CN103958117A - 用于优化焊缝性能的方法 - Google Patents

Abstract

优化焊缝性能的方法包括为焊缝确定一组指定机械性质，例如硬度或韧度，选择基础金属材料，选择焊接工艺和焊接工艺条件以及选择焊接金属材料。焊接金属材料和/或基础金属材料可以通过确定所述焊接金属材料或基础金属材料的特征化被选择，所述特征化包括执行所述金属材料的热机械仿真和确定由所述热机械仿真产生的金属的性质，以及随后使所述金属材料的特征化与所述一组指定机械性质和所述焊接工艺条件相关。所述方法还可以包括产生具有所述一组机械性质的所述焊缝。

Description

用于优化焊缝性能的方法

本发明是在美国运输部批准的协议No.DTPH56-07-T-000005下利用政府支助完成的(PHMSA)。政府对本发明可以具有特定权利。 

技术领域

本公开总地涉及优化焊缝质量和性能的分析方法。具体地，所述方法包括对以下内容考虑：基础金属材料的组成如何、焊接金属材料的组成如何和焊接工艺如何交互，以及所述交互如何影响所产生的焊缝的性质。 

背景技术

要求来自焊接的钢铁制造品(例如，高压燃气管线)的高性能水平的行业发现，随着钢铁等级提高，由于焊接工艺条件中看似微小的改变，性能变化很大，所以实现具有所需水平和一致性的强度和韧度的焊缝是更加具有挑战性的。主要的技术挑战在于获得具有充分可靠性和一致性的必要焊缝性质，从而对于现有的产品条件和承包商能力来说确保使用足够广泛范围的焊接工艺的焊缝性能。 

来自先前所使用的低等级材料的技术的简单转换不太可能实现针对新的更高等级钢铁的期望的焊缝性能，并且用来优化焊缝质量的方法为与新的材料一起使用的变通一直在反复试验中被尝试。需要用于在新的焊接应用中，实现对主要焊接变量(例如焊接消耗品设计、焊缝接合处尺寸、焊接电源和设置以及焊炬配置)的必要水平的控制的方法。 

发明内容

本发明的目的在于提供保证焊缝性能的可靠的焊接方法。该目的根据权利要求1、10和15的特征解决。本发明由此提供优化焊缝性能的方法，所述方法包括为焊缝确定一组指定机械性质，例如硬度或韧度，选择基础金属材料，选择焊接工艺和焊接工艺条件以及选择焊接金属材料。焊接金属材料和/或基础金属材料可以通过确定所述焊接金属材料或基础金属材料的特征化被选择，所述特征化包括执行所述金属材料的热机械仿真和确定由所述热机械仿真产生的金属的性质，以及随后使所述金属材料的特征化与所述一组指定机械性质和所述焊接工艺条件相关。所述方法还可以包括产生具有所述一组机械性质的所述焊缝。本发明的进一步的实施方案和特征在附图、具体说明和权利要求书中被公开。 

附图说明

被并入说明书并且构成说明书的一部分的附图图示说明各种示例性***、方法等，图示说明本发明的各方面的各种示例性实施方案。将理解的是，附图中图示说明的部件边界(例如，框、多组框或者其他形状)表征边界的一个实施例。本领域的普通技术人员将理解，一个部件可以被设计为多个部件或者多个部件可以被设计为一个部件。被示出为另一部件的内部组件的部件可以被实施为外部组件，并且被示出为另一部件的外部组件的部件可以被实施为内部组件。此外，部件可以不是按比例描绘的。 

图1是优化焊缝质量的方法的示意性表征； 

图2是选择焊接工艺的方法的示意性表征； 

图3是选择基础金属材料的方法的示意性表征； 

图4是选择焊接金属材料的方法的示意性表征； 

图5是基础金属材料A的增强的连续冷却转变(CCT)相图； 

图6是基础金属材料B的增强的CCT相图； 

图7是基础金属材料C的增强的CCT相图； 

图8是焊接金属材料D的增强的CCT相图； 

图9是焊接金属材料E的增强的CCT相图；以及 

图10是焊接金属材料F的增强的CCT相图。 

具体实施方式

焊接工艺和(基础金属材料与焊接金属材料二者的)材料化学组成之间存在充分相互作用，以致控制这些输入中的二者对优化要求高的应用(例如，钢制管线制造的基于应力的设计)所期望的焊缝质量来说是必要的。如图1中所示，产生具有优化焊缝质量的焊缝的方法10包括为焊缝确定一组指定机械性质12，选择焊接工艺和焊接工艺条件14，选择基础金属材料16，以及选择焊接金属材料18。方法10还可以包括产生具有指定的一组机械特征的焊缝的步骤20。应当理解的是，产生具有优化焊缝质量的焊缝的方法10可以被用来优化由使用适合的基础金属材料、焊接工艺以及焊接金属材料的任一组合而得到的焊缝质量。 

当被应用到特定基础金属材料时，获得针对所得焊缝的优化机械性质(这将一般地包括基础金属材料的HAZ和焊接金属材料的组合)将一般地优化焊接金属材料的性能。为焊缝确定一组指定机械性质的步骤12是在方法10中进行的主要确定之一。为焊缝确定一组指定机械性质的步骤12包括选择机械性质，例如，但不限于，将生成焊缝强度和可靠性的优选性能的所得焊缝的硬度、韧度、强度以及延展性。机械性质的选择将基于焊接应用的需要来预先确定，一般地出自项目工程师或者其他这样的合格来源。 

在已经为焊缝确定一组机械性质12之后，焊缝本身可以通过选择适合的焊接工艺和焊接工艺条件14、选择适合的基础金属材料16以及选择适合的焊接金属材料18来被优化。这些变量中的一个或更多个可以是固定的，如图2-3所示，需要其他变量中的一个或二者 改换来产生具有一组特定机械性质的焊缝20。 

例如，如图2中所示，当选择焊接工艺和焊接工艺条件14时，需要确定基础金属材料是否已经被选择或者被预先确定来用于焊接应用22。如果不是，如下面所论述的，焊接工艺和焊接工艺条件可以基于使用者偏好和焊接金属材料的性质的考虑而被选择24。 

如下面所论述的，如果基础金属材料已经被选择，由期望的焊接工艺和焊接工艺条件产生的基础金属材料的HAZ的性质，例如硬度和韧度，必须被确定26，并且相比于一组特定机械性质30。如果基础金属材料的HAZ的机械性质满足一组指定机械性质，则期望的焊接工艺可以被选择24。然而，如果使用期望的焊接工艺的基础金属材料的HAZ的机械性质不满足指定机械性质，则焊接工艺和/或焊接工艺条件可能需要被改换32。在改换焊接工艺和/或焊接工艺条件之后，需要再次确定使用新的焊接工艺和/或焊接工艺条件产生的基础金属材料的性质26。 

一般地，基础金属材料的HAZ的冷却速率以及因此HAZ的性质通过针对被焊接的给定材料(焊接金属材料或基础金属材料)的焊接工艺来确定。如果与特定焊接工艺相关联的冷却速率(以及机械性质)需要被调节，则焊接工艺或焊接工艺条件可以被改变。应当注意的是，针对特定工艺的冷却速率可以被描述为每单位时间在度数上的变化率或者被描述为从一个温度冷却到另一温度的时间。出于本申请的目的，冷却速率描述材料从一个温度冷却到另一温度所用的时间。 

焊接工艺可以为气体保护金属极弧焊或者对本申请来说任何其他适合的焊接工艺。焊接工艺可以通过改变焊接电源类型/模式来被改换，例如从双焊炬焊接到单焊炬焊接。焊接工艺还可以通过改变焊接工艺条件来改换，例如焊接工艺的导电嘴到工件的距离、脉冲模式、波形细节、电压、电流、焊丝送进速度、行进速度、预热温度、焊道间温度、保护气体类型以及保护气体流率，这些将最终改变针对给定焊接工艺和焊接工艺条件的冷却速率范围。 

具有给定焊接工艺条件的焊接工艺的冷却速率可以如在Daniel等人的美国专利申请No.2009/0184098、No.2007/0262064以及No.2010/00065539中所描述的使用TRUE HEAT INPUT(真实热输入)来计算，这些美国专利申请的公开内容通过引用被并入本文。通过使用TRUE HEAT INPUT来准确确定焊接工艺的影响，焊接工艺的准确冷却速率范围可以被计算。可替换地，针对各种工艺的冷却速率可以通过例如将热电偶***测试焊接金属材料或测试基础金属材料的HAZ来被人工地确定。本领域中的用于计算的任何已知技术要么利用计算机程序要么人工地进行，具体的焊接工艺的冷却速率可以与所描述的方法一起使用。 

如在图3中所示的，选择基础金属材料的步骤16包括确定基础金属材料是否已经被预先确定34。如果是的话，基础金属材料可以如上面参照图2所论述的那样被选择。如果 基础金属材料尚未被预先确定，则基础金属材料必须被特征化并且基础金属材料的机械性质被确定36。 

基础金属材料的HAZ的特征化及其机械性质的后续确定36可以包括，例如使用热机械仿真器(比如2000和3800***)，来进行基础金属材料的热仿真，通过仿真在给定焊接工艺和焊接工艺条件下基础金属材料会经历的基础金属材料的受热和冷却将基础金属材料(或如下面所论述的焊接金属材料)从初始态转换到第二态。 

一旦基础金属材料已经经历热机械仿真器，基础金属材料的CCT相图可以被生成。CCT相图示出当基础金属材料冷却时发生的由特定焊接工艺产生的基础金属材料的HAZ中的微观结构改变。一般地，CCT相图可以使用任何本领域的技术人员已知的方法来计算并且可以是从基础金属材料的制造商可获得的。 

CCT图可以通过测量随冷却速率变化的HAZ的其他机械性质来增强。除其他性质之外，HAZ的韧度、硬度、强度以及延展性可以使用已知技术来测量，例如维氏硬度测试或者夏氏V形凹口韧度测试。这些测量值然后可以针对选择的工艺和HAZ中形成的微观结构，随冷却速率变化来绘图。 

一旦基础金属材料的HAZ的机械性质已经针对给定范围的冷却速率被确定36，则它们然后与一组指定机械性质和焊接工艺条件进行比较(或者与一组指定机械性质和焊接工艺条件进行相关)38，并且如果基础金属材料的HAZ的机械性质和所述一组指定机械性质匹配，则所述基础金属材料可以被选择40。 

如图4中所示的，选择焊接金属材料的步骤18包括特征化并且随后确定焊接金属材料的性质42。焊接金属的性质可以通过例如如上面针对基础金属材料所论述的那样，使用热机械仿真器并且产生焊接金属材料的CCT相图将焊接金属材料从第一态转换到第二态来确定。在给定在热机械仿真期间已经被搜集的关于所形成的微观结构的信息的情况下，CCT相图可以由计算机软件程序产生或者可以人工地绘制。CCT相图示出在焊接金属材料冷却时发生的由特定焊接工艺产生的焊接金属材料中的微观结构变化。 

焊接金属材料CCT图可以通过随冷却速率变化测量冷却的焊接金属的其他机械性质来增强。除了其他性质之外，焊接金属的韧度、硬度、强度和延展性可以使用已知技术来测量，例如维氏硬度测试或夏氏V形凹口韧度测试。这些测量值然后可以相对用于选择的工艺的冷却速率和在焊接金属材料中形成的微观结构，随时间变化来绘图。 

一旦焊接金属材料的机械性质已经被确定42，则它们与一组指定机械性质和焊接工艺条件(或者与所述一组指定机械性质和焊接工艺条件进行相关)进行比较44。如果焊接金属材料的性质和所述一组指定机械性质匹配46，则所述焊接金属材料可以被选择48。如果由给定焊接工艺和焊接工艺条件产生的焊接金属的性质不满足所述一组指定机械性质， 则需要选择新的焊接金属材料、新的焊接工艺、新的一组焊接工艺过程或者这些的组合50。 

在改换焊接金属材料、焊接工艺和/或焊接工艺条件时，需要再次确定焊接金属材料的性质42并且比较使用具有所述一组特定机械性质的新的输入获得的焊接金属性质44以确定它们是否满足46。该工艺可以被重复直到实现变量的合乎期望的组合。 

假设的实施例

图5-图10分别示出基础金属材料A-C和焊接金属材料D-F的增强的CCT相图。增强的CCT相图是应用焊接工艺X和焊接条件Y到各种金属材料的结果。如在图5-图10中所示的，CCT相图随时间变化限定由于使金属材料经历焊接工艺X和焊接工艺条件Y所形成的不同的金属微观结构。图5-图10中所示的金属微观结构包括马氏体(M)、贝氏体(B)、粒状贝氏体(GB)、铁氧体侧板(FS)、针状铁素体(AF)以及晶界铁氧体(GF)微观结构。 

图5-图10还包括由较短的冷却时间表示的所计算的与焊接工艺X相关联的冷却速率与所测量的基础金属材料的被冷却的热影响区(HAZ)和被冷却的焊接金属材料的硬度值的相关性，所述基础金属材料的被冷却的热影响区(HAZ)和被冷却的焊接金属材料将利用焊接工艺X和焊接工艺条件Y随冷却速率变化来产生。 

维氏硬度测试表示有问题的基础或焊接金属材料的抵抗来自标准源的塑性变形的能力。维氏硬度数通过计算在材料中创建的凹入部分的表面面积上的负载来确定。H_V数通过比率F/A来确定，其中F是以公斤力计的施加到菱形压痕的力，并且A是以平方毫米计的所得凹入部分的表面面积。H_V的相应单位为公斤力每平方毫米(kgf/mm²)。应当理解的是，以不同冷却速率计算金属材料的硬度的任何方法可以被用在本方法中。 

如图5-图10中所示的，增强的CCT图可以被用来确定何种基础金属材料、焊接工艺以及焊接金属材料应当被用于给定项目以产生需要的一组机械性质。在该实施例中，基础金属材料的HAZ和焊接金属材料的所得硬度必须在至少340H_V，来使所得焊缝经得起最终应用的应力，例如，用在管线项目中。消费者还已指定他们意图使用焊接工艺X和焊接条件Y，这在标准焊接工艺条件下产生大致2-4秒的冷却速率范围。基础金属材料和焊接金属材料必须被选择来产生满足要求的焊缝。 

为选择基础金属材料，每种基础金属材料必须如上面所描述的那样通过产生增强的CCT图来被特征化。然后必须要确定的是以介于2-4秒之间的冷却速率产生的硬度是否将会满足消费者的要求。 

如在图5中所示的，当冷却速率小于大致3秒时，基础金属材料A具有大于340H_V的硬度，但是在4秒时小于340H_V。因此，如果在实践中由焊接工艺产生的冷却速率为4 秒，则基础金属材料的HAZ的所需硬度将不会通过使用基础金属材料A实现。因此，基础金属材料A对该焊接项目来说不是适当的选择，除非焊接工艺和/或焊接工艺条件被改换。 

然而，图6-图7，针对基础金属材料B和C，示出以介于2-4秒之间的冷却速率产生的硬度值满足在HAZ中的硬度至少为340H_V的消费者要求。因此，选择基础金属材料B或C将会是适当的。 

为选择焊接金属材料，每种焊接金属材料将需要如上所述的那样通过产生增强的CCT图(如果没有针对所述焊接金属材料的已经可获得的增强的CCT图)来被特征化。然后，必需要确定的是以介于2-4秒之间的冷却速率产生的硬度是否将满足消费者的要求。如图8和图9中所示的，当冷却速率少于大致3秒时，焊接金属材料D和E具有大致340H_V的硬度。因此，如果由焊接工艺X和焊接工艺条件Y产生的冷却速率是4秒，所要求的硬度通过使用焊接金属材料D或E是不可实现的。因此，焊接金属材料D和E针对该焊接项目来说不是适当的选择，除非焊接工艺和/或焊接工艺条件被改换。 

然而，图10，针对焊接金属材料F，示出由介于2-4秒之间的冷却速率产生的硬度值满足至少为340H_V的消费者要求。因此，选择焊接金属材料F用于该项目将会是适当的。 

应当理解的是，如果基础金属A或焊接金属D和E已经被选择用于项目，则焊接工艺和/或焊接工艺条件可以被改换来实现会产生由消费者决定的一组指定机械性质的冷却速率范围。焊接工艺和焊接工艺条件可以如上面所论述的那样被改换。 

尽管方法和组成已经通过描述实施例被图示说明，并且这些实施例已经被相当详细地描述，申请人并不意图将所附权利要求书的范围约束或以任何方式限制到这样的细节。当然，出于描述***、方法等的目的，描述本文中所描述的部件或方法的每一可料想的组合是不可能的。对本领域的技术人员来说，附加的优点和修改形式将是容易想到的。由此，本发明不被限制到所示出并描述的具体细节以及示意性实施例。因此，本申请意图包含落在所附权利要求书的范围内的替换形式、修改形式以及变化形式。此外，前述的说明并不意味着限制本发明的范围。相反，本发明的范围将由所附权利要求书及其等同物来确定。 

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Claims (16)

1.一种优化焊缝性能的方法，所述方法包括：

为焊缝确定(12)一组指定机械性质；

选择(16)基础金属材料；

选择(14)焊接工艺；

选择(14)焊接工艺条件；以及

选择(18)焊接金属材料，其中所述焊接金属材料通过以下方式被选择：

确定所述焊接金属材料的特征化，其中所述特征化包括执行所述焊接金属的热机械仿真；以及

使所述焊接金属材料的所述特征化与所述一组指定机械性质相关。

2.如权利要求1或2的方法，其中所述焊接金属的所述特征化包括使用计算机程序。

3.如权利要求1至4中的一项所述的方法，其中选择所述焊接工艺条件的所述步骤包括用于所述焊接工艺的冷却速率范围、用于所述焊接工艺的焊炬距离、用于所述焊接工艺的焊炬配置、用于所述焊接工艺的波形、热输入或者这些的组合。

4.如权利要求1至3中的一项所述的方法，其中所述焊缝的所述一组指定机械性质选自包括硬度、韧度、强度、延展性或这些的组合的组。

5.如权利要求1至4中的一项所述的方法，其中确定所述焊接金属材料的所述特征化的所述步骤进一步包括确定由所述热机械仿真产生的所述焊接金属材料的性质。

6.如权利要求5所述的方法，其中由所述热机械仿真产生的所述焊接金属材料的所述性质包括所述焊接金属材料随时间变化的微观结构组成、硬度、韧度、强度、延展性或者这些的组合。

7.如权利要求1至6中的一项所述的方法，其中选择所述焊接金属材料的所述步骤包括将所述焊接金属材料的所述性质与所述一组指定机械性质和所述一组焊接工艺条件相比较。

8.如权利要求1至7中的一项所述的方法，其中选择基础金属材料的所述步骤包括确定所述基础金属材料的热影响区的特征化，其中所述特征化包括执行热机械仿真并且使所述基础金属材料的所述热影响区的所述特征化与所述焊缝的所述一组指定机械性质相关。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述基础金属材料的所述热影响区的所述特征化进一步包括确定由所述热机械仿真产生的所述基础金属材料的所述热影响区的性质。

10.一种优化焊缝性能的方法，特别是根据前述权利要求中的一项所述的优化焊缝性能的方法，所述方法包括：

为焊缝确定(12)一组指定机械性质；

选择(14)焊接工艺；

为所述焊接工艺选择(14)焊接工艺条件；

选择(16)基础金属材料，其中所述基础金属材料通过以下方式被选择：

确定所述基础金属材料的热影响区的特征化，其中所述特征化执行所述焊接金属的热机械仿真；以及

使所述基础金属材料的热影响区的所述特征化与所述焊缝的所述一组指定机械性质相关；以及

选择焊接金属材料。

11.如权利要求8至10中的一项所述的方法，其中所述基础金属材料的所述热影响区的所述特征化进一步包括确定由所述热机械仿真产生的所述基础金属材料的性质。

12.如权利要求9或11所述的方法，其中由所述热机械仿真产生的所述基础金属材料的所述热影响区的所述性质包括所述热影响区的，特别是随冷却速率变化的，微观结构组成、硬度、韧度、强度、延展性或者这些的组合。

13.如权利要求1至12中的一项所述的方法，其中选择所述基础金属材料的所述步骤包括将由所述热机械仿真产生的所述基础金属材料的所述性质与所述一组指定机械性质相比较。

14.如权利要求1至13中的一项所述的方法，其中所述方法进一步包括产生具有所述一组指定机械性质的所述焊缝。

15.一种优化焊缝性能的方法，特别是根据前述权利要求中的一项所述的优化焊缝性能的方法，所述方法包括：

为焊缝确定(12)一组指定机械性质；

选择(16)基础金属材料，其中选择(16)所述基础金属材料的所述步骤包括确定所述基础金属材料的热影响区的特征化，所述特征化包括执行所述基础金属材料的热机械仿真；

选择焊接工艺；

为所述焊接工艺选择(14)焊接工艺条件；以及

选择(14)焊接金属材料(18)，其中选择所述焊接金属材料(18)的所述步骤包括确定所述焊接金属材料的特征化，所述特征化包括执行所述基础金属材料的热机械仿真。

16.如权利要求15所述的方法，选择所述基础金属材料以及选择所述焊接金属材料的所述步骤包括使所述基础金属材料的热影响区的所述特征化和所述焊接金属材料的所述特征化与所述焊缝的所述一组指定机械性质相关。