CN104703745A - 用电阻焊缝制做包覆材料 - Google Patents

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Abstract

一种用于制造包覆材料的系统，包括至少一个基底；至少一个包覆层；至少一个表面活性层，其设置在至少一个基底和至少一个包覆层之间；以及电阻缝焊机，其中所述电阻缝焊机用以产生足够的热和压力以熔化至少一个表面活性层并且当所述至少一个表面活性层冷却时在所述至少一个基底和至少一个包覆层之间形成粘接。

Description

用电阻焊缝制做包覆材料
相关申请的交叉引用
本专利申请要求2012年6月26日提交的题为“用在管的包覆中的电阻缝焊”的美国临时专利申请序列号No.61/664,423和2013年3月15日提交的题为“用在管的包覆中的电阻缝焊”的美国临时专利申请序列号No.61/788,405的优先权；出于所有目的，它们的公开内容在此以其全文引作参考并且构成此美国实用专利申请的一部分。该申请也是2009年3月27日提交的题为“利用可动电阻能源制造包层结构的方法”的美国专利申请No.12/412,685的部分连续申请，出于所有目的，其公开内容在此以其全文引作参考并且构成此美国实用专利申请的一部分。
背景技术
在产业中(例如油和气)有很多情形，在这些情形下，腐蚀性或侵蚀性介质会受到关注，例如酸性、碱性、磨损性和氧化性环境。包覆材料使得用在这种环境下的各种材料的特性的最大化成为。在重工业中现有的用于制造包覆材料的制造方法包括范围从电弧沉积到爆炸粘接的技术。这些技术提供了用于材料沉积的各种机制，但是全部包括很高的隐含成本。
包覆管通常使用钢外壳和镍基衬垫，它们的厚度在3mm量级。现有的制造方法或过程包括辊压接合和机械包覆。前者是一项复杂的方法：在轧机中将包覆材料扩散粘接到钢板、将产品轧至使用厚度、然后使用UOE(U成型、O成型和最终扩展)过程制造管。这种方法形成高冶金方面的完整性粘接，但是非常昂贵。机械包覆包括将包覆材料形成于筒中、将该筒插入候选的管中、并且以机械方式使衬垫扩展。这是给管加衬的成本低的方法，但是在衬垫和基底之间没有形成冶金粘接。因此，仍然亟需用于制作用在油气应用中的包覆管的更为有效而不那么昂贵的方法。
发明内容
以下提供了本发明某些有例示性实施方式的概要。此概要并不是宽泛的总述，而且并不用以确定本发明的关键或重要的方面或元件或者描绘其范围。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于制造包覆材料的第一系统。该系统包括至少一个基底；至少一个包覆层：至少一个设置在所述至少一个基底和所述至少一个包覆层之间的表面活性层；以及电阻缝焊机，其中，所述电阻缝焊机用以产生足够的热和压力以使所述至少一个表面活性层起反应，并且当所述至少一个表面活性层冷却时在所述至少一个基底和所述至少一个包覆层之间形成粘接。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于制造包覆材料的第二系统。该系统包括至少一个金属基底；至少一个抗氧化且抗腐蚀的包覆层；至少一个设置在所述至少一个基底和所述至少一个包覆层之间的表面活性层，其中，所述至少一个表面活性层还包括至少一种Ni-Cr-Fe-B共晶合金；以及电阻缝焊机。所述电阻缝焊机用以产生足够的热和压力，以使所述至少一个表面活性层熔化或以另一种方式起反应，并且当所述至少一个表面活性层冷却时在所述至少一个基底和所述至少一个包覆层之间形成粘接。
在本发明的又一方面中，提供一种包覆材料。该包覆材料包括：至少一个基底；至少一个包覆层；以及至少一个设置在所述至少一个基底和所述至少一个包覆层之间的表面活性层。所述至少一个表面活性层适于对电阻缝焊机作出响应，其中，所述电阻缝焊机用以产生足够的热和压力，以使所述至少一个表面活性层熔化或者以另一种方式起反应，并且当所述至少一个表面活性层充分冷却时在所述至少一个基底和所述至少一个包覆层之间形成粘接。
通过阅读和理解以下有代表性的实施方式的详细描述，对于本领域技术人员来说，本发明其它的特征和方面将变得更加明显。本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明范围和精神的情况下，本发明其它的实施方式是可行的。因此，附图和相关描述本质上应被认为在示例性的而非限制性的。
附图说明
纳入说明书并且作为说明书一部分的附图示意性地表示本发明的一个或更多个有代表性的实施方式，并与以上给出的一般说明和以下给出的详细说明一起，用来解释本发明的原理，其中：
图1是根据本发明例示性的实施方式的包覆结构的第一透视图；
图2是根据本发明例示性的实施方式的包覆结构的第二透视图，示出盘状电极在所述结构内部上的布置；
图3是根据本发明例示性的实施方式的包覆结构的第三透视图，示出盘状电极在所述结构内部上、盘状电极在所述结构外部上、以及在所述结构一端上的基板和滚子的布置；以及
图4是根据本发明例示性的实施方式的包覆结构的端视图，示出盘状电极在所述结构内部上、盘状电极在所述结构外部上、以及在所述结构的内部和外部上的用于提供泛流冷却(flood cooling)的管道的布置。
具体实施方式
现参考附图说明本发明的例示性的实施方式。虽然，出于示例的目的，以下具体说明包含很多细节，但是本领域普通技术人员将认识到，以下详细说明的很多变体和替换在本发明的范围内。因此，本发明以下实施方式的阐述对于要求保护的本发明不丧失任何一般性并且不强加限制。
本发明的挠性包覆系统的潜在应用包括一系列工业部门，包括油、汽车、发电和消费产品。特别重要的是抗腐蚀合金(CRA)材料于管线的应用。本发明的技术也可用于由包覆平板制造的更大规模的结构(容器)。另一应用涉及抗磨损涂层。这些包层可选自以粘接成管状和平坦结构两者的、范围从工具钢到耐熔金属的材料成分。实例包括侵蚀临界管线应用、用于切割工具/器具的表面、以及汽车发动机气缸衬垫。另一类应用是要求抗氧化的一类，例如燃烧系统和锅炉(热交换器)。
产品，即，使用本发明的系统制成的包覆结构，就它们的几何形状而言，可以是平的或圆的。在大多数实施方式中，使用美国专利申请No.12/412,685中公开的设备或合适的市售设备，例如带有MedWeld 3005控制器的400kVA交流电(AC)电阻缝焊机，单包覆层可被涂敷在包覆结构的内表面或外表面和/或上表面和下表面上。用该系统制成的包覆结构包括基底部件、包覆层、以及表面活性层。基底部件典型地是金属，例如钢。基底材料的特定实例是1018热轧钢，名义厚度12.5mm，其代表管线钢。包覆层典型地是耐熔金属、不锈钢、工具钢、或因科镍(Inconel)合金。因科镍合金是非常适合用在承受压力和热的极端环境中的抗氧化且抗腐蚀的材料。包覆层的特定实例包括1.8mm厚的Inconel 625、3.1mm厚的Inconel 825、以及2mm厚的316不锈钢。表面活性可使用特定的涂层(例如，Ni-P或Ni-B)或通过使用黄铜材料来实现。黄铜材料或合金的特定实例是0.08mm厚的AWS BNi-9箔。表面活性层可以化学沉积、冷喷涂、和/或镀到基底或包覆层上。本发明的特定优势包括：(i)不要求表面具有某种结构；(ii)包覆层的厚度可以比现有技术结构大得多；(iii)系统动力要求减小；(iv)可以彼此结合使用的材料的组合比现有技术系统大大扩展；(v)加工速度比现有技术系统增加；以及(vi)所形成的表面轮廓具有高品质，即低扭曲。最终产品具有固态焊接的外观。
图1提供根据本发明的管状包覆结构10的例示性实施方式的一般图示，其包括包覆层20(具有切割线22)、表面活性层(surface activation layer)25、以及基底30。使用本发明的系统制成的产品的实例包括展示管，标称直径350mm、长300mm以及2mm的IN625包层。包覆产品使用标称6mm至7mm宽的重叠缝制造。在周向上进行接合，使用重叠缝产生名义上的全粘接产品。产品被分成段并且粘接线完整性被检查。结果表现出高度局部化的粘接，在包层和基底之间基本上没有稀释。这些初始的结果也显示出焊接力、电流、以及行进速度之间的相关性。
本发明至少部分基于Workman等人的题为“利用移动电阻能源制造包覆结构的方法”的美国专利申请No.12/412,685(2009年3月27日提交)中公开的技术，出于所有目的，其在此以其全文引作参考。先前的研究主要着重于不锈钢和镍基包层对于平碳钢板的基于融合的附接。处理基于对不同金属厚度电阻缝焊的先前应用探讨(参见Gould,J.E.,Johnson,W.and Workman,D.，Development of a New ResistanceSeam Cladding Process，Deep Offshore Technology Monaco 2009，PennWellPublications，Tulsa,OK,Paper 127(2009)；以及Gould,J.E.，A Thermal Analysis ofResistance Seam Cladding Corrosion-Resistant Alloys to Steel Substrates,MaterialsScience and Technology 2009—Joining of Advanced and Specialty Materials 2009(JASM XI),ASM,Metals Park,OH(2009)，出于所有目的，这两篇文章在此以其全文引作参考)。另外的研究试图探究WO2009/126459A2(等同于美国专利申请No.12/412,685的PCT)中提出的权利要求，将名义3mm耐腐蚀合金(CRA)包覆钢管内部。这项研究确定了先前描述的被应用于钢管的镍基合金包覆的技术受到以下挑战：(i)过慢的焊接速度限制商业生存能力；(ii)阻止包层和基底之间足够粘接的扭曲问题；以及(iii)在应用所要求的厚度范围(3mm)内焊接包层衬垫的难度。
本发明利用被称作电阻缝焊包覆的技术，该技术利用电阻加热来形成局部粘接。该粘接然后向拓展区域推广以制造产品。产品形式包括管状的(管)和平的(板)结构两者。在大量生产时，比起其它包覆方法，该方法具有显著的成本优势。电阻缝焊包覆(RSeWC)是电阻缝焊(RSEW)的变体，是一种用于连接片材的成熟技术(参见，Welding Handbook,9th Ed.,Vol.3,Welding Processes,Part 2,American WeldingSociety,Miami,FL,pp.1-48(2007)；Recommended Practices for Resistance Welding,AWS Cl.1M/C1.1:200(R2006)；以及American Welding Society,Miami,FL(2006)；Resistance Welding Manual,Fourth Ed.,Resistance Welder Manufacturers Association,Miami,FL(2003)，出于所有目的，所有这些文章在此以其全文引作参考)。该过程典型地用至少一个盘状电极进行，该盘状电极用来允许电流进入工件，以及用来施加焊接力。所导致的工件的电阻加热，与所施加的法向力结合，导致局部粘接的形成。该粘接然后随着盘状电极移动经过工件而扩展，以形成连续焊缝。粘接可能是各个焊接点的熔化和重新固化的结果或者是通过局部变形(参见，Buer,F.Y.andBegeman,M.,L.,Evaluation of Resistance Seam Welds by a Shear Peel Test,WeldingJournal Research Supplement,41(3):120s-122s(1962)；以及Gould,J.E.，TheoreticalAnalysis of Bonding Characteristics during Resistance Mash Seam Welding Sheet Steels,Welding Journal Research Supplement,82(10):263s-267s(2003)，出于所有目的，两篇文章在此以其全文引作参考。这些过程不仅可用于连接钢板，也可用于不锈钢和镍基合金的范畴。
关于RSeWC方法，包覆材料作为插入件制备(与用于机械包覆材料的方法相似)，并且使用RSEW盘状电极局部粘接于基底。在很大程度上，该过程类似于电阻焊接带有不同厚度的不同材料。该过程的具体应用是用于将包覆材料的较薄层焊接到厚得多的基底上。另外，包覆层典型地呈高的电阻率。先前的工作已经表现出，适当的热平衡可通过电极设计、电极材料选择、以及焊接次数或加工速度的适当选择的组合来实现(参见，Fong,M.，Tsang,A.，and Ananthanarayanan,A.，Developmentof the Law of Thermal Similarity(LOTS)for Low-indentation Cosmetic Resistance Welds,Sheet Metal Welding Conference IX,Detroit AWS Section,Detroit,MI,Pager 5-6(2000)；以及Agashe,S.and Zhang,H.，Selection of Schedules Based on Heat Balance inResistance Spot Welding,Sheet Metal Welding Conference X,Detroit AWS Section,Detroit,MI,Paper 1-2(2002)，出于所有目的，两篇文章在此以其全文引作参考)。这些方法近来被用来研发用于具有4:1厚度变动的层堆的电阻点焊实践(参见，Gould,J.E.，Peterson,W.，and Cruz,J.，An examination of electric servo-guns for the resistancespot welding of complex stack-ups,Welding in the World,DOI10.1007/s40194-012-0019-x)。
为了应对先前确认的技术挑战，进一步的研究集中在实际的包覆管展示器的制造上。本发明的以下方面源于该研究：(1)具有微米尺度的活性金属合金(即表面活性层25)的包覆层的一侧带涂层；(2)作为包覆材料的带的使用；(3)工具方面的改进以允许盘状电极的准确定位，促进渐进缝的准确重叠；(4)盘状电极的正确设计，适应焊接机器自身中的内在挠曲以及提供几毫米量级的粘接缝；(5)使用特定尺寸的预制件进行包覆的能力；(6)低成本清洁程序，促进包层和基底之间充足粘接；(7)电阻加热程序允许活性金属层的回流，包括(a)焊接机器的可输送力和(b)期望的包覆金属层厚度；以及(8)泛流冷却程序阻止对于包覆金属和基底的表面损坏。关于将CRT衬垫包覆到钢管中，这些方面中的五个方面特别重要。
关于带有Ni-P共晶合金的一侧带涂层，本发明的重要方面是包括同时影响CRA和基底的薄的、低成本熔点活性层。这通常通过利用一侧无电极镀镍来进行。无电极镀镍具有名义上Ni-11％至13％P的成分。涂层可通过市售机器或其它手段进行涂覆。该量的磷提供了所沉积的镍的名义上500℃熔点抑制。沉积过程本身导致成品组件的仅大约10μm涂层。单一侧涂层允许熔点抑制剂添加到仅只发生粘接的区域，从而减小对焊接电极的任何潜在的损坏。可替代的涂覆方法可包括无电极方法或电解方法。
关于使用作为CRA层的带插入件，CRA层可以用在一侧上具有名义上10μm共晶材料的带坯材镍基CRA制造。虽然目前用于机械包覆的方法采用CRA的预成型管段(其也可以进行)，但直接使用包覆带坯材是有优点的。在此方法中，带材料平行于管的轴线机械地卷绕并且被插入。所述带被切成匹配基底管内直径(ID)的宽度。一旦所述带被插入，它被允许扩展。然后，带的回弹在CRA和基底管之间产生适配。然后包覆层可使用RSeWC方法被焊接到位。被组装时，在卷绕的端部相遇的位置CRA将典型地展现出间隙。一旦RSeWC已经完成，剩余的间隙可用一系列二次接合技术来封闭，例如，气体保护金属极电弧焊(GMAW)，从而完成包覆过程。
关于在RSeWC期间便于可重复重叠缝的工具的改进，RSeWC通常以范围从几千牛顿至几十千牛顿的正常载荷进行。另外，已知该方法造成小的表面变形(100μm量级)，因此在加工期间复合的力作用在工具上。高法向力和局部表面变形的这种组合会造成加工期间的跟踪不准确。有关平板的初始研究使用刚性工具，并且展现出适合于所述方法的跟踪。本发明提供了在这项技术上的改进，其中所述工具用于在焊接期间保持管，并且用于提供作为焊接过程一部分的分度。该工具的一个实施方式使用弹簧加载的基板来支撑管、使用滚子保证盘状电极下管子旋转、以及使用螺纹机构随着RSeWC进展对管进行分度。在图3中所示的通用系统包括基板70、支承72、滚子74、以及轴76。
关于盘状电极的适当设计以适应焊接机器的挠曲并且提供足够的单通粘接宽度，所述盘状电极被设计成既形成用于接合的限定接触区域又对于焊接机器的任何挠曲来说足够坚固。盘状电极直径主要由用于粘接的包覆表面的内直径限定。通常，盘状电极设计成具有最大直径，在受力情况下提供取值为接触宽度4至6倍、或可替代地接触宽度6至8倍量级的接触长度(参见图2)。这种设计还阻止或最小化表面印痕。所述盘状电极还包括宽度和面半径，使得能够实现焊接机器的一些弯曲，并且提供足够的粘接宽度。本发明的一个实施方式包括宽度大约20mm、面半径为150mm的盘状电极设计。这种盘状电极设计的使用，结合上述加工，对于2mm厚包层产生8mm量级的每通粘接宽度。
关于促进CRA涂覆表面和管壁自身之间的充分粘接的低成本清洁程序，用来在无电极镀镍CRA和钢管之间实现高品质粘接的另一重要特征是适当的表面准备。粘接主要取决于无电镀镍的回流，以及与这些基底的潜在的反应。采用SiC或钢介质的喷丸处理是合适的方法并且通常产生非常好的粘接。
关于允许无电镀镍回流而对于包层和管材料的特性不造成显著改变的电阻加热程序，某些方法允许包层和基底的连续粘接而对于任一部件产生最小的冶金上的改变。接合处的样本横截面展现出包覆层与基底的紧密粘接，而且没有或有极少的被保留的无电镀镍的迹象。这涉及到方法中所使用的力和温度(实现紧密适配)，以及磷到母体材料中的迅速扩散性。另外，这种固化在没有任何保护气体的情况下进行。这是在电阻处理中隐含的高接触力的结果，防止接合区域的氧暴露并且有效地消除真空型粘接环境。采用这种方法实现了横跨接合区域的粘接的均匀性。
关于防止或最小化对于CRA和管本身两者的表面损坏的泛流冷却程序，本发明的该方面通过适当的热管理来实现，从而在接合面处达成合适的温度而不过度加热基底钢管或电极/包层接触表面。任一情况都将会导致产品性能的降级。当进行电阻加热时，通过冲水进行冷却。在产品的内直径和外直径表面均进行泛流。泛流通常以过量的水进行。更具体地，泛流并不是用来主动地控制工件和电极中的温度分布，而是提供与流体介质相关联的最大的冷却能力。在没有适当泛流冷却的情况下，盘状电极和包层暴露的表面以及基底钢管的冶金可能发生损坏。也可采用用以实现相同目的的盘状电极的冷却(参见图4)。在图4中所示的通用系统包括包层结构10、内盘状电极50、外盘状电极60、内部冷却流体管道80、以及外部冷却流体管道90。
实现适当的热平衡(如上所述)为发生粘接创造条件。在表面活性层是黄铜合金的实施方式中，可用特定的夹层(BNi-9)，该夹层在比包层或基底低的温度下熔化。BNi-9是Ni-Cr-Fe-B共晶合金，具有1055℃的独特熔点。该熔点可类比于1018基底的固相点(1495℃)以及各种包覆材料的固相点(1270至1370℃)。带有BNi-9的钎焊通常在真空中进行并且当RSEW方法在规定的区域上导致高接触压力(由适当设计的盘状电极提供)时是有效的。该压力具有将环境与接合区域隔绝的效果，允许黄铜合金流动。这被称作“微环境”，并与电阻加热提供的温度结合便于局部化的钎焊。接合也通过黄铜合金本身的活性特性使之可能。实际上，在熔化时，黄铜局部地与基底熔合，离解任何残余表面。这种效果促进了黄铜合金的润湿，以及接合处的形成。适当的热量平衡、宽的温度操作窗口、合适的微环境、以及活性的合金特性的组合导致有效的电阻加热钎焊。
虽然本发明已经通过其例示性实施方式的说明进行了阐述，并且虽然实施方式也已经详细地进行了描述，但是申请人的目的并非是约束或以任何方式限制所附权利要求的范围至这种细节。对于本领域技术人员来说，其他的优势和变体将是容易看出来的。所以，本发明在其更阔泛的范围上并不限于所示和描述的任何特定细节、代表性的装置和方法、和/或示例性的实例。因此，可以对这些细节进行修改而不脱离申请人的广义创造理念的精神或范围。

Claims (20)

1.一种用于制作包覆材料的系统，包括：
(a)至少一个基底；
(b)至少一个包覆层：
(c)设置在所述至少一个基底和所述至少一个包覆层之间的至少一个表面活性层；以及
(d)电阻缝焊机，其中，所述电阻缝焊机用以产生热和压力，所产生的热和压力足以使所述至少一个表面活性层起反应并且当所述至少一个表面活性层充分冷却时在所述至少一个基底和所述至少一个包覆层之间形成粘接。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述基底的几何形状基本上是平的。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述基底的几何形状基本上是圆的。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个基底还包括钢。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个包覆层还包括抗氧化、抗腐蚀以及抗磨损的材料。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个包覆层选自不锈钢、工具钢、因科镍合金以及耐熔金属。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个表面活性层还包括至少一种Ni-Cr-Fe-B共晶合金。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个表面活性层选自镍磷合金和镍硼合金。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述表面活性层在制作包覆材料之前沉积在所述至少一个基底上。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述表面活性层在制作包覆材料之前沉积在所述至少一个包覆层上。
11.一种用于制作包覆材料的系统，包括：
(a)至少一个金属基底；
(b)至少一个抗氧化且抗腐蚀的包覆层；
(c)设置在所述至少一个基底和所述至少一个包覆层之间的至少一个表面活性层，其中，所述至少一个表面活性层还包括至少一种共晶合金；以及
(d)电阻缝焊机，其中，所述电阻缝焊机用以产生热和压力，所产生的热和压力足以使所述至少一个表面活性层起反应并且当所述至少一个表面活性层充分冷却时在所述至少一个基底和所述至少一个包覆层之间形成粘接。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述基底的几何形状基本上是平的。
13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述基底的几何形状基本上是圆的。
14.根据权利要求11所述的系统，其中，所述表面活性层在制作包覆材料之前沉积在所述至少一个基底上。
15.根据权利要求11所述的系统，其中，所述表面活性层在制作包覆材料之前沉积在所述至少一个包覆层上。
16.一种包覆材料，包括：
(a)至少一个基底；
(b)至少一个包覆层；以及
(c)设置在所述至少一个基底和所述至少一个包覆层之间的至少一个表面活性层，其中，所述至少一个表面活性层适于对电阻缝焊机作出响应，并且其中，所述电阻缝焊机用以产生热和压力，所产生的热和压力足以使所述至少一个表面活性层起反应并且当所述至少一个表面活性层充分冷却时在所述至少一个基底和所述至少一个包覆层之间形成粘接。
17.根据权利要求16所述的包覆材料，其中，所述至少一个基底还包括钢。
18.根据权利要求16所述的包覆材料，其中，所述至少一个包覆层还包括抗氧化、抗腐蚀以及抗磨损的材料。
19.根据权利要求16所述的包覆材料，其中，所述至少一个包覆层选自不锈钢、工具钢、因科镍合金以及耐熔金属。
20.根据权利要求16所述的包覆材料，其中，所述至少一个表面活性层选自Ni-Cr-Fe-B共晶合金、镍磷合金以及镍硼合金。
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