CN110385492A - 多层结构的激光热丝焊接 - Google Patents

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Abstract

所披露的技术总体上涉及焊接，并且更具体地涉及焊接多层结构。在一方面，一种焊接多层金属工件的方法包括提供一对多层工件。每个工件具有基层和包覆层，其中，所述包覆层包含耐腐蚀元素，所述耐腐蚀元素适于抑制铁合金的腐蚀。所述方法还包括使用包含所述耐腐蚀元素的第一填充焊丝并且将第一激光束聚焦在所述包覆层上来形成根部焊道焊珠以连结所述工件的包覆层。所述方法还包括通过电阻加热第二填充焊丝并且将第二激光束引导到所述根部焊道焊珠上来形成一个或多个焊珠以连结所述工件的基层。所述方法使得所述一个或多个焊珠中的耐腐蚀元素的浓度小于所述根部焊道焊珠中的耐腐蚀元素的浓度的50％。

Description

多层结构的激光热丝焊接
发明背景
技术领域
所披露的技术总体上涉及焊接，并且更具体地涉及焊接多层结构。
背景技术
一些经焊接的金属部件(比如管和管道)使用在需要面临相互抵触的技术挑战的环境或条件中。例如，一些管和管道可能用于需要优异的机械性能以及优异的化学性能(例如，高耐腐蚀性)的应用中。一种此类应用是海上油气运输，其中，经焊接的管和管道被设计用于承受高压力以及恶劣的腐蚀环境。然而，由满足一个性能参数的均质材料形成的金属部件可能不满足其他性能参数。对于一些应用，使用由多层结构形成的金属部件来满足相互抵触的技术挑战。然而，使用传统的基于电弧的技术来焊接由多层结构形成的金属工件面临许多挑战，包括性能受损、高成本、可用性和/或需要高度受控的焊接程序。因此，需要一种用于焊接由多层结构形成的金属工件的焊接解决方案。
发明内容
在一方面，一种焊接多层金属工件的方法包括提供一对多层工件。每个工件具有在耐腐蚀层上形成的基层，所述耐腐蚀层包含耐腐蚀元素。所述方法还包括使用包含所述耐腐蚀元素的第一填充焊丝来形成根部焊道焊珠以连结所述工件的耐腐蚀层。所述方法还包括通过电阻加热第二填充焊丝同时将激光束引导到所述根部焊道焊珠上来在所述根部焊道焊珠上形成用于连结基层的一个或多个焊珠以连结所述工件的基层，使得所述一个或多个焊珠之一中的耐腐蚀元素的浓度小于所述根部焊道焊珠中的耐腐蚀元素的浓度的50％。
在另一方面，一种形成焊接接头的方法包括提供一对多层工件，所述一对多层工件各自具有基层和包覆层，所述包覆层包含耐腐蚀元素，所述耐腐蚀元素适于抑制铁合金的腐蚀，并且所述基层包含所述铁合金。所述方法还包括使用包含耐腐蚀元素的第一填充焊丝来由第一焊池形成根部焊道焊珠以连结所述工件的包覆层。所述方法还包括通过电阻加热缓冲填充焊丝同时将激光束引导到所述根部焊道焊珠上来形成缓冲焊珠。所述方法进一步包括使用包含铁合金的第二填充焊丝在所述缓冲焊珠上形成一个或多个焊珠以连结所述工件的基层。
在又一方面，一种焊接件包括一对经焊接的多层工件。所述焊接件包括一对多层工件，所述一对多层工件各自包括包覆层和基层，所述包覆层包含耐腐蚀元素，所述耐腐蚀元素适于抑制铁合金的腐蚀，所述基层包含所述铁合金。所述工件在长度方向上通过焊接接头而串联地连结，其中，所述焊接接头包括：根部焊道焊珠，所述根部焊道焊珠连结所述工件的包覆层、包含所述耐腐蚀元素；以及一个或多个焊珠，所述一个或多个焊珠在所述根部焊道焊珠上、连结所述工件的基层、包含所述铁合金。所述一个或多个焊珠中的耐腐蚀元素的浓度小于所述根部焊道焊珠中的耐腐蚀元素的浓度的50％。
附图说明
图1展示了根据一些实施例的激光热丝焊接系统100，所述激光热丝焊接系统被配置用于焊接多层金属工件。
图2A至图2C展示了根据一些实施例的焊接多层金属工件的不同阶段的中间结构的截面视图。
图2D展示了根据与以上关于图2A至图2C描述的方法类似的方法形成的实验焊接接头的截面显微图像。
图3是流程图，展示了根据实施例的使用激光热丝焊接系统焊接多层金属工件的方法。
图4A至图4C展示了根据实施例的焊接多层金属工件的不同阶段的中间结构的截面视图。
图5A至图5C展示了根据实施例的焊接多层金属工件的不同阶段的中间结构的截面视图。
图6展示了根据与以上关于图4A至图4C描述的方法类似的方法形成的实验焊接接头的截面显微图像。
具体实施方式
一些金属部件(比如管和管道)使用在需要面临相互抵触的技术挑战的环境或条件中。例如，一些管和管道可能用于需要优异的机械性能以及优异的化学性能(例如，高耐腐蚀性)的环境中。然而，满足性能参数之一的合金可能不满足另一性能参数。因此，对于一些应用，可以通过由多层结构形成的金属部件来满足相互抵触的技术挑战。
一种此类应用是海上油气运输，其中，经焊接的管和管道被设计用于承受高压力以及恶劣的腐蚀环境。油气行业的性能需求变得越来越具有挑战性，包括更高的温度、更高的压力、更高的腐蚀和更高的磨损，至少部分是由于在世界剩余石油储量中越来越多的石油输出具有高水平的含硫腐蚀性气体(例如硫化氢(H2S))或CO2的原油。结果是，用于运输此类原油的管道需要提供更高的机械性能、更高的热性能、更高的摩擦学性能和更高的耐腐蚀性能。
为了满足这些相互抵触的需求，一些金属部件(比如管和管道)采用多层结构。例如，除了由铁合金组合物或钢组合物(比如奥氏体和铁素体/马氏体不锈钢或双相不锈钢)形成已提供必要的机械性能的管道主体之外，一些经包覆的管和管道还可以包括内层，所述内层由高度耐腐蚀的合金(CRA)形成、例如由复合高镍铬合金形成，以提供必要的耐腐蚀性。虽然铁合金钢组合物或钢组合物可以包含高强度钢，但在许多情况下，镍合金填充物与高强度钢结合使用并未达到管或管道的期望强度。
可以使用各种各样的技术来连结一些采用多层结构的金属部件(比如管和管道)，所述技术包括例如气体保护钨极电弧焊(GTAW)、表面张力过渡(STT)或使用相对较低热量输入的金属沉积技术。GTAW是指电弧焊接工艺，所述电弧焊接工艺通过使用钨电极(非消耗性)与工件之间的电弧加热金属来产生金属的聚结。STT和使用相对较低热量输入的金属沉积技术是指一种气体保护金属电弧焊(GMAW)、电弧焊接工艺，所述电弧焊接工艺通过使用连续源或金属填充电极与工件之间的电弧加热金属来产生金属的聚结，其中，从外部供应的气体获得保护。不同于标准GMAW，在STT中，控制电流以独立于送丝速度来调节热量，使得电极伸出量的变化不影响热量。不同于标准GMAW，在一些使用相对较低热量输入的金属沉积技术中，数字过程控件检测到短路并且然后通过缩回焊丝来帮助分离液滴。然而，使用基于电弧的技术(比如GTAW、STT、以及一些使用相对较低热量输入的金属沉积技术)来焊接由多层结构形成的金属工件面临许多挑战，包括高成本、低速度、可用性、性能受损和/或需要高度受控的焊接程序。例如，当焊接一些经包覆的管和管道时，使用高镍铬合金基焊丝形成整个焊接接头可能太贵和/或可能导致屈服强度不足的焊接接头，所述管和管道具有由钢组合物形成的管道主体、以及由高镍铬合金CRA形成的包覆层。另一方面，使用钢组合物形成整个焊接接头可能导致耐腐蚀性不足的焊接接头。此外，使用钢组合物形成整个焊接接头可能导致化学元素在CRA层与钢焊接金属层之间不希望的稀释或混合，这可能导致各种问题，例如，所得的焊接接头开裂。因此，需要一种用于焊接由多层结构形成的金属工件的焊接解决方案。
应当理解，虽然本文在焊接的背景下描述了各个实施例，但实施例不限于此。例如，可以在增材制造的背景下应用各个实施例。
图1展示了根据一些实施例的激光热丝焊接系统100，所述激光热丝焊接系统被配置用于焊接多层金属工件。如本文所描述的，激光热丝焊接工艺是指激光束与电阻加热式“热”焊接电极结合使用以形成焊接接头的焊接工艺。系统100包括激光器子系统，所述激光器子系统被配置用于向填充焊丝140和/或工件115提供能量，所述填充焊丝可以是充当金属源的消耗性焊丝，所述激光器子系统包括由激光器电源130供电的激光源120。激光源120被配置用于通过聚焦激光束110来向填充焊丝140和/或工件115提供能量。根据实施例，激光源120被配置用于提供具有足够能量密度的激光束110，以熔化填充焊丝140和/或工件115。在各个实施例中，激光束110可以是例如连续波(CW)、调制式的或脉冲式的，并且可以具有处于可见光谱或近红外光谱中的波长。
在各个实施例中，除了热丝焊接之外，系统100可以被另外配置用于执行以下各项中的一项或多项：等离子弧焊、气体保护钨极电弧焊、气体保护金属电弧焊、药芯焊丝电弧焊、以及埋弧焊。
另外，系统100包括焊丝给送器子系统，所述焊丝给送器子系统被配置用于在使用送丝器150进行焊接的过程中提供(例如，连续提供)填充焊丝140以充当金属源。焊丝给送器子系统被配置用于引导焊接电极140，使得所述焊接电极在激光束110附近与工件115发生接触。
所展示的焊丝给送器子系统进一步包括热丝电源170，所述热丝电源被配置用于在操作过程中向导电管160供电，所述导电管进而提供电流、电压和/或功率以用于电阻加热填充焊丝140。在一些实施例中，热丝焊接电源170是直流(DC)电源，例如，脉冲式DC电源。然而，实施例不限于此，并且在其他实施例中，热丝电源170可以是交流(AC)电源或其他类型的电源。
操作时，填充焊丝140从送丝器150给送并且朝向工件115延伸穿过导电管160。填充焊丝140的延伸部通过由电源170传递的电流、电压和/或功率而被电阻加热，使得延伸部可以在接触工件115之前(例如，在接触工件115上的焊池之前)接近、达到或超过填充焊丝140的熔化温度。如本文所描述的，焊池或熔池是指在熔融金属凝固为焊接金属层或焊珠之前局部体积的熔融金属。激光装置120被配置用于提供激光束110，所述激光束具有足够功率密度以至少部分地使工件115的基础金属熔化而形成焊池、和/或至少部分地使填充焊丝140熔化而在熔化温度或高于熔化温度下形成熔融金属，例如在工件115上形成过热金属。
根据实施例，电源170被配置用于至少提供电阻熔化填充焊丝140和/或形成焊池所需能量中的例如大于50％、大于60％、大于70％、大于80％、大于90％的部分能量，或由这些百分值中的任何值限定的范围内的部分能量。根据实施例，激光装置120和激光器电源130被配置用于至少提供电阻熔化填充焊丝140和/或形成焊池所需能量中的例如大于50％、大于60％、大于70％、大于80％、大于90％的部分能量，或由这些百分值中的任何值限定的范围内的部分能量。可以例如通过使用一个或多个透镜调整激光束110的焦点来控制由激光装置120提供的相对能量值，以增加或减少其强度。根据一些其他实施例，给送器子系统可能能够同时提供一个或多个焊丝。例如，使用例如高镍铬合金的第一焊丝可以用于提供一种功能(例如，焊接接头的耐腐蚀性)，并且使用例如钢基合金的第二焊丝可以用于提供另一种功能(例如，焊接接头的强度或韧性)。
仍然参考图1，系统100进一步包括运动控制子系统，所述运动控制子系统能够移动激光束110和/或填充焊丝140，以加热工件115的局部部分。例如，运动控制子系统可以被配置用于使激光束110在同一方向125上沿工件115移动，使得激光束110和焊丝140在沿同一方向125形成焊接金属的同时保持处于彼此相对固定的关系。根据各个实施例，工件115与激光/焊丝组合之间的相对运动可以通过移动工件115或通过移动激光装置120和热丝给送器子系统来实现。在所展示的实施例中，运动控制子系统可以包括运动控制器180，所述运动控制器可操作地连接至机器人190以控制其运动。机器人190可以进而可操作地连接(例如，以机械方式紧固)至工件115从而使工件115在方向125上移动，使得激光束110和填充焊丝140沿着工件115有效地行进。根据替代性实施例，激光装置110和导电管160可以被整合为单一移动部分，所述移动部分可以通过与其可操作地连接的运动控制子系统沿着工件115移动。
应当理解，存在若干使激光束110和/或焊丝140相对于工件115移动的方法。如果工件是圆形的，例如，激光束110和/或焊丝140可以在工件旋转的同时保持静止。另一方面，如果工件是扁平的，例如，工件115可以在激光束110和/或填充焊丝140下方移动，如图1所展示的。其他配置也是可能的。例如，机器人臂或线性牵引机或安装在梁上的支架可以用于使激光束110和/或填充焊丝140相对于工件115移动。
仍然参考图1，系统100进一步包括控制子系统195，所述控制子系统被配置用于可操作地连接至工件115和导电管160，以在焊接过程中测量和控制各种焊接参数。例如，控制子系统195可以能够测量工件115与热填充焊丝140之间的电压(V)和/或穿过所述工件和热填充焊丝的电流(I)。控制子系统195可以根据测得的电压和电流来计算电阻值(R＝V/I)和/或功率值(P＝V*I)。因此，所获得的各种参数(包括V、I、R、以及P)可以用于推断焊接过程的不同状态。例如，当焊丝140与工件115接触时，测得的焊丝140与工件115之间的电压可能是低的，例如，大致是零伏特，据此，控制子系统195可以确定焊丝140与工件115接触、并且因此可操作地连接至焊丝电源170，以用于控制穿过焊丝140的电流流动。根据一些实施例，运动控制器180可以进一步可操作地连接至激光器电源130和/或控制器195。运动控制器180与激光器电源130可以彼此通信，使得激光器电源130可以确定工件115什么时候正在运动，并且使得运动控制器180可以确定激光装置120是否是启用的。类似地，运动控制器180与感测和电流控制器195可以彼此通信，使得控制器195可以确定工件115什么时候正在运动，并且使得运动控制器180可以确定焊丝给送器子系统是否是启用的。此类通信可以用于协调系统100的不同子系统之间的活动。
图2A至图2C展示了根据一些实施例的焊接多层金属工件的不同阶段的中间结构的截面视图。图2A所展示的中间结构包括待焊接的第一多层工件300A和第二多层工件300B。第一工件300A和第二工件300B各自包括多层结构，所述多层结构包括相应的第一层310A、310B(例如，基层)、以及相应的第二层320A、320B(例如，包覆层)。在一些实施例中，第一多层结构300A和第二多层结构300B可以表示待焊接的经包覆的管道的截面视图。在这些实施例中，第一层310A、310B可以表示待焊接的经包覆的管道的主体，并且第二层320A、320B可以表示经包覆的管道的包覆层。然而，实施例不限于此，并且第一工件300A和第二工件300B可以表示待焊接的多层片材或任何其他待焊接的多层工件的截面视图。在所展示的中间结构中，第一多层工件300A和第二多层工件300B在焊接开始前沿长度方向串联地接触，使得多层工件的对应的第一层310A、310B和第二层320A、320B在待焊接的相应的第一接合区304和第二接合区308彼此抵接。
图2B所展示的中间结构包括已经在第一接合区304和第二接合区308中的一个或两个中形成凹槽330之后的第一多层工件300A和第二多层工件300B。凹槽330可以例如通过从多层工件300A、300B的边缘区中去除第一层310A、310B的至少一部分来形成。在所展示的实施例中，凹槽330完全延伸穿过第一层310A、310B并且在第二接合区308处停止以暴露第二层320A、320B的表面。然而，实施例不限于此，并且在其他实施例中，凹槽330可以部分延伸穿过第一层310A、310B并且在到达第二层320A、320B的表面之前在第一接合区304内停止。在另外的其他实施例中，凹槽330可以延伸穿过第二层320A、320B的表面，部分进入第二层320A、320B并且在到达第二层320A、320B的外表面之前在第二接合区308内停止。
应当理解，虽然为清楚起见未在图2B中示出，在所使用的焊接接头的各种实施方式中，第二层320A、320B的根部面可以以这样的方式倾斜，即使得根部焊道焊珠可以穿透根部面(有时被称为封闭式根部配置)或在根部面上桥接(有时被称为开放式根部配置)。技术人员应当理解，基于各种根部制备提供的特定优势，许多不同的倾斜设计可以用于适合不同的应用。
图2C展示了在第一接合区304和第二接合区308处由多个焊接金属层或焊珠312-1、312-2、…312-n形成焊接接头之后的第一多层工件300A和第二多层工件300B。可以使用焊丝利用各种各样的技术来形成所述多个焊接金属层或焊珠312-1、312-2、…312-n，所述技术包括例如气体保护钨极电弧焊(GTAW)、表面张力过渡(STT)或使用相对较低热量输入的金属沉积技术。然而，如上所述，使用基于电弧技术形成的焊接接头可能机械性能不足和/或价格昂贵。例如，当工件300A和300B是用耐腐蚀合金包覆的钢管道并且焊接接头是使用钢基焊丝形成的时，所得的焊接接头可能具有不足的耐腐蚀性和/或由于例如将(多个)耐腐蚀元素从包覆层结合到焊接金属层或焊珠中而具有不足的机械性能(例如，屈服强度低)。另一方面，使用具有耐腐蚀合金的焊丝形成所有焊接金属层312-1、312-2、…312-n可能不具有成本效益。因此，根据本文所描述的各个实施例，包括焊接金属层312-1、312-2、…312-n的焊接接头使用热丝激光焊接工艺形成，以控制并限制化学元素混合到焊接金属层312-1、312-2、…312-n中或在其之间的量。因此，根据本文所描述的一个或多个实施例，焊接金属层312-1、312-2、…312-n中的一个或多个焊接金属层使用热丝激光焊接工艺形成，以控制并限制化学元素混合到焊接金属层312-1、312-2、…312-n中或在其之间的量。根据实施例形成的所述多个焊接金属层或焊珠包括在凹槽的底部形成的根部焊道焊接金属层312-1、以及在根部焊道焊接金属层312-1上形成的一个或多个附加焊接金属层312-2、312-3、…312-n，其中，通过在电阻加热或熔化一个或多个填充焊丝(图1中的140)期间控制电功率并且在将激光束(图1中的110)聚焦在(多个)填充焊丝和/或工件上期间控制光学功率来控制焊接金属层312-1、312-2、…312-n的组合物。
图2D展示了根据与以上关于图2A至图2C描述的方法类似的方法形成的实验焊接接头的截面显微图像300，不同之处在于截面图像300是通过使用由钢组合物形成的填充焊丝来连结由类似的钢组合物形成的单层工件而形成的焊接接头的截面图像。诸位发明人已经发现，虽然使用单一焊丝形成连结单层工件的焊接接头(类似于图2D中所展示的焊接接头)的热丝焊接可以产生高品质的焊接接头，但对于连结多层工件，由于本文所述的各种原因，使用不同的焊丝形成不同的焊接金属层312-1、312-2、…312-n也可以是有利的。
图3是流程图，展示了根据实施例的使用多于一个的焊丝来焊接多层金属工件的方法350。方法350包括提供360一对多层工件，类似于以上关于图2A描述的第一工件300A和第二工件300B。每个工件均具有外层和内层，类似于以上关于图2A描述的第一层310A、310B和第二层320A、320B。在所展示的实施例中，内层包含耐腐蚀元素。在所展示的实施例中，提供360所述一对多层工件包括使第一工件300A和第二工件300B沿长度方向串联地接触，使得多层工件的对应层在待焊接的接合区(例如，图2A至图2C中的接合区304、308)彼此抵接。方法350还包括在接合区通过以类似于以上关于图2B描述的方式去除每个多层工件的外层的至少一部分来形成凹槽。此后，方法350前进到通过电阻加热包含耐腐蚀元素的第一填充焊丝同时将第一激光束聚焦在内层上来形成370根部焊道焊接金属层，以连结工件的内层。如本文所描述的，耐腐蚀元素是指某一化学元素，所述化学元素当作为合金组合物的一部分以本文所描述的浓度存在时，与不存在所述浓度的化学元素的合金组合物相比，可以提高耐腐蚀性。例如，取决于合金组合物，耐腐蚀化学元素可以包含Cr、Co、Ni、Mn、Mo、Nb、Ta和Ti等元素中的一者或多者。
根部焊道焊接金属层(例如，图2C中的焊接金属层312-1)包含诸如Ni和/或Cr等耐腐蚀元素，并且通过电阻加热(例如，电阻熔化)第一填充焊丝同时将第一激光束聚焦在凹槽中(例如，在凹槽的底部)在第二层320A、320B上以形成焊池而在凹槽的底部形成所述根部焊道焊接金属层。在形成根部焊道焊接金属层之后，方法350前进到通过电阻加热(例如，电阻熔化)第二填充焊丝同时将第二激光束聚焦在凹槽中(例如，在根部焊道焊接金属处)来在根部焊道焊接金属上形成380一个或多个焊接金属层(焊接金属层312-2、312-3、…312-n)，例如，包含钢组合物的焊接金属层。所述方法配置第二填充焊丝，第二功率和第二激光束使得根部焊道焊接金属层312-1和/或第二层320A、320B中存在的比如耐腐蚀元素等化学元素以相对于根部焊道焊接金属层312-1小于50％的浓度结合到(多个)后续焊接金属层(焊接金属层312-2、312-3、…312-n)中。
图4A至图4C展示了根据一些其他实施例的焊接多层金属工件的不同阶段的中间结构的截面视图。图4A所展示的中间结构包括在已经以以上关于图2B描述的类似方式形成凹槽430之后并且在通过电阻加热或熔化第一填充焊丝440同时将具有第一强度的第一激光束450聚焦在凹槽中(例如，在凹槽430的底部)在第二层420A、420B上以形成根部焊道焊池而在凹槽430的底部形成根部焊道焊接金属层412(包括第一浓度的耐腐蚀元素)期间或之后的第一多层工件400A和第二多层工件400B。
在第一多层结构400A和第二多层结构400B表示经包覆的管道的多层壁的截面视图的实施例中，第一层410A、410B可以表示经包覆的管道的主体或基层。在一些其他实施例中，第一层410A、410B可以具有碳钢组合物。碳钢组合物的非限制性实例包含Fe和以下各者中的一者或多者：浓度在约0.01wt％与约0.5wt％之间的C、浓度在约0.1wt％与约1.5wt％之间的Si、浓度在约0.5wt％与约5wt％之间的Mn、浓度在约0.001wt％与约0.05wt％之间的S、浓度在约0.001wt％与约0.05wt％之间的P、浓度在约0.01wt％与约0.5wt％之间的Ti、浓度在约0.01wt％与约0.5wt％之间的Zr、浓度在约0.01wt％与约0.5wt％之间的Al以及浓度在约0.1wt％与约1wt％之间的Cu。
在一些其他实施例中，第一层410A、410B可以具有低碳钢组合物。一些非限制性实例包括具有浓度小于约0.10wt％的C和浓度最高达约0.4wt％的Mn的组合物、以及具有浓度小于约0.30wt％的C和浓度最高达约1.5wt％的Mn的组合物。
在一些其他实施例中，第一层410A、410B可以具有低合金钢组合物。为了提供一些非限制性示例性组合物，低合金钢组合物包含Fe和以下各者中的一者或多者：浓度在约0.01wt％与约0.5wt％之间的C、浓度在约0.1wt％与约1.0wt％之间的Si、浓度在约0.5wt％与约5wt％之间的Mn、浓度在约0.001wt％与约0.05wt％之间的S、浓度在约0.001wt％与约0.05wt％之间的P、浓度在约0.01wt％与约5wt％之间的Ni、浓度在约0.1wt％与约0.5wt％之间的Cr、浓度在约0.1wt％与约1wt％之间的Mo、浓度在约0.001wt％与约0.1wt％之间的V、浓度在约0.01wt％与约0.5wt％之间的Ti、浓度在约0.01wt％与约0.5wt％之间的Zr、浓度在约0.01wt％与约0.5wt％之间的Al以及浓度在约0.1wt％与约1wt％之间的Cu。
在一些其他实施例中，第一层410A、410B可以具有不锈钢组合物。为了提供一些非限制性示例性组合物，不锈钢组合物典型地包含Fe和以下各者中的一者或多者：浓度在约0.01wt％与约1wt％之间的C、浓度在约0.1wt％与约5.0wt％之间的Si、浓度在约10wt％与约30wt％之间的Cr、浓度在约0.1wt％与约40wt％之间的Ni、浓度在约0.1wt％与约10wt％之间的Mn、浓度在约0.001wt％与约0.05wt％之间的S以及浓度在约0.001wt％与约0.05wt％之间的P。在一些实施例中，第二层420A、420B(例如，包覆层)可以具有耐腐蚀合金(CRA)组合物。在第一多层结构400A和第二多层结构400B表示经包覆的管道的多层壁的截面视图的实施例中，第二层420A、420B可以表示经包覆的管道的包覆层。例如，在一些实施例中，第二层420A、420B包括耐腐蚀元素的组合，所述耐腐蚀元素包括以下各者中的一者或多者：浓度大于约40％、大于约45wt％、大于约50wt％、大于约55wt％、大于约60wt％、大于约65wt％、大于约70wt％、大于约75wt％、大于约80wt％，或浓度在由这些值中的任何值所限定的范围内的Ni；浓度在约1wt％与约40wt％之间、在约5wt％与约35wt％之间、在约10wt％与约30wt％之间、在约15wt％与约25wt％之间、在约20wt％与约23wt％之间，或浓度在由这些值中的任何值所限定的范围内的Cr；浓度小于10wt％、小于8wt％、小于6wt％、小于2wt％，或浓度在由这些值中的任何值所限定的范围内的Fe；浓度在约1wt％与约25wt％之间、在约2wt％与约20wt％之间、在约4wt％与约15wt％之间、在约6wt％与约12wt％之间、在约8wt％与约10wt％之间，或浓度在由这些值中的任何值所限定的范围内的Mo；浓度在约1.0wt％与约6.5wt％之间、在约1.5wt％与约6.0wt％之间、在约2.0wt％与约5.5wt％之间、在约2.5wt％与约5.0wt％之间、在约3.0wt％与约4.5wt％之间，或浓度在由这些值中的任何值所限定的范围内的Nb和/或Ta；以及浓度小于1wt％、小于0.8wt％、小于0.6wt％、小于0.4wt％、小于0.2wt％、小于0.1wt％、小于0.05wt％，或浓度在由这些值中的任何值所限定的范围内的C、Mn、Si、P、S、Al、Ti和Co中的一者或多者。
在一些其他实施例中，第二层420A、420B可以具有不锈钢组合物。为了提供一些非限制性示例性组合物，不锈钢组合物典型地包含Fe和以下各者中的一者或多者：浓度在约0.01wt％与约1wt％之间的C、浓度在约0.1wt％与约5.0wt％之间的Si、浓度在约10wt％与约30wt％之间的Cr、浓度在约0.1wt％与约40wt％之间的Ni、浓度在约0.1wt％与约10wt％之间的Mn、浓度在约0.001wt％与约0.05wt％之间的S以及浓度在约0.001wt％与约0.05wt％之间的P。在各个实施例中，第一层410A、410B的厚度可以大于约10mm、大于约20mm、大于约30mm、大于约40mm、大于约50mm、大于约60mm，或在由这些值中的任何值所限定的范围内。
在各个实施例中，第二层420A、420B的厚度可以小于约15mm、小于约10mm、小于约5mm、小于约4mm、小于约3mm、小于约2mm，或在由这些值中的任何值所限定的范围内。
在第一多层工件400A和第二多层工件400B表示经包覆的管道或管的实施例中，它们的外直径可以在2”至48”的范围之内或之外。
仍然参考图4A，在所展示的焊接阶段，通过电阻加热第一填充焊丝440同时将具有第一强度的第一激光束450聚焦在凹槽中(例如在凹槽430的底部)或在第二层420A、420B上以形成焊池而在凹槽中(例如在凹槽430的底部)形成根部焊道焊接金属层412，所述根部焊道焊接金属层具有第一浓度的耐腐蚀元素(例如，Cr和/或Ni)。
在所展示的实施例中，第一填充焊丝440可以具有与以上关于第二层420A、420B描述的相类似的耐腐蚀合金组合物。在不同实施例中，第一填充焊丝440可以具有与第二层420A、420B的耐腐蚀合金组合物相差很大的耐腐蚀合金组合物。
根部焊道焊池可以由熔融的第一填充焊丝440和熔融的第二层420A、420B中的一者或两者形成，根部焊道金属层412可以由所述根部焊道焊池形成。在一些实施例中，第一激光功率的第一激光束450足以形成焊池的至少一部分。即第一激光束450可以足以至少熔化第二层420A、420B的表面，和/或至少熔化第一填充焊丝440的末端部分。在一些其他实施例中，以第一电阻加热功率电阻加热第一填充焊丝440可以足以形成焊池的至少一部分。即，电阻加热第一填充焊丝440可以足以至少熔化其末端区域和/或至少熔化第二层420A、420B的表面。在一些情况下，至少电阻加热第一填充焊丝440的末端区域可以提供足够的热量以形成处于比第一填充焊丝440的熔化温度更高的温度下的过热液体，所述过热液体进而可以在沉积在第二层420A、420B上时至少熔化其表面区域。在一些其他实施例中，第一激光束450、以及电阻加热第一填充焊丝440的组合提供足够的能量，以基于任何上述机理形成焊池。在各个实施例中，将第一激光束450聚焦在凹槽430的底部，以具有第一激光功率密度或第一激光强度，使得第二层420A、420B的至少表面部分在第二接合区408处熔化以形成焊池，在第二接合区408处所述焊池至少部分延伸到第二层420A、420B的厚度中。例如，第一激光强度可以足以至少部分地使第二层420A、420B的至少表面部分达到接近或超过第二层420A、420B的熔化温度的温度，所述第一激光强度取决于各种各样的因素，比如波形(例如，连续波与脉冲)、波长、以及光点尺寸。例如，第一激光强度可以至少部分地使第二层420A、420B的至少表面部分达到以下温度：超过1000℃、超过1100℃、超过1200℃、超过1300℃、超过1400℃、超过1500℃、超过1600℃，或在由这些值中的任何值所限定的范围内。在一些实施例中，第一激光束450的第一强度足以至少部分地使焊池和所得的根部焊道焊接金属层412穿透第二层420A、420B的整个厚度。在一些其他实施例中，第一激光束450的第一强度使得焊池和所得的根部焊道焊接金属层412穿透小于第二层420A、420B的整个厚度。
在各个实施例中，以第一电阻加热功率电阻加热第一填充焊丝440，以至少部分地使第一填充焊丝440的接触焊池或凹槽430的底部表面的至少末端区域达到接近或超过第一填充焊丝440的熔化温度的温度。例如，第一电阻加热功率可以足以至少部分地使第一填充焊丝440的末端区域达到以下温度：超过1000℃、超过1100℃、超过1200℃、超过1300℃、超过1400℃、超过1500℃、超过1600℃，或在由这些值中的任何值所限定的范围内，所述第一电阻加热功率取决于各种各样的因素，比如第一焊接电极440的电阻、以及第一焊接电极440与焊池或凹槽的底部表面之间的接触电阻。
因此形成的根部焊道焊接金属层412具有由第一焊丝440与第二层420A、420B的混合物形成的组合物，并且可以具有与第二层420A、420B和第一填充焊丝440的组合物类似的组合物。
图4B所展示的中间结构包括在通过电阻加热或熔化与第一电极440不同的第二填充焊丝470同时将具有第二激光束460的第二强度(与第一激光束450的第一强度不同)聚焦在凹槽430中、例如在根部焊道焊接金属412处来在凹槽430中、在根部焊道焊接金属层412上形成一个或多个焊接金属层416-1、416-2、…416-n中的第一焊接金属层416-1期间或之后的第一多层工件400A和第二多层工件400B。包括根部焊道焊接金属层412、第一填充焊丝440和第二填充焊丝470、第一层410A、410B、第二激光束460、第二激光束460的第二强度、以及用于电阻熔化第二填充焊丝470的第二功率在内的各个参数使得一个或多个焊接金属层416-1、416-2、…416-n结合浓度小于根部焊道焊接金属层412中的耐腐蚀元素的第一浓度的50％的耐腐蚀元素。
第一焊池可以由熔融的根部焊道焊接金属层412、熔融的第二填充焊丝470、以及熔融的第一层410A、410B中的一者或两者形成，第一焊接金属层416-1由所述第一焊池形成。在一些实施例中，第二激光功率的第二激光束460足以形成焊池的至少一部分。即，第二激光束460可以足以至少熔化根部焊道焊接金属层416-1、第一层420A、420B的表面，和/或至少熔化第二填充焊丝470的末端部分。在一些其他实施例中，以第二电阻加热功率电阻加热第二填充焊丝470可以足以形成焊池的至少一部分。即，电阻加热第二填充焊丝470可以足以至少熔化其末端部分和/或至少熔化根部焊道焊接金属层412和/或第一层410A、410B的表面。在一些情况下，至少电阻加热第二填充焊丝470的末端区域可以提供足够的热量以形成处于比熔化温度更高的温度下的过热液体，所述过热液体进而可以在沉积在根部焊道焊接金属层412和/或第一层410A、410B上时至少熔化其表面区域。在一些其他实施例中，第二激光束460、以及电阻加热第二填充焊丝470的组合提供足够的能量，以基于任何上述机理形成焊池。
根据实施例，第二填充焊丝470具有不同于第一填充焊丝440的组合物。例如，第二填充焊丝470可以具有与以上关于第一层410A、410B描述的钢组合物类似的钢组合物之一。在不同实施例中，第二填充焊丝470可以具有与上述第一层410A、410B的钢组合物相差很大的钢组合物。
根据实施例，第二激光束460具有第二激光功率密度，所述第二激光功率密度低于上述第一激光束450的第一激光功率密度，使得根部焊道焊接金属层412、第一层410A、410B、和/或第二填充焊丝470的熔化量少于在形成根部焊道焊接金属层412期间在第一激光束450的第一激光功率下第二层420A、420B、以及第一填充焊丝440的熔化量。在各个实施例中，第二激光束460的功率密度与第一激光束450的功率密度的比率可以小于0.5、小于0.2、小于0.1、小于0.05、小于0.02、小于0.01，或在由这些值中的任何值所限定的范围内。例如，在第一激光束450和第二激光束460是CW激光束的情况下，功率密度的比率可以至少部分地由能量密度的比率产生。在这些实施例中，第二激光束460的能量密度与第一激光束450的能量密度的比率可以小于0.5、小于0.2、小于0.1，或在由这些值中的任何值所限定的范围内。然而，例如，在第一激光束450和第二激光束460是脉冲激光束的情况下，实施例不限于此，并且功率密度的比率可以至少部分地由脉冲持续时间的比率产生。
根据实施例，用于电阻加热第二焊丝470的第二电阻加热功率低于用于电阻加热第一焊接电极440的第一电阻加热功率，使得根部焊道焊接金属层412、第一层410A、410B、和/或第二填充焊丝470的熔化量少于在第一焊接电极440的第一电阻加热功率下第二层420A、420B、以及第一填充焊丝440的熔化量。在各个实施例中，用于电阻加热第二焊丝470的第二电阻加热功率与用于电阻加热第一焊丝440的第一电阻加热功率的比率可以小于0.5、小于0.2、小于0.1，或在由这些值中的任何值所限定的范围内。例如，在用于加热第一焊丝440和第二焊丝470的第一电流和第二电流是DC电流的情况下，功率密度的比率可以由能量密度的比率产生。在这些实施例中，第二电阻加热功率的能量密度与第一电阻加热功率的能量密度的比率可以小于0.5、小于0.2、小于0.1，或在由这些值中的任何值所限定的范围内。然而，例如，在第一电阻加热功率和第二电阻加热功率是由脉冲电压或电流产生的情况下，实施例不限于此，并且功率密度的比率可以由脉冲持续时间的比率产生。
第二激光强度可以足以至少部分地使根部焊道金属层412和/或第一层410A、410B的至少表面部分达到接近或超过第一层410A、410B的熔化温度的温度，所述第二激光强度取决于各种各样的因素，比如波形(例如，连续波与脉冲)、波长、以及光点尺寸。例如，第二激光强度可以至少部分地使第二层420A、420B的至少表面部分达到以下温度：超过800℃、超过900℃、超过1000℃、超过1100℃、超过1200℃、超过1300℃、超过1400℃、超过1500℃，或在由这些值中的任何值所限定的范围内。
在一些实施例中，第一激光束450的第一强度足以至少部分地使焊池和所得的根部焊道焊接金属层412穿透第二层420A、420B的整个厚度。在一些其他实施例中，第一激光束450的第一强度使得焊池和所得的根部焊道焊接金属层412穿透小于第二层420A、420B的整个厚度。
在各个实施例中，以第二电阻加热功率电阻加热第二填充焊丝470，以至少部分地使第二填充焊丝470的接触根部焊道焊接金属层412或凹槽430的底部表面的至少末端区域达到接近或超过第二填充焊丝470的熔化温度的温度。例如，第二电阻加热功率可以足以至少部分地使第二填充焊丝470的末端区域达到以下温度：超过800℃、超过900℃、超过1000℃、超过1100℃、超过1200℃、超过1300℃、超过1400℃、超过1500℃，或在由这些值中的任何值所限定的范围内，所述第一电阻加热功率取决于各种各样的因素，比如焊接电极440的电阻、以及第二焊接电极470与焊池或凹槽的底部表面之间的接触电阻。
根据实施例，第一激光束450的第一激光功率、第二激光束460的第二激光功率、第一填充焊丝440的第一电阻加热功率、以及第二填充焊丝470的第二电阻加热功率使得形成第一焊接金属层416-1的第一焊池的温度可以低于形成根部焊道焊接金属层412的根部焊道焊池的温度，其温差超过100℃、超过200℃、超过300℃、超过400℃、超过500℃℃，或在由这些值中的任何值所限定的范围内。
因此形成的第一焊接金属层416-1具有由第二焊丝470、第一层410A、410B、和/或根部焊道焊接金属层412的混合物形成的组合物，并且可以具有与第二焊丝470和/或第一层410A、410B的组合物类似的组合物。有利地，根据本文所描述的方法，将根部焊道焊接金属层412的化学元素结合到第一焊接金属层416-1中受到与由根部焊道焊池达到的温度相比由第一焊池达到的更低温度等控制或限制。有利地，在各个实施例中，相对于根部焊道焊接金属层412中的各种化学元素浓度，第一焊接金属层416-1所结合的上述根部焊道焊接层412的各种化学元素(例如，耐腐蚀元素)的浓度小于50wt％、小于40wt％、小于30wt％、小于20wt％、小于10wt％、小于5wt％、小于1wt％，或浓度在由这些值中的任何值所限定的范围内。在各个实施例中，第一焊接金属层416-1单独地或组合地结合根部焊道焊接金属层412中存在的以下浓度的耐腐蚀元素(例如，Cr、Ni、Mo、Nb或Ta)：浓度小于20wt％、小于15wt％、小于10wt％、小于5wt％、小于2wt％、小于1wt％，或浓度在由这些值中的任何值所限定的范围内。除了其他优点，对根部焊道焊接金属层412的化学元素到第一焊接金属层416-1中的结合进行控制或限制还防止了所得的焊接接头的某些性质退化，包括开裂。
图4C所展示的中间结构包括在凹槽430中、在第一焊接金属层416-1上形成所述一个或多个焊接金属层416-1、416-2、…416-n中的另外焊接金属层416-2、416-3、…416-n期间或之后的第一多层工件400A和第二多层工件400B。根据一些实施例，可以以类似于上述第一焊接金属层416-1的方式通过以类似的电阻加热功率进一步电阻熔化第二填充焊丝470同时以类似的激光强度聚焦第二激光束460来形成一个或多个焊接金属层416-1、416-2…416-n中的另外焊接金属层416-2、416-3、…416-n。然而，实施例不限于此，并且在其他实施例中，可以使用不同的填充焊丝、不同的电阻加热功率和/或不同的激光功率来形成所述一个或多个焊接金属层416-1、416-2、…416-n中的另外焊接金属层416-2、416-3、…416-n。在另外一些其他实施例中，可以使用诸如气体保护金属电弧焊(GMAW)等其他焊接技术形成所述一个或多个焊接金属层416-1、416-2、…416-n中的另外焊接金属层416-2、416-3、…416-n。
根据各个实施例，第二激光束460的强热量足以由第二填充焊丝460产生焊池，同时通过周围材料以足够快的速率从所得的焊池带走热量，使得大大减少或防止下面的焊珠的穿透。应当理解，激光尤其适合于这种效果。因此，根据以上关于图4A至图4C描述的实施例，通过控制电阻加热第二填充焊丝470期间的电阻加热功率、以及激光功率密度，可以大大减少根部焊道焊接金属层412的某些化学元素(例如，耐腐蚀元素)结合到所述一个或多个焊接金属层416-1、416-2、…416-n中。
在一些实施例中，可以通过在根部焊道焊接金属层412与所述一个或多个焊接金属层416-1、416-2、…416-n之间插入缓冲焊接金属层来进一步抑制根部焊道焊接金属层412的某些化学元素结合到所述一个或多个焊接金属层416-1、416-2、…416-n中，如下文中描述的那样。
图5A至图5C展示了根据一些其他实施例的焊接多层金属工件的不同阶段的中间结构的截面视图。图5A所展示的中间结构包括在已经形成凹槽430之后并且在以以上关于图4A描述的类似方式且使用类似材料、通过电阻加热或熔化第一填充焊丝440并且将具有第一强度的第一激光束450聚焦在凹槽430中(例如，在凹槽430的底部)以形成根部焊道焊池而在凹槽430中(例如，在凹槽430的底部)形成根部焊道焊接金属层412(包括第一浓度的耐腐蚀元素)期间或之后的第一多层工件500A和第二多层工件500B。
因此，参考图5B，不同于以上关于图4B和图4C展示的实施例，在凹槽430中形成一个或多个焊接金属层416-1、416-2、…416-n之前，在根部焊道焊接金属412上形成缓冲焊接金属层414。可以使用第三填充焊丝490形成缓冲焊接金属层414，所述第三填充焊丝不同于以上关于图4A至图4C描述的第一填充焊丝440和第二填充焊丝470。在一些实施例中，第三填充焊丝490所具有的组合物使得由其形成的缓冲焊接金属层414充当稀释层、扩散缓冲层或扩散阻挡层，以抑制在根部焊道焊接金属层412中存在的一种或多种化学元素(例如，耐腐蚀元素)随后结合到在其上形成的一个或多个焊接金属层416-1、416-2、…416-n(图5C)中。为了提供这个功能，相对于用于形成根部焊道焊接金属层412的第一填充焊丝440，根据实施例的第三填充焊丝490所具有的(多种)化学元素中的一种或多种化学元素的浓度低得多，例如，小于50％、小于30％、小于10％、小于5％、小于2％、小于1％、基本上为0％，或在由这些值中的任何值所限定的范围内)，缓冲焊接金属层414充当所述化学元素的扩散缓冲层或扩散阻挡层。另外或替代性地，相对于根部焊道焊接金属层412，根据实施例的缓冲焊接金属层414所具有的(多种)化学元素中的一种或多种化学元素的浓度低得多，例如，小于50％、小于30％、小于10％、小于5％、小于2％、小于1％、基本上为0％，或在由这些值中的任何值所限定的范围内，缓冲焊接金属层414充当所述化学元素的扩散缓冲层或扩散阻挡层。例如，当缓冲焊接金属层414充当根部焊道焊接金属层412中的Cr的扩散缓冲层或扩散阻挡层，并且第一填充焊丝440或根部焊道焊接金属层412具有浓度为约20wt％或更高的Cr时，第三填充焊丝490具有浓度小于10wt％、小于5wt％、小于2wt％、小于1wt％、小于0.4wt％、小于0.2wt％、基本上为0wt％、或浓度在由这些值中的任何值所限定的范围内的Cr。
在一些实施例中，使用第三填充焊丝490形成缓冲焊接金属层414，所述第三填充焊丝包括元素的组合，所述元素包括以下各者中的一者或多者：浓度大于第二层420A、420B的浓度并大于第二填充焊丝470(图4B、4C)的浓度，例如大于约55％、大于约60wt％、大于约65wt％、大于约70wt％、大于约75wt％、大于约80wt％、大于约85wt％、大于约90wt％、大于约95wt％，或浓度在由这些值中的任何值所限定的范围内的Ni；浓度在约0.01wt％与约5.5wt％之间、在约0.5wt％与约5wt％之间、在约1wt％与约4.5wt％之间、在约1.5wt％与约4wt％之间、在约2wt％与约3.5wt％之间，或浓度在由这些值中的任何值所限定的范围内的Ti；浓度小于2.5wt％、小于2.0wt％、小于1.5wt％、小于1.0wt％，或浓度在由这些值中的任何值所限定的范围内的Al；浓度小于2wt％、小于1.5wt％、小于1.0wt％、小于0.5wt％，或浓度在由这些值中的任何值所限定的范围内的Fe和Mn中的每一者；以及浓度小于1wt％、小于0.8wt％、小于0.6wt％、小于0.4wt％、小于0.2wt％、小于0.1wt％、小于0.05wt％，或浓度在由这些值中的任何值所限定的范围内的C、P、S、Si和Cu中的一者或多者。
在一些实施例中，可以通过使用第三电阻加热功率电阻熔化第三填充焊丝490来形成缓冲焊接金属层414，所述第三电阻加热功率类似于或不同于用于熔化第一填充焊丝440以形成根部焊道焊接金属412的第一电阻加热功率，并且类似于或不同于用于熔化第二填充焊丝440以形成后续的一个或多个焊接金属层416-1、416-2、…416-n(图5C)的第二电阻加热功率。
此外，可以通过电阻熔化第三填充焊丝490同时聚焦具有第三强度的第三激光束480来形成缓冲焊接金属层414，所述第三强度类似于或不同于用于形成根部焊道焊接金属412的第一激光束450的第一强度，并且类似于或不同于用于形成后续的一个或多个焊接金属层416-1、416-2、…416-n(图5C)的第二激光束460的第二强度。
在一些实施例中，第三激光束480和用于加热第三填充焊丝490的第三电阻加热功率可以分别类似于第二激光束460和用于加热第二填充焊丝470的第二电阻加热功率。例如，在一些实施例中，类似于第二激光束460，第三激光束490具有低于上述第一激光束450的第一激光功率密度的第三激光功率密度，类似于第二激光束460，使得在形成缓冲金属层414期间根部焊道焊接金属层412、第一层510A、510B、和/或第三填充焊丝490的熔化量少于在形成根部焊道焊接金属层412期间在第一激光束450下第二层520A、520B、以及第一填充焊丝440的熔化量。类似地，在一些实施例中，用于电阻加热第三焊接电极490的第三电阻加热功率低于用于电阻加热第一焊接电极440的第一电阻加热功率，使得在形成缓冲金属层414期间根部焊道焊接金属层412、第一层510A、510B、和/或第三填充焊丝490的熔化量少于在形成根部焊道焊接金属层412期间在第一焊接电极440的第一电阻加热功率下第二层520A、520B、以及第一填充焊丝440的熔化量。
图5C所展示的中间结构包括在凹槽430中、在缓冲焊接金属层414上形成一个或多个焊接金属层416-1、416-2、…416-n期间或之后的第一多层工件400A和第二多层工件400B。根据实施例，可以以以上关于图4B和图4C描述的类似方式通过电阻熔化第二填充焊丝470同时聚焦第二激光束460来形成所述一个或多个焊接金属层416-1、416-2、…416-n。然而，实施例不限于此，并且在其他实施例中，可以使用不同的填充焊丝、不同的电阻加热功率和/或不同的激光功率来形成所述一个或多个焊接金属层416-1、416-2、…416-n。在另外一些其他实施例中，可以使用诸如气体保护金属电弧焊(GMAW)等其他焊接技术形成所述一个或多个焊接金属层416-1、416-2、…416-n。
因此形成的所述一个或多个焊接金属层416-1、416-2、…416-n具有与第二填充焊丝470、第一层510A、510B、以及缓冲焊接金属层414的混合物相对应的组合物，同时有利地控制或限制化学元素从根部焊道焊接金属层412结合到其中，使得相对于根部焊道焊接金属层412中的某些化学元素浓度，所述一个或多个焊接金属层416-1、416-2…416-n所结合的上述根部焊道焊接金属层412的某些化学元素(例如，耐腐蚀元素)的浓度小于50wt％、小于40wt％、小于30wt％、小于20wt％、小于10wt％、小于5wt％、小于1wt％，或浓度在由这些值中的任何值所限定的范围内。
应当理解，根据本文所描述的各个实施例，如上所述，激光与电阻加热结合使用可以形成根部焊道焊接金属层412、缓冲焊接金属层414、以及所述一个或多个焊接金属层416-1、416-2、…416-n中的一者或多者，而使用其他工艺形成根部焊道焊接金属层412、缓冲焊接金属层414、以及所述一个或多个焊接金属层416-1、416-2、…416-n中的其他部分。例如，可以通过电阻加热缓冲填充焊丝同时将激光束引导到根部焊道焊接金属层上来形成缓冲焊接金属层414，而使用其他工艺形成根部焊道焊接金属层412和所述一个或多个焊接金属层416-1、416-2、…416-n。在一些实施例中，其他工艺可以采用或可以不采用激光和/或电阻加热，并且可以采用或可以不采用等离子弧。仅举数例，所述其他工艺的实例可以包括例如气体保护金属电弧焊(GMAW)、药芯焊丝电弧焊(FCAW)、等离子弧焊(PAW)、混合激光电弧焊(HLAW)、受保护金属电弧焊(SMAW)、以及埋弧焊(SAW)。
图6展示了根据与以上关于图4A至图4C描述的方法类似的一种方法形成实验焊接接头的截面显微图像600，不同之处在于，出于展示性目的，在所展示的工件中，在第一层510中、在相对较厚的第二层520上已经形成凹槽。截面图像600展示了焊接接头，在所述焊接接头中在凹槽的底部形成根部焊道焊接金属层412，随后是多个焊接金属层416-1、416-2、…416-n。
虽然本文已经描述了某些实施例，但是这些实施例仅通过举例的方式呈现，并且并不旨在限制本披露范围。实际上，本文所述的新颖装置、方法和系统可以以各种其他形式来实施；此外，在不背离本披露精神的情况下，可以对本文所述方法和系统的形式进行各种省略、替换和改变。上述各个实施例的要素和作用的任何合适的组合可以被组合以提供另外的实施例。所附权利要求及其等效物旨在覆盖如将落在本披露的范围和精神内的此类形式或修改。

Claims (22)

1.一种焊接多层金属工件的方法，所述方法包括：
提供一对多层工件，所述一对多层工件各自具有在包覆层上形成的基层，所述包覆层包含耐腐蚀元素；
使用包含所述耐腐蚀元素的第一填充焊丝来形成根部焊道焊珠以连结所述工件的包覆层；以及
通过电阻加热第二填充焊丝同时将激光束引导到所述根部焊道焊珠上来在所述根部焊道焊珠上形成一个或多个焊珠以连结所述工件的基层，使得所述一个或多个焊珠中的至少一个焊珠中的耐腐蚀元素的浓度小于所述根部焊道焊珠中的耐腐蚀元素的浓度的50％。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述耐腐蚀元素包含铬。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述一个或多个焊珠包含铁或铁合金。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述多层工件是经包覆的管道，所述经包覆的管道具有被外层包围的内层，其中，所述内层是包含所述耐腐蚀层的所述包覆层，并且其中，所述外层是包括所述基层的管道基壁。
5.如权利要求1所述的方法，其中，形成所述根部焊道焊珠包括在将第一激光束引导到所述包覆层上的同时电阻加热所述第一填充焊丝。
6.如权利要求5所述的方法，其中，引导到所述根部焊道焊珠上的所述激光束相对于引导在所述包覆层的所述第一激光束具有更低的强度。
7.如权利要求5所述的方法，其中，相对于所述第一填充焊丝，所述第二填充焊丝以更低的功率电阻进行加热。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述根部焊道焊珠穿透所述多层工件中的每一个多层工件的包覆层的整个厚度。
9.如权利要求1所述的方法，进一步包括在所述根部焊道焊珠与所述一个或多个焊珠之间形成缓冲焊珠。
10.如权利要求9所述的方法，其中，通过电阻加热缓冲填充焊丝同时将第三激光束引导到所述根部焊道焊珠上来形成所述缓冲焊珠，其中，所述缓冲填充焊丝具有与所述第一填充焊丝和所述第二填充焊丝不同的组合物。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述缓冲填充焊丝包含浓度大于90wt％的镍。
12.一种形成焊接接头的方法，所述方法包括：
提供一对多层工件，所述一对多层工件各自具有基层和包覆层，所述包覆层包含耐腐蚀元素，并且所述基层包含铁合金；
使用包含耐腐蚀元素的第一填充焊丝来由第一焊池形成根部焊道焊珠以连结所述工件的包覆层；
通过电阻加热缓冲填充焊丝同时将激光束引导到所述根部焊道焊珠上来形成缓冲焊珠；以及
使用包含铁合金的第二填充焊丝在所述缓冲焊珠上形成一个或多个焊珠以连结所述工件的外层。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述缓冲填充焊丝包含浓度大于90wt％的镍。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述第二填充焊丝包含钢组合物，并且所述第一填充焊丝包含浓度大于10wt％的铬。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述一个或多个焊珠中的耐腐蚀元素的浓度小于所述根部焊道焊珠中的耐腐蚀元素的浓度的50％。
16.如权利要求12所述的方法，其中，形成所述根部焊道焊珠包括形成穿透所述包覆层的整个厚度的第一焊池。
17.如权利要求16所述的方法，其中，形成所述一个或多个焊珠包括形成未穿透所述根部焊道焊珠的整个厚度的第二焊池。
18.一种包括一对经焊接的多层工件的焊接件，所述焊接件包括：
一对多层工件，所述一对多层工件各自包括包含耐腐蚀元素的包覆层和包含铁合金的基层，其中，所述工件在长度方向上通过焊接接头而串联地连结，其中，所述焊接接头包括：
根部焊道焊珠，所述根部焊道焊珠包含所述耐腐蚀元素、连结所述工件的包覆层，以及
一个或多个焊珠，所述一个或多个焊珠包含所述铁合金、形成在所述根部焊道焊珠上、连结所述工件的基层，
其中，所述一个或多个焊珠中的耐腐蚀元素的浓度小于所述根部焊道焊珠中的耐腐蚀元素的浓度的50％。
19.如权利要求18所述的焊接件，其中，所述耐腐蚀元素包含铬。
20.如权利要求18所述的焊接件，其中，所述根部焊道焊珠穿透所述工件的包覆层的整个厚度。
21.如权利要求17所述的焊接件，其中，所述多层工件中的每一个多层工件是经包覆的管道，其中，所述包覆层是包含浓度超过10％的铬的包覆层，并且其中，所述基层是包含钢组合物的基管道。
22.如权利要求17所述的焊接件，进一步包括在所述根部焊道焊接金属与所述一个或多个焊珠之间形成缓冲焊珠，所述缓冲焊珠包含浓度大于90wt％的镍。
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