CN109070282A - 具有步增的焊接区耐侵蚀-腐蚀性的高锰钢管道及其制造方法 - Google Patents

具有步增的焊接区耐侵蚀-腐蚀性的高锰钢管道及其制造方法 Download PDF

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Abstract

提供改进的钢焊缝、用于制造其的制品及其制造方法。本公开提供有利的耐侵蚀、腐蚀和/或开裂的焊缝金属。更特别地，本公开提供具有增强的耐侵蚀、腐蚀和/或开裂性的高锰(Mn)焊缝金属组合物、用于制造具有增强的耐侵蚀、腐蚀和/或开裂性的高锰焊缝金属组合物的制品和制造具有增强的耐侵蚀、腐蚀和/或开裂性的高锰焊缝金属组合物的方法。

Description

具有步增的焊接区耐侵蚀-腐蚀性的高锰钢管道及其制造 方法
对相关申请的交叉引用
本申请要求2016年5月2日提交的美国临时申请序号No.62/330,400的权益和优先权，其公开内容全文经此引用并入本文。
技术领域
本公开涉及改进的钢组合物及其制造方法，更特别涉及具有增强的缝焊区耐侵蚀-腐蚀性、机械强度和韧度的高锰(Mn)钢缝焊管道及其制造方法。特别地，含有焊缝金属的高锰钢缝焊区和热影响区在油砂泥浆环境中表现出步增的(step-out)耐侵蚀性、耐腐蚀性、抗氢脆性和抗应力腐蚀开裂性。
背景技术
在下列说明书中，就用于油砂生产的高锰钢泥浆管道描述本公开。但是，本公开明显可更广泛用于耐侵蚀/耐磨损高锰钢组件的任何焊接，其中具有足够强度、韧度和耐侵蚀/磨损性的焊件是合意的，包括但不限于任何非管道焊件。在下列说明书中定义各种术语。为方便起见，在权利要求书之前提供术语词汇表。
采矿操作(包括油砂开采工业)中的管道系统用于将固体岩石和砂粒在液体或泥浆中的混合物输送到加工厂并将碎屑再循环回矿区或存储区。现有泥浆水力运输管道通常由碳钢(例如API 5L第45版X65或X70级钢)制成。这些管道在使用过程中经受严重侵蚀-腐蚀破坏，管道的最低部分/点(6点钟位置)受到最严重的侵蚀-腐蚀磨损。为了延长管道的使用寿命，许多人不时将管道旋转(例如每使用3000小时)90°。在3次旋转或使用12,000小时后，更换管道。油砂开采操作人员已经评估和使用选自马氏体不锈钢(例如Duracorr)、硬覆面材料(例如WC基、Cr3C2基)和聚合物衬里材料(例如聚氨酯)的各种材料。但是，迄今考虑的大多数工程材料仅用于利基(niche)用途——由于相对较差的磨损/侵蚀性能(例如聚合物衬里)或高材料和/或制造成本(例如WC基硬金属、碳化铬基硬金属覆面材料)或有限的耐侵蚀层厚度(例如双金属多层硬化钢材料)。
在油砂开采工业中也需要增强的耐磨钢。从20世纪60年代开始已在商业上采收这样的油砂矿床(oil sands deposit)，并且采收率近年来已增长。沥青矿提取通常在浅层矿床(例如小于100m深)的情况下通过地表开采技术提取或在位于地下更深(例如大约100m或更深)的深矿床的情况下通过原地热提取法(in-situ thermal extraction)(例如涉及注入蒸汽、化学溶剂和/或其混合物)提取。对于浅层油砂的地表开采，使用许多类型的重型设备和管线。首先，油砂通常用铲车挖掘，其将开采出的材料转移到搬运车/车辆。车辆将油砂矿石运往矿石准备设施，在此通常使开采的矿石破碎并与热水混合。然后通常将油砂泥浆经水力运输管道泵送到初级分离单元(PSC)，在此通常从砂和水中分离油沥青。在分离沥青后，随后将剩余的砂和水浆经尾矿管道输送到尾矿池以使砂沉降。
例如，在Alberta东北部的加拿大油砂资源含有被浅覆盖层覆盖的大油砂矿床，因此使得地表开采是高效的油沥青提取方法。一般而言，通常用铲车开采砂石并通过水力运输管道等运输到加工厂，其中颗粒材料油砂通常作为含水泥浆运输。在沥青提取后，随后通常通过管道将尾矿从加工设施运输到发生固体和水分离的场所。大量泥浆混合物的水力运输在传统金属管道等中造成显著金属损失，这导致短更换周期和相当大的运行成本。
因此，油砂开采和矿石准备工艺在多个设备/操作区(例如铲齿、料斗、破碎机、传送机、振动筛、泥浆泵、管道等)中涉及若干应力和/或冲击磨损挑战。例如，在下游泥浆运输和提取工艺中，在设备、管道(例如水力运输管道(hydro-transport pipelines)和尾矿管道(tailings pipelines))、泵和/或PSC中遇到的一些挑战包括设备/材料的侵蚀、侵蚀/腐蚀、腐蚀、应力、磨损和/或磨耗等。这些设备/材料侵蚀/腐蚀挑战等带来显著的维修、更换和/或保养成本，以及带来生产损失。
如所述，用于泥浆水力运输的现有管道结构和尾矿管道通常由低碳管线级钢(例如API规范5L第45版X65、X70级)制成。一般而言，泥浆流中的快速运动的固体会造成从管道的显著金属损失(例如管道内壁的金属损失)。含水和充气泥浆流也通常通过建立腐蚀性环境造成加速管道侵蚀。此外，泥浆中的颗粒物(在重力的影响下)尤其沿管道的下半内部造成破坏。例如，在油砂开采操作中携带砂和水浆的水力运输和尾矿管道在使用过程中经受严重侵蚀-腐蚀破坏，而管道的底部/点(例如在6点钟位置)通常受到最严重的侵蚀磨损。
为了延长管道的使用寿命，如上论述，一些矿井操作人员已采用定期旋转管道的做法。如上论述，油砂开采操作人员已经评估和使用各种材料。但是，这些材料仅用于利基用途——通常由于相对较差的磨损/侵蚀性能(例如聚合物衬里)、高材料/制造成本(例如WC基硬金属、碳化铬基硬金属覆面材料)或有限的可用厚度(例如双金属多层硬化钢材料)。但是，管道侵蚀等仍是严重问题，并且寻求替代性的管道结构和/或材料以实现更高效/经济的运行/解决方案。
最近已经开发具有增强的侵蚀/磨损/腐蚀性能的改进的钢组合物以降低开采操作中的运行成本。具体而言，已为油砂开采用途，包括泥浆管道开发具有增强的耐磨损/侵蚀/腐蚀性的改进的高Mn钢(2013EM118-PA)。为了成功实施，必须在现场将高Mn钢泥浆管段接合在一起以制造高Mn钢泥浆管道。需要可用于构造用于油砂开采项目的高Mn钢泥浆管道的焊接技术。使用几种不同类型的接合方法构造泥浆管道，包括：环缝对接焊接(girthbutt weld)、法兰和机械耦合。
迄今开发的高Mn钢焊缝金属不足以接合耐侵蚀高Mn钢泥浆管道。用于焊接铸态哈德菲尔德钢(常用于铁路组件)的传统高Mn钢耗材没有提供足够用于接合最新开发的耐侵蚀高Mn钢泥浆管道的焊缝金属强度。用于硬覆面用途的高Mn钢焊接耗材无法始终如一地提供泥浆管道环形焊缝所需的焊缝金属韧度水平。
美国专利申请公开No.2013/0174941描述了为低温用途，如液化天然气(LNG)储存容器开发的高Mn钢。已经开发了用于低温高Mn钢的焊缝金属，如J.K.Choi等人,“HighManganese Austenitic Steel for Cryogenic Applications”,Proceedings of the 22ndInternational ISOPE Conference,Rhodes,Greece 2012中描述的那些。这些低温高Mn钢焊缝金属，尽管在低至-200℃的极低温度下提供足够韧度，但没有为耐侵蚀高Mn钢泥浆管道用途提供足够的焊缝金属强度。
美国专利申请公开No.2014/0261918描述了具有增强的耐侵蚀-腐蚀性的高锰钢组合物以降低油砂开采操作(包括泥浆管道)中的运行成本。对于泥浆管道用途，必须制造高锰钢板并焊成管道。这样的高锰钢管道(焊缝金属和基材(base)钢)暴露在高度侵蚀性-腐蚀性的内部泥浆环境下。因此，需要缝焊的步增的(step-out)侵蚀-腐蚀性能以充分利用高锰钢基管道的益处。
因此，需要表现出步增的(step-out)耐侵蚀性、耐腐蚀性、抗氢脆性和抗应力腐蚀开裂性的改进的高锰钢缝焊区和热影响区，其可在高锰钢管道生产过程中使用而不过度担忧可焊性或易用性。通过本公开的组合物、制品和方法解决和/或克服这些和其它低效之处和改进机会。
概述
本公开提供实现足够的强度、足够的韧度和高耐侵蚀/腐蚀性以通过缝焊制造耐侵蚀的高锰钢泥浆管道的新型焊缝金属及其制造和使用方法。本公开的实施方案包括产生适合该用途的焊缝微结构和机械性质的焊缝金属化学、焊接方法和对焊接实践的控制，由此提供接头和因此整个焊接结构的优异强度。
在一个方面中，本公开提供的焊缝金属包含：大约0.3重量％至大约1.2重量％碳；大约0.1重量％至大约3.0重量％硅；大约9.0重量％至大约30重量％锰；下列至少一种：(i)小于或等于大约0.3重量％的硫、(ii)小于或等于大约0.03重量％的磷或(iii)其组合；且余量是铁。该焊接金属可进一步包含小于或等于大约8重量％的铬；小于或等于大约6重量％的镍；小于或等于大约6重量％钼；小于或等于大约5重量％钨；小于或等于大约4重量％铜；小于或等于大约2重量％铌；小于或等于大约2重量％钒；小于或等于大约2重量％钛；小于或等于大约0.4重量％氮；和小于或等于大约1重量％硼。
本公开的另一方面提供一种用于埋弧焊的新型金属芯焊丝。该焊丝包含：钢护套及包含如上文对焊缝金属的组成描述的合金元素的粉末的芯。
本公开的另一方面涉及一种焊接高锰钢的方法。施加焊缝金属的方法使用埋弧焊。控制焊缝金属化学和焊接参数(例如热输入)以确保凝固裂纹易感性降低并防止焊缝金属和热影响区(HAZ)韧度和强度的显著退化。在一个实施方案中，该方法包含：供应至少一个高锰钢件；供应金属芯焊丝；将所述至少一个高锰钢件浸没在熔渣和电弧稳定剂中；和向所述金属芯焊丝施加电流以在所述至少一个高锰钢件上制造液体合金钢组合物。该金属芯焊丝可包含：大约0.3重量％至大约1.2重量％碳；大约0.1重量％至大约3.0重量％硅；大约9.0重量％至大约30重量％锰；下列至少一种：(i)小于或等于大约0.3重量％的硫、(ii)小于或等于大约0.03重量％的磷或(iii)其组合；且余量是铁。
考虑实施方案的任何组合或排列。本公开的公开系统和方法的其它有利步骤、特征、功能和应用从下列说明书中显而易见，特别是在联系附图阅读时。本公开中列举的所有参考文献全文经此引用并入本文。
附图简述
参照附图进一步描述本公开的示例性实施方案。要指出，下文描述和附图中图解的各种步骤、特征和步骤/特征组合可不同地安排和组织以产生仍在本公开的精神和范围内的实施方案。为助于本领域普通技术人员制造和利用所公开的系统、组装件和方法，参考附图，其中：
图1油砂地表开采工艺流程；
图2图解合金元素对堆垛层错能的预测影响；
图3是具有不同碳含量的两种高Mn钢缝焊焊缝的应力-应变曲线；
图4通过ASTM G65旋转橡胶轮试验的焊缝金属的耐磨料磨损性；且
图5显示在模拟泥浆管道环境下高Mn钢缝焊件中的优先焊缝腐蚀的一个实例。
详述
本文中公开的示例性实施方案例示本公开的有利的钢组合物和系统及其方法/技术。但是，应该理解的是，所公开的实施方案仅例示本公开，其可具体体现为各种形式。因此，本文中关于示例性的钢组合物/制造方法和相关组装和使用方法/技术公开的细节不应被解释为限制，而是仅作为教导本领域技术人员如何制造和利用本公开的有利的钢组合物的基础。附图不一定按比例并在某些视图中，为清楚起见，可能放大部件。
现在描述涉及惊人和意外的发现的组合物、制品和方法，所述发现在于，如本文所述的组合物提供具有优异的缝焊区耐侵蚀-腐蚀性、机械强度和韧度的高锰缝焊管道。特别地，含有焊缝金属的缝焊区和热影响区在例如在油砂泥浆环境中表现出步增的(step-out)耐侵蚀性、耐腐蚀性、抗氢脆性和抗应力腐蚀开裂性。
根据本公开的一个方面，提供一种焊缝金属。除非另行明确指明，本文中关于焊缝金属的组成的所有百分比以重量％表示。该焊缝金属包含：大约0.3重量％至大约1.2重量％碳；大约0.1重量％至大约3.0重量％硅；大约9.0重量％至大约30重量％锰；≤大约0.3重量％的硫、≤大约0.03重量％的磷的至少一种或两者；且余量是铁。本公开的焊缝金属可被称作耐侵蚀高锰钢或ER-HMS。尽管焊缝金属组成的余量是铁，但该焊缝金属可能包括其它未列出的组分，例如杂质等。
该焊接金属可进一步包含≤大约8重量％的铬、≤大约6重量％的镍、≤大约6重量％钼、≤大约5重量％钨、≤大约4重量％铜、≤大约2重量％铌、≤大约2重量％钒、≤大约2重量％钛、≤大约0.4重量％氮和≤大约1重量％硼。
本文中的详述和权利要求书内的所有数值被“大约”或“大致”所示数值修饰，并将本领域普通技术人员预期的实验误差和变动计入考虑。
在提供数值范围时，要理解的是，除非上下文清楚地另行规定，在该范围的上限和下限之间的各中间数值(到下限的单位1/10)和在该指定范围内的任何其它指定或中间数值包含在本公开内。考虑从任一下限到任一上限的范围。可独立包括在该较小范围内的这些较小范围的上限和下限也包含在本公开内，受制于该指定范围中的任何明确排除的界限。如果指定范围包含一个或两个界限，不包括这些包含的界限的任一个或两者的范围也包括在本公开中。
尽管在本公开的实践或测试中也可使用与本文中描述的那些类似或等效的方法和材料，现在描述优选方法和材料。本文中提到的所有出版物经此引用并入本文以公开和描述与这些出版物相关的方法和/或材料。
必须指出，除非上下文清楚地另行规定，本文和所附权利要求书中所用的冠词引起的单数形式包括复数对象。
本说明书和权利要求书中所用的术语“和/或”应被理解为是指如此连接的要素的“任一或两者”，即在一些情况下联合存在并在另一些情况下析取存在的要素。用“和/或”列举的多个要素应以相同方式解释，即由此连接“一个或多个”要素。除通过“和/或”项具体指明的要素外可任选存在其它要素，无论与具体指明的那些要素相关还是不相关。因此，作为非限制性实例，当与开放性词语，如“包含”联用时，提到“A和/或B”可以在一个实施方案中是指仅A(任选包括B以外的要素)；在另一实施方案中是指仅B(任选包括A以外的要素)；在再一实施方案中是指A和B(任选包括其它要素)，等等。
本说明书和权利要求书中所用的“或”应被理解为具有与如上定义的“和/或”相同的含义。例如，当分隔名单中的项时，“或”或“和/或”应被解释为包括性的，即包括许多或一连串要素中的至少一个以及包括多于一个，并任选包括其它未列举的项。只有明确作出相反指示的术语，如“仅一个”或“恰好一个”或在权利要求书中使用时，“由...构成(consisting of)”是指包括许多或一连串要素中的恰好一个要素。通常，当前面带有排他性术语，如“任一”、“之一”、“仅一个”或“恰好一个”时，本文所用的术语“或”只应被解释为表示排他性的备选项(即“这个或那个但非两者”)。
在权利要求书以及在上述说明书中，所有连接词，如“包含(comprising)”、“包括”、“带有”、“具有”、“含有”、“涉及”、“拥有”、“包含(composed of)”等被理解为是开放性的，即是指包括但不限于。如10United States Patent Office Manual of PatentExamining Procedures,Section 2111.03中所述，只有连接词“由...构成”和“基本由...构成”应该分别是封闭或半封闭的连接词。
关于一个或多个要素的名单，本说明书和权利要求书中所用的术语“至少一个”应被理解为是指选自该要素名单中的任何一个或多个要素的至少一个要素，但不一定包括该要素名单内具体列举的各个和每个要素的至少一个，且不排除该要素名单中的要素的任何组合。这一定义也允许任选存在除该术语“至少一个”指向的要素名单内具体指明的要素以外的要素，无论与具体指明的那些要素相关还是不相关。因此，作为非限制性实例，“A和B的至少一个”(或同等地，“A或B的至少一个”，或同等地，“A和/或B的至少一个”)可以在一个实施方案中是指至少一个，任选包括多于一个A且不存在B(任选包括B以外的要素)；在另一实施方案中是指至少一个，任选包括多于一个B且不存在A(任选包括A以外的要素)；在再一实施方案中是指至少一个，任选包括多于一个A和至少一个，任选包括多于一个B(任选包括其它要素)；等等。
还应该理解，除非明确作出相反的指示，在包括多于一个步骤或操作的本文中要求保护的任何方法中，该方法的步骤或操作的顺序不一定限于列举该方法的步骤或操作的顺序。
除非另行定义，本文使用的所有技术和科学术语具有如本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。本公开的说明书中使用的术语仅用于描述特定实施方案并且无意限制本公开。
定义
CRA:耐腐蚀合金可以是指，但无论如何不限于，为具有良好耐腐蚀性以制造在腐蚀性环境中使用的设备而专门配制的材料。可为多种多样的苛刻和腐蚀性条件配制耐腐蚀合金。
延性:可以是指，但无论如何不限于，材料在断裂前经受明显塑性变形的能力的量度；其可表示为伸长率(％EL)或断面收缩率(percent area reduction)(％AR)。
耐腐蚀性:可以是指，但无论如何不限于，材料对由暴露于反应性或腐蚀性环境造成的劣化的固有耐受性。
韧度:可以是指，但无论如何不限于，对裂纹萌生和扩展的耐受性。
应力腐蚀开裂(SCC):可以是指，但无论如何不限于，归因于应力与反应性和腐蚀性环境的同时作用的材料开裂。
硫化物应力开裂(SSC):可以是指，但无论如何不限于，归因于暴露在含硫化氢(例如H2S)的流体下的材料开裂。
屈服强度:可以是指，但无论如何不限于，材料承受荷载而不变形的能力。
冷却速率:可以是指，但无论如何不限于，一件材料的冷却速率，其通常在一件材料的中心或基本在中心测量。
奥氏体:可以是指，但无论如何不限于，具有面心立方(FCC)原子晶体结构的钢中的金相。
马氏体:可以是指，但无论如何不限于，可以但不限于由无扩散相变形成的钢中的金相，其中母相(通常奥氏体)和产物相具有特定取向关系。
ε(epsilon)-马氏体:可以是指，但无论如何不限于，在奥氏体相冷却或应变时形成的具有六方密排原子晶体结构的一种特定形式的马氏体。ε-马氏体通常在奥氏体相的密排(111)平面上形成并在形态上类似于形变孪晶或堆垛层错簇(stacking faultclusters)。
α’(alpha prime)-马氏体:可以是指，但无论如何不限于，在奥氏体相冷却或应变时形成的具有体心立方(BCC)或体心四方(BCT)原子晶体结构的一种特定形式的马氏体；α’-马氏体通常作为片晶形成。
碳化物:可以是指，但无论如何不限于，铁/金属和碳的化合物。
焊件:可以是指，但无论如何不限于，通过将零件的组装件焊接在一起而形成的单元。
焊缝金属:可以是指，但无论如何不限于，在其形成中已熔合的焊件部分或焊接接头。
热影响区(HAZ):可以是指，但无论如何不限于，在焊接过程中未熔融但其微结构和机械性质被焊接热改变的基材金属部分。
优先焊缝腐蚀(PWC):可以是指，但无论如何不限于，与焊缝相关的金属选择性腐蚀以致焊缝金属和/或相邻热影响区(HAZ)而非母基材(parent base)金属腐蚀。
焊缝冶金学/微结构/机械性质
本公开的新型耐侵蚀高Mn钢(ER-HMS)焊件可提供通过缝焊接合耐侵蚀HMS管道所需的强度、韧度和高耐侵蚀-腐蚀性。通过焊缝金属化学和焊接工艺参数的适当控制实现满足这些性质要求所需的微结构。
传统的高锰钢耗材(例如常用于铁路组件的哈德菲尔德钢堆焊丝)在最新开发的耐侵蚀高锰钢泥浆管道中没有提供合适的焊缝金属强度或耐腐蚀性。本公开中描述的高锰钢焊缝金属在泥浆管道用途中提供优异的步增的(step-out)侵蚀/腐蚀性能。
该ER-HMS焊缝金属必须实现该用途(例如泥浆管道)所需的最低抗拉强度性质。例如，焊缝金属屈服强度可高于耐侵蚀HMS基管道(base pipe)的屈服强度或高于泥浆管道设计要求的指定最低屈服强度(SMYS)。焊缝金属极限抗拉强度也可高于基管道体(base pipebody)的指定最低极限抗拉强度(SMUTS)。另外，该焊缝金属可提供一定的最低指定拉伸伸长水平。该ER-HMS焊缝金属可实现这些要求的每一个，因为其被设计为含有高亚稳奥氏体相，其在应变时转变成硬马氏体相并发生孪晶形成。另外，该焊缝金属中的固溶强化元素(例如钼)通过干扰晶格位错运动提供额外强化。这些强化机制的组合提供实现典型泥浆管道的缝焊焊缝的抗拉强度要求的高强度和加工硬化率。作为一个实例，受试ER-HMS焊缝金属性质显示在图4中并与基于API X70级的管线设计(SMYS为70ksi)的缝焊焊缝要求比较。API X70级设计是油砂泥浆管道设计常见的。可以在本文中公开的范围内对ER-HMS焊缝金属化学作出修改以实现一系列可能的泥浆管线等级(包括X52、X60、X65、X70和X80)所需的焊缝金属抗拉性质。
要求本公开中描述的高锰钢焊缝金属具有与用于泥浆管道用途的基材金属高锰钢类似的机械性质和侵蚀/腐蚀性质，因为这些区域中的微结构和应力分布极大影响接头和因此整个焊接结构的强度。因此，在一个实施方案中，本公开的ER-HMS焊缝金属具有与用于例如泥浆管道用途的基材金属高锰钢类似的微结构和类似的应变诱发转变行为。
在一个实施方案中，该焊缝金属包含：大约0.3重量％至大约1.2重量％碳；大约0.1重量％至大约3.0重量％硅；大约9.0重量％至大约30重量％锰；≤大约0.3重量％的硫、≤大约0.03重量％的磷的至少一种或两者；≤大约8重量％的铬；≤大约6重量％的镍；≤大约6重量％钼；≤大约5重量％钨；≤大约4重量％铜；≤大约2重量％铌；≤大约2重量％钒；≤大约2重量％钛；≤大约0.4重量％氮；≤大约1重量％硼，且该组合物的余量是铁。在一个特定实施方案中，碳为大约0.45至大约0.7重量％，硅为大约0.2至大约1.5重量％，和/或锰为大约12至大约20重量％。在另一实施方案中，铬为大约2至大约6重量％，镍为≤大约5重量％的量，钼为大约0.5至大约3重量％，钨为大约0.1至大约2重量％、铜为≤大约2重量％的量，铌为≤大约1重量％的量，钒为≤大约1重量％的量，钛为≤大约1重量％的量，氮为大约0.01至大约0.3重量％，和/或硼为大约0.01至大约0.4重量％。
要求本公开中描述的高锰钢焊缝金属和HAZ具有与(例如用于泥浆管道用途的)接合的基材金属高锰钢类似的机械性质和侵蚀/腐蚀性质。因此，在一个实施方案中，本公开的ER-HMS焊缝金属和HAZ具有与基材金属高锰钢类似的微结构和类似的应变诱发转变行为。不同于传统碳钢，高锰钢的微结构由在室温下具有面心立方(fcc)结构的亚稳奥氏体相构成。
在应变时，亚稳奥氏体相可经由应变诱发转变发生许多不同的相变。这些转变包括：根据特定钢化学和/或温度，奥氏体相转变成微孪晶(fcc)结构(其中孪晶与基质(matrix)对齐)、ε-马氏体(六方晶格)和α’-马氏体(体心四方晶格)。这些转变产物对产生高锰钢的独特性质至关重要。例如，细微孪晶有效分割初生奥氏体晶粒并充当位错运动的强障碍。这有效细化晶粒并带来高极限抗拉强度和延性的优异组合。
已专门定制基材金属耐侵蚀高锰钢的化学以产生提供良好侵蚀和磨损性能的转变产物。将基材金属制成含有高亚稳奥氏体相，其通常在应变时转变成硬α’-马氏体。在这些钢的表面磨损后，高亚稳奥氏体相的表面层可转变成α’-马氏体。这种摩擦诱发的相变导致在坚韧的未转变亚稳奥氏体内部上形成由马氏体构成的薄的硬表面层。这是对磨损/侵蚀用途而言合意的组合。
为了产生ER-HMS焊缝金属中的所需机械性能，微结构应该类似于基材金属耐侵蚀HMS。在一个实施方案中，锰含量在焊缝金属和基材金属中类似。锰为高锰钢中的主要元素，并且对在冷却和形变过程中稳定奥氏体结构是重要的。此外，锰像硅那样脱氧，并通过固溶强化机制强化焊缝金属。另外，锰在合适范围内时提高加工硬化指数。例如，确定需要大约9重量％或更多的锰以稳定焊缝金属内的主要奥氏体相。还确定多于大约30重量％的锰导致焊缝金属内的焊缝金属韧度的降低。因此，锰可为本公开的总焊缝金属或金属芯焊丝的芯的大约9重量％至大约30重量％。在一个特定实施方案中，锰以总焊缝金属或金属芯焊丝的芯的大约12重量％至大约20重量％存在。在一些实施方案中，焊缝金属或金属芯焊丝的芯包含大约9重量％至大约28重量％、大约9重量％至大约26重量％、大约9重量％至大约24重量％、大约9重量％至大约22重量％、大约9重量％至大约20重量％、大约9重量％至大约18重量％、大约9重量％至大约16重量％、大约9重量％至大约14重量％、大约9重量％至大约12重量％、大约10重量％至大约30重量％、大约10重量％至大约28重量％、大约10重量％至大约26重量％、大约10重量％至大约24重量％、大约10重量％至大约22重量％、大约10重量％至大约20重量％、大约10重量％至大约18重量％、大约10重量％至大约16重量％、大约10重量％至大约14重量％、大约10重量％至大约12重量％、大约12重量％至大约30重量％、大约12重量％至大约28重量％、大约12重量％至大约26重量％、大约12重量％至大约24重量％、大约12重量％至大约22重量％、大约12重量％至大约20重量％、大约12重量％至大约18重量％、大约12重量％至大约16重量％、大约12重量％至大约14重量％、大约14重量％至大约30重量％、大约14重量％至大约28重量％、大约14重量％至大约26重量％、大约14重量％至大约24重量％、大约14重量％至大约22重量％、大约14重量％至大约20重量％、大约14重量％至大约18重量％、大约14重量％至大约16重量％、大约16重量％至大约30重量％、大约1重量％至大约28重量％、大约16重量％至大约26重量％、大约16重量％至大约24重量％、大约16重量％至大约22重量％、大约16重量％至大约20重量％、大约16重量％至大约18重量％、大约18重量％至大约30重量％、大约18重量％至大约28重量％、大约18重量％至大约26重量％、大约18重量％至大约24重量％、大约18重量％至大约22重量％、大约18重量％至大约20重量％、大约20重量％至大约30重量％、大约20重量％至大约28重量％、大约20重量％至大约26重量％、大约20重量％至大约24重量％、大约20重量％至大约22重量％、大约22重量％至大约30重量％、大约22重量％至大约28重量％、大约22重量％至大约26重量％、大约22重量％至大约24重量％、大约24重量％至大约30重量％、大约24重量％至大约28重量％、大约24重量％至大约26重量％、大约26重量％至大约30重量％、大约26重量％至大约28重量％、或大约28重量％至大约30重量％的锰。在特定实施方案中，焊缝金属或金属芯焊丝的芯包含大约9重量％、大约10重量％、大约11重量％、大约12重量％、大约13重量％、大约14重量％、大约15重量％、大约16重量％、大约17重量％、大约18重量％、大约19重量％、大约20重量％、大约21重量％、大约22重量％、大约23重量％、大约24重量％、大约25重量％、大约26重量％、大约27重量％、大约28重量％、大约29重量％或大约30重量％的锰。
碳是有效的奥氏体稳定剂并在奥氏体相中具有高溶解度。因此，碳合金化可用于在冷却熔融合金的过程中稳定奥氏体相。当以适当的量添加时，碳也通过固溶硬化强化该基质并影响电弧稳定性和焊缝金属的韧度。本公开的该焊缝材料可占总焊缝金属或金属芯焊丝的芯的大约0.3重量％至大约1.2重量％。确定当金属芯焊丝中的碳少于0.3重量％时，焊缝金属没有足够的强度和耐侵蚀性，当碳超过1.2重量％时，韧度降低且焊缝金属/焊缝(seam)具有较高的热裂倾向。在一个特定实施方案中，碳为大约0.45重量％至大约0.7重量％。在一些实施方案中，焊缝金属或金属芯焊丝的芯包含大约0.3重量％至大约1.0重量％、大约0.3重量％至大约0.8重量％、大约0.3重量％至大约0.6重量％、大约0.4重量％至大约1.2重量％、大约0.4重量％至大约1.0重量％、大约0.4重量％至大约0.8重量％、大约0.4重量％至大约0.6重量％、大约0.6重量％至大约1.2重量％、大约0.6重量％至大约1.0重量％、大约0.6重量％至大约0.8重量％、大约0.8重量％至大约1.2重量％、大约0.8重量％至大约1.0重量％、或大约1.0重量％至大约1.2重量％的碳。在某些实施方案中，焊缝金属或金属芯焊丝的芯包含大约0.3重量％、大约0.4重量％、大约0.5重量％、大约0.6重量％、大约0.7重量％、大约0.8重量％、大约0.9重量％、大约1.0重量％、大约1.1重量％或大约1.2重量％的碳。
硅的添加除维持α’-马氏体转变外还提供一定的固溶强化，同时促进在环境温度下形变时的ε-马氏体形成。硅也是铁氧体稳定剂和脱氧剂。硅可以焊缝金属或金属芯焊丝的芯的大约0.1重量％至大约3重量％存在。确定当硅的含量小于0.1重量％时，焊缝金属没有足够强度。此外，作为焊缝金属脱氧产物形成的SiO2的不足造成熔渣粘度失衡并损害焊接性能。此外，当硅含量大于3重量％时，韧度降低。在一个特定实施方案中，硅为大约0.2重量％至大约1.5重量％。在一些实施方案中，焊缝金属或金属芯焊丝的芯包含大约0.1重量％至大约2.8重量％、大约0.1重量％至大约2.6重量％、大约0.1重量％至大约2.4重量％、大约0.1重量％至大约2.2重量％、大约0.1重量％至大约2.0重量％、大约0.1重量％至大约1.8重量％、大约0.1重量％至大约1.6重量％、大约0.1重量％至大约1.4重量％、大约0.1重量％至大约1.2重量％、大约0.1重量％至大约1.0重量％、大约0.1重量％至大约0.8重量％、大约0.1重量％至大约0.6重量％、大约0.1重量％至大约0.4重量％、大约0.3重量％至大约3.0重量％、大约0.3重量％至大约2.8重量％、大约0.3重量％至大约2.6重量％、大约0.3重量％至大约2.4重量％、大约0.3重量％至大约2.2重量％、大约0.3重量％至大约2.0重量％、大约0.3重量％至大约1.8重量％、大约0.3重量％至大约1.6重量％、大约0.3重量％至大约1.4重量％、大约0.3重量％至大约1.2重量％、大约0.3重量％至大约1.0重量％、大约0.3重量％至大约0.8重量％、大约0.3重量％至大约0.6重量％、大约0.5重量％至大约3.0重量％、大约0.5重量％至大约2.8重量％、大约0.5重量％至大约2.6重量％、大约0.5重量％至大约2.4重量％、大约0.5重量％至大约2.2重量％、大约0.5重量％至大约2.0重量％、大约0.5重量％至大约1.8重量％、大约0.5重量％至大约1.6重量％、大约0.5重量％至大约1.4重量％、大约0.5重量％至大约1.2重量％、大约0.5重量％至大约1.0重量％、大约0.5重量％至大约0.8重量％、大约0.7重量％至大约3.0重量％、大约0.7重量％至大约2.8重量％、大约0.7重量％至大约2.6重量％、大约0.7重量％至大约2.4重量％、大约0.7重量％至大约2.2重量％、大约0.7重量％至大约2.0重量％、大约0.7重量％至大约1.8重量％、大约0.7重量％至大约1.6重量％、大约0.7重量％至大约1.4重量％、大约0.7重量％至大约1.2重量％、大约0.7重量％至大约1.0重量％、大约0.9重量％至大约3.0重量％、大约0.9重量％至大约2.8重量％、大约0.9重量％至大约2.6重量％、大约0.9重量％至大约2.4重量％、大约0.9重量％至大约2.2重量％、大约0.9重量％至大约2.0重量％、大约0.9重量％至大约1.8重量％、大约0.9重量％至大约1.6重量％、大约0.9重量％至大约1.4重量％、大约0.9重量％至大约1.2重量％、大约1.0重量％至大约3.0重量％、大约1.0重量％至大约2.8重量％、大约1.0重量％至大约2.6重量％、大约1.0重量％至大约2.4重量％、大约1.0重量％至大约2.2重量％、大约1.0重量％至大约2.0重量％、大约1.0重量％至大约1.8重量％、大约1.0重量％至大约1.6重量％、大约1.0重量％至大约1.4重量％、大约1.0重量％至大约1.2重量％、大约1.2重量％至大约3.0重量％、大约1.2重量％至大约2.8重量％、大约1.2重量％至大约2.6重量％、大约1.2重量％至大约2.4重量％、大约1.2重量％至大约2.2重量％、大约1.2重量％至大约2.0重量％、大约12重量％至大约1.8重量％、大约1.2重量％至大约1.6重量％、大约1.2重量％至大约1.4重量％、大约1.4重量％至大约3.0重量％、大约1.4重量％至大约2.8重量％、大约1.4重量％至大约2.6重量％、大约1.4重量％至大约2.4重量％、大约1.4重量％至大约2.2重量％、大约1.4重量％至大约2.0重量％、大约1.4重量％至大约1.8重量％、大约1.4重量％至大约1.6重量％、大约1.6重量％至大约3.0重量％、大约1.6重量％至大约2.8重量％、大约1.6重量％至大约2.6重量％、大约1.6重量％至大约2.4重量％、大约1.6重量％至大约2.2重量％、大约1.6重量％至大约2.0重量％、大约1.6重量％至大约1.8重量％、大约1.8重量％至大约3.0重量％、大约1.8重量％至大约2.8重量％、大约1.8重量％至大约2.6重量％、大约1.8重量％至大约2.4重量％、大约1.8重量％至大约2.2重量％、大约1.8重量％至大约2.0重量％、大约2.0重量％至大约3.0重量％、大约2.0重量％至大约2.8重量％、大约2.0重量％至大约2.6重量％、大约2.0重量％至大约2.4重量％、大约2.0重量％至大约2.2重量％、大约2.2重量％至大约3.0重量％、大约2.2重量％至大约2.8重量％、大约2.2重量％至大约2.6重量％、大约2.2重量％至大约2.4重量％、大约2.4重量％至大约3.0重量％、大约2.4重量％至大约2.8重量％、大约2.6重量％至大约2.8重量％、或大约2.8重量％至大约3.0重量％的硅。在某些实施方案中，焊缝金属或金属芯焊丝的芯包含大约0.1重量％、大约0.2重量％、大约0.3重量％、大约0.4重量％、大约0.5重量％、大约0.6重量％、大约0.7重量％、大约0.8重量％、大约0.9重量％、大约1.0重量％、大约1.1重量％、大约1.2重量％、大约1.3重量％、大约1.4重量％、大约1.5重量％、大约1.6重量％、大约1.7重量％、大约1.8重量％、大约1.9重量％、大约2.0重量％、大约2.1重量％、大约2.2重量％、大约2.3重量％、大约2.4重量％、大约2.5重量％、大约2.6重量％、大约2.7重量％、大约2.8重量％、大约2.9重量％或大约3.0重量％的碳。
在某些实施方案中，焊缝金属或金属芯焊丝的芯可进一步包含铬、镍、钼、钨、铜、铌、钒、钛、钽、氮和/或硼。下面更详细描述的量进一步增强焊缝金属的强度、耐侵蚀-腐蚀性和韧度。
铬是铁氧体稳定剂，其在添加到高锰钢焊缝金属中时增强在冷却过程中的铁氧体相的形成并提高耐腐蚀性。铬是强碳化物形成剂并促进碳化物(如M2C和M23C6)的沉淀，取决于合金水平和/或热处理温度。此外，铬的添加通常对耐腐蚀性增强是重要的。铬添加到铁-锰合金体系中降低热膨胀系数。但是，过量铬添加可能造成粗晶粒边界碳化物形成和韧度降低。铬可以焊缝金属或金属芯焊丝的芯的小于或等于大约8.0重量％的量存在。在一个特定实施方案中，铬为焊缝金属或金属芯焊丝的芯的大约2.0重量％至大约6.0重量％。在一个特定实施方案中，铬为大约2.0重量％至大约6.0重量％。在一些实施方案中，焊缝金属或金属芯焊丝的芯包含大约0.0重量％至大约8.0重量％、大约0.0重量％至大约7.5重量％、大约0.0重量％至大约7.0重量％、大约0.0重量％至大约6.5重量％、大约0.0重量％至大约6.0重量％、大约0.0重量％至大约5.5重量％、大约0.0重量％至大约5.0重量％、大约0.0重量％至大约4.5重量％、大约0.0重量％至大约4.0重量％、大约0.0重量％至大约3.5重量％、大约0.0重量％至大约3.0重量％、大约0.0重量％至大约2.5重量％、大约0.0重量％至大约2.0重量％、大约0.0重量％至大约1.5重量％、大约0.0重量％至大约1.0重量％、大约0.5重量％至大约8.0重量％、大约0.5重量％至大约7.5重量％、大约0.5重量％至大约7.0重量％、大约0.5重量％至大约6.5重量％、大约0.5重量％至大约6.0重量％、大约0.5重量％至大约5.5重量％、大约0.5重量％至大约5.0重量％、大约0.5重量％至大约4.5重量％、大约0.5重量％至大约4.0重量％、大约0.5重量％至大约3.5重量％、大约0.5重量％至大约3.0重量％、大约0.5重量％至大约2.5重量％、大约0.5重量％至大约2.0重量％、大约0.5重量％至大约1.5重量％、大约0.5重量％至大约1.0重量％、大约1.0重量％至大约8.0重量％、大约1.0重量％至大约7.5重量％、大约1.0重量％至大约7.0重量％、大约1.0重量％至大约6.5重量％、大约1.0重量％至大约6.0重量％、大约1.0重量％至大约5.5重量％、大约1.0重量％至大约5.0重量％、大约1.0重量％至大约4.5重量％、大约1.0重量％至大约4.0重量％、大约1.0重量％至大约3.5重量％、大约1.0重量％至大约3.0重量％、大约1.0重量％至大约2.5重量％、大约1.0重量％至大约2.0重量％、大约1.0重量％至大约1.5重量％、大约1.5重量％至大约8.0重量％、大约1.5重量％至大约7.5重量％、大约1.5重量％至大约7.0重量％、大约1.5重量％至大约6.5重量％、大约1.5重量％至大约6.0重量％、大约1.5重量％至大约5.5重量％、大约1.5重量％至大约5.0重量％、大约1.5重量％至大约4.5重量％、大约1.5重量％至大约4.0重量％、大约1.5重量％至大约3.5重量％、大约1.5重量％至大约3.0重量％、大约1.5重量％至大约2.5重量％、大约1.5重量％至大约2.0重量％、大约2.0重量％至大约8.0重量％、大约2.0重量％至大约7.5重量％、大约2.0重量％至大约7.0重量％、大约2.0重量％至大约6.5重量％、大约2.0重量％至大约6.0重量％、大约2.0重量％至大约5.5重量％、大约2.0重量％至大约5.0重量％、大约2.0重量％至大约4.5重量％、大约2.0重量％至大约4.0重量％、大约2.0重量％至大约3.5重量％、大约2.0重量％至大约3.0重量％、大约2.0重量％至大约2.5重量％、大约2.5重量％至大约8.0重量％、大约2.5重量％至大约7.5重量％、大约2.5重量％至大约7.0重量％、大约2.5重量％至大约6.5重量％、大约2.5重量％至大约6.0重量％、大约2.5重量％至大约5.5重量％、大约2.5重量％至大约5.0重量％、大约2.5重量％至大约4.5重量％、大约2.5重量％至大约4.0重量％、大约2.5重量％至大约3.5重量％、大约2.5重量％至大约3.0重量％、大约3.0重量％至大约8.0重量％、大约3.0重量％至大约7.5重量％、大约3.0重量％至大约7.0重量％、大约3.0重量％至大约6.5重量％、大约3.0重量％至大约6.0重量％、大约3.0重量％至大约5.5重量％、大约3.0重量％至大约5.0重量％、大约3.0重量％至大约4.5重量％、大约3.0重量％至大约4.0重量％、大约3.0重量％至大约3.5重量％、大约3.5重量％至大约8.0重量％、大约3.5重量％至大约7.5重量％、大约3.5重量％至大约7.0重量％、大约3.5重量％至大约6.5重量％、大约3.5重量％至大约6.0重量％、大约3.5重量％至大约5.5重量％、大约3.5重量％至大约5.0重量％、大约3.5重量％至大约4.5重量％、大约3.5重量％至大约4.0重量％、大约4.0重量％至大约8.0重量％、大约4.0重量％至大约7.5重量％、大约4.0重量％至大约7.0重量％、大约4.0重量％至大约6.5重量％、大约4.0重量％至大约6.0重量％、大约4.0重量％至大约5.5重量％、大约4.0重量％至大约5.0重量％、大约4.0重量％至大约4.5重量％、大约4.5重量％至大约8.0重量％、大约4.5重量％至大约7.5重量％、大约4.5重量％至大约7.0重量％、大约4.5重量％至大约6.5重量％、大约4.5重量％至大约6.0重量％、大约4.5重量％至大约5.5重量％、大约4.5重量％至大约5.0重量％、大约5.0重量％至大约8.0重量％、大约5.0重量％至大约7.5重量％、大约5.0重量％至大约7.0重量％、大约5.0重量％至大约6.5重量％、大约5.0重量％至大约6.0重量％、大约5.0重量％至大约5.5重量％、大约5.5重量％至大约8.0重量％、大约5.5重量％至大约7.5重量％、大约5.5重量％至大约7.0重量％、大约5.5重量％至大约6.5重量％、大约5.5重量％至大约6.0重量％、大约6.0重量％至大约8.0重量％、大约6.0重量％至大约7.5重量％、大约6.0重量％至大约7.0重量％、大约6.0重量％至大约6.5重量％、大约6.5重量％至大约8.0重量％、大约6.5重量％至大约7.5重量％、大约6.5重量％至大约7.0重量％、大约7.0重量％至大约8.0重量％、大约7.0重量％至大约7.5重量％、或大约7.5重量％至大约8.0重量％的铬。在某些实施方案中，焊缝金属或金属芯焊丝的芯包含大约0.25重量％、大约0.5重量％、大约0.75重量％、大约1.0重量％、大约1.25重量％、大约1.5重量％、大约1.75重量％、大约2.0重量％、大约2.25重量％、大约2.5重量％、大约2.75重量％、大约3.0重量％、大约3.25重量％、大约3.5重量％、大约3.75重量％、大约4.0重量％、大约4.5重量％、大约4.25重量％、大约4.75重量％、大约5.0重量％、大约5.25重量％、大约5.5重量％、大约5.75重量％、大约6.0重量％、大约6.25重量％、大约6.5重量％、大约6.75重量％、大约7.0重量％、大约7.25重量％、大约7.5重量％、大约7.75重量％或大约8.0重量％的碳。
镍的添加可提供额外奥氏体稳定性并可通过固溶强化改进焊缝金属韧性。镍也显著提高焊缝金属的耐腐蚀性和低温韧性。镍可以焊缝金属或金属芯焊丝的芯的最多6重量％存在。在另一实施方案中，镍以最多5重量％存在。在某些实施方案中，镍为大约0.2重量％至大约6重量％或大约0.2重量％至大约5重量％。较高量的镍添加可导致强度降低。在一个特定实施方案中，镍为大约0.0重量％至大约5.0重量％。在一些实施方案中，焊缝金属或金属芯焊丝的芯包含大约0.0重量％至大约6.0重量％、大约0.0重量％至大约5.5重量％、大约0.0重量％至大约5.0重量％、大约0.0重量％至大约4.5重量％、大约0.0重量％至大约4.0重量％、大约0.0重量％至大约3.5重量％、大约0.0重量％至大约3.0重量％、大约0.0重量％至大约2.5重量％、大约0.0重量％至大约2.0重量％、大约0.0重量％至大约1.5重量％、大约0.0重量％至大约1.0重量％、大约0.5重量％至大约6.0重量％、大约0.5重量％至大约5.5重量％、大约0.5重量％至大约5.0重量％、大约0.5重量％至大约4.5重量％、大约0.5重量％至大约4.0重量％、大约0.5重量％至大约3.5重量％、大约0.5重量％至大约3.0重量％、大约0.5重量％至大约2.5重量％、大约0.5重量％至大约2.0重量％、大约0.5重量％至大约1.5重量％、大约0.5重量％至大约1.0重量％、大约1.0重量％至大约6.0重量％、大约1.0重量％至大约5.5重量％、大约1.0重量％至大约5.0重量％、大约1.0重量％至大约4.5重量％、大约1.0重量％至大约4.0重量％、大约1.0重量％至大约3.5重量％、大约1.0重量％至大约3.0重量％、大约1.0重量％至大约2.5重量％、大约1.0重量％至大约2.0重量％、大约1.0重量％至大约1.5重量％、大约1.5重量％至大约6.0重量％、大约1.5重量％至大约5.5重量％、大约1.5重量％至大约5.0重量％、大约1.5重量％至大约4.5重量％、大约1.5重量％至大约4.0重量％、大约1.5重量％至大约3.5重量％、大约1.5重量％至大约3.0重量％、大约1.5重量％至大约2.5重量％、大约1.5重量％至大约2.0重量％、大约2.0重量％至大约6.0重量％、大约2.0重量％至大约5.5重量％、大约2.0重量％至大约5.0重量％、大约2.0重量％至大约4.5重量％、大约2.0重量％至大约4.0重量％、大约2.0重量％至大约3.5重量％、大约2.0重量％至大约3.0重量％、大约2.0重量％至大约2.5重量％、大约2.5重量％至大约6.0重量％、大约2.5重量％至大约5.5重量％、大约2.5重量％至大约5.0重量％、大约2.5重量％至大约4.5重量％、大约2.5重量％至大约4.0重量％、大约2.5重量％至大约3.5重量％、大约2.5重量％至大约3.0重量％、大约3.0重量％至大约6.0重量％、大约3.0重量％至大约5.5重量％、大约3.0重量％至大约5.0重量％、大约3.0重量％至大约4.5重量％、大约3.0重量％至大约4.0重量％、大约3.0重量％至大约3.5重量％、大约3.5重量％至大约6.0重量％、大约3.5重量％至大约5.5重量％、大约3.5重量％至大约5.0重量％、大约3.5重量％至大约4.5重量％、大约3.5重量％至大约4.0重量％、大约4.0重量％至大约6.0重量％、大约4.0重量％至大约5.5重量％、大约4.0重量％至大约5.0重量％、大约4.0重量％至大约4.5重量％、大约4.5重量％至大约6.0重量％、大约4.5重量％至大约5.5重量％、大约4.5重量％至大约5.0重量％、大约5.0重量％至大约6.0重量％、大约5.0重量％至大约5.5重量％、或大约5.5重量％至大约6.0重量％的镍。在某些实施方案中，焊缝金属或金属芯焊丝的芯包含大约0.25重量％、大约0.5重量％、大约0.75重量％、大约1.0重量％、大约1.25重量％、大约1.5重量％、大约1.75重量％、大约2.0重量％、大约2.25重量％、大约2.5重量％、大约2.75重量％、大约3.0重量％、大约3.25重量％、大约3.5重量％、大约3.75重量％、大约4.0重量％、大约4.5重量％、大约4.25重量％、大约4.75重量％、大约5.0重量％、大约5.25重量％、大约5.5重量％、大约5.75重量％或大约6.0重量％的镍。
钼(Mo)和钨(W)是铁氧体稳定剂和稳定的碳化物形成剂。钼和钨可提供显著的固溶体强化并通过溶质拖拽细化凝固晶胞结构。钼可以焊缝金属或金属芯焊丝的芯的最多6重量％存在。在一个特定实施方案中，钼为大约0.5重量％至大约3.0重量％。在另一实施方案中，钼以最多5重量％存在。在某些实施方案中，钼为大约0.2重量％至大约6重量％、或大约0.2重量％至大约5重量％。较高量的钼添加可导致强度降低。在一个特定实施方案中，钼为大约0.0重量％至大约5.0重量％。在一些实施方案中，焊缝金属或金属芯焊丝的芯包含大约0.0重量％至大约5.5重量％、大约0.0重量％至大约5.0重量％、大约0.0重量％至大约4.5重量％、大约0.0重量％至大约4.0重量％、大约0.0重量％至大约3.5重量％、大约0.0重量％至大约3.0重量％、大约0.0重量％至大约2.5重量％、大约0.0重量％至大约2.0重量％、大约0.0重量％至大约1.5重量％、大约0.0重量％至大约1.0重量％、大约0.5重量％至大约6.0重量％、大约0.5重量％至大约5.5重量％、大约0.5重量％至大约5.0重量％、大约0.5重量％至大约4.5重量％、大约0.5重量％至大约4.0重量％、大约0.5重量％至大约3.5重量％、大约0.5重量％至大约3.0重量％、大约0.5重量％至大约2.5重量％、大约0.5重量％至大约2.0重量％、大约0.5重量％至大约1.5重量％、大约0.5重量％至大约1.0重量％、大约1.0重量％至大约6.0重量％、大约1.0重量％至大约5.5重量％、大约1.0重量％至大约5.0重量％、大约1.0重量％至大约4.5重量％、大约1.0重量％至大约4.0重量％、大约1.0重量％至大约3.5重量％、大约1.0重量％至大约3.0重量％、大约1.0重量％至大约2.5重量％、大约1.0重量％至大约2.0重量％、大约1.0重量％至大约1.5重量％、大约1.5重量％至大约6.0重量％、大约1.5重量％至大约5.5重量％、大约1.5重量％至大约5.0重量％、大约1.5重量％至大约4.5重量％、大约1.5重量％至大约4.0重量％、大约1.5重量％至大约3.5重量％、大约1.5重量％至大约3.0重量％、大约1.5重量％至大约2.5重量％、大约1.5重量％至大约2.0重量％、大约2.0重量％至大约6.0重量％、大约2.0重量％至大约5.5重量％、大约2.0重量％至大约5.0重量％、大约2.0重量％至大约4.5重量％、大约2.0重量％至大约4.0重量％、大约2.0重量％至大约3.5重量％、大约2.0重量％至大约3.0重量％、大约2.0重量％至大约2.5重量％、大约2.5重量％至大约6.0重量％、大约2.5重量％至大约5.5重量％、大约2.5重量％至大约5.0重量％、大约2.5重量％至大约4.5重量％、大约2.5重量％至大约4.0重量％、大约2.5重量％至大约3.5重量％、大约2.5重量％至大约3.0重量％、大约3.0重量％至大约6.0重量％、大约3.0重量％至大约5.5重量％、大约3.0重量％至大约5.0重量％、大约3.0重量％至大约4.5重量％、大约3.0重量％至大约4.0重量％、大约3.0重量％至大约3.5重量％、大约3.5重量％至大约6.0重量％、大约3.5重量％至大约5.5重量％、大约3.5重量％至大约5.0重量％、大约3.5重量％至大约4.5重量％、大约3.5重量％至大约4.0重量％、大约4.0重量％至大约6.0重量％、大约4.0重量％至大约5.5重量％、大约4.0重量％至大约5.0重量％、大约4.0重量％至大约4.5重量％、大约4.5重量％至大约6.0重量％、大约4.5重量％至大约5.5重量％、大约4.5重量％至大约5.0重量％、大约5.0重量％至大约6.0重量％、大约5.0重量％至大约5.5重量％、或大约5.5重量％至大约6.0重量％的钼。在某些实施方案中，焊缝金属或金属芯焊丝的芯包含大约0.25重量％、大约0.5重量％、大约0.75重量％、大约1.0重量％、大约1.25重量％、大约1.5重量％、大约1.75重量％、大约2.0重量％、大约2.25重量％、大约2.5重量％、大约2.75重量％、大约3.0重量％、大约3.25重量％、大约3.5重量％、大约3.75重量％、大约4.0重量％、大约4.5重量％、大约4.25重量％、大约4.75重量％、大约5.0重量％、大约5.25重量％、大约5.5重量％、大约5.75重量％或大约6.0重量％的钼。
钨可以焊缝金属或金属芯焊丝的芯的最多5重量％存在。在一个特定实施方案中，钨以大约0.1重量％至大约2.0重量％的量存在。在一些实施方案中，焊缝金属或金属芯焊丝的芯包含大约0.0重量％至大约4.5重量％、大约0.0重量％至大约4.0重量％、大约0.0重量％至大约3.5重量％、大约0.0重量％至大约3.0重量％、大约0.0重量％至大约2.5重量％、大约0.0重量％至大约2.0重量％、大约0.0重量％至大约1.5重量％、大约0.0重量％至大约1.0重量％、大约0.5重量％至大约5.0重量％、大约0.5重量％至大约4.5重量％、大约0.5重量％至大约4.0重量％、大约0.5重量％至大约3.5重量％、大约0.5重量％至大约3.0重量％、大约0.5重量％至大约2.5重量％、大约0.5重量％至大约2.0重量％、大约0.5重量％至大约1.5重量％、大约0.5重量％至大约1.0重量％、大约1.0重量％至大约5.0重量％、大约1.0重量％至大约4.5重量％、大约1.0重量％至大约4.0重量％、大约1.0重量％至大约3.5重量％、大约1.0重量％至大约3.0重量％、大约1.0重量％至大约2.5重量％、大约1.0重量％至大约2.0重量％、大约1.0重量％至大约1.5重量％、大约1.5重量％至大约5.0重量％、大约1.5重量％至大约4.5重量％、大约1.5重量％至大约4.0重量％、大约1.5重量％至大约3.5重量％、大约1.5重量％至大约3.0重量％、大约1.5重量％至大约2.5重量％、大约1.5重量％至大约2.0重量％、大约2.0重量％至大约5.0重量％、大约2.0重量％至大约4.5重量％、大约2.0重量％至大约4.0重量％、大约2.0重量％至大约3.5重量％、大约2.0重量％至大约3.0重量％、大约2.0重量％至大约2.5重量％、大约2.5重量％至大约5.0重量％、大约2.5重量％至大约4.5重量％、大约2.5重量％至大约4.0重量％、大约2.5重量％至大约3.5重量％、大约2.5重量％至大约3.0重量％、大约3.0重量％至大约5.0重量％、大约3.0重量％至大约4.5重量％、大约3.0重量％至大约4.0重量％、大约3.0重量％至大约3.5重量％、大约3.5重量％至大约5.0重量％、大约3.5重量％至大约4.5重量％、大约3.5重量％至大约4.0重量％、大约4.0重量％至大约5.0重量％、大约4.0重量％至大约4.5重量％、大约4.5重量％至大约6.0重量％、大约4.5重量％至大约5.5重量％、或大约4.5重量％至大约5.0重量％的钨。在某些实施方案中，焊缝金属或金属芯焊丝的芯包含大约0.25重量％、大约0.5重量％、大约0.75重量％、大约1.0重量％、大约1.25重量％、大约1.5重量％、大约1.75重量％、大约2.0重量％、大约2.25重量％、大约2.5重量％、大约2.75重量％、大约3.0重量％、大约3.25重量％、大约3.5重量％、大约3.75重量％、大约4.0重量％、大约4.5重量％、大约4.25重量％、大约4.75重量％或大约5.0重量％的钨。
铜是通过固溶硬化强化焊缝金属的奥氏体稳定剂。在一个实施方案中，铜可以焊缝金属或金属芯焊丝的芯的最多大约4重量％存在。在一个特定实施方案中，铜为大约0.0重量％至大约2.0重量％。在一些实施方案中，焊缝金属或金属芯焊丝的芯包含大约0.0重量％至大约4.0重量％、大约0.0重量％至大约3.5重量％、大约0.0重量％至大约3.0重量％、大约0.0重量％至大约2.5重量％、大约0.0重量％至大约2.0重量％、大约0.0重量％至大约1.5重量％、大约0.0重量％至大约1.0重量％、大约0.5重量％至大约4.0重量％、大约0.5重量％至大约3.5重量％、大约0.5重量％至大约3.0重量％、大约0.5重量％至大约2.5重量％、大约0.5重量％至大约2.0重量％、大约0.5重量％至大约1.5重量％、大约0.5重量％至大约1.0重量％、大约1.0重量％至大约4.0重量％、大约1.0重量％至大约3.5重量％、大约1.0重量％至大约3.0重量％、大约1.0重量％至大约2.5重量％、大约1.0重量％至大约2.0重量％、大约1.0重量％至大约1.5重量％、大约1.5重量％至大约4.0重量％、大约1.5重量％至大约3.5重量％、大约1.5重量％至大约3.0重量％、大约1.5重量％至大约2.5重量％、大约1.5重量％至大约2.0重量％、大约2.0重量％至大约4.0重量％、大约2.0重量％至大约3.5重量％、大约2.0重量％至大约3.0重量％、大约2.0重量％至大约2.5重量％、大约2.5重量％至大约4.0重量％、大约2.5重量％至大约3.5重量％、大约2.5重量％至大约3.0重量％、大约3.0重量％至大约4.0重量％、大约3.0重量％至大约3.5重量％、或大约3.5重量％至大约4.0重量％的铜。在某些实施方案中，焊缝金属或金属芯焊丝的芯包含大约0.25重量％、大约0.5重量％、大约0.75重量％、大约1.0重量％、大约1.25重量％、大约1.5重量％、大约1.75重量％、大约2.0重量％、大约2.25重量％、大约2.5重量％、大约2.75重量％、大约3.0重量％、大约3.25重量％、大约3.5重量％、大约3.75重量％或大约4.0重量％的铜。
氮是通过固溶强化提高焊缝金属强度的强奥氏体稳定剂。但是，较高量的氮可造成焊缝金属多孔性和降低的韧度。合适的氮添加可降低焊缝金属中的碳含量和形成凝固裂纹的倾向，而不危害焊缝金属强度。氮的添加也可增强耐腐蚀性。氮可以焊缝金属或金属芯焊丝的芯的最多大约0.4重量％存在。过量造成粗氮化物形成和焊缝缺陷(例如多孔性)。在一个特定实施方案中，焊缝金属或金属芯焊丝的芯包含大约0.01重量％至大约0.3重量％的氮。在一些实施方案中，焊缝金属或金属芯焊丝的芯包含大约0.0重量％至大约0.4重量％、大约0.0重量％至大约0.3重量％、大约0.0重量％至大约0.2重量％、大约0.1重量％至大约0.4重量％、大约0.1重量％至大约0.3重量％、大约0.1重量％至大约0.2重量％、大约0.2重量％至大约0.4重量％、或大约0.2重量％至大约0.3重量％的氮。在某些实施方案中，焊缝金属或金属芯焊丝的芯包含大约0.1重量％、大约0.2重量％、大约0.3重量％或大约0.4重量％的氮。
铌、钒、钽和钛是强碳化物/氮化物形成剂并且是提高焊件强度的有效元素。可以添加钽以充当固溶强化剂。为了晶粒细化和沉淀硬化目的，可以添加少量钛和铌以强化焊缝金属。铌、钒、钽和钛可各自独立地以焊缝金属或金属芯焊丝的芯的最多大约2重量％存在。也就是说，各元素可以最多大约2重量％存在。在特定实施方案中，铌、钒、钽和钛各自可逐一和独立地以最多大约1.0重量％存在。在一些实施方案中，焊缝金属或金属芯焊丝的芯包含各自地(和独立选择地)在大约0.0重量％至大约2.0重量％、大约0.0重量％至大约1.8重量％、大约0.0重量％至大约1.6重量％、大约0.0重量％至大约1.4重量％、大约0.0重量％至大约1.2重量％、大约0.0重量％至大约1.0重量％、大约0.0重量％至大约0.8重量％、大约0.0重量％至大约0.6重量％、大约0.0重量％至大约0.4重量％、大约0.0重量％至大约0.2重量％、大约0.2重量％至大约2.0重量％、大约0.2重量％至大约1.8重量％、大约0.2重量％至大约1.6重量％、大约0.2重量％至大约1.4重量％、大约0.2重量％至大约1.2重量％、大约0.2重量％至大约1.0重量％、大约0.2重量％至大约0.8重量％、大约0.2重量％至大约0.6重量％、大约0.2重量％至大约0.4重量％、大约0.4重量％至大约2.0重量％、大约0.4重量％至大约1.8重量％、大约0.4重量％至大约1.6重量％、大约0.4重量％至大约1.4重量％、大约0.4重量％至大约1.2重量％、大约0.4重量％至大约1.0重量％、大约0.4重量％至大约0.8重量％、大约0.4重量％至大约0.6重量％、大约0.6重量％至大约2.0重量％、大约0.6重量％至大约1.8重量％、大约0.6重量％至大约1.6重量％、大约0.6重量％至大约1.4重量％、大约0.6重量％至大约1.2重量％、大约0.6重量％至大约1.0重量％、大约0.6重量％至大约0.8重量％、大约0.8重量％至大约2.0重量％、大约0.8重量％至大约1.8重量％、大约0.8重量％至大约1.6重量％、大约0.8重量％至大约1.4重量％、大约0.8重量％至大约1.2重量％、大约0.8重量％至大约1.0重量％、大约1.0重量％至大约2.0重量％、大约1.0重量％至大约1.8重量％、大约1.0重量％至大约1.6重量％、大约1.0重量％至大约1.4重量％、大约1.0重量％至大约1.2重量％、大约1.2重量％至大约2.0重量％、大约1.2重量％至大约1.8重量％、大约1.2重量％至大约1.6重量％、大约1.2重量％至大约1.4重量％、大约1.4重量％至大约2.0重量％、大约1.4重量％至大约1.8重量％、大约1.4重量％至大约1.6重量％、大约1.6重量％至大约2.0重量％、大约1.6重量％至大约1.8重量％、或大约1.8重量％至大约2.0重量％的范围内的铌、钒、钽和/或钛。在某些实施方案中，焊缝金属或金属芯焊丝的芯包含各自地(和独立选择地)为大约0.1重量％、大约0.2重量％、大约0.3重量％、大约0.4重量％、大约0.5重量％、大约0.6重量％、大约0.7重量％、大约0.8重量％、大约0.9重量％、大约1.0重量％、大约1.1重量％、大约1.2重量％、大约1.3重量％、大约1.4重量％、大约1.5重量％、大约1.6重量％、大约1.7重量％、大约1.8重量％、大约1.9重量％或大约2.0重量％的铌、钒、钽和/或钛。
硫和磷是杂质并且不是有意加入的。通过限制它们在焊接耗材中的量来控制这些元素。必须控制硫和磷的量以避免焊缝凝固裂纹。因此，在一个实施方案中，硫低于焊缝金属或金属芯焊丝的芯的大约0.3重量％。硫可低于大约0.01重量％。在另一实施方案中，磷低于焊缝金属或金属芯焊丝的芯的大约0.3重量％。磷可低于大约0.02重量％。在一个特定实施方案中，磷少于大约0.01重量％。
在一些实施方案中，焊缝金属或金属芯焊丝的芯包含大约0.0重量％至大约1.0重量％的硼。在一个特定实施方案中，硼为大约0.01重量％至大约0.4重量％。在一些实施方案中，硼以大约0.0重量％至大约1.0重量％、大约0.0重量％至大约0.8重量％、大约0.0重量％至大约0.6重量％、大约0.0重量％至大约0.4重量％、大约0.0重量％至大约0.2重量％、大约0.05重量％至大约1.0重量％、大约0.05重量％至大约0.8重量％、大约0.05重量％至大约0.6重量％、大约0.5重量％至大约0.4重量％、大约0.5重量％至大约0.2重量％、大约0.1重量％至大约1.0重量％、大约0.1重量％至大约0.8重量％、大约0.1重量％至大约0.6重量％、大约0.1重量％至大约0.4重量％、大约0.1重量％至大约0.2重量％、大约0.2重量％至大约1.0重量％、大约0.2重量％至大约0.8重量％、大约0.2重量％至大约0.6重量％、大约0.2重量％至大约0.4重量％、大约0.4重量％至大约1.0重量％、大约0.4重量％至大约0.8重量％、大约0.4重量％至大约0.6重量％、大约0.6重量％至大约1.0重量％、大约0.6重量％至大约0.8重量％、或大约0.8重量％至大约1.0重量％存在于焊缝金属或金属芯焊丝的芯中。在某些实施方案中，硼以大约0.01重量％、大约0.05重量％、大约0.1重量％、大约0.2重量％、大约0.3重量％、大约0.4重量％、大约0.5重量％、大约0.6重量％、大约0.7重量％、大约0.8重量％、大约0.9重量％或大约1.0重量％存在。
在一个特定实施方案中，焊缝金属是具有碳化物、氮化物、碳氮化物及其组合的细分散粒子次要相的主要奥氏体相。可以选择焊缝金属的碳和氮含量以提供在无冷变形的沉积态(as-deposite condition)下大约60ksi至大约130ksi的屈服强度水平的范围。在一个特定实施方案中，焊缝金属在无冷变形的沉积态下的屈服强度水平为大约60ksi至大约120ksi、大约60ksi至大约110ksi、大约60ksi至大约100ksi、大约60ksi至大约90ksi、大约60ksi至大约80ksi、大约60ksi至大约70ksi、大约70ksi至大约130ksi、大约70ksi至大约120ksi、大约70ksi至大约110ksi、大约70ksi至大约100ksi、大约70ksi至大约90ksi、大约70ksi至大约80ksi、大约80ksi至大约130ksi、大约80ksi至大约120ksi、大约80ksi至大约110ksi、大约80ksi至大约100ksi、大约80ksi至大约90ksi、大约90ksi至大约130ksi、大约90ksi至大约120ksi、大约90ksi至大约110ksi、大约90ksi至大约100ksi、大约100ksi至大约130ksi、大约100ksi至大约120ksi、大约100ksi至大约110ksi、大约110ksi至大约130ksi、大约110ksi至大约120ksi、或大约120ksi至大约130ksi。在某些实施方案中，焊缝金属在无冷变形的沉积态下的屈服强度水平为大约60ksi、大约65ksi、大约70ksi、大约75ksi、大约80ski、大约85ksi、大约90ksi、大约95ksi、大约100ksi、大约105ksi、大约110ksi、大约115ksi、大约120ksi、大约125ksi或大约130ksi。
此外，强碳化物/氮化物形成剂，如钛、钨和钽的提高的合金化(以形成高温碳化物(例如TiC)来通过沉淀硬化增强强度)有效降低在焊缝凝固过程中液相中的碳含量，这导致热裂易感性降低，并阻碍在晶粒边界的粗M2C和M23C6碳化物沉淀。在一个实施方案中，本公开的焊缝金属主要是奥氏体。在另一实施方案中，该焊缝金属含有低量(例如小于1体积％)夹杂物(例如FeS和/或MnS)。在某一实施方案中，该焊缝金属含有低量杂质(例如如上文论述，硫和磷)。
通过焊缝金属化学和焊接参数的仔细组合实现上述微结构特征。特别地，堆垛层错能(stacking fault energy，SFE)取决于合金化学，并且SFE的值对应于在形变过程中在高锰钢中发生的相变诱发塑性(transformation induced plasticity，TRIP)和孪晶诱发塑性(TWIP)机制的类型。高锰钢由于TWIP和马氏体TRIP效应而具有快速加工硬化速率。通过合金的SFE的值引发活化并且具体的主动形变机制影响焊缝金属的强度和侵蚀性能。塑性形变主要通过在低SFE值(例如小于12mJ/m2)下的马氏体转变和通过在中等SFE下的孪晶形成实现。在高SFE(例如高于35mJ/m2)下，仅通过位错滑移控制塑性和应变硬化。基于此，SFE值是耗材合金设计中的重要参数，因为其被视为抗拉强度和侵蚀性能的强预测因子。
SFE取决于合金化学和温度。固有堆垛层错可表示为在厚度中的两个位置的ε-马氏体核胚。SFE包含体积能量和表面能量贡献(contributions)。SFE的化学和温度依赖性在很大程度上来自ε-马氏体和奥氏体之间的体积能量差异。相的体积自由能可获自可得的数据库。例如，图2显示在将各元素添加到FeMn12C0.6中时的预测SFE。来自各种合金添加的贡献不同，碳具有最强效应，锰具有最小效应。但是，当考虑多种合金元素相互作用时，SFE对化学的依赖性是复杂和非单调的效应。
可通过适当定制焊缝金属化学来控制形变机制。例如，本公开的实施例表明贫(lean)化学(较低合金含量)倾向于在形变过程中促进马氏体相转变和孪晶形成。
在一个实施方案中，通过第二相粒子强化焊缝金属。也就是说，在一个实施方案中，焊缝金属发生沉淀硬化。例如，本公开的焊缝金属可包括碳化物、氮化物、硼化物和/或氧化物。沉淀硬化的第二相粒子进一步改进焊缝金属的耐磨损/侵蚀性。相信第二相粒子阻止形变过程中的位错迁移，由此提高合金的强度。尽管焊缝金属中的碳化物的存在提高硬度，但尺寸和空间分布是重要的。粗碳化物粒子在很大程度上对钢的机械故障负责。因此，焊缝金属可包括细的均匀分布碳化物。
碳化物也增强TRIP和TWIP效应。碳化物相中的碳浓度比钢的平均值高得多。通过质量守恒，碳化物极大消耗其周围基质中的碳。因此，TRIP和TWIP可能是脱碳区(carbondepletion zone)中的主要形变机制。
在本公开的另一方面中，焊缝金属的惰性(nobleness)类似于基材金属(即进行焊接的高锰钢)的惰性(nobleness)。这使经过电化腐蚀(galvanic corrosion)的优先焊缝腐蚀最小化。在一个实施方案中，基材金属和焊缝金属的惰性(nobleness)相同。
由于组成和微结构的局部差异，在焊缝的不同区域之间发生电化腐蚀。如果焊缝金属(WM)和热影响区(HAZ)对母材金属(PM)而言是阳极的，在这些区域中会发生加速金属损失。相对于管道母材的大面积，具有小表面积的焊缝金属和热影响区使这种腐蚀形式的严重程度更糟。如果选择焊缝金属的组成以比母基材高Mn钢更惰性(noble)或对与腐蚀性环境中的气体或液体的界面处的原子或分子的反应性较低或接近母基材高Mn钢，其保持阴极性，以降低其腐蚀速率。在实践中，可以定制焊缝金属的化学组成以为焊缝金属提供更惰性(noble)的电势或与基材高Mn钢相当的电势。为此目的，以及为了其强度，焊缝金属中的惰性(noble)金属合金含量(例如Cr)可保持在比基材金属高的水平或与基材高Mn钢相当的水平。焊缝金属中的高Si添加对实现耐PWC性有害。
可焊性
本公开的另一方面涉及用于焊接例如高锰钢的金属芯焊丝。该新型ER-HMS焊缝金属可提供经由缝焊制造耐侵蚀HMS泥浆管道所需的可焊性。通过焊缝金属化学、焊接工艺参数和焊接接头设计的适当控制实现这种可焊性。
可通过弯曲钢带的宽度加工钢(例如碳钢或高锰钢)的护套，从而制造本公开的金属芯焊丝。将如上所述的合适化学的金属粉末填充到该呈圆形弯曲的带中。金属粉末填充的金属芯焊丝可经一系列拉模拉拔至所需直径并随后退火以解除在拉拔和成型过程中的残余应力。可通过使用超声振动实现金属粉末均匀填充到管中。然后将该弯曲带进一步弯曲，以形成构成金属芯焊丝的管。
该管可沿纵向缝焊接。焊接的金属芯焊丝释放比未焊接的金属芯焊丝少的水分。未焊接的金属芯焊丝容易弯折，由此使得难以调节送丝到目标焊接点。在另一实施方案中，该金属芯焊丝包括铜涂层。当该金属芯焊丝已焊接时，更容易施加铜涂层。
此外，在焊丝表面上的电解或化学铜涂层是优选的，因为其实现从顶尖(tip)到焊丝的电流的均匀导电性并因此增强电弧稳定性。
ER-HMS耗材具有与耐侵蚀HMS基材金属类似的锰含量，这产生与基材金属微结构类似的焊缝金属微结构-奥氏体。这种化学相容性防止在焊缝金属/基材金属界面处形成马氏体相。这消除潜在问题，如冷裂/氢裂的风险。
焊接工艺参数
本公开的另一方面是一种焊接高锰钢的方法。可以用例如埋弧焊实现在用于泥浆管道施工的实用生产率下制成的可靠ER-HMS焊缝的施加。
本公开的焊接高锰钢的方法包含：供应至少一个高锰钢件；供应如上所述的金属芯焊丝；将所述至少一个高锰钢件浸没在熔渣和电弧稳定剂中；和向所述金属芯焊丝施加电流以在所述至少一个高锰钢件上制造液体合金钢组合物。在一些实施方案中，该熔渣包含：大约22-24％Al2O3、大约10-12％SiO2、大约6-8％MnO、大约22.5-24.5％CAF2、大约10.5-12.5％MgO、大约11.5-13.5％CO2、大约2.5-4.5％CaO、大约0.5-2.5％Na2O、大约1.0-3.0％TiO2、大约0.5-1.6％ZrO2、大约0.3-1.3％K2O、大约0.2-1.2％Fe、大约0.2-2.2％Mn和/或大约0.1-1.0％Si。在另一些实施方案中，该熔渣包含下列至少一种：大约23.1％Al2O3、大约11.2％SiO2、大约7.1％MnO、大约23.4％CaF2、大约11.6％MgO、大约12.4％CO2、大约3.5％CaO、大约1.3％Na2O、大约2.1％TiO2、大约1.1％ZrO2、大约0.8％K2O、大约0.7％Fe、大约1.2％Mn、大约0.5％Si或其组合。
如本公开描述或包含的ER-HMS焊缝金属可有利地用于许多系统/用途(例如油、气、和/或石油化学设备/系统，如用于反应容器、管道、套管、封隔器(packers)、联轴器、抽油杆、密封件、电线、电缆、底部钻具组合件、管材、阀、压缩机、泵、轴承、挤出机筒、模制模头(molding dies)等)，特别是在耐腐蚀/开裂性重要/需要时。
上述焊缝金属化学、焊接方法和焊接实践的适当应用产生具有制造HMS泥浆管道所需的微结构和机械性质的合适ER-HMS焊缝。
参照下列实施例进一步描述本公开；但是，不由此限制本公开的范围。下列实施例例示用于制造或生产改进的高锰钢焊缝(例如具有增强的耐腐蚀和/或开裂性的改进的高Mn焊缝组合物)的改进的系统和方法。
实施例
实施例1
用如图3中所示的两种不同的碳含量水平通过埋弧焊制造具有19mm至20.6mm管壁厚度的24至30英寸直径的高锰钢管。在下列焊接条件下进行缝焊：530-630A的电流和27-31V的电压，在510-650mm/min的焊接速度和13-23kJ/cm的热输入下。在较高碳含量下的缝焊表现出与在较低碳含量下的焊缝金属相比提高的屈服强度和极限抗拉强度。
实施例2
用具有如表1中所示的不同焊缝金属化学的六种焊缝金属焊接19毫米厚的高锰钢板。用根据ASTM G65的旋转橡胶轮测试评估各焊缝金属的耐磨料磨损性。如图4中所示，具有较高碳含量和增强的Cr、Mo和W合金化的焊缝金属(SL-1至SL-5)表现出与较低碳含量焊缝金属(SL-6)和API X70碳钢相比改进的耐磨性。
表1.焊缝金属化学
焊缝(Weld)I.D. 标称焊缝金属化学
SL-1 0.5C-19Mn-2.5Cr-1.2Mo
SL-2 0.5C-19Mn-2.5Cr-3Mo
SL-3 0.5C-19Mn-2.5Cr-2.2W
SL-4 0.45C-19Mn-6Cr-1.5W
SL-5 0.45C-19Mn-2.5Cr-0.07N
SL-6 0.43C-17Mn-2.5Cr-0.5Mo
实施例3
如表2中所示在ID焊道(passes)和OD焊道(passes)之间用两种不同的铬合金化含量水平通过埋弧焊制造具有19mm至20.6mm管壁厚度的24至30英寸直径的高锰钢管。将从缝焊管道上切下的缝焊试块浸在模拟45℃温度、1500ppm NaCl、pH＝8和8ppm溶解氧的油砂泥浆管道环境的水溶液中。如图5中所示，具有比OD焊道(passes)焊珠(bead)高的Cr含量的ID焊道(passes)焊珠(weld bead)表现出较低腐蚀级和更好的对优先焊缝腐蚀的耐受性。
表2.来自电感耦合等离子体光发射光谱学(ICP-OES)的焊缝和基材高Mn钢的化学
焊缝(Weld)I.D. C Mn Cr Si Ni Mo Cu S P
ID焊道(passes) 0.96 17.9 2.92 0.34 0.04 0.27 0.46 0.002 0.013
OD焊道(passes) 0.81 18.6 2.67 0.59 0.03 0.62 0.53 0.004 0.008
HMS基材钢 1.16 17.7 3.44 0.03 0.03 0.01 0.43 0.002 0.013
具体实施方案:
根据一个方面，本公开提供一种焊接组合物，其包含：0.3重量％至1.2重量％的碳；(b)0.1重量％至3.0重量％的硅；9.0重量％至30重量％的锰；小于或等于8重量％的量的铬；小于或等于6重量％的量的镍；小于或等于6重量％的量的钼；小于或等于5重量％的量的钨；小于或等于4重量％的量的铜；小于或等于2重量％的量的铌；小于或等于2重量％的量的钒；小于或等于2重量％的量的钛；小于或等于0.4重量％的量的氮；小于或等于1重量％的量的硼；下列至少一种：(i)小于或等于0.3重量％的量的硫、(ii)小于或等于0.03重量％的量的磷或(iii)其组合；且余量是铁。
在本文所述的任一方面或实施方案中，铬为2至6重量％；镍为0至5重量％；钼为0.5至3重量％；钨为0.1至2重量％；铜为小于2重量％的量；铌为小于1重量％的量；钒为小于1重量％的量；钛为小于1重量％的量；氮为0.01至0.3重量％；和/或硼为0.01至0.4重量％。
在本文所述的任一方面或实施方案中，碳为0.45至0.7重量％；硅为0.2至1.5重量％；和/或锰为12至20重量％。
根据另一方面，本公开提供一种用于埋弧焊的金属芯焊丝，所述焊丝包含钢护套及含粉末的芯，所述粉末为：0.3重量％至1.2重量％的碳；0.1重量％至3.0重量％的硅；9.0重量％至30重量％的锰；小于8重量％的量的铬；小于6重量％的量的镍；小于6重量％的量的钼；小于5重量％的量的钨；小于4重量％的量的铜；小于2重量％的量的铌；小于2重量％的量的钒；小于2重量％的量的钛；小于0.4重量％的量的氮；小于1重量％的量的硼；下列至少一种：(i)硫少于0.3重量％、(ii)磷少于0.03重量％或(iii)其组合；且余量是铁。
在本文所述的任一方面或实施方案中，所述钢是碳钢或高锰钢。
在本文所述的任一方面或实施方案中，所述钢护套具有焊接的纵向缝。
在本文所述的任一方面或实施方案中，所述钢护套的表面被铜涂覆。
根据另一方面，本公开提供一种焊接高锰钢的方法，所述方法包含：供应至少一个高锰钢件；供应本公开的金属芯焊丝；将所述至少一个高锰钢件浸没在熔渣和电弧稳定剂中；和向所述金属芯焊丝施加电流以在所述至少一个高锰钢件上制造液体合金钢组合物。
在本文所述的任一方面或实施方案中，所述熔渣包含：22-24％Al2O3；10-12％SiO2；6-8％MnO；22.5-24.5％CAF2；10.5-12.5％MgO；11.5-13.5％CO2；2.5-4.5％CaO；0.5-2.5％Na2O；1.0-3.0％TiO2；0.5-1.6％ZrO2；0.3-1.3％K2O；0.2-1.2％Fe；0.2-2.2％Mn；和/或0.1-1.0％Si。
在本文所述的任一方面或实施方案中，所述至少一个高锰钢件是至少两个高锰钢件，并且向所述金属芯焊丝施加电流在所述至少两个高锰钢件之间的接合处产生液体钢组合物。
在本文所述的任一方面或实施方案中，所述方法进一步包含冷却所述液体合金钢组合物以形成接合所述至少两个高锰钢件的合金钢组合物。
在本文所述的任一方面或实施方案中，所述熔渣和电弧稳定剂包含TiO2、SiO2、ZrO2、Al2O3、Na2O、K2O、金属氟化物或其组合的至少一种。
在本文所述的任一方面或实施方案中，所述金属氟化物选自：CaF2、NaF2、MgF2、BaF2和K2ZrF6。
在本文所述的任一方面或实施方案中，在510至650mm/min的焊接速度下施加的电流为530至630A。
在本文所述的任一方面或实施方案中，所述熔渣包含：23.1％Al2O3；11.2％SiO2；7.1％MnO；23.4％CAF2；11.6％MgO；12.4％CO2；3.5％CaO；1.3％Na2O；2.1％TiO2；1.1％ZrO2；0.8％K2O；0.7％Fe；1.2％Mn；和/或0.5％Si。
尽管原则上已联系用于油、气和/或石油化学工业/系统/用途的组件中所用的钢组合物描述本公开，但这样的描述仅用于披露用途并且无意限制本公开。相反，要认识到，所公开的钢组合物能够用于多种多样的用途、系统、操作和/或工业。
尽管已参照其示例性实施方案描述了本公开的系统和方法，但本公开不限于这样的示例性实施方案和/或实施过程。相反，本公开的系统和方法容易作出本领域技术人员由本公开显而易见的许多实施和应用。本公开明确包含所公开的实施方案的此类修改、增强和/或变动。由于在上述构造中可作出许多改变并且可作出本公开的许多广为不同的实施方案而不背离其范围，附图和说明书中包含的所有事项意在被解释为示例性的而非以限制意义解释。另外的修改、变动和取代意在上述公开内。因此，适当的是，所附权利要求书应该广义地并以与本公开的范围一致的方式解释。

Claims (15)

1.一种焊接组合物，其包含：
0.3重量％至1.2重量％的碳；
0.1重量％至3.0重量％的硅；
9.0重量％至30重量％的锰；
小于或等于8重量％的量的铬；
小于或等于6重量％的量的镍；
小于或等于6重量％的量的钼；
小于或等于5重量％的量的钨；
小于或等于4重量％的量的铜；
小于或等于2重量％的量的铌；
小于或等于2重量％的量的钒；
小于或等于2重量％的量的钛；
小于或等于0.4重量％的量的氮；
小于或等于1重量％的量的硼；
下列至少一种：
i.小于或等于0.3重量％的量的硫；
ii.小于或等于0.03重量％的量的磷；或
iii.其组合；且
余量是铁。
2.权利要求1的组合物，其中至少一种：
铬为2至6重量％；
镍为0至5重量％；
钼为0.5至3重量％；
钨为0.1至2重量％；
铜为小于2重量％的量；
铌为小于1重量％的量；
钒为小于1重量％的量；
钛为小于1重量％的量；
氮为0.01至0.3重量％；
硼为0.01至0.4重量％；或
其组合。
3.权利要求1或2的焊接组合物，其中至少一种：碳为0.45至0.7重量％；硅为0.2至1.5重量％；锰为12至20重量％；或其组合。
4.一种用于埋弧焊的金属芯焊丝，所述焊丝包含钢护套及含粉末的芯，所述粉末为：
0.3重量％至1.2重量％的碳；
0.1重量％至3.0重量％的硅；
9.0重量％至30重量％的锰；
小于8重量％的量的铬；
小于6重量％的量的镍；
小于6重量％的量的钼；
小于5重量％的量的钨；
小于4重量％的量的铜；
小于2重量％的量的铌；
小于2重量％的量的钒；
小于2重量％的量的钛；
小于0.4重量％的量的氮；
小于1重量％的量的硼；
下列至少一种：
i.硫少于0.3重量％；
ii.磷少于0.03重量％；或
iii.其组合；且
余量是铁。
5.权利要求4的金属芯焊丝，其中所述钢是碳钢或高锰钢。
6.权利要求4或5的金属芯焊丝，其中所述钢护套具有焊接的纵向缝。
7.权利要求4-6任一项的金属芯焊丝，其中所述钢护套的表面被铜涂覆。
8.一种焊接高锰钢的方法，所述方法包含：供应至少一个高锰钢件；供应权利要求4-7任一项的金属芯焊丝；将所述至少一个高锰钢件浸没在熔渣和电弧稳定剂中；和向所述金属芯焊丝施加电流以在所述至少一个高锰钢件上制造液体合金钢组合物。
9.权利要求8的方法，其中所述熔渣包含下列至少一种：22-24％Al2O3；10-12％SiO2；6-8％MnO；22.5-24.5％CAF2；10.5-12.5％MgO；11.5-13.5％CO2；2.5-4.5％CaO；0.5-2.5％Na2O；1.0-3.0％TiO2；0.5-1.6％ZrO2；0.3-1.3％K2O；0.2-1.2％Fe；0.2-2.2％Mn；0.1-1.0％Si；或其组合。
10.权利要求8或9的方法，其中所述至少一个高锰钢件是至少两个高锰钢件，并且向所述金属芯焊丝施加电流在所述至少两个高锰钢件之间的接合处产生液体钢组合物。
11.权利要求8-10任一项的方法，其进一步包含冷却所述液体合金钢组合物以形成接合所述至少两个高锰钢件的合金钢组合物。
12.权利要求8-11任一项的方法，其中所述熔渣和电弧稳定剂包含TiO2、SiO2、ZrO2、Al2O3、Na2O、K2O、金属氟化物或其组合的至少一种。
13.权利要求8-12任一项的方法，其中所述金属氟化物选自：CaF2、NaF2、MgF2、BaF2和K2ZrF6。
14.权利要求8-13任一项的方法，其中在510至650mm/min的焊接速度下施加的电流为530至630A。
15.权利要求8-14任一项的方法，其中所述熔渣包含下列至少一种：23.1％Al2O3；11.2％SiO2；7.1％MnO；23.4％CAF2；11.6％MgO；12.4％CO2；3.5％CaO；1.3％Na2O；2.1％TiO2；1.1％ZrO2；0.8％K2O；0.7％Fe；1.2％Mn；0.5％Si；或其组合。
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