CN109070283A

CN109070283A - 用于强耐磨高锰钢的现场异种金属焊接技术

Info

Publication number: CN109070283A
Application number: CN201780027280.7A
Authority: CN
Inventors: A·J·沃森; D·P·费尔柴尔德; H·金; X·岳; I·韩; S·李; B·李; J·李
Original assignee: Posco Co Ltd; ExxonMobil Research and Engineering Co
Current assignee: Posco Holdings Inc; ExxonMobil Technology and Engineering Co
Priority date: 2016-05-02
Filing date: 2017-05-02
Publication date: 2018-12-21
Also published as: EP3452248A4; JP6976273B2; KR20180132959A; CA3022940A1; RU2018141297A3; BR112018071994A2; EP3452248A1; WO2017192621A1; US11130204B2; JP2019519675A; CA3022940C; RU2018141297A; EP3452248B1; AR108268A1; KR102308001B1; US20170312862A1; AU2017259782A1

Abstract

本公开涉及用于将高锰钢基材金属与低碳钢基材金属接合的焊接组合物，以及用于其的***和方法。该组合物包括：大约0.1重量％至大约0.4重量％的碳；大约15重量％至大约25重量％的锰；大约2.0重量％至大约8.0重量％的铬；≤大约2.0重量％的量的钼；≤大约10重量％的量的镍；≤大约0.7重量％的量的硅；≤大约100ppm的量的硫；≤大约200ppm的量的磷；且余量包含铁。在一个实施方案中，组合物具有奥氏体微结构。

Description

用于强耐磨高锰钢的现场异种金属焊接技术

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62/330,405的权益和优先权，其公开内容全文经此引用并入本文。

领域

本公开涉及焊接金属领域。更具体地，本公开涉及用于制造将低碳钢组件与具有增强的耐磨性的高锰(Mn)钢组件接合所需的焊缝金属的材料和方法。

背景

采矿操作(包括油砂开采工业)中的管道***用于将固体岩石和砂粒在液体或浆料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。现有浆料水力运输管道通常由低碳管线级钢(例如API规范5L X65或X70级钢)制成。这些管道经受显著的磨料磨损/侵蚀磨损和腐蚀，这造成壁损失和引起频繁维修和更换。因此，这些管道***通常是矿业项目的显著运行成本的来源。开发具有改进的耐侵蚀/磨损/腐蚀性的管道材料有巨大的经济激励。

在油砂开采工业中也需要强耐磨钢。从60年代开始已在商业上采收这样的油砂矿床，并且近年来采收率增长。沥青矿通常在浅层矿床(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位热提取法(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，油砂通常用铲挖掘，其将开采出的材料转移到卡车/车辆。车辆将油砂矿石运往矿石准备设施，在此通常将开采的矿石压碎并与热水混合。然后通常将油砂浆料经水力运输管道泵送到初选单元(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料经尾矿管道输送到尾矿池以使砂沉降。大量浆料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、浆料泵、管道等)中涉及若干应力和/或冲击磨损挑战。例如，在下游浆料运输和提取工艺中，在设备、管道(例如水力运输管道)、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，用于浆料水力运输的现有管道结构通常由低碳管线级钢(例如API规范5LX70)制成。一般而言，浆料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)。含水和充气浆料流也通常由于建立腐蚀性环境造成加速的管道侵蚀。此外，浆料中的颗粒物(在重力的影响下)造成破坏，尤其是沿管道内部的下半部。例如，在油砂开采操作中携带砂和水浆料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(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，一些矿井操作人员已采用定期旋转管道的做法。例如，不时将管道旋转(例如在使用大约3000小时后)大约90°。在大约3次旋转后(例如在使用大约12000小时后)，通常完全更换管道。油砂开采操作人员已经评估和使用各种材料，如马氏体不锈钢、硬覆面材料(例如WC基的、碳化铬基的)和聚合物衬里材料(例如聚氨酯)。但是，这些材料仅用于利基(niche)用途，这通常是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(包括浆料管道)开发具有增强的耐磨损/侵蚀/腐蚀性的改进的高Mn钢。为了成功实施，必须在现场将高Mn钢浆料管段接合在一起以制造高Mn钢浆料管道。使用几种不同类型的接合方法构造浆料管道，包括：环缝对接焊接、法兰和机械联接。许多法兰***和机械联接***要求将金属环(通常是低碳钢)接合到管末端的管段外侧。用于将高Mn钢浆料管道与低碳钢环和法兰接合的焊缝需要提供所需强度和韧度并且还应在现场施工过程中施加而不过度担忧“可焊性”或易用性。

当前可得的焊接技术不足以将耐侵蚀高Mn钢与低碳钢组件接合。迄今开发的用于将耐侵蚀高Mn钢的段接合在一起的高Mn钢焊缝金属具有与低碳钢基本不相容的化学。用于焊接铸态Hadfield钢(常用于铁路组件)的传统高Mn钢耗材没有提供足够用于将最新开发的耐侵蚀高Mn钢与碳钢接合的焊缝金属强度(用于高侵蚀/磨损/腐蚀用途，例如油砂用途)。用于硬覆面用途的高Mn钢焊接耗材无法始终如一地提供这些异种金属焊接用途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等人的“HighManganese Austenitic Steel for Cryogenic Applications”,Proceedings of the 22^ndInternational 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，但没有在涉及高度侵蚀、侵蚀/腐蚀、腐蚀、应力、磨损和/或磨耗(如在油砂应用中存在的条件)的应用中提供足以将耐侵蚀高Mn钢与低碳钢组件接合的焊缝金属强度。

因此，需要可用于构造例如用于油砂开采项目的高Mn钢浆料管道的焊接技术，其同时产生足够的强度和足够的韧度，可在高Mn钢管道现场施工和其它低碳钢组件与耐侵蚀高Mn钢组件的现场接合过程中使用而不过度担忧可焊性或易用性。

概述

在某些方面中，本说明书提供实现足以将例如低碳钢组件与耐侵蚀高Mn钢组件(例如高Mg钢浆料管道或其它土壤砂组件)接合的强度和韧度的焊缝金属和使用方法。本公开提供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。

在某些实施方案中，焊缝金属包含大约0.1至大约0.4重量％碳、大约15.0至大约25.0重量％锰、大约2重量％至大约8重量％铬、不多于大约2重量％钼、大约3至10.0重量％镍、不多于大约1.0重量％硅、不多于大约200ppm硫和不多于大约200ppm磷且余量是Fe(例如大约70％)。在另一实施方案中，可为增强焊缝金属性质(例如强度或韧度)而添加的其它元素不多于大约0.7重量％钛。

在一个具体实施方案中，焊缝金属包含下列至少一种：大约0.1–0.3重量％碳；大约18.0–22.0重量％锰；大约3.5–6.5重量％铬；少于大约1.5重量％钼；大约5.5–8.5重量％镍；大约0.4–0.8重量％硅；少于大约150ppm硫；和不多于大约0.7重量％钛(例如大约0.15-0.45重量％钛)。

在进一步实施方案中，焊缝金属包含大约0.15至大约0.45重量％钛。

在另一实施方案中，焊接金属微结构具有奥氏体相。在一个具体实施方案中，该奥氏体相在应变时可转变成硬α’-马氏体并发生微孪晶形成。

在另一方面中，本说明书提供一种用于施加焊缝金属的***，其使用能够控制焊接电弧稳定性和焊池(weld pool)流动特性如粘度和焊道形状(bead shape)以提供可接受的可焊性的焊接设备和参数。在某些实施方案中，用于提供接合高Mn钢和低碳钢的焊缝的***包含自耗丝状电极和实施气体金属电弧焊接的气体金属电弧焊电源。在某些实施方案中，自耗丝状电极包含大约0.1重量％至大约0.4重量％的碳、大约15重量％至大约25重量％的锰、大约2重量％至大约8重量％的铬、小于或等于大约2重量％的量的钼、大约3至大约10重量％的量的镍、小于或等于大约1.0重量％的量的硅、小于或等于大约150ppm的量的硫、小于或等于大约200ppm的量的磷且余量包含铁。气体金属电弧焊电源产生不大于大约2.5kJ/mm的焊接热输入。

在一个具体实施方案中，自耗丝状电极包含下列至少一种：大约0.1–0.3重量％碳；大约18.0–22.0重量％锰；大约3.5–6.5重量％铬；少于大约1.5重量％钼；大约5.5–8.5重量％镍；大约0.4–0.8重量％硅；少于大约150ppm硫；和大约0.15–0.45重量％钛。

在另一实施方案中，焊接热输入为大约0.6kJ/mm至大约1.0kJ/mm。

在另一方面中，本说明书提供一种施加如本文所述的焊缝金属的方法。在某些实施方案中，该方法包括用能够控制焊池流动特性如粘度和焊道形状以提供可接受的可焊性的焊接设备和参数来施加如本文所述的焊缝金属。控制焊缝金属化学、焊缝接头几何和焊接输入以确保降低的凝固裂纹易感性并防止焊缝金属和耐侵蚀高Mn钢基材金属和低碳钢基材金属中的热影响区(HAZ)韧度的显著退化。在一个优选实施方案中，本公开的焊缝金属具有包含奥氏体晶粒的微结构。

在进一步方面中，本说明书提供制造用于接合耐侵蚀高Mn钢和低碳钢的焊接熔敷物(weld deposit)的方法。该方法包括：提供要焊接的高Mn钢基材和低碳钢基材和焊接填料金属；和熔融和冷却所述焊接填料以制造焊接熔敷物。在某些实施方案中，焊接填料金属包含大约0.1重量％至大约0.4重量％的碳、大约15重量％至大约25重量％的锰、大约2重量％至大约8重量％的铬、不多于大约2重量％的量的钼、不多于大约10重量％的量的镍、不多于大约1.0重量％的量的硅、不多于大约100ppm的量的硫、不多于大约200ppm的量的磷且余量包含铁。

在某些实施方案中，熔融包括对所述焊接填料金属施加不大于大约2.5kJ/mm的焊接热输入。

在一个具体实施方案中，基材包含要焊接的部分，所述部分具有大于大约25度的斜角(bevel)。

在另一实施方案中，焊接熔敷(weld deposition)具有的焊态屈服强度高于低碳钢基材的屈服强度或高于所需最低屈服强度。

在某些实施方案中，焊接熔敷物具有以下至少一种：高于大约70ksi的焊态屈服强度、高于70ksi的焊态极限抗拉强度和在^–29℃下高于大约27J的焊态CVN。

在附加实施方案中，基材金属的热影响区具有在^–29℃下高于大约27J的焊接后CVN。

在本文所述的任一方面或实施方案中，基材金属或基材钢是耐侵蚀/腐蚀高Mn钢。

在本文所述的任一方面或实施方案中，所述方法进一步包括限制焊缝金属中的碳含量至小于高Mn钢基材金属的热影响区中的碳量的量。

上述一般应用领域仅作为实例给出并且无意限制本公开和所附权利要求书的范围。本领域普通技术人员根据权利要求书、说明书和实施例会意识到与本公开的组合物、方法和工艺相关的其它目的和优点。例如，本公开的各方面和实施方案可以以许多组合使用，它们都是本说明书明确考虑的。这些另外的优点、目的和实施方案明确包括在本公开的范围内。本文中用于阐明本公开的背景和在特定情况下用于提供关于实践的额外细节的出版物和其它资料经此引用并入本文。

附图简述

并入说明书并构成说明书的一部分的附图显示本公开的几个实施方案，并与说明书一起用于解释本公开的原理。附图仅用于图解本公开的实施方案并且不应被解释为限制本公开。

图1A、1B和1C是根据本发明的高Mn钢与碳钢的异种焊缝的近摄图(macros)。

图2是显示Victaulic环与HMS管道焊缝和焊道序列(weld bead sequences)的示意图。

图3是显示将碳钢Victaulic环与耐侵蚀高Mn钢管道接合的焊缝的焊缝横截面的近摄图(macros)。

详述

在下列详述部分中，联系优选实施方案描述本公开的具体实施方案。但是，在下列说明具体针对本公开的具体实施方案或特定用途的情况下，这仅意在用于举例说明并简单提供示例性实施方案的描述。本公开不限于下述具体实施方案，相反，其包括落在所附权利要求书的精神和范围内的所有替代、修改和等同物。

由于高Mn钢焊缝金属中的碳、镍和锰的浓度，与典型的碳-锰钢焊缝相比，高Mn钢焊缝金属对用传统焊接技术施加带来挑战。与传统低碳钢焊缝金属相比，高Mn钢焊缝金属在熔融时明显更粘。熔融的高Mn钢焊缝金属的提高的粘度可导致在位于焊缝边缘和基材金属之间的焊趾处没有熔合缺陷。此外，高Mn钢基材金属的韧度对来自焊接的热循环敏感。因此，如果焊接过程中的热输入太高，高Mn钢基材金属HAZ可造成不可接受的韧度水平。此外，焊缝金属凝固为初生奥氏体。因此，如果没有适当控制焊缝金属组成和焊道轮廓(weldbead profile)，焊缝容易产生凝固裂纹。

现在描述涉及惊人和意外的发现的***和方法，所述发现在于，可以现场施加本公开的异种焊接高Mn钢(DMW-HMS)从而以优异的强度和韧度将高Mn钢组件与低碳钢组件接合。

就用于油砂生产的高锰钢组件举例说明各种方面和实施方案。但是，本公开的实施方案明显可更广泛用于耐侵蚀/耐磨损高锰钢组件与低碳钢组件的需要具有足够可焊性、强度和韧度的焊件的任意焊接。此类其它用途包括例如耐侵蚀高Mn钢板与结构低碳钢(structural low carbon steel)或低碳钢夹具的焊接。在下列说明书中定义各种术语。

在提供数值范围时，要理解的是，在一范围的上限和下限之间的各中间数值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。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。

使用下列术语描述本公开。在本文中没有明确定义一术语的情况下，在使用该术语描述本公开的上下文中赋予该术语普通技术人员公认的含义。

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能预期的实验误差和变动计入考虑。

除非上下文清楚地另行指明，本文和所附权利要求书中所用的冠词“a”和“an”在本文中用于表示一个或多于一个(即至少一个)该冠词的语法对象。例如，“元素(anelement)”是指一种元素或多于一种元素。

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非联合存在的要素。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”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(including)”、“带有”、“具有”、“含有”、“涉及”、“拥有”、“包含(comprised 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 ofPatent Examining 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意组合。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，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具体实施方案并且无意限制本公开。

定义：

延性:可以是指，但不以任何形式限于，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，但不以任何形式限于，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，但不以任何形式限于，对裂纹萌生和扩展的耐受性。

屈服强度:可以是指，但不以任何形式限于，材料承受荷载而不变形的能力。

抗拉强度:可以是指，但不以任何形式限于，在故障机制不是线性弹性断裂时与以应力为单位的材料的最大承载能力对应的强度。

冷却速率:可以是指，但不以任何形式限于，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。

热影响区(HAZ):可以是指，但不以任何形式限于，与焊缝熔合线相邻的基材金属，其在焊接操作过程中未熔融但受焊接热影响。

焊件:可以是指，但不以任何形式限于，通过焊接接合的构件的组装件。

焊道熔透轮廓(Weld bead penetration profile):可以是指，但不以任何形式限于，在横截面中观察时焊道的底部(根部)附近的焊道形状。

可焊性:可以是指，但不以任何形式限于，焊接特定金属或合金的可行性。可焊性有时是指在焊接过程中对氢诱发的开裂的易感性，但在本公开中，可焊性是指易于焊接而不造成缺陷如未熔合、未焊透或咬边。许多因素促成差的可焊性，包括高表面张力焊接熔池和不规律的或不稳定的焊弧。这些因素造成焊工观察到的症状，包括焊池在相邻基材金属中的差的润湿、在焊趾处的锐(或小)凹角和不合意焊接飞溅。获得良好可焊性是指一组属性，包括良好的焊池流动性、电弧稳定性(“smooth”电弧)、焊池在与基材金属接合处的良好润湿、良好的焊道熔透几何(都旨在减少焊接缺陷)。

气体金属电弧焊(GMAW):利用焊炬的焊接法，其中充当电极的填充焊丝经触头自动进给，并在焊接过程中消耗。该触头通常被气杯(gas cup)包围，气杯将保护气体导向焊弧区域。常见保护气体是氩气、二氧化碳、氦气和氧气。焊炬行进可由机器提供(自动或机械化)或可由人提供(半自动)。工艺名GMAW是American Welding Society的标准名称。

脉冲气体金属电弧焊(PGMAW):GMAW法的一个变体，其利用提供电流脉冲能力的电源。这些有时被称作先进电流波形电源。The American Welding Society已将PGMAW命名为GMAW-P。

GMAW基工艺:类似于GMAW的许多同源工艺，如PGMAW、金属芯电弧焊(MCAW)和焊剂芯电弧焊(FCAW)。与MCAW的主要区别在于使用包芯焊丝并在芯内存在金属粉末。FCAW工艺也使用包芯焊丝并且芯通常由焊剂粉末构成。FCAW可与或不与保护气体一起使用。

奥氏体:可以是指，但不以任何形式限于，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，但不以任何形式限于钢中的这样的金相：其可以但不限于由无扩散相变形成，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，但不以任何形式限于，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，但不以任何形式限于，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，但不以任何形式限于，铁/金属和碳的化合物。

焊缝金属组合物：

在一个方面中，说明书提供使用现代气体金属电弧焊(GMAW)法施加的奥氏体焊缝金属。这产生能够同时实现合适的强度、在焊缝金属和基材金属热影响区二者中的合适低温韧度和具有低缺陷率的焊缝的可用于将耐侵蚀高Mn钢组件焊接到低碳钢组件上的奥氏体微结构。本公开的实施方案获得良好可焊性，这是指一组属性，包括良好的焊池流动性、电弧稳定性(“smooth”电弧)、焊池在与基材金属接合处的良好润湿和良好的焊道熔透几何，这些都旨在减少焊接缺陷。

DMW-HMS焊缝金属化学可与基材金属HMS化学和基材金属低碳钢结合用于计算必要的自耗焊丝组成。以类似方式，自耗焊丝化学、基材金属HMS化学和基材金属低碳钢化学可用于计算DMW-HMS焊缝金属化学。DMW-HMS化学可通过焊丝化学的改变和控制熔透和基材金属稀释量的焊接工艺的知识而用于各种HMS和低碳钢基材金属。如焊接工程领域的技术人员已知，可以使用稀释计算测定四种化学中的一种，当已知或指明三种化学时。在焊接HMS-碳钢组件(例如将低碳钢环焊接到HMS浆料管道上)的情况下，涉及四种金属；HMS基材金属、低碳钢基材金属、焊缝金属和填充焊丝。对于此处所述的MCAW焊接用途，用于大多数焊接道次(weld passes)的稀释通常为5％至20％。稀释计算是本领域中已知的并解释在许多焊接工程教科书中，包括The American Welding Society出版的Welding Metallurgy,第2卷,第3版,George E.Linnert著。

本公开的焊缝金属产生对异种金属焊缝接合(例如低碳钢环和法兰与耐侵蚀高Mn钢(HMS)，例如HMS浆料管道的接合)而言足够的机械性质。这些新型焊缝适用于浆料管道并可在现场施工过程中以可接受的可焊性和缺陷率应用。通过焊缝金属化学和焊接方法的选择设计特定用途所需的焊缝金属并可在恶劣的(rugged)管道现场施工条件下应用以制造合适的焊缝微结构和机械性质。

在一个实施方案中，焊缝金属包含大约0.1重量％至大约0.4重量％的碳、大约15重量％至大约25重量％的锰、大约2.0重量％至8.0重量％的铬、不多于大约2.0重量％钼的量的钼、不多于大约10重量％的量的镍、不多于大约1.0重量％的量的硅、不多于大约200ppm硫的量的硫、不多于大约200ppm磷的量的磷且余量是铁。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百分比(wt％)表示。尽管焊缝金属组成的余量是铁，但焊缝金属可能包括其它未列出的组分，例如杂质等。

由于如下文概述的其它原因，可加入其它元素。例如，可以不多于大约0.7重量％(例如大约0.15-0.45重量％)的量加入钛。

在一些实施方案中，焊缝金属包含下列至少一种：大约0.1-0.3重量％碳；大约18.0-22.0重量％锰；大约3.5-6.5重量％铬；少于大约1.5重量％钼；大约5.5-8.5重量％镍；大约0.4-0.8重量％硅；少于大约150ppm硫；和大约0.15-0.45重量％钛。

要求本公开中描述的高Mn钢焊缝金属满足用于需要通过焊缝接合两种钢的用途，例如浆料管道用途的基材金属高Mn钢和基材金属低碳钢的最低机械性质。因此，DMW-HMS焊缝金属微结构可适当地与耐侵蚀HMS基材金属和低碳钢微结构都相容。在一个实施方案中，适合此用途的焊缝金属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的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(其中孪晶与基体(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Mn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Mn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。在一个实施方案中，如名称为“Enhanced Wear Resistant Steeland Methods of Making the Same”的2013EM118、PCT/US2014/020599中所述提供高Mn钢基材金属。

本公开中描述的用于接合低碳钢和耐侵蚀HMS的DMW-HMS焊缝金属没有暴露于侵蚀服务(erosive service)。例如，该DMW-HMS可用于将低碳钢环或法兰接合到耐侵蚀HMS浆料管道的外部，因此DMW-HMS没有暴露于管道内部的侵蚀服务。因此，DMW-HMS焊缝金属不需要耐侵蚀HMS基材金属所需的用于改进耐侵蚀性的磨损诱发的表面转变。在一个实施方案中，将焊缝金属中的碳含量控制在明显低于耐侵蚀HMS基材金属中的碳含量的水平。较低碳含量保持稳定的奥氏体相以满足强度和低温韧度要求并与低碳钢基材金属更相容。锰为高Mn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。因此，在一个实施方案中，焊缝金属中的锰含量类似于基材金属。

在奥氏体HMS中，碳充当有效的奥氏体稳定剂并且也通过固溶硬化增强基体。DMW-HMS焊缝金属中降低的碳含量使得焊缝金属必须与一些附加元素形成合金以产生所需强度性质。

硅的添加除维持α’-马氏体转变外还提供一定的固溶强化。硅也有助于改进焊接过程中的焊池流动性，这改进在所有焊接位置的可焊性。在一个实施方案中，由于可焊性益处，将焊缝金属中的硅含量提高到超过基材金属含量，例如最多大约0.7重量％或大约0.6重量％。在一个具体实施方案中，硅以大约0.4-0.7重量％的量存在。

铬的添加提高耐腐蚀性并对确保焊缝金属耐腐蚀性足以应对该用途是重要的。较高量的铬添加也增强在冷却过程中的铁氧体相形成并导致在冷却和再加热过程中形成碳化物。在一些实施方案中，铬含量为大约2.0重量％至大约8.0重量％。在另一些实施方案中，焊缝金属的铬含量为大约2.0重量％至大约8.0重量％、大约2.0重量％至大约7.0重量％、大约2.0重量％至大约6.0重量％、大约2.0重量％至大约5.0重量％、大约2.0重量％至大约4.0重量％、大约2.0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7.0重量％、大约3.0重量％至大约6.0重量％、大约3.0重量％至大约5.0重量％、大约3.0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7.0重量％、大约4.0重量％至大约6.0重量％、大约4.0重量％至大约5.0重量％、大约5.0重量％至大约8.0重量％、大约5.0重量％至大约7.0重量％、大约5.0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7.0重量％、或大约7.0重量％至大约8.0重量％。在某些实施方案中，铬含量为大约2.0重量％、大约2.5重量％、大约3.0重量％、大约3.5重量％、大约4.0重量％、大约4.5重量％、大约5.0重量％、大约5.5重量％、大约6.0重量％、大约6.5重量％、大约7.0重量％、大约7.5重量％或大约8.0重量％。

钼的添加提供显著的固溶强化。钼的添加对实现DMW-HMS焊缝金属中的所需强度性质是重要的。本公开的焊缝金属可包含小于或等于大约2.0重量％的量的钼。

镍的添加可提供额外奥氏体稳定性并可改进焊缝金属低温韧性。但是，较高量的镍添加可导致强度降低。在一些实施方案中，焊缝金属包含小于或等于大约10重量％的量的镍。在一个具体实施方案中，镍以大约7％的量存在。在一些实施方案中，镍以大约0-10重量％、大约0-9重量％、大约0-8重量％、大约0-7重量％、大约0-6重量％、大约0-5重量％、大约0-4重量％、大约0-3重量％、大约0-2重量％、大约0-1重量％、大约1-10重量％、大约1-9重量％、大约1-8重量％、大约1-7重量％、大约1-6重量％、大约1-5重量％、大约1-4重量％、大约1-3重量％、大约1-2重量％、大约2-10重量％、大约2-9重量％、大约2-8重量％、大约2-7重量％、大约2-6重量％、大约2-5重量％、大约2-4重量％、大约0-3重量％、大约3-10重量％、大约3-9重量％、大约3-8重量％、大约3-7重量％、大约3-6重量％、大约3-5重量％、大约3-4重量％、大约4-10重量％、大约4-9重量％、大约4-8重量％、大约4-7重量％、大约4-6重量％、大约4-5重量％、大约5-10重量％、大约5-9重量％、大约5-8重量％、大约5-7重量％、大约5-6重量％、大约6-10重量％、大约6-9重量％、大约6-8重量％、大约6-7重量％、大约7-10重量％、大约7-9重量％、大约7-8重量％、大约8-10重量％、大约8-9重量％或大约9-10重量％的量存在。在某些实施方案中，焊件包含大约0.0重量％、大约0.5重量％、大约1.0重量％、大约1.5重量％、大约2.0重量％、大约2.5重量％、大约3.0重量％、大约3.5重量％、大约4.0重量％、大约4.5重量％、大约5.0重量％、大约5.5重量％、大约6.0重量％、大约6.5重量％、大约7.0重量％、大约7.5重量％、大约8.0重量％、大约8.5重量％、大约9.0重量％、大约9.5重量％或大约10.0重量％的镍。

可为DMW-HMS焊缝金属添加几种附加次要元素。可为晶粒细化和沉淀硬化目的加入少量的钛(例如小于或等于大约0.7重量％或大约0.15-0.45重量％)以强化焊缝金属。

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。例如，在一个实施方案中，硫和磷各自以不多于大约200ppm的浓度存在。

在一些实施方案中，焊件包含大约15-25重量％、大约15-23重量％、大约15-21重量％、大约15-19重量％、大约15-17重量％、大约17-25重量％、大约17-23重量％、大约17-21重量％、大约17-19重量％、大约19-25重量％、大约19-23重量％、大约19-21重量％、大约21-25重量％、大约21-23重量％或大约23-25重量％的锰。

焊缝冶金学/微结构/机械性质：

新型DMW-HMS焊缝金属可提供将耐侵蚀HMS组件(包括浆料管道)与低碳钢组件接合所需的强度和韧度。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。

DMW-HMS焊缝金属必须实现该用途(例如浆料管道)所需的最低抗拉强度性质。例如，焊缝金属抗拉强度必须高于耐侵蚀HMS基材或低碳钢组件基材(看哪个最低)的组件设计所要求的指定最低极限抗拉强度(SMUTS)。在本文所述的一些实施方案中，低碳钢组件的SMUTS低于耐侵蚀HMS组件的SMUTS。在一个实施方案中，本公开的DMW-HMS焊缝金属实现所有这些要求，因为其是高亚稳奥氏体相，其在应变时转变成硬α’-马氏体并发生微孪晶形成。另外，焊缝金属中的固溶强化元素(例如钼)可通过干扰晶格位错运动提供额外强化。在一个实施方案中，这些强化机制的组合提供实现抗拉强度要求的高强度和加工硬化率。

DMW-HMS焊缝金属必须实现该用途(例如浆料管道)所需的最低韧度性质。另外，焊缝附近(HAZ)的基材金属也必须实现这些最低韧度性质。用于预期用途的韧度的最常见评估是通过进行焊缝金属和HAZs的几个区域的Charpy V型缺口(CVN)试验测得的冲击韧度。以能量单位(即焦耳，J)报道的该值必须高于由该用途的设计规范规定的最低所需CVN。在一个实施方案中，DMW-HMS焊缝实现焊缝金属、耐侵蚀HMS基材金属HAZ和低碳钢HAZ中的要求。在一个实施方案中，用奥氏体相的焊缝金属微结构和有限碳化物量实现造成延性断裂模式的焊缝金属韧度。通过控制焊接热输入以使HAZ中的碳化物沉淀最小化，实现耐侵蚀基材金属HAZ韧度。高热输入可造成在耐侵蚀HMS HAZ晶粒边界的过度碳化物沉淀和HAZ中的提高的硬度，以致CVN韧度值不足。在一个实施方案中，通过控制热输入实现低碳钢HAZ韧度。控制焊接过程中的热输入可避免形成具有高硬度和低韧度的相，如马氏体。

在一个具体实施方案中，本公开的焊缝金属具有包含奥氏体晶粒的微结构。

在另一实施方案中，焊缝金属具有的焊态屈服强度高于高锰钢基材和/或低碳钢的屈服强度；或高于所需最低屈服强度。

在一个实施方案中，焊缝金属具有高于大约70ksi的焊态屈服强度。在一个具体实施方案中，屈服强度高于大约72.5ksi、大约75ksi、大约77.5ksi、大约80ksi或大约82.5ksi。

在一些实施方案中，焊缝金属具有高于70ksi的焊态极限抗拉强度。在一个具体实施方案中，极限抗拉强度高于大约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。

在另一实施方案中，焊缝金属具有在^–29℃下高于大约27J的焊态CVN能量。在一个具体实施方案中，焊接熔敷物具有高于大约30J、大约35J、大约40J、大约45J、大约50J、大约55J、大约60J、大约65J、大约70J、大约75J或大约80J的焊态CVN能量。

在另一实施方案中，在施加焊缝金属后，高锰钢HAV具有在^–29℃下高于大约27J的焊态CVN能量。在一个具体实施方案中，高Mg钢HAV具有在^–29℃下高于大约30J、大约35J、大约40J、大约45J、大约50J、大约55J、大约60J、大约65J、大约70J、大约75J或大约80J的焊态CVN能量。

在另一实施方案中，在施加焊缝金属后，低碳钢HAZ具有在^–29℃下高于大约27J的焊态CVN能量。在一个具体实施方案中，低碳钢0HAZ具有在^–29℃下高于大约30J、大约35J、大约40J、大约45J、大约50J、大约55J、大约60J、大约65J、大约70J、大约75J或大约80J的焊态CVN能量。

可焊性：

新型DMW-HMS焊缝金属可提供将耐侵蚀HMS与低碳钢接合所需的可焊性。通过焊缝金属化学、焊接工艺参数和焊缝接头设计的适当控制实现这种可焊性。

在一个实施方案中，DMW-HMS焊缝金属凝固为初生奥氏体。初生奥氏体结构可能容易发生焊缝凝固裂纹。对于油砂组件(包括浆料管道)的制造，任何焊缝凝固裂纹都不可接受，因此DMW-HMS焊缝金属必须在使用实践焊接参数的焊接过程中提供足够的抗凝固裂纹性。焊缝金属化学的适当控制可帮助避免DMW-HMS焊缝金属中的凝固裂纹。自耗焊丝组成的控制可帮助确保合金化元素的适当含量和杂质元素如硫和磷的最低含量。必须管理基材金属的稀释以确保焊缝金属组成范围在适当的范围内。基材金属HMS具有明显高于DMW-HMS焊接耗材的碳含量，因此可具有更高稀释，这造成更高的凝固裂纹易感性。在一个实施方案中，通过限制最大热输入控制稀释水平。在另一实施方案中，通过规定的焊道序列(weldbead sequence)控制稀释水平。凝固裂纹也依赖于在焊缝金属凝固过程中形成的焊缝残余应力的量级和位置。在另一实施方案中，使用特定焊缝斜角几何来提供更有利的焊缝残余应力并改进DMW-HMS焊缝金属中的抗凝固裂纹性。例如，在一个实施方案中，具有较大夹角的开斜角(open bevels)产生具有较低深宽比的焊道。与具有较小夹角和较大热致应力的窄斜角相比，这可降低凝固裂纹易感性。也可通过确保异种金属组件的适当装配对齐来控制热致应力。因此，应将HMS组件和低碳钢组件适当控制在指定的尺寸公差内。

焊接工艺参数和焊接用途：

根据本公开的另一实施方案，提供一种用于施加本公开的焊缝金属的***。该***可使用焊接设备和参数来控制焊接电弧稳定性和焊池流动特性如粘度和焊道形状以提供可接受的可焊性。用于提供接合高Mn钢和低碳钢的焊缝的***包含自耗丝状电极和实施气体金属电弧焊的气体金属电弧焊电源。自耗丝状电极包含如上所述的焊缝金属。例如，该丝状电极包含大约0.1重量％至大约0.4重量％的碳、大约15重量％至大约25重量％的锰、大约2.0重量％至大约8.0重量％的铬、小于或等于大约2.0重量％的量的钼、小于或等于大约10重量％的量的镍、小于或等于大约0.70重量％的量的硅、小于或等于大约100ppm的量的硫、小于或等于大约200ppm的量的磷且余量包含铁。该气体金属电弧焊电源产生不大于大约2.5kJ/mm的焊接热输入。在另一实施方案中，焊接热输入为大约0.6kJ/mm(大约15kJ/英寸)至大约1.0kJ/mm(大约25kJ/英寸)。

可以用最近开发的焊接技术实现在用于浆料管道施工的实用生产率下制成的可靠DMW-HMS焊缝的施加。工业上可得的GMAW焊机能够实现DMW-HMS焊缝的良好可焊性。GMAW电源的制造商已通过使用精密固态电子学并入先进的脉冲波形控制。这种波形控制能够改进和优化可焊性。这种类型的焊接通常被称作脉冲GMAW或PGMAW。这些PGMAW机器已存在许多年，但直到最近具有波形控制才变得足够先进来实现最有益于ER-HMS现场施工的优化水平。

在一个实施方案中，用GMAW焊机来制造DMW-HMS焊缝。在一个具体实施方案中，用脉冲GMAW(PGMAW)来施加DMW-HMS焊缝。可以使用例如市售GMAW焊机在多个焊接位置(1G-平焊、2G-横焊、3G-竖焊、4G-仰焊、5G-管道平放焊)来焊接DMW-HMS耗材化学体。焊接耗材可作为线状焊道或摆动焊道施加。可以选择参数以确保在焊缝的HMS侧和焊缝的低碳钢侧上都适当的基材金属配合(tie in)和熔合。

在一个具体实施方案中，在现场浆料管道施工过程中将低碳钢环接合到HMS浆料管道的外侧。在另一实施方案中，使用GMAW基工艺，例如PGMAW制造DMW-HMS焊缝。可以使用其它工艺，只要实现指定的化学和微结构并且可焊性对该用途而言令人满意。可用的电源的几个实例是Fronius TransSynergic 3200、Lincoln Power Wave 455和Miller PipePro450。

用于施加DMW-HMS焊缝以将低碳钢(例如低碳钢环)接合到HMS(例如耐侵蚀HMS浆料管道的外侧)上的***可包括使用包芯焊丝耗材(金属芯或焊剂芯)的半自动GMAW焊接。可以用大约100至大约180amps的电流进行焊接。电弧电压可为大约15V至大约30V。对于大约1.2mm直径的焊丝，送丝速度可为大约80至大约500ipm。此外，可用大约10至大约50cfh的焊接保护气体流速进行焊接。在另一实施方案中，具有大约1.2mm至大约1.6mm的直径的填充焊丝，其对于根部、填充和盖面焊道可具有大约1至大约18ipm的行进速度，和/或。在一些实施方案中，用小于大约2.5kJ/mm(63.5kJ/英寸)的热输入进行焊接。在一个具体实施方案中，用小于大约1.97kJ/mm(50kJ/英寸)的热输入进行焊接。热输入可为大约0.59kJ/mm(大约15kJ/英寸)至大约1.02kJ/mm(大约26kJ/英寸)。

根据本公开的另一实施方案，提供一种施加本公开的焊缝金属的方法。该方法使用例如能够控制焊接电弧稳定性和焊池流动特性如粘度和焊道形状以提供可接受的可焊性的焊接设备和参数。在一个实施方案中，控制焊缝金属化学、焊缝接头几何和焊接输入来确保焊缝金属的强度和韧度并防止热影响区(HAZ)韧度的显著退化。

制造用于接合高Mn钢和低碳钢的焊接熔敷物的方法包括：提供要焊接的高Mg钢基材和低碳钢基材和焊接填料金属；和熔融和冷却所述焊接填料以制造焊接熔敷物。该焊接填料金属包含大约0.1重量％至大约0.4重量％的碳、大约15重量％至大约25重量％的锰、大约2.0重量％至大约8.0重量％的铬、小于或等于大约2.0重量％的量的钼、小于或等于大约10重量％的量的镍、小于或等于大约0.70重量％的量的硅、小于或等于大约100ppm的量的硫、小于或等于大约200ppm的量的磷且余量包含铁。

在某些实施方案中，熔融包括对焊接填料金属/焊接耗材丝组合物施加大约2.5kJ/mm或更低的焊接热输入。

在一个具体实施方案中，高Mn钢基材和/或碳钢基材金属包含要焊接的部分，所述部分具有大于大约25度的斜角。

本公开的一个实施方案包含一种针对特定用途要求制造DMW-HMS焊缝的方法。该方法包括在本文中公开的有效范围内确定所需DMW-HMS焊缝金属化学。在一个实施方案中，该方法包括在给定的基材金属化学和所需焊缝金属化学下确定焊接耗材丝化学，其可包含如上所述进行稀释计算。在另一实施方案中，该方法进一步包括使用焊接耗材丝焊接基材金属。在一个具体实施方案中，焊接包括控制焊接过程中的电弧稳定性和焊池流动特性以提供令人满意的可焊性和焊缝熔合。

实施例

DMW-HMS焊缝金属的检查:进行DMW-HMS焊缝金属的实验室规模测试。用下列参数进行半自动GMAW工艺：大约120至145amps的电流；典型地大约20V至大约30V的电弧电压；对于1.2mm直径的焊丝，大约220至250ipm的送丝速度；大约40至大约50cfh的保护气体流速；对于根部、填充和盖面焊道，大约3至大约8ipm的行进速度；大约1.2mm的填充焊丝直径；和大约18-50kJ/英寸的热输入。试验焊缝的性质(例如屈服强度、抗拉强度等)显示在表1中。

表1.实施例焊缝金属化学和几种试验焊缝的相关性质

焊缝金属的极限抗拉强度和在^-29℃下的CVN冲击韧度显示在表2中并与具有APIX70等级强度要求的耐侵蚀HMS浆料管道和低碳钢环(ASME SA-516Grade 70材料)之间的接头的焊缝要求比较。DMW-HMS焊缝金属抗拉强度必须高于较低强度材料，低碳钢环的指定最低极限抗拉强度(SMUTS)。耐侵蚀HMS材料的SMUTS为82.7ksi，且低碳钢的SMUTS为70ksi。因此，DMW-HMS焊缝金属必须高于70ksi(这两个SMUTS值中较低的一个)。可以在本文中公开的范围内对DMW-HMS焊缝金属化学作出修改以实现一系列可能的耐侵蚀HMS-低碳钢接头所需的焊缝金属抗拉性质。表2还显示用制成的DMW-HMS试验焊缝实现的冲击韧度(CVN)值，并与浆料管道用途的焊缝冲击韧度要求比较。

表2.碳钢-HMS试验焊缝的焊缝金属机械性质

现场焊接程序的评定.表3显示作为焊接程序评定的一部分制成的碳钢-HMS焊缝的平均试验结果。与要求值一起显示评定焊缝结果。碳钢-HMS焊接程序证实焊缝金属、高Mn钢和低碳钢的优异冲击韧度值，以及横向焊缝抗拉强度。

表3.碳钢-HMS焊缝的焊缝金属性质

上述实施方案可产生满足制造和应用耐侵蚀HMS浆料管道的所有要求的HMS-低碳钢焊缝。

焊接保护气体组成的适当控制对制造具有所需性质的可靠碳钢HMS焊缝至关重要。通过在保护气体中使用CO₂克服DMW-HMS焊缝金属的粘性性质。保护气体中的CO₂用于改进焊池流动性、电弧稳定性和焊道几何，包括熔透轮廓。所有这些属性对避免焊接过程中的焊缝缺陷是重要的。但是，CO₂的使用提高氧势并可提高焊缝金属中的氧含量。焊缝金属中的氧化物的过度形成会造成韧度变差。因此，应该将保护气体中的CO₂量控制在10％至30％之间。DMW-HMS焊接技术的一个优选实施方案施加组成为80％Ar/20％CO₂的保护气体。

应该适当控制DMW-HMS焊缝的焊道轮廓以使凝固裂纹的风险最小化。应该避免高度凹陷的焊道轮廓，因为这些容易发生凝固裂纹。可以在焊接电流、送丝速度和焊接行进速度的适当控制下控制焊道轮廓。

在使用包芯焊丝耗材来施加DMW-HMS焊缝时，重要的是避免与包芯焊丝焊接工艺，如MCAW和FCAW相关的典型焊接问题。这样的潜在问题包括过度飞溅和焊缝金属多孔性。如上所述在保护气体中使用CO₂会减轻飞溅。可以通过适当的清洁实践减轻或避免焊缝金属多孔性。焊缝接头和耗材丝应该保持干燥和清洁，没有油和其它碎屑。应该遵循适当的耗材丝存储实践(温度和湿度)，因为当存储不当时，包芯焊丝耗材具有比实心焊丝耗材高的收集水分的倾向。

可以控制焊接工艺参数来产生形成具有适合浆料管道用途的微结构和性质的可靠DMS-HMS焊缝的焊接热输入。焊接热输入应该高到足以在用于管道焊接的实用生产率下实现一致熔合。但是，应将其控制在大约2.5kJ/mm的最大值以下以确保焊缝符合要求。可以调节焊接参数(电流、电压和行进速度)以确保不超过焊接热输入值。超过最大值的过度热输入会造成许多潜在问题，包括：凝固裂纹、降低的焊缝金属韧度和降低的基材金属HAZ韧度。

可将焊接热输入控制在最大值以下以避免产生容易形成凝固裂纹的具有高深宽比的大焊道。这些高深宽比可提高焊缝金属中的偏析和提高焊缝接头中的横向应变，由此提高凝固裂纹可能性。

此外，焊接热输入控制对保持HMS基材金属HAZ和低碳钢基材金属HAZ中的所需韧度至关重要。对于HMS基材金属HAZ，要理解的是，太高的热输入会造成在HMS基材金属HAZ中的晶粒边界上的过度碳化物沉淀。这会产生韧度降低的局部区域。控制在最大值以下的焊接热输入使得热循环和冷却速率产生降低量的在HAZ晶粒边界的碳化物沉淀。这改进断裂韧度和抗开裂性。因此，需要适当的热输入控制以确保在DMW-HMS焊缝金属和HMS基材金属HAZ中符合所需韧度。热输入的控制也减少低碳钢基材金属HAZ中的低韧度微结构(如马氏体)的形成。

上述焊缝金属化学、焊接工艺和焊接实践的适当应用会产生具有构造HMS浆料管道所需的微结构和机械性质的合适DMW-HMS焊缝。可以使用现代管道焊接设备在1G、2G、3G、4G和5G焊接位置以实用的生产率施加新型DMW-HMS焊缝金属。

具体实施方案:

根据一个方面，本公开提供一种用于将高锰钢基材金属与低碳钢基材金属接合的焊接组合物，所述组合物包含：0.1重量％至0.4重量％的碳；15重量％至25重量％的锰；2.0重量％至8.0重量％的铬；≤2.0重量％的量的钼；≤10重量％的量的镍；≤0.7重量％的量的硅；≤100ppm的量的硫；≤200ppm的量的磷；且余量包含铁，其中焊件包含奥氏体微结构。

在本文所述的任一方面或实施方案中，所述焊接组合物进一步包含≤0.7重量％的量的钛。

在本文所述的任一方面或实施方案中，碳为0.1–0.3重量％；锰为18.0–22.0重量％；铬为3.5–6.5重量％；钼为小于1.5重量％的量；镍为5.5–8.5重量％；硅为0.4–0.8重量％；硫为小于150ppm的量；和/或钛为0.15–0.45重量％的优选范围。

在本文所述的任一方面或实施方案中，所述焊接填料金属具有奥氏体微结构。

在本文所述的任一方面或实施方案中，所述奥氏体微结构在应变时转变成硬α’-马氏体并发生微孪晶形成。

根据另一方面，本公开提供一种用于提供接合高锰钢和低碳钢的焊缝的***，所述***包含：产生包含0.1重量％至0.4重量％的碳、15重量％至25重量％的锰、2.0重量％至8.0重量％的铬、≤2.0重量％的量的钼、≤10重量％的量的镍、≤0.7重量％的量的硅、≤200ppm的量的硫、≤200ppm的量的磷且余量包含铁的焊件的自耗丝状电极；和实施气体金属电弧焊的气体金属电弧焊电源，所述气体金属电弧焊电源产生不大于2.5kJ/mm的焊接热输入。

在本文所述的任一方面或实施方案中，所述焊件包含：碳为0.1–0.3重量％；锰为18.0–22.0重量％；铬为3.5–6.5重量％；钼为小于1.5重量％的量；镍为5.5–8.5重量％；硅为0.4–0.8重量％；硫为小于150ppm的量；和/或钛为0.15–0.45重量％的优选范围。

在本文所述的任一方面或实施方案中，所述焊接热输入为0.6至1.0kJ/mm。

根据另一方面，本公开提供一种制造耐侵蚀/腐蚀高Mn钢的焊接熔敷物的方法，所述方法包括：提供要焊接的高Mn钢基材和低碳钢基材，和包含0.1重量％至0.4重量％的碳、15重量％至25重量％的锰、2.0重量％至8.0重量％的铬、≤2.0重量％的量的钼、≤10重量％的量的镍、≤0.7重量％的量的硅、≤100ppm的量的硫、≤100ppm的量的磷且余量包含铁的焊接填料金属；和熔融和冷却所述焊接填料以制造焊接熔敷物。

在本文所述的任一方面或实施方案中，熔融包括对所述焊接填料金属提供不大于2.5kJ/mm的焊接热输入。

在本文所述的任一方面或实施方案中，所述至少两种钢基材金属包含要焊接的部分，所述部分具有大于25度的斜角，其中所述至少两种金属具有至少一种高Mn钢和至少一种低碳钢。

在本文所述的任一方面或实施方案中，所述焊接熔敷具有的焊态屈服强度高于低碳钢基材金属和/或高Mn钢基材金属的屈服强度。

在本文所述的任一方面或实施方案中，所述焊接熔敷物具有高于60ksi的焊态屈服强度；和/或所述焊接熔敷物具有高于70ksi的焊态极限抗拉强度。

在本文所述的任一方面或实施方案中，焊接熔敷物具有在^–29℃下高于27J的焊态CVN；和/或所述基材金属的热影响区具有在^–29℃下高于27J的焊接后CVN。

在本文所述的任一方面或实施方案中，所述高Mn基材金属是耐侵蚀/腐蚀高Mn钢。

尽管原则上已联系用于油、气和/或石油化学工业/***/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、***、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***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***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

1.一种用于将高锰钢基材金属与低碳钢基材金属接合的焊接组合物，所述组合物包含：

0.1重量％至0.4重量％的碳；

15重量％至25重量％的锰；

2.0重量％至8.0重量％的铬；

≤2.0重量％的量的钼；

≤10重量％的量的镍；

≤0.7重量％的量的硅；

≤100ppm的量的硫；

≤200ppm的量的磷；且

余量包含铁，其中焊件包含奥氏体微结构。

2.权利要求1的组合物，其进一步包含≤0.7重量％的量的钛。

3.权利要求1或2的金属组合物，其中至少一种：碳为0.1–0.3重量％；锰为18.0–22.0重量％；铬为3.5–6.5重量％；钼为小于1.5重量％的量；镍为5.5–8.5重量％；硅为0.4–0.8重量％；硫为小于150ppm的量；钛为0.15–0.45重量％的优选范围；或其组合。

4.权利要求1-3任一项的组合物，其中所述奥氏体微结构在应变时转变成硬α’-马氏体并发生微孪晶形成。

5.一种用于提供接合高锰钢和低碳钢的焊缝的***，所述***包含：产生包含0.1重量％至0.4重量％的碳、15重量％至25重量％的锰、2.0重量％至8.0重量％的铬、≤2.0重量％的量的钼、≤10重量％的量的镍、≤0.7重量％的量的硅、≤200ppm的量的硫、≤200ppm的量的磷且余量包含铁的焊件的自耗丝状电极；和实施气体金属电弧焊的气体金属电弧焊电源，所述气体金属电弧焊电源产生不大于2.5kJ/mm的焊接热输入。

6.权利要求5的***，其中所述焊件包含≤0.7重量％的量的钛。

7.权利要求5或6的***，其中所述焊件包含下列至少一种：碳为0.1–0.3重量％；锰为18.0–22.0重量％；铬为3.5–6.5重量％；钼为小于1.5重量％的量；镍为5.5–8.5重量％；硅为0.4–0.8重量％；硫为小于150ppm的量；钛为0.15–0.45重量％的优选范围；或其组合。

8.权利要求6或7的***，其中所述焊接热输入为0.6至1.0kJ/mm.

9.一种制造耐侵蚀/腐蚀高Mn钢的焊接熔敷物的方法，所述方法包括：

提供要焊接的高Mn钢基材和低碳钢基材，和包含0.1重量％至0.4重量％的碳、15重量％至25重量％的锰、2.0重量％至8.0重量％的铬、≤2.0重量％的量的钼、≤10重量％的量的镍、≤0.7重量％的量的硅、≤100ppm的量的硫、≤100ppm的量的磷且余量包含铁的焊接填料金属；和

熔融和冷却所述焊接填料以制造焊接熔敷物。

10.权利要求9的方法，其中熔融包括对所述焊接填料金属提供不大于2.5kJ/mm的焊接热输入。

11.权利要求9或10的方法，其中所述至少两种钢基材金属包含要焊接的部分，所述部分具有大于25度的斜角，其中所述至少两种金属具有至少一种高Mn钢和至少一种低碳钢。

12.权利要求9-11任一项的方法，其中所述焊接熔敷具有的焊态屈服强度高于低碳钢基材金属和/或高Mn钢基材金属的屈服强度。

13.权利要求9-12任一项的方法，其中至少一项：所述焊接熔敷物具有高于60ksi的焊态屈服强度；所述焊接熔敷物具有高于70ksi的焊态极限抗拉强度；或其组合。

14.权利要求9-13任一项的方法，其中至少一项：焊接熔敷物具有在^–29℃下高于27J的焊态CVN；所述基材金属的热影响区具有在^–29℃下高于27J的焊接后CVN；或其组合。

15.权利要求9-14任一项的方法，其中所述高Mn基材金属是耐侵蚀/腐蚀高Mn钢。