公开了利用心轴支撑管道内部的轨道搅拌摩擦焊系统。

概述：

此处提供了对接焊缝和制造这类对接焊缝的方法，所述对接焊缝包括通过在结构钢构件的一侧上的熔合根部焊缝和在结构钢构件的另一侧上的搅拌摩擦焊缝的组合接合的结构钢构件。此处公开的对接焊缝和制造方法减轻了搅拌摩擦焊期间对于背面支撑的需要。

此处公开的对接焊缝和制造这类对接焊缝的方法在碳素钢和合金钢的大范围应用、尤其是油气工业中的管线构造中获得应用。其它应用包括制造船舶、压力容器、贮罐和海上结构。此处公开的对接焊缝和制造方法也可用于其中需要大量焊接且鼓励使用高热输入焊接程序、快速焊接工艺或焊道数目减少的应用中。此处公开的对接焊缝和制造这类对接焊缝的方法的非限制性示例性优势包括但不限于：与熔焊相比生产成本降低、与熔焊相比制造焊缝的时间减少、与熔焊相比劳动力和固定设备成本降低、焊件缺陷减少、NDE需求降低、维修成本降低且对于熟练工人的需求降低。

搅拌摩擦焊工艺：

搅拌摩擦焊(FSW)是一种固态接合技术，其不包括熔焊中进行的熔融和固化。FSW能够在不使结构钢构件熔融且不加入焊料的情况下接合对接表面。在搅拌摩擦焊期间，使用旋转工具来通过经由摩擦和增塑产生热来将两个不同工件焊接在一起。将非自耗旋转工具推到待焊材料中，随后使中心销或探针、接着是凸肩与待接合的两个部件接触。工具旋转发热并引起工件的材料软化到塑性状态而没有达到工件材料的熔点。随着工具沿接合线移动，材料从工具的前方扫过该塑化环带到达工具后方，因此消除了界面。进入塑化区域的一些材料可以在离开焊缝背后附近之前绕旋转工具行进一圈以上，随后冷却至室温。

FSW能够单道接合需要多个弧焊道的管道的整个壁厚，然而，存在以下讨论的问题，这些问题用此处公开的本发明实施方案解决。或者，FSW可以用于接合相当大部分的壁厚，虽然不是整个壁厚。换句话说，在管线制造应用中，FSW可以用于替换所有管线熔焊站(棚)或只是一些熔焊站，且FSW工艺可以在内部或外部应用。FSW的使用可以潜在地减少管线上焊接棚的数目，由于工人和设备二者减少而节约管线ROW生产成本。

参照图1，显示了两个被安置以使得其搭接面3和4彼此接触的管状工件1和2。工件1和2将沿着其搭接面3和4彼此焊接在一起。如图1所示，搅拌摩擦焊(FSW)工具包括具有凸肩5和销6的焊头。可以改变凸肩和销的相对尺寸或形状以适应具体焊接需要且多种几何形状适合于本公开。通过例如夹合的机械手段使工件1和2结合在一起，使得搭接面3和4在开始焊接之前和焊接期间彼此物理接触。如箭头7所示旋转搅拌摩擦焊头5，如箭头8所示将其向下插进工件1和3中并如箭头9所示使其圆周式前进。对于单侧焊接，工具插进深度基本上是待焊接工件或构件的厚度。对于双侧焊接，该深度可以约为待焊工件厚度的一半。因此，生成环形焊缝。FSW工具可以由能够高温接合的任何工具材料构成，所述材料包括陶瓷、金属材料、其复合物及其它衍生物。

在修复表面开裂的情况下，例如在管状工件中，采用与关于图1描述程序类似的程序，不同之处在于销6没有全部插进工件中，而是仅表面插进，且工具的前进方向沿着裂纹的轮廓。这称为搅拌摩擦修复或搅拌摩擦加工，与搅拌摩擦焊不同。修复和/或处理也称作加工。

在图2所示的示例性实施方案中，工件1和2具有插在搭接面3和4之间的金属垫片11。放置工件使得搭接面与垫片11接触。FSW工具前进以形成合并工件1和2的基底金属和金属垫片11的焊缝。这被称为搅拌摩擦焊，与搅拌摩擦修复或搅拌摩擦加工不同。

如将容易地理解，上述实施方案中描述的工件(也被称为结构钢构件)可以由相同基底金属(结构钢种)形成或它们可以是不同钢种的。类似地，金属垫片可以由与接合的工件相同的金属形成或者其可以是增强焊缝性能的特种合金。因此，用于搅拌摩擦焊的结构钢构件和金属垫片可以根据应用而由相同钢种或不同材料形成。可以通过包括但不限于在真空炉、电弧炉、鼓风炉或碱性氧气转炉中熔融的常规熔融或再精炼实践生产所述结构钢且其通常具有2微米至100微米的平均基底金属晶粒度。非限制性示例性结构钢包括选自X50、X52、X60、X65、X70、X80、X90、X100和X120的API(美国石油学会(AmericanPetroleum Institute))管道规格5L牌号管材。除了例如4360-型板的英国标准级等之外，例如2H、2Y等的其它API结构钢级提供非限制性示例性基底材料的其它实例。另一方面，结构钢可以包括普碳钢和合金钢，其包括但不限于AISI牌号1010、1020、1040、1080、1095、A36、A516、A440、A633、A656、4063、4340、6150及其它AISI牌号(包括高强度牌号)。再一方面，结构钢可以包括ASTM牌号A285、A387、A515、A516、A517及其它ASTM牌号碳素低合金钢。

如图3更详细地显示，FSW工具100包括两部分：摩擦销110和工具凸肩120。凸肩120是FSW期间的主要发热设备，其防止材料抛送并帮助材料围绕工具移动。销110的作用主要是使材料围绕工具变形，由此形成跨越初始搭接面的紧密接合。铝的FSW中使用的FSW工具通常具有带有若干小的部件的圆柱形销，例如大的插进压力限制工具材料和工具设计的选择。对于钢焊接，由钨-铼(W-Re)、多晶氮化硼(PCBN)、这些材料的组合、这些材料的合金形式或其它硬质工具材料构成的销直径可变的工具可能是有利的。多种FSW工具几何形状和材料适合于本公开。本公开考虑使用熔焊来形成根部焊缝且使用搅拌摩擦焊来形成将两个结构钢构件接合在一起的大部分焊缝。此处描述的工具产生必要的热-机械循环，此处公开的FSW工艺和基底材料将有利地对其做出响应。

参照图4，在FSW期间，对工具施加巨大的力。这些力起到将工具推动到工件中、使工具旋转以产生搅拌作用和使工具沿焊接的接头平移的作用。这些力帮助通过摩擦发热。对工具施加的力帮助对搅拌的材料保持临界压力或者相反使搅拌的材料变形以使其合并到无缺陷的焊缝中。将工具推动到基底金属中的力被称为下压力或在焊缝开始处被称为插进力。在FSW期间施加的巨大力，特别是下压力，常需要背面支撑装置来支撑搅拌摩擦焊缝并保持软化材料在焊缝底部避免从焊接接头移离。背面支撑板示于图5中。

图6(a)显示了在焊接期间围绕FSW工具的搅拌区的截面示意图。指出了搅拌区域和根部焊接区域。图6(b)描绘了在焊接期间围绕FSW工具的搅拌区的截面示意图，其具有背面支撑板以支撑焊缝的下侧并防止软化的根部区域从焊接接头移离。搅拌摩擦焊缝的根部区域通常需要支撑，因为它因搅拌摩擦焊期间的相对高的温度而弱化。

可以通过使用恰当的工具设计和工艺参数来产生无缺陷的搅拌摩擦焊缝。这些工艺参数包括以下参数中的一个或多个但不限于以下参数：搅拌摩擦焊工具的焊接行进速度、搅拌摩擦焊工具的旋转速度、对搅拌摩擦焊工具施加的扭转载荷、搅拌摩擦焊工具上的下压力载荷或平移载荷以及焊件的冷却速度。工具设计和上述工艺参数影响材料流动，可以控制它们以弥补加工期间的高应变率和温度。

FSW的益处主要源于以下特征：(1)与熔焊相比，进行接合需要较低温度且接头中的较低温度在接头内和在邻近热影响区中引起较低程度的不利影响(例如粗粒)；(2)由工具的旋转产生高度塑性变形，这产生导致强度和韧性改善的细晶粒度；和(3)与熔焊相比，避免了焊件中的氢脆，在熔焊中在电弧中残余水分的分解常常趋于导致氢脆；(4)与熔焊相比，避免了凝固开裂，在熔焊中常生成在焊接冷却期间会开裂的低熔点薄膜或其它弱化的界面。

对管线应用FSW工艺

此处公开的发明可以适用于任何对接焊缝构造，虽然将对于用于油气传输的焊接管线应用加以详细描述。通过将管道的单独接头环缝焊接在一起来构造管线。有时，首先在店里将两个管道焊接以产生“双接头”，随后将双接头运输到管线用地(ROW)以便最终现场构造。在典型的现场构造工艺中，将管道末端对接在一起，随后使用焊接工艺将对接的表面熔合在一起。焊料也按制造的原样加到焊缝中。用于接合管道的第一焊道被称为根部焊缝且其可以内部或外部应用。在应用根部焊道之后，外部应用随后的焊道以填充焊接坡口。使用焊接棚来保护外部焊接活动不受天气因素影响。通常，各个棚专门用于一个或两个焊道。

使用FSW将管道焊接在一起的一种可能的途径是使用内部背面支撑并用FSW工艺焊接整个壁厚。在这种情况下，将不需要在管道内放置除背面支撑之外的任何其它大型设备，因此内部背面支撑能够相对容易地进入管道内部。背面支撑可以为气动、电力或液动内对管器形式，其在管道内部滑动以相对于内部管壁扩张并提供对FSW工艺的背面支撑。对背面支撑供以动力的任何合适的手段均适用于本技术。然而，与管壁错边有关的实施该方法的问题在于在管道末端对接在一起时管径、椭圆度和壁厚的变化引起不可避免的管壁错边。管壁错边的截面示意图示于图7(a)中。如果结合FSW使用背面支撑以试图焊接这些管道，错边将产生如图7(b)所示的无支撑的边缘。该无支撑的边缘能够导致或促进焊接缺陷形成。虽然使用足够强劲的对准夹具可以去除由椭圆度引起的大部分错边，但是在管道没有永久变形的情况下其不能除去由直径或壁厚变化引起的错边。因此，在应用内部背面支撑以及对于满焊穿透依赖FSW工艺时，在错边管道中产生无缺陷的根部区域是成问题的。

即使在管壁完美对准的情况下，仍然存在在有内部背面支撑的情况下外部应用FSW来接合两个管道的实际问题。搅拌摩擦焊必须完全穿透以将焊接根部中的材料准确地搅拌在一起。存在穿透深度不够，在此情况下将留下焊接缺陷，或穿透地太深，在此情况下搅拌区可能透入背面支撑，的风险。图7(c)描绘了仅由FSW工艺生产的管道对接接头的截面示意图，其显示了理想配合，但在未焊接的板边处有不足的搅拌摩擦穿透和相应焊接缺陷的情形。图7(d)描绘了仅由FSW工艺生产的管道对接接头的截面示意图，其显示理想配合，但是搅拌摩擦焊穿透到背面支撑和在管道内部有相应可能的焊接缺陷的情形。

使用FSW工艺进行管线构造的另一选择在于使用内部根部焊接机制造第一熔合根部焊缝。在应用根部焊接之后，可以对根部区域应用内部背面支撑以支撑接头以便应用FSW工艺。然而，该选择很麻烦，因为难以进入管道内部来应用FSW背面支撑。在构造工艺中，在焊接单管接头的情况下将对在内部根部焊机的一个接头后应用FSW焊接或者在套管接头的情况下将在内部根部焊机的两个接头后应用FSW焊接。在其它管路焊接操作中，如海上构造，可以使用更长的管道接头，使得内部背面支撑的应用更加复杂。因为在管道构造的前端应用内部根部焊机，所以其基本上阻塞了管线的入口。将必须在距管道前端相当大的距离处配置和操作内部FSW背面支撑。因为内部焊机阻塞了管道开口端，所以出现了对背面支撑提供动力和控制的困难。并且，协调远距离操作的背面支撑的移动与前端管路焊接活动成为问题。不一定方便(或可以)在前端焊接队准备移动到下一管道接头的同时移动背面支撑。

本发明通过使用对随后FSW工艺提供必要支撑的足够大且足够强劲的根部焊接区域减轻了对于背面支撑装置的需要。下文公开了新的对接焊缝和利用熔焊和搅拌摩擦焊的组合制造这类对接焊缝的方法。

示例性对接焊缝和制造方法：

通过首先制造部分壁厚的熔合焊缝，随后使用搅拌摩擦焊工艺完成接合以生产此处公开的对接焊缝。可以对结构钢构件的一侧应用熔焊以便接合。随后可以对结构钢构件的相对侧应用搅拌摩擦焊以便接合。例如，在管线的焊接中，如果首先对管道内部进行熔焊，则将对管道的外部应用搅拌摩擦焊。可以使用轨道搅拌摩擦焊机以在管道外部进行搅拌摩擦焊。此处公开的对接焊缝和制造方法可以适用于板或管道或结构钢构件的其它非限制性构造的对缝焊接。在此处公开的制造对接焊缝的方法的一种有利形式中，在管道接合中，首先在管道的内部应用熔焊，随后从管道的外部应用搅拌摩擦焊。内部熔焊可用于桥接任何根部缺口或管壁错边。

可以使用包括但不限于以下工艺的任何合适的熔焊工艺制造熔合焊缝：金属极惰性气体保护焊、气体保护钨极电弧焊、药芯焊丝电弧焊、潜弧焊、等离子弧焊、激光焊接、激光复合焊接、电子束焊接、闪光对缝接焊和单极焊接。在管道对缝焊接中，可以使用任何常规的内部根部焊接机以在管道的内部形成熔合焊缝；然而，已经发现，与现有工业实践相比，必须应用比正常根部焊缝大的焊缝。内部管线根部焊接数十年来已经发展成了一种快速且有效的工艺。这种发展导致沉积微细尺寸的根部焊缝的惯例。由于在如图8所示的常规焊接坡口的钝边区域中的有限厚度而在一定程度上促进了该小尺寸。典型根部焊缝的穿透必定限于防止钝边焊穿且该情形导致小尺寸的根部焊缝。内部根部焊缝通常从封盖表面到焊根仅2至5mm。最小的根部焊缝可以仅穿透基底金属1至4mm。这种小的根部焊缝对于FSW背面支撑不足。因此，虽然可以使用常规内部根部焊接机以应用根据公开的本发明的根部焊缝，但是必须对根部焊接坡口、焊接工艺、焊接程序或这些因素的组合进行一些根本的改变。这些改变为提供对于充分FSW背面支撑的足够大且强劲的焊缝所必需。

根据所公开的新的焊接方法，对常规内部根部焊接不可行的增加焊透深度的根部焊接机调节是可行的，因为大部分材料与通过FSW接合的未开坡口搭接面相关。如图9(a)和9(b)所示，由于直边制备(square edge preparation)，接合的钢构件的边缘比常规焊接坡口的边缘(图8)厚得多。大部分材料允许内部焊接坡口几何形状调节和焊接工艺调节以增加内部根部焊接的穿透，其然后使得焊缝能够对于FSW背面支撑足够强。根部焊透深度绘于图9(b)中。

此处公开的对接焊缝的一个实施方案包括两个或多个对接结构钢构件，在所述构件的一侧上的搭接面上开坡口以形成合适形状的熔合根部焊缝坡口且在所述构件的相对侧的搭接面上未开坡口并且所述构件与在所述构件的开坡口侧上的第一熔合根部焊缝和在所述构件的未开坡口侧上的第二搅拌摩擦焊缝相互连接，其中所述第一熔合根部焊缝的宽度为7mm至30mm，穿透深度为2mm至20mm和过量填注为2mm至5mm，且其中所述第二搅拌摩擦焊缝的搅拌区穿透所述第一熔合根部焊缝。

在该实施方案的一个可选形式中，所述第一熔合根部焊缝的宽度可以为7mm至20mm、或7至15mm、或7mm至10mm。该第一熔合根部焊缝宽度的下限可以为7、或8、或9、或10mm。该第一熔合根部焊缝宽度的上限可以为10、或15、或20、或25、或30mm。

在该实施方案的一个可选形式中，所述第一熔合根部焊缝的穿透深度可以为4mm至15mm、或5至10mm。该第一熔合根部焊透深度的下限可以为2、或3、或4、或5、或6、或10mm。该第一熔合根部焊透深度的上限可以为10、或12、或15、或17、或20mm。

在该实施方案的一个可选形式中，所述第一熔合根部焊缝的过量填注可以为2.5mm至4mm。该第一熔合根部焊缝的过量填注的下限可以为2、或2.5、或3mm。在使用高度穿透焊接工艺的情况下，可能使用在0毫米至2毫米范围内的较小焊缝过量填注。该第一熔合根部焊缝的过量填注的上限可以为3、或3.5、或4、或4.5、或5mm。

所述第二搅拌摩擦焊缝的搅拌区可以穿透熔合根部焊缝基本上0毫米(只要在熔合根部焊缝和搅拌摩擦焊缝之间实现连续紧密连接即可)至5mm、或0.5mm至3mm、或1至2mm的深度。该第二搅拌焊缝的搅拌区到熔合根部焊缝的穿透深度的下限可以为基本上0、0.125、0.25、0.5、0.75、或1mm。该第二搅拌焊缝的搅拌区到熔合根部焊缝的穿透深度的上限可以为2、或3、或4、或5mm。然而，该第二搅拌焊缝的搅拌区到熔合根部焊缝的穿透深度的上限可能受到其它实际问题，例如对于不必要的大的穿透深度所浪费的时间、浪费的能量和过度的焊接成本的限制。

合适形状的熔合根部焊缝坡口可以选自多种形状和构造。非限制性示例性形状包括u-形坡口、j-形坡口、v-形坡口及其组合。在一种形式中，合适形状的熔合根部焊缝坡口的宽度和深度可以为2至15mm、或3至10mm、或4至8mm。合适形状的熔合根部焊缝坡口的宽度和深度的下限可以为2、或3、或4、或5mm。合适形状的熔合根部焊缝坡口的宽度和深度的上限可以为6、或7、或8、或9、或10mm。在高度穿透焊接工艺，如激光复合焊接或甚至脉冲GMAW的情况下，如果所选工艺可以穿透到足够大的深度，则焊接坡口的宽度和深度可以基本上为0，从而产生足够大的根部焊缝以支撑FSW工艺。

所述两个或多个结构钢构件可以为选自X50、X52、X60、X65、X70、X80、X90、X100和X120的API(美国石油学会)管道规格5L牌号管材。除了例如4360-型板的英国标准等级等之外，例如2H、2Y等的其它API结构钢级提供非限制性示例性基底材料的其它实例。在一个可选形式中，所述两个或多个结构钢构件可以为普碳钢和合金钢，其选自AISI牌号1010、1020、1040、1080、1095、A36、A516、A440、A633、A656、4063、4340、6150和ASTM牌号A285、A387、A515、A516、A517。另外，所述两个或多个结构钢构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及其组合。这些合金元素特别适用于高温强度，其在强化搅拌摩擦焊缝区域方面具有重要应用。

用于熔焊根部焊缝的焊丝可以具有与接合的两个或多个结构钢构件相同或不同的组成。在一种形式中，焊丝的化学组成可以包括含铁化学组成且可以进一步包括合金元素。焊丝化学组成的非限制性示例性合金元素可以选自W、Ta、Nb、Mo、V、Cr及其组合。这些合金元素特别适用于高温强度，其在强化搅拌摩擦焊缝区域方面具有重要应用。

此处公开的对接焊缝的一个可选的实施方案包括两个或多个对接结构钢构件，在所述构件的一侧上的搭接面上开坡口以形成合适形状的熔合根部焊缝坡口且在所述构件的相对侧的搭接面上未开坡口并且所述构件与在所述构件的开坡口侧上的第一熔合根部焊缝和在所述构件的未开坡口侧上的第二搅拌摩擦焊缝相互连接，其中所述第一熔合根部焊缝的大小和强度足以支撑在形成所述第二搅拌摩擦焊缝时施加的下压力，且其中所述第二搅拌摩擦焊缝的搅拌区穿透所述第一熔合根部焊缝到足以提供连续接合表面的深度。

在该可选的实施方案中，尺寸足够的第一熔合根部焊缝的宽度可以为7mm至30mm、或7mm至20mm、或7至15mm、或7mm至10mm。该第一熔合根部焊缝宽度的下限可以为7、或8、或9、或10mm。该第一熔合根部焊缝宽度的上限可以为10、或15、或20、或25、或30mm。

在该可选的实施方案中，尺寸足够的第一熔合根部焊缝的穿透深度可以为4mm至15mm、或5至10mm。该第一熔合根部焊透深度的下限可以为2、或3、或4、或5、或6、或10mm。该第一熔合根部焊透深度的上限可以为10、或12、或15、或17、或20mm。然而，该第一熔合根部焊透深度的上限可能受到其它实际问题，例如对于不必要的大的穿透深度所浪费的时间、浪费的能量和过度的焊接成本的限制。

在该可选的实施方案中，尺寸足够的第一熔合根部焊缝的过量填注可以为2.5mm至4mm。该第一熔合根部焊缝的过量填注的下限可以为2、或2.5、或3mm。该第一熔合根部焊缝的过量填注的上限可以为3、或3.5、或4、或4.5、或5mm。在使用高度穿透焊接工艺的情况下，可能利用在0毫米至2毫米范围内的较小的焊缝过量填注。

所述第二搅拌摩擦焊缝的搅拌区可以穿透所述第一熔合根部焊缝基本上0毫米至5mm、或0.125mm至5mm、或0.5mm至3mm、或1至2mm的深度。该第二搅拌摩擦焊缝的搅拌区到熔合根部焊缝的穿透深度的下限可以为基本上0、0.125、0.25、0.5、0.75、或1mm。该第二搅拌摩擦焊缝的搅拌区可以穿透熔合根部焊缝基本上0毫米(只要在熔合根部焊缝和搅拌摩擦焊缝之间实现连续紧密连接即可)至5mm的深度。该第二搅拌摩擦焊缝的搅拌区到熔合根部焊缝的穿透深度的上限可以为2、或3、或4、或5mm。然而，该第二搅拌焊缝的搅拌区到熔合根部焊缝的穿透深度的上限可能受到其它实际问题，例如对于不必要的大的穿透深度所浪费的时间、浪费的能量和过度的焊接成本的限制。

该可选实施方案的合适形状的熔合根部焊缝坡口可以选自多种形状和构造。非限制性示例性形状包括u-形坡口、j-形坡口、v-形坡口及其组合。在一种形式中，合适形状的熔合根部焊缝坡口的宽度和深度可以为2至15mm、或3至10mm、或4至8mm。合适形状的熔合根部焊缝坡口的宽度和深度的下限可以为2、或3、或4、或5mm。合适形状的熔合根部焊缝坡口的宽度和深度的上限可以为6、或7、或8、或9、或10mm。

该可选实施方案的所述两个或多个结构钢构件可以为选自X50、X52、X60、X65、X70、X80、X90、X100和X120的API(美国石油学会)管道规格5L牌号管材。除了例如4360-型板的英国标准等级等之外，例如2H、2Y等的其它API结构钢级提供了非限制性示例性基底材料的其它实例。在一个可选形式中，所述两个或多个结构钢构件可以为普碳钢和合金钢，其选自AISI牌号1010、1020、1040、1080、1095、A36、A516、A440、A633、A656、4063、4340、6150和ASTM牌号A285、A387、A515、A516、A517。另外，所述两个或多个结构钢构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及其组合。

或者，所述两个或多个结构部件也可以为任何复合管道材料，由此基底或输送管道为铁钢化学组成和微观结构且内部包覆材料为耐腐蚀合金，例如镍铬铁合金或其它Ni基合金。对于复合管道，可以使用合适选择的耐腐蚀合金焊料制造内部根部焊缝。

用于该可选实施方案的熔合根部焊接的可熔焊丝可以具有与接合的两个或多个结构钢构件相同或不同的组成。在一种形式中，焊丝的化学组成可以包括含铁化学组成且可以进一步包括合金元素。焊丝化学组成的非限制性示例性合金元素可以选自W、Ta、Nb、Mo、V、Cr及其组合。

此处公开的制造对接焊缝的方法的一个实施方案包括提供两个或多个对接结构钢构件，在所述构件的一侧的搭接面上开坡口以形成合适形状的熔合根部焊缝坡口且在所述构件的相对侧的搭接面上未开坡口，在足以形成熔合根部焊缝的条件下熔焊所述构件的一侧的坡口搭接面，其中所述熔合根部焊缝的宽度为7mm至30mm，穿透深度为2mm至20mm和过量填注为2mm至5mm，以及在足以形成搅拌摩擦焊缝的条件下搅拌摩擦焊所述构件的相对侧的未开坡口搭接面，其中搅拌摩擦焊缝的搅拌区穿透熔合根部焊缝基本上0毫米(只要在熔合根部焊缝和搅拌摩擦焊缝之间实现连续紧密连接即可)至5mm的深度。

可以通过许多熔焊工艺之一形成所述第一熔合根部焊缝。非限制性示例性熔焊工艺包括有保护的金属电弧焊、金属极惰性气体保护焊、药芯焊丝电弧焊、金属芯电弧焊、气体保护钨极电弧焊、等离子弧焊、潜弧焊、激光焊接、激光复合焊接、电子束焊接、闪光对焊、单极焊接及其组合。

除了熔焊工艺类型之外，可以选择对熔焊工艺条件的控制和焊接材料的选择来优化根部焊缝的大小和强度。可以控制的非限制性示例性熔焊工艺条件包括以下条件中的一个或多个：焊丝的化学组成、弧电压、弧电流强度、经控制的弧电流波形、焊枪的行进速度、焊丝的送给速率、保护气体组成、焊剂组成和第一熔合根部焊缝的冷却速度。熔焊工艺条件也可以包括任何弧电流脉冲参数或用以优化焊透深度、焊道流动性、焊道几何形状和/或焊缝性质的电流波形的其它控制。

用于熔焊根部焊缝的焊丝可以具有与接合的两个或多个结构钢构件相同或不同的组成。在一种形式中，焊丝的化学组成可以包括含铁化学组成且可以进一步包括合金元素。焊丝化学组成的非限制性示例性合金元素可以选自W、Ta、Nb、Mo、V、Cr及其组合。

在熔焊第一熔合根部焊缝期间的冷却速度可以为10至200℃/秒、或25至150℃/秒、或50至100℃/秒。

在形成所述第一熔合根部焊缝之后形成所述第二搅拌摩擦焊缝。该第一熔合根部焊缝应该具有足以防止大量材料从FSW工具下面抛送出去的尺寸、强度和韧性。该材料移离被称为脱落。如果熔合根部焊缝具有不足的尺寸、强度或韧性，则在搅拌摩擦焊期间可能发生脱落，这可以导致焊接缺陷形成和/或几何不一致。在形成第二搅拌摩擦焊缝的过程中可以控制的搅拌摩擦焊工艺条件包括但不限于搅拌摩擦焊工具的几何形状、搅拌摩擦焊工具的焊接行进速度、搅拌摩擦焊工具的旋转速度、施加到搅拌摩擦焊工具上的扭转载荷、在搅拌摩擦焊工具上的下压力载荷或平移载荷、第二搅拌摩擦焊缝的冷却速度和在应用搅拌摩擦工艺的同时冷却第一熔合根部焊缝。

形成所述第二搅拌摩擦焊缝中使用的搅拌摩擦焊工具的几何形状可以包括多种构造。非限制性示例性几何形状包括机械加工、模制或制造到工具凸肩或销中的多种形状、隆起或图样，以改进材料流动、增大穿透深度、增大焊接行进速度、改进装填不满或表面光洁度和/或减少焊接缺陷。用于FSW第二搅拌摩擦焊缝的搅拌摩擦焊工具的行进速度可以为1至30、5至25或10至20英寸/分钟。用于FSW第二搅拌摩擦焊缝的搅拌摩擦焊工具的旋转速度可以为100至700、或200至600、或300至500rpm。对于出于生产力目的而希望以例如15英寸/分钟以上的高行进速度行进的一些独特应用来说，可能需要使用高的工具旋转转速，例如1000rpm或2000rpm。

在应用第二搅拌摩擦焊期间，搅拌摩擦焊工具上的下压力载荷或平移载荷应该足够低以防止在形成搅拌摩擦焊缝期间熔合根部焊缝脱落，并且应该足够高以防止搅拌摩擦焊缝中的缺陷。例如，搅拌摩擦焊工具上的下压力载荷或平移载荷可以大于或等于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。在应用第二搅拌摩擦焊期间搅拌摩擦焊缝的冷却速度可以为10℃/秒至400℃/秒、或20℃/秒至300℃/秒、或50℃/秒至200℃/秒、或75℃/秒至150℃/秒。

此处公开的制造对接焊缝的方法也可以包括在应用搅拌摩擦焊期间同时冷却熔合根部焊缝。在应用第二搅拌摩擦焊期间熔合根部焊缝的同时冷却可以产生10℃/秒至200℃/秒、或20℃/秒至175℃/秒、50℃/秒至150℃/秒、或75℃/秒至125℃/秒的冷却速度。可以使用多种方法以在应用第二搅拌摩擦焊期间冷却第一熔合根部焊缝，从而帮助防止脱落。用以在应用第二搅拌摩擦焊期间冷却第一熔合根部焊缝的非限制性示例性方法包括用气态介质的强制流体冷却和用液态介质的强制流体冷却。强制流体冷却期间使用的气态或液态介质可以为水、乙二醇、二氧化碳、氮气及其组合。

此处公开的制造对接焊缝的方法的另一实施方案描绘于图9中。参照图9(a)，显示了将示例性的小的内部焊缝坡口机械加工到两个管段的对接界面处的管壁中。该焊缝坡口可以增加熔合焊透深度，其可以对从管道的相对侧应用的随后的搅拌摩擦焊提供增加的支撑。图9(b)描绘了在通过合适的熔焊工艺在焊缝坡口中应用内部熔合根部焊缝之后且在搅拌摩擦焊之前的示例性对接接头。根部焊透深度的量值示于图9(b)中。在熔合根部焊接之后，可以使用搅拌摩擦焊工艺接合管道壁厚的剩余部分。图9(c)描绘了在搅拌摩擦焊步骤之后的示例性对接焊缝，其中通过熔合根部焊接和搅拌摩擦焊接的组合实现两个结构钢构件的完全接合。图9(d)描绘了在接合的两个对接结构钢构件之间存在错边的情况，且显示了如何可以使熔合根部焊接有效地桥接跨越两个构件之间的壁错边的间隙。

此处公开的对接焊缝的一方面在于根部区域(在熔合根部焊道附近的区域)足够强以支撑在FSW工艺期间经受的下压力。当根部区域足够强时，可以避免在搅拌摩擦焊期间使用背面支撑。根部区域强度对于保证对接表面完全接合且最小化或消除缺陷来说可能是必需的。此处公开的制造对接焊缝的方法限定了形成足够强根部区域的条件，其定义为防止施加搅拌摩擦焊的下压力期间熔合根部焊缝的显著脱落所必需的强度。更具体地，如果熔合根部焊缝太软弱(weak)，则对接接头的根部区域中的熔焊材料可能在FSW期间从管壁移离。对于管道焊接的情况，内部根部焊缝将移向管道的内部，或者外部根部焊缝(外部根部焊接与内部应用的搅拌摩擦焊一起使用)将移向外部。显著脱落的定义可以取决于具体应用。对于许多应用来说，限制脱落在2mm内可能是足够的，然而，对于其中搅拌摩擦焊需要更大刚度以完全合并的更严格应用来说，脱落可能被限制在1.5mm。一些应用对于最佳焊接将需要甚至更精细的脱落控制，且可能需要1mm、或甚至0.5mm的限制。

图10描绘了包括由于FSW下压力引起的熔合根部焊缝脱落的情形。在图10(a)中，包括熔合根部焊缝的根部区域已经设计成足够强以防止脱落。相比之下，对于图10(b)，搅拌摩擦区之下的根部区域材料强度不足以支撑FSW下压力，因此发生脱落。图10(b)中绘出了脱落量值。并且，图10(b)中示出了软弱区，其包括熔合根部焊接金属和邻近的基底材料两者。通过在FSW期间施加的热产生弱化区。可能需要工艺优化来获得防止脱落所必需的足够根部区域强度和刚度，从而确保对接表面以最少的焊接缺陷完全接合。与图10(b)形成对比，图10(a)中的根部区域材料可能因FSW热而稍微弱化；但是没有达到在FSW期间发生显著脱落的程度。因此，在图10(a)中，没有指示出弱化区，这是由于根部区域具有足以防止在FSW期间发生脱落的强度。

图10也显示了两个示例性脱落照片。图10(c)描绘了对于仅有外部应用的搅拌摩擦焊而没有内部应用的熔合根部焊接的情况下在管道内部的脱落。制造图10(c)的样品以在平管(没有对接管道接头)上测试脱落，在初始插进FSW工具期间在焊缝开始处出现最严重的脱落区域。随着FSW工具沿管道周围(circumference)平移，FSW下压力从插进期间使用的力减小且脱落减少。图10(d)了描绘在通过首先使用金属极惰性气体保护焊工艺应用根部焊缝制得的板对缝焊接样品的下侧上的脱落的显微照片。根部焊缝接合约20％的板厚。随后将板翻转且应用搅拌摩擦焊以接合剩余板厚。如图10(d)所示，在搅拌摩擦焊开始时(在插进期间)发生脱落，在脱落区域还出现了裂纹。图10(d)指示了熔合根部区域的设计是防止FSW期间发生脱落的一个因素。只是形成用于管道制造的常规内部焊接所特有的熔合根部焊缝将不可能导致具有在随后搅拌摩擦焊期间足以防止熔合根部焊缝脱落的强度和韧性的根部区域。

因为初始插进力可能大于工具行进期间施加的下压力，所以可以采用步骤来降低插进力，从而减少在插进序列期间的脱落。例如，一种方法包括在焊缝开始处预钻孔或空腔，使得工具和销遇不到材料，由此不需要高的插进力。另一方法包括预热插进区域以使基底材料弱化。可以根据此处公开的新焊接技术的原理使用降低插进力的任何其它合适的手段。

已经设计了此处公开的对接焊缝和制造方法以防止根部区域脱落。在确保焊接根部区域的强度、因此有能够支撑FSW工艺的能力的方面有影响力的焊接根部区域的两个特征是根部区域的尺寸和高温下根部区域的材料强度。关于根部区域的尺寸，参照图11(a)，尺寸T₁和T₂是形成具有足以防止脱落的强度的根部区域的影响因素。T₁定义为其中应用熔合根部焊接的工件的表面与搅拌摩擦区底部之间的距离。T₂定义为其中应用熔合根部焊接的工件的表面与搅拌摩擦销底部之间的距离。在设计根部区域的过程中可以使用T₁或T₂或者表征大部分材料在搅拌摩擦焊缝和最靠近根部焊缝的工件表面之间的其它类似尺寸以获得足以在FSW期间防止脱落的强度。应该设计T₁或T₂以适应两个目标，第一目标为产生尺寸上足以防止脱落的的弱化区且第二目标为产生足够尺寸的根部区域以使得熔合焊缝被搅拌摩擦焊缝穿透。

从强度的观点来看，在不会不利地影响应用根部焊缝的能力的情况下使T₁(或T₂)尽可能地大是有利的。如由图11中的T₁或T₂定义的熔合根部焊缝深度或如图9(b)所示的根部焊透深度应该足够大以使得搅拌摩擦焊缝随后能够交叉焊缝穿透。对于交叉焊缝穿透来说，熔合根部焊缝应该具有大于尺寸T₁的穿透深度。在一种形式中，熔合根部焊透深度(参见图9(b))可以大于或等于2mm、或3mm、或4mm、或5mm、或6mm、或10mm。

如图12中所示，在决定根部区域的强度中具有影响力的两个其它尺寸为根部焊道宽度和根部焊缝过量填注。除了T₁或T₂之外，这两个尺寸决定根部焊缝的总尺寸。根部焊缝过量填注定义为延伸超出待熔焊表面的峰值根部焊道高度。图12描绘了具有所指示的影响根部区域强度、过量填注和焊道宽度的两个其它因素的特别大的根部焊缝。过量填注和/或焊道宽度增加将加强根部区域并帮助防止脱落。大的根部焊缝在根部焊接金属具有比基底金属大的强度的情况下特别有用。增加根部焊缝强度的一个非限制性示例性选择是使可熔焊丝合金化。增加强度的非限制性示例性合金元素可以选自W、Ta、Nb、Mo、V、Cr及其组合。这些合金元素特别适用于高温强度。因此，可以基于根部区域的尺寸(T₁或T₂、过量填注和/或根部焊道宽度)以及通过使用用于熔合根部焊接的高强度可熔焊丝来调整熔合根部焊缝强度。在一种形式中，过量填注可以大于或等于2mm、或2.5mm、或3mm。第一熔合根部焊缝过量填注的上限可以为3、或3.5、或4、或4.5、或5mm。在使用高度穿透焊接工艺的情况下，可以使用在0毫米至2毫米范围内的较小焊缝过量填注。在另一形式中，根部焊道宽度可以大于或等于7mm、或8mm、或9mm。第一熔合根部焊缝宽度的上限可以为10、或15、或20、或25、或30mm。

在形成用于管线接合应用的此处公开的对接焊缝时，存在一些关于可以生产以实现交叉焊缝(熔合和搅拌摩擦)穿透的根部焊缝尺寸的实际限制。更具体地，当熔合根部焊缝在管道内时，其轨道式形成，或者换句话说，在如美国焊接学会(American Welding Society)定义的5G位置形成。该焊接位置意味着管道保持固定，而熔焊机平移圆形对焊接头。熔焊工艺应该能够沿根部焊接接头的整个360°旋转应用根部焊缝，且这包括在3点钟和9点钟的立焊位置焊接以及在12点钟的仰焊位置焊接。该多位置熔焊方案使其对于应用非常大的根部焊道不实用。除了平焊位置(6点钟)，大根部焊道将受重力显著影响，这可以导致熔合焊池下垂，可能导致不希望的焊道形状，或者在极端情况下，焊道可能从焊接接头中完全落下(滴流)。可以用某些焊接技术和/或工艺以抵消在5G管道焊接期间的重力挑战。在一个非限制性实施例中，在金属极惰性气体保护焊的情况下，使用脉冲能源可以增加根部焊道穿透，同时仍然保持相对小的焊道。可以使用电弧功率参数(例如电流波形)的任何其它控制来优化焊透深度、焊道流动性、焊道几何形状、根部焊缝尺寸或焊缝性质以进一步抵消重力的影响。也可以利用焊接材料的合理选择，这对于焊接工程领域的技术人员是已知的。通过焊丝或保护气体组成来调节熔池表面张力可能是有用的。在另一非限制性实施例中，可以使用激光复合内部焊接工艺来增大穿透，同时仍然保持能够5G根部焊接。利用激光复合内部根部焊接机的激光复合内部焊接工艺对于此处公开的对接焊缝可能特别有利于在管线中形成内部根部焊缝。更具体地，可以将用于内部根部焊接的激光复合工艺与外部搅拌摩擦工艺结合作为优化根部区域的几何形状和强度的一种有利方法，以允许在搅拌摩擦焊期间消除背面支撑板。

存在关于与内部管道进入和破坏流体流动有关的根部焊缝尺寸的其它实际限制。关于管道进入，例如检查清管的内部管道维护活动需要相对光滑的根部焊缝以便于行进，这意味着，根据清管装置的能力，在一定程度上不希望有过度封盖强化。关于流体流动，有效管线操作和优化的流体流量需要没有过度强化的相对光滑的根部焊缝。因此，存在防止无限根部焊缝强化作为生产强劲FSW背面支撑的方式的实际限制。

如前所述，在控制脱落量值方面可以具有影响力的根部焊接区域的两个因素为：1)弱化区尺寸，和2)高温下弱化区内材料的强度。减少脱落并防止FSW缺陷的一个因素是增大弱化区的强度。该区域主要由两种材料构成：基底金属和根部焊缝。根部焊缝由焊接金属和HAZ组成。可以通过一种或多种如下示例性非限制性方法增加弱化区的强度：强度-增强合金化、增大根部焊缝尺寸、增大根部焊透深度和增强熔合根部焊缝的冷却。

关于强度-增强合金化，可以通过材料化学的选择性合金化以产生较高强度以增强弱化区的强度。特别地，例如但不限于W、Ta、Nb、Mo、V和Cr的元素可以用于增强此处公开的结构钢的高温强度。也可以使用合金化来优化根部区域和弱化区强度。可以用强度增强元素使基底金属的化学合金化以改进弱化区的高温强度。这可以减少脱落并减少焊接缺陷。在将焊料用于熔合根部焊接工艺的情况下，也可以使用包括但不限于W、Ta、Nb、Mo、V和Cr的元素合金化以增强强度。如果焊料或垫片用于搅拌摩擦工艺，则也可以使用包括但不限于W、Ta、Nb、Mo、V和Cr的元素合金化以增强根部区域的强度和弱化区的强度。

关于根部焊缝尺寸，使用较大和/或较强的根部焊缝在搅拌摩擦工具下提供更多材料和/或更强材料以抵抗经由工具施加的下压力，这也可以减少脱落和焊接缺陷的倾向。可以通过一个或多个如下示例性非限制性熔焊参数来增加根部焊缝尺寸：增大焊接坡口体积、增大填充焊丝送给速度和增大焊接电流。在应用到管道内部时，可能有根部焊缝尺寸的限制。较高强度的根部焊缝对于较薄的管道可能特别有益，在其中可能由于固有的弱化区厚度而使工艺受到挑战。特别地，如果因为壁厚，弱化区薄，则仍然可以通过使用更大更强的熔合根部焊缝来改善和控制脱落。

关于根部焊透深度，此处公开的新方法包括调整待通过FSW接合的区域中的对接边缘且该相对厚的几何形状允许与在用薄钝边的常规内部根部焊接期间可行的技术相比较高的穿透焊接技术。根部焊透深度增加，增加了根部区域厚度T₂，由此增大了弱化区的总强度。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/或改变坡口几何形状以允许通过焊弧增强穿透，增大焊接电流或使用脉冲波形或其它焊粉参数控制(例如电流波形)，选择更有利的保护气体以增强穿透和选择焊接工艺来增强穿透。例如，激光或激光复合焊接在增大根部尺寸T₂的大小从而增加根部焊透深度方面可能是特别有利的。

关于焊接接头的强化冷却，在应用此处公开的焊接工艺期间可以使用从基底金属的顶部或底部进行的冷却以降低金属温度，从而增大根部区域的强度。可以在熔合根部焊缝处应用冷却以增大其焊态强度。也可以在应用搅拌摩擦焊期间在基底金属下侧的熔合根部焊接区域应用强化冷却以增大强度。这可以降低FSW期间根部区域和弱化区的温度。也可以在基底金属的外表面(其中应用FSW的焊缝的侧面)应用强化冷却，这可以降低搅拌摩擦焊缝和熔合根部区域的温度。

能够以多种非限制性方式完成熔合根部焊接区域的强化冷却。用于强化冷却的冷却介质可以为流体或固态形式，流动的流体包括气态介质或液态介质。在使用流体时，其可能内在地冷却，例如膨胀气体，或者其可能在应用到焊接区域之前经由预冷器冷却。使用流体作为冷却介质可以通过经传导、对流及其组合的热传递机制提取热而降低根部焊接区域的温度。也可以使用具有足够导热率的固体材料以通过传导从根部焊接区域提取热。在这种情况下，可以放置金属块使其与靠近根部焊缝的区域接触。在一种形式中，可以通过内部流体流动冷却金属块。也可以在焊接区域应用粉末、糊或喷雾形式的化学材料以通过传导、对流、辐射、相变或任何吸热反应提取热。

当希望对根部焊缝或搅拌摩擦焊缝使用强化冷却时，可能有关于在寒冷气候下现场制作的内在优点。在低的环境温度的情况下，可以使用冷空气来帮助焊缝冷却。这可以通过使用冷空气作为强制冷却流体来实现或者可以通过只是允许环境空气自然地影响焊接区域而稍微被动地进行冷却。

在此处公开的对接焊缝和制造方法的另一形式中，可以使用机械支撑来增大根部焊接区域的强度并防止脱落。虽然通常由于在管线构造期间“前端”焊接活动而可能不希望使用内部机械支撑，但是可能有其中这种限制最低或不存在的一些应用。在这种情况下，在管道内径上使用机械支撑以帮助抵抗搅拌摩擦工具载荷可能是有用的。与熔合根部焊道一起使用机械支撑可以降低焊道尺寸需求，因为其也将分担FSW期间给予的载荷。

在组合熔合根部焊接和背面支撑的形式中，此处公开的背面支撑显著不同于用于背面支撑的常规心轴或砧。而例如美国专利6,732,901和美国专利公开2006/0081683 A1描述的常规心轴和砧设计成刚性很高以支撑搅拌摩擦工艺的全部下压力，且设计用来在高温下支撑工件，在心轴结合熔合根部焊接使用时，需求较低的设计是合适的。因为熔合根部焊接可以支撑相当大的下压力，所以与常规方法相比，第二心轴可以具有极小的尺寸和强度。并且，第二心轴不必适应由于与搅拌摩擦焊缝直接接触导致的高温。因为熔合根部焊缝位于搅拌摩擦焊搅拌区与心轴和工件之间的界面之间，所以与心轴与焊接区域基本直接接触的常规情况相比心轴表面经受的温度低得多。可以设计具有耐高温涂层的常规心轴以经受与达到约800℃或更高的峰值温度的表面接触。结合熔合根部焊接使用的第二心轴不需要这种涂层且可以将其设计为在低于800℃的温度下支撑工作表面。

结合此处公开的熔合根部焊缝使用的第二心轴或砧的一个其它显著设计因素在于第二心轴的表面材料可以通过使用顺从层来优化以适应根部焊接区域的局部几何形状。因为第二心轴相对于其中已经预先沉积的熔合根部焊缝的表面压缩，所以顺从层可用于顺应熔合根部区域的形状，从而适应可以根据例如宽度、过量填注和焊趾几何形状的根部焊缝形状以及工件本身的错边几何形状而变化的局部几何形状。心轴顺应可以设计为材料顺应或机械顺应。在材料顺应的情况下，可以使用高温聚合物作为接触材料，而刚性较大的金属支撑可以提供顺从聚合物的支持。所述聚合物或类似材料可以含有基于金属的添加剂或陶瓷添加剂，从而产生复合物顺从层。在机械顺应的情况下，如图13所示，一种这样的设计包括使用相对小的分段金属部件作为心轴的主要接触部件，由此分段部件由可经液压或机械手段扩展的柔性层支持或支撑。可以接受这些方法(材料顺应性、机械顺应或其组合)或其它合适的顺应性方法的任何组合以提供对根部焊接区域应用适度支撑所必需的理想的第二心轴。

用于确定熔焊根部区域的实验方法：

可以使用实验方法、数值/分析方法及其组合来确定熔合根部焊接区域的尺寸，从而实现足以防止FSW期间发生脱落的根部区域强度。数值/分析方法可以利用计算或基于计算机的模拟。

在此处公开的对接焊缝和形成方法的一种形式中，可以通过进行实验确定足以防止在FSW期间发生脱落的熔焊根部区域尺寸，由此对结构钢板或管道构件应用不同根部焊缝尺寸，随后进行FSW以完成接合。可以通过一个或多个如下示例性非限制性参数改变根部焊缝尺寸：增大坡口尺寸或深度(参见图9(b))、增大弧电流、和/或使用脉冲电流波形或电流波形的其它控制、或优化选择焊接材料。随后可以在所选的焊接参数范围内在不使用应用到熔焊根部区域的背面支撑的情况下进行FSW。在FSW之后，脱落的量(脱落量值或深度)可以通过图11(b)所示的测量技术量化。使用该方法，可以使熔合根部焊缝尺寸与脱落量值或深度相关联。可以使用例如X射线或超声波的任何合适非破坏性检验(NDE)技术来检查熔合根部焊缝以监测焊缝的内部缺陷。通过检查，可以使根部焊缝尺寸和脱落量值或深度与焊缝品质相关联。另外，可以将实验根部焊缝切片、抛光并检查以量化尺寸T₁和T₂。

上述实验技术可以用来对于通过应用FSW到在根部区域中具有预机械加工的厚度的结构钢板样品的给定材料组和焊接条件确定关键根部区域尺寸。可以机械加工实心板或两个对接板的下侧以在如图14所图示的FSW搅拌区下面产生不同根部区域厚度。图14(a)显示了具有机械加工成底侧以改变在FSW工具下面存在的材料的厚度的步进通道图样的结构钢板。图14(b)为板的侧视图且显示了FSW工具在沿板的若干位置处以表明在工具和板底部之间的材料厚度(尺寸T₂)的变化。在FSW操作期间，随着工具沿板移动，底部上的步进构造提供连续减少量的根部区域和弱化区厚度，以便关于脱落进行评估。

用于确定根部区域的数值模拟方法：

也可以使用数值模型来确定此处公开的对接焊缝和制造方法的可接受根部区域厚度范围。这些模型需要弱化区内材料强度的知识或估算。因为材料强度主要取决于温度(和因FSW工艺显著变形的材料的应变)，可以将弱化区中热循环和应变循环的知识或估算输入模型中。该信息可以通过使用基于现象学定律的数值模型获得。可以基于复杂性而将这些数值模型分成两组，一组为简化的分析模型，另一组为复杂的分析模型。

使用简化的分析模型，可以使用热传导方程首先估算工具下面的温度。随后可以使用温度分布来计算FSW工艺期间材料的强度。最后，可以通过规定弱化区中的工具压力来进行简化的挠度计算。因此，挠度可以提供脱落尺寸的良好估算。基于计算的脱落尺寸，可以规定根部焊道尺寸且重复以上实践来计算脱落。可以重复该过程直到脱落尺寸达到根部焊缝尺寸的容许值或最终指标，并确定尺寸T₂。

使用复杂的分析模型，可以使用复杂现象学模型计算估算FSW工艺期间材料强度所需的温度和应变历程。该模拟程度通过靠近工具的材料的摩擦和增塑来研究材料变形和发热性。这些模型可以将FSW工艺模拟为热-机械耦合问题或其中单独研究热学计算和机械计算的解耦问题。使用该模拟方法，将根部焊道置于在管道内侧上的焊接接头线处。随后，进行热-机械计算来估算规定条件下的脱落尺寸。如前述方法一样，可以进行多次重复来确定根部焊道尺寸、弱化区尺寸和脱落之间的关系。

用于确定根部区域的实验-数值组合方法：

可以使用实验方法和数值方法的组合来确定熔合根部焊接区域的尺寸，从而实现足以防止FSW期间发生脱落的根部区域强度。在使用上述数值方法的过程中可能需要许多假定。例如，可能需要材料强度和温度的估算。在组合方法中，可以进行有限次实验来提供对于模型的直接输入或数值方法的校准。例如，可以由FSW工艺期间温度的热电偶测量产生实验结果。另一实例可以在Gleeble或Gleeble类机器中进行实验以测量高温下的强度性质。Gleeble能够在预定值的施加应变下进行高拉伸试验，因此可以用在多种位置处定位的热电偶预仪表化实验焊缝。使用实验信息，可以较好地校准数值模型以预测最佳弱化区尺寸和根部焊道尺寸。这些数值模型可以是一个或多个如下形式：分析方程、回归方程或作为神经网络控制的复杂现象学模型。

应用：

一方面，此处公开的对接焊缝和制造方法可用于焊接在结构应用中使用的铸铁和碳素钢构件。另一方面，此处公开的对接焊缝和制造方法可用于焊接结构钢。这些结构钢可以是油气工业中使用的管线钢，其包括但不限于选自X50、X52、X60、X65、X70、X80、X90、X100和X120或更高强度钢的API(美国石油学会)管道规格5L管道等级。管道的壁厚可以为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，此处公开的对接焊缝和制造方法对于焊接普碳钢和合金钢特别有用。示例性但非限制性的普碳钢和合金钢包括AISI牌号1010、1020、1040、1080、1095、A36、A516、A440、A633、A656、4063、4340、6150及其它AISI牌号，包括高强度牌号。其它示例性的碳素低合金钢包括ASTM牌号A285、A387、A515、A516、A517及碳素低合金钢的其它ASTM牌号。除了例如4360-型板的英国标准牌号等之外，例如2H、2Y等的其它API结构钢牌号提供非限制性示例性基底材料的其它实例。

此处公开的对接焊缝和制造方法可以用来接合与油气工业相关的结构和结构钢构件。所述制造方法可以在在其中制造构件的例如制造车间或轧钢厂的生产设施中或在其中组装构件(例如管线)的制造现场进行。

此处公开的制造对接焊缝的方法适合形成油气勘探、生产和精炼应用中的结构，例如形成这类应用中的管状结构钢构件的对接焊缝。

此处公开的在油气勘探、生产和精炼工业中获得应用的制造对接焊缝的方法的示例性但非限制性钢结构为管线焊接区域、钢悬链线立管(SCR)和顶张力立管(TTR)焊接区域、螺纹构件、石油钻井设备焊接区域(即两段深水石油钻柱)、液化天然气(LNG)和加压LNG(PLNG)容器焊接区域、立管/套管接头和井口设备。

在油气上游应用中，此处公开的制造对接焊缝的方法适于接合和修复在天然气输送和储存型应用中使用的结构和构件。特别地，可以利用此处公开的制造对接焊缝的方法来实现管线、压缩天然气(CNG)、加压液化天然气(PLNG)、液化天然气(LNG)的气体输送技术及其它储存/输送技术。在天然气输送和储存型应用中的一种形式中，此处公开的制造对接焊缝的方法可以用于接合/加工管线、流向线、收集管线、膨胀圈及其它输送线。这将包括严格应用，所述应用包括复合管或Ni基合金管、13Cr管、双相不锈钢管、超级双相不锈钢管或由36％Ni合金(也称作因瓦合金(Invar))或可用于低热膨胀系数(CTE)的类似合金制成的管道。在天然气输送和储存型应用中的另一形式中，此处公开的制造对接焊缝的方法可以用于接合/加工由碳素钢和结构钢制成的材料。在天然气输送和储存型应用中的另一形式中，此处公开的制造对接焊缝的方法可以用于接合/加工LNG、CNG和PLNG储存和/或输送结构。这包括组装式LNG结构、运送容器、转移构件和管线及相关技术。

在所公开的组合熔焊和FSW工艺的另一应用中，可以使用该新技术生成大直径管道的纵缝焊接。可以使用所公开的焊接方法制造螺旋、UOE或辊弯管。在36％Ni管道(也被称为因瓦合金)或类似低CTE合金的情况下，该技术可能特别有用，这是由于避免了例如由于粗粒引起的凝固开裂、失延裂纹和低强度焊接的典型焊接问题。

在油气勘探和生产应用中，此处公开的制造对接焊缝的方法也可以用于接合用于油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上生产结构、石油管线、储油箱、套管/管道、完井和生产构件、用于流向线连接的铸造结构、海底构件、井下管状制品(例如OCTG)、干舷和相关结构、脐带缆、供给船和供应船及火炬塔。更具体地，示例性海上生产结构包括套层的平台、海上移动式钻井装置和相关生产构件如套管、钢筋束、立管和海底设施。海上移动式钻井装置包括但不限于半潜式和升降式钻油台、张力腿平台(TLP)、深吃水沉箱船(DDCV)、随动塔式平台、浮动采油、储载油(FPSO)船、浮式储卸油(FSO)船、船舶、油船等。示例性海底构件包括但不限于管汇系统、采油树和BOP。示例性干舷和相关结构包括甲板上层建筑、钻井平台、住舱、直升机甲板和相关结构。

在下游应用中，此处公开的制造对接焊缝的方法适于接合精炼和化工厂中使用的结构和构件。此处公开的对接焊缝和制造这类对接焊缝的方法在精炼和化工厂应用中，特别通过不同类金属接合、钢结构接合和例如铸铁的难焊接材料接合而提供了有利条件。这些应用包括但不限于铸铁、换热器管和低温和高温处理和压力容器。示例性低温和高温处理和压力容器包括蒸汽裂解炉管、蒸汽重整管以及精炼结构和构件。适合所公开的对接焊缝的示例性材料包括例如13％Cr钢级、双相不锈钢和超级双相不锈钢的耐腐蚀材料。

具体实施方式

以下为本公开的实施例且不应将其视为关于本发明的范围或权利要求书的范围的限制。

实施例

以下实施例进一步说明此处公开的对接焊缝和制造这类对接焊缝的方法。

实施例1-实验技术

使用图14描述的实验技术，制备具有不同厚度的五个区的槽形底板。在搅拌摩擦焊和NDE检查之后，测量脱落且使其与合适搅拌摩擦焊缝品质和最小可接受的弱化区厚度相关联。图15为显示具有变化板厚的五个不同区域和沿板测量的相应脱落的板底部的照片。沿与槽形底部相关的长度的结构钢板厚度为2mm至6mm(2、3、4、5和6mm)，且相应脱落为0.010英寸至0.070英寸(文字框中的数值为0.070、0.043、0.025、0.015和0.010英寸)，较薄的板厚值对应较少脱落。板厚与脱落之间的反比关系可以从图15见到。脱落的量随着厚度T₂增加而减少。该实验技术提供了使用实际熔合根部焊接的先前所提到实验的模拟。

可以使用图15中所示的实验结果以对于随后的大直径管道焊接或其它结构钢或管道焊接设定根部焊缝厚度值(因此为弱化区厚度值)。发现了当尺寸T₂小于约2至3毫米时，脱落量显著且焊缝包含缺陷。当尺寸T₂较接近于约5或6毫米时，脱落大大降低，且焊缝趋于完全固定且没有缺陷。因此，可以确定，对于所用的材料和FSW参数，需要T₂在约4至6毫米的等级。改变材料、FSW参数或焊缝几何形状能够产生不同的可接受的T₂厚度，但是可以使用所述的通用方法以对于变量的任何组合确定弱化区厚度和根部焊缝尺寸。

申请人试图公开能够合理预见的所公开主题的所有形式和应用。然而，可能存在继续作为等价物的不可预见的非实质性修改。尽管本公开已经结合其具体示例性形式进行了描述，但是很显然，本领域技术人员可以根据上述描述在不脱离本公开的精神或范围的情况下明显看到许多改变、修改和变化。因此，本公开旨在涵盖上述具体实施方式的所有这些改变、修改和变化。

此处引用的所有专利、试验方法和其它文件，包括优先权文件，都以这些公开不与本发明且不与允许这些结合的所有司法解释相矛盾的方式通过参考完全结合到本文中。

当此处列出数值的下限和数值的上限时，涵盖从任何下限到任何上限的范围。还应该理解在本文的说明书和权利要求书内的所有数值都由“约”修饰。

Claims (83)

1.一种对接焊缝，其包含：

两个或多个对接结构钢构件，在所述构件一侧上的搭接面上开坡口，以形成合适形状的熔合根部焊缝坡口，且在所述构件的相对侧的搭接面上未开坡口，并且所述构件与在所述构件的开坡口侧上的第一熔合根部焊缝和在所述构件的未开坡口侧上的第二搅拌摩擦焊缝相互连接，

其中所述第一熔合根部焊缝的宽度为7mm至30mm，穿透深度为2mm至20mm和过量填注为2mm至5mm，且

其中所述第二搅拌摩擦焊缝的搅拌区穿透所述第一熔合根部焊缝。

2.权利要求1的对接焊缝，其中所述第一熔合根部焊缝的宽度为7mm至20mm。

3.权利要求2的对接焊缝，其中所述第一熔合根部焊缝的宽度为7mm至15mm。

4.权利要求1的对接焊缝，其中所述第一熔合根部焊缝的穿透深度为4mm至15mm。

5.权利要求4的对接焊缝，其中所述第一熔合根部焊缝的穿透深度为5mm至10mm。

6.权利要求1的对接焊缝，其中所述第一熔合根部焊缝的过量填注范围为2.5mm至4mm。

7.权利要求1的对接焊缝，其中所述第二搅拌摩擦焊缝的搅拌区穿透所述熔合根部焊缝至基本上0mm至5mm范围的深度。

8.权利要求7的对接焊缝，其中所述第二搅拌摩擦焊缝的搅拌区穿透所述第一熔合根部焊缝至0.5mm至3mm范围的深度。

9.权利要求1的对接焊缝，其中所述合适形状的熔合根部焊缝坡口选自u-形坡口、j-形坡口、v-形坡口及其组合。

10.权利要求9的对接焊缝，其中所述合适形状的熔合根部焊缝坡口的宽度和深度范围为2mm至15mm。

11.权利要求10的对接焊缝，其中所述合适形状的熔合根部焊缝坡口的宽度和深度范围为3mm至10mm。

12.权利要求1的对接焊缝，其中所述两个或多个结构钢构件为选自X50、X52、X60、X65、X70、X80、X90、X100和X120的API（美国石油学会（American Petroleum Institute））管道规格5L牌号管材。

13.权利要求1的对接焊缝，其中所述两个或多个结构钢构件为普碳钢和合金钢，其选自AISI牌号1010、1020、1040、1080、1095、A36、A516、A440、A633、A656、4063、4340、6150和ASTM牌号A285、A387、A515、A516、A517。

14.权利要求1的对接焊缝，其中所述两个或多个结构钢构件为选自API2H级、API2Y级和英国标准4360级的结构钢级。

15.权利要求1的对接焊缝，其中所述两个或多个结构钢构件选自复合管、螺旋管、UOE管、辊弯管、Ni基合金管、13Cr管、双相不锈钢管、超级双相不锈钢管、36%Ni合金管和由其它低热膨胀系数合金制成的管。

16.权利要求1的对接焊缝，其中所述两个或多个结构钢构件包括选自W、Ta、Nb、Mo、V、Cr及其组合的合金元素。

17.权利要求1的对接焊缝，其中通过控制包括以下条件中的一个或多个的熔焊工艺条件形成所述第一熔合根部焊缝：焊丝的化学组成、弧电压、弧电流强度、弧电流波形、焊枪的行进速度、焊丝进给速度、保护气体组成、焊剂组成和所述第一熔合根部焊缝的冷却速度。

18.权利要求17的对接焊缝，其中所述焊丝的化学组成包括具有选自W、Ta、Nb、Mo、V、Cr及其组合的合金元素的含铁化学组成。

19.权利要求1的对接焊缝，其中通过控制包括以下条件中一个或多个的搅拌摩擦焊接工艺条件形成所述第二搅拌摩擦焊缝：搅拌摩擦焊工具的几何形状、所述搅拌摩擦焊工具的焊接行进速度、所述搅拌摩擦焊工具的旋转速度、施加到所述搅拌摩擦焊工具上的扭转载荷、在所述搅拌摩擦焊工具上的下压力载荷或平移载荷、所述第二搅拌摩擦焊缝的冷却速度和在应用搅拌摩擦过程的同时冷却所述第一熔合根部焊缝。

20.权利要求19的对接焊缝，其中所述搅拌摩擦焊工具上的下压力载荷或平移载荷足够低以防止在形成所述第二搅拌摩擦焊缝期间所述第一熔合根部焊缝的脱落，并且足够高以防止在所述第二搅拌摩擦焊缝中的缺陷。

21.权利要求20的对接焊缝，其中所述搅拌摩擦焊工具上的下压力载荷或平移载荷从大于或等于1000磅力到小于或等于30,000磅力的范围内变化。

22.权利要求19的对接焊缝，其中施加到所述搅拌摩擦焊工具上的扭转载荷从大于或等于150英尺·磅到小于或等于1000英尺·磅的范围内变化。

23.权利要求22的对接焊缝，其中施加到所述搅拌摩擦焊工具上的扭转载荷从大于或等于200英尺·磅到小于或等于750英尺·磅的范围内变化。

24.权利要求1的对接焊缝，其中所述第一熔合根部焊缝具有足够的强度和韧性以防止在形成所述第二搅拌摩擦焊缝期间所述第一熔合根部焊缝的脱落。

25.权利要求1的对接焊缝，其中通过选自有保护的金属电弧焊、金属极惰性气体保护焊、药芯焊丝电弧焊、金属芯电弧焊、气体保护钨极电弧焊、等离子弧焊、潜弧焊、激光焊接、激光复合焊接、电子束焊接、闪光对焊、单极焊接及其组合的熔焊工艺形成所述第一熔合根部焊缝。

26.权利要求1的对接焊缝，其中在对所述构件的第一熔合根部焊缝侧应用机械背面支撑的同时形成所述第二搅拌摩擦焊缝。

27.权利要求26的对接焊缝，其中所述机械背面支撑是与所述第一熔合根部焊接区域几何形状一致的第二心轴或砧。

28.权利要求27的对接焊缝，其中所述第二心轴或砧通过材料顺应、机械顺应或其组合使其与所述第一熔合根部焊接区域的几何形状一致。

29.权利要求28的对接焊缝，其中所述材料顺应包括由通过液压或机械方式可扩展的柔性层支撑的分段部件。

30.制造对接焊缝的方法，其包括：

提供两个或多个对接结构钢构件，在所述构件的一侧的搭接面上开坡口，以形成合适形状的熔合根部焊缝坡口，且在所述构件的相对侧的搭接面上未开坡口，

在足以形成熔合根部焊缝的条件下熔焊所述构件的一侧开坡口的搭接面，其中所述熔合根部焊缝的宽度为7mm至30mm，穿透深度为2mm至20mm和过量填注为2mm至5mm，且

在足以形成搅拌摩擦焊缝的条件下搅拌摩擦焊所述构件的相对侧的未开坡口的搭接面，其中所述搅拌摩擦焊缝的搅拌区穿透所述熔合根部焊缝至0mm至5mm范围的深度。

31.权利要求30的方法，其中所述熔合根部焊缝的宽度为7mm至20mm。

32.权利要求30的方法，其中所述熔合根部焊缝的宽度为7mm至15mm。

33.权利要求30的方法，其中所述熔合根部焊缝的穿透深度为4mm至15mm。

34.权利要求33的方法，其中所述熔合根部焊缝的穿透深度为5mm至10mm。

35.权利要求30的方法，其中所述熔合根部焊缝的过量填注为2.5mm至4mm。

36.权利要求30的方法，其中所述搅拌摩擦焊缝的搅拌区穿透所述第一熔合根部焊缝至0.5mm至3mm范围的深度。

37.权利要求30的方法，其中所述合适形状的熔合根部焊缝坡口选自u-形坡口、j-形坡口、v-形坡口及其组合。

38.权利要求37的方法，其中所述合适形状的熔合根部焊缝坡口的宽度和深度范围为2mm至15mm。

39.权利要求38的方法，其中所述合适形状的熔合焊缝坡口的宽度和深度范围为3mm至10mm。

40.权利要求30的方法，其中所述两个或多个结构钢构件为选自X50、X52、X60、X65、X70、X80、X90、X100和X120牌号的API（美国石油学会）管道规格5L管材。

41.权利要求30的方法，其中所述两个或多个结构钢构件为普碳钢和合金钢，其选自AISI牌号1010、1020、1040、1080、1095、A36、A516、A440、A633、A656、4063、4340、6150；ASTM牌号A285、A387、A515、A516、A517；API牌号2H、2Y；及英国标准牌号4360。

42.权利要求30的方法，其中所述两个或多个结构钢构件选自复合管、螺旋管、UOE管、辊弯管、Ni基合金管、13Cr管、双相不锈钢管、超级双相不锈钢管、36%Ni合金管和由其它低热膨胀系数合金制成的管。

43.权利要求30的方法，其中所述两个或多个结构钢构件包括选自W、Ta、Nb、Mo、V、Cr及其组合的合金元素。

44.权利要求30的方法，其中足以形成所述熔合根部焊缝的条件选自以下条件中至少一个：焊丝的化学组成、弧电压、弧电流强度、弧电流波形、焊丝进给速度、焊枪的行进速度、保护气体组成、焊剂组成和所述熔合根部焊缝的冷却速度。

45.权利要求44的方法，其中所述焊丝的化学组成包括具有选自W、Ta、Nb、Mo、V、Cr及其组合的合金元素的含铁化学组成。

46.权利要求44的方法，其中所述熔合根部焊缝的冷却速度范围为10至200℃/秒。

47.权利要求30的方法，其中通过控制包括以下条件中的一个或多个的搅拌摩擦焊工艺条件，形成所述搅拌摩擦焊缝：所述搅拌摩擦焊工具的几何形状和大小、所述搅拌摩擦焊工具的焊接行进速度、所述搅拌摩擦焊工具的旋转速度、在所述搅拌摩擦焊工具上的下压力载荷或平移载荷、所述搅拌摩擦焊缝的冷却速度和所述熔合根部焊缝的同时冷却速度。

48.权利要求47的方法，其中所述搅拌摩擦焊工具的几何形状包括机械加工、模制或制造到工具销中的多种形状、隆起或图样，以改进材料流动、增大穿透深度、增大焊接行进速度和/或减少焊接缺陷。

49.权利要求47的方法，其中所述搅拌摩擦焊工具的焊接行进速度范围为1至30英寸/分钟。

50.权利要求47的方法，其中所述搅拌摩擦焊工具的旋转速度范围为100至700rpm。

51.权利要求47的方法，其中所述搅拌摩擦焊工具上的下压力载荷或平移载荷足够低以防止在形成所述搅拌摩擦焊缝期间所述熔合根部焊缝的脱落，并且足够高以防止在所述搅拌摩擦焊缝中的缺陷。

52.权利要求51的方法，其中所述搅拌摩擦焊工具上的下压力载荷或平移载荷大于或等于1000磅力且小于或等于30,000磅力。

53.权利要求47的方法，其中所述搅拌摩擦焊缝的冷却速度范围为10℃/秒至400℃/秒。

54.权利要求47的方法，其中所述熔合根部焊缝的同时冷却速度范围为10℃/秒至200℃/秒。

55.权利要求30的方法，其中通过轨道搅拌摩擦焊系统形成搅拌摩擦焊缝。

56.权利要求30的方法，其中所述熔合根部焊缝的强度和韧性足以在搅拌摩擦焊期间防止所述熔合根部焊缝的脱落。

57.权利要求44和47的方法，其中在应用搅拌摩擦焊期间冷却所述熔合根部焊缝的方法是通过用气态或液态介质进行强制流体冷却。

58.权利要求57的方法，其中所述气态或液态介质选自水、乙二醇、二氧化碳、氮气及其组合。

59.权利要求30的方法，其中所述熔焊工艺选自有保护的金属电弧焊、金属极惰性气体保护焊、药芯焊丝电弧焊、金属芯电弧焊、气体保护钨极电弧焊、等离子弧焊、潜弧焊、激光焊接、激光复合焊接、电子束焊接、闪光对焊、单极焊接及其组合。

60.权利要求30的方法，其还包括在搅拌摩擦焊期间对所述构件的第一熔合根部焊缝侧施加机械背面支撑。

61.权利要求60的方法，其中所述机械背面支撑为与所述第一熔合根部焊接区域的几何形状一致的第二心轴或砧。

62.权利要求61的方法，其中所述第二心轴或砧通过材料顺应、机械顺应或其组合使其与所述第一熔合根部焊接区域的几何形状一致。

63.权利要求62的方法，其中所述材料顺应包括由通过液压或机械方式可扩展的柔性层支撑的分段部件。

64.一种对接焊缝，其包括：

两个或多个对接结构钢构件，在所述构件的一侧上的搭接面上开坡口，以形成合适形状的熔合根部焊缝坡口，且在所述构件的相对侧的搭接面上未开坡口，并且所述构件与在所述构件的开坡口侧上的第一熔合根部焊缝和在所述构件的未开坡口侧上的第二搅拌摩擦焊缝相互连接，

其中所述第一熔合根部焊缝的大小足以支撑在形成所述第二搅拌摩擦焊缝时施加的下压力，且

其中所述第二搅拌摩擦焊缝的搅拌区穿透所述第一熔合根部焊缝至足以提供连续接合表面的深度。

65.权利要求64的对接焊缝，其中所述第一熔合根部焊缝的宽度范围为7mm至20mm。

66.权利要求64的对接焊缝，其中所述第一熔合根部焊缝的宽度范围为7mm至15mm。

67.权利要求64的对接焊缝，其中所述第一熔合根部焊缝的穿透深度范围为4mm至15mm。

68.权利要求67的对接焊缝，其中所述第一熔合根部焊缝的穿透深度范围为5mm至10mm。

69.权利要求64的对接焊缝，其中所述第一熔合根部焊缝的过量填注范围为2.5mm至4mm。

70.权利要求64的对接焊缝，其中所述第二搅拌摩擦焊缝的搅拌区穿透所述第一熔合根部焊缝至基本上0mm至5mm范围的深度。

71.权利要求70的对接焊缝，其中所述第二搅拌摩擦焊缝的搅拌区穿透所述第一熔合根部焊缝至0.5mm至3mm范围的深度。

72.权利要求64的对接焊缝，其中所述合适形状的熔合根部焊缝坡口选自u-形坡口、j-形坡口、v-形坡口及其组合。

73.权利要求72的对接焊缝，其中所述合适形状的熔合根部焊缝坡口的宽度和深度范围为2mm至15mm。

74.权利要求64的对接焊缝，其中所述两个或多个结构钢构件为选自X50、X52、X60、X65、X70、X80、X90、X100和X120牌号的API（美国石油学会）管道规格5L管材。

75.权利要求64的对接焊缝，其中所述两个或多个结构钢构件为普碳钢和合金钢，其选自AISI牌号1010、1020、1040、1080、1095、A36、A516、A440、A633、A656、4063、4340、6150；ASTM牌号A285、A387、A515、A516、A517；API牌号2H、2Y；及英国标准牌号4360。

76.权利要求64的对接焊缝，其中所述两个或多个结构钢构件选自复合管、螺旋管、UOE管、辊弯管、Ni基合金管、13Cr管、双相不锈钢管、超级双相不锈钢管、36%Ni合金管和由其它低热膨胀系数合金制成的管。

77.权利要求64的对接焊缝，其中所述两个或多个结构钢构件包括选自W、Ta、Nb、Mo、V、Cr及其组合的合金元素。

78.权利要求64的对接焊缝，其中所述第一熔合根部焊缝的强度和韧性足以在形成所述第二搅拌摩擦焊缝期间防止所述第一熔合根部焊缝脱落。

79.权利要求64的对接焊缝，其中通过选自有保护的金属电弧焊、金属极惰性气体保护焊、药芯焊丝电弧焊、金属芯电弧焊、气体保护钨极电弧焊、等离子弧焊、潜弧焊、激光焊接、激光复合焊接、电子束焊接、闪光对焊、单极焊接及其组合的熔焊工艺形成所述第一熔合根部焊缝。

80.权利要求64的对接焊缝，其中在对所述构件的第一熔合根部焊缝侧施加机械背面支撑的同时形成所述第二搅拌摩擦焊缝。

81.权利要求80的对接焊缝，其中所述机械背面支撑为与所述第一熔合根部焊接区域的几何形状一致的第二心轴或砧。

82.权利要求81的对接焊缝，其中所述第二心轴或砧通过材料顺应、机械顺应或其组合与所述第一熔合根部焊接区域几何形状一致。

83.权利要求82的对接焊缝，其中所述材料顺应包括由通过液压或机械方式可扩展的柔性层支撑的分段部件。