[发明专利]对接焊缝和使用熔焊和搅拌摩擦焊的制造方法

说明书

技术领域

本公开主要涉及钢结构中的对接焊缝。更具体地，本公开涉及使用熔焊和搅拌摩擦焊方法组合形成的在钢结构中的对接焊缝。

背景技术

接合例如成形形状、锻件、铸件或板的金属部件以构造用于多种工业的许多结构或构件主要通过熔焊进行。例如，使用各种管构造形成用于石油、煤气和地热井等的管线主要通过常规弧焊或熔焊进行。数十年间，管线工业广泛使用了若干种熔焊技术进行管线构造，例如有保护的金属电弧焊(SMAW)和机械化金属极惰性气体保护焊(GMAW)。

弧焊或熔焊包括熔融待焊材料以产生接头。在这种工艺中，管径越大，或管壁越厚，焊接变得越慢，因为在焊接接头中必须熔融或沉积更大量的金属。对于岸上管线，特别是边远地区的岸上管线，重要的是尽可能经济地焊接，这是因为与调配工人和设备到管线用地(ROW)有关的高费用。对于海底管线，重要的是尽可能经济地焊接，这是因为与铺管船相关的巨大成本。例如合格焊工的可得性、管道厚度、焊接生产率、焊缝质量和焊接工艺的自动化等的若干其它因素也可以在焊接工艺的选择中起作用。

使用沿用已久的熔焊工艺的管线钢的环焊缝通常依管道的厚度而由3-20道焊缝组成。管线通过将管道的单独的接头环缝焊接在一起来构造。在标准管线构造工艺中，通过设置与焊道数大致一样多的焊接站来实现干线焊接，设计各焊接站用来产生一个或两个特定焊道。因此，特别是在边远地区，整个工艺需要相当大的人力和相关费用来容纳和支持工人。构造过程也是费时的，这影响着管线构造成本。有时，首先在店里将两个管道焊接以产生“双接头”，随后将双接头运输到管线用地(ROW)用于最终现场构造。在典型的现场构造过程中，将管道末端对接在一起，随后使用焊接工艺将对接的表面熔合在一起。焊料也按制造的原样加到焊缝中。在各焊接站处常使用焊棚来保护外部焊接活动不受天气因素影响。通常，各个棚专门应用一个或两个焊缝。

搅拌摩擦焊(FSW)是一种固态接合技术，其使用旋转(旋压)工具将金属搅拌在一起以形成接头或焊缝。旋压工具以相当大的力挤压焊接的材料。对所焊接的部件垂直施加下压力。大致平行于所焊接部件的表面施加平移力，该力用以使工具沿焊接接头平移。如果焊接接头由弧形路线组成，则还可以存在由FSW设备支持的横向反作用力。FSW适合对缝焊接，但也可以用于其它接合构造。在FSW期间产生的热使与工具邻接的材料软化并降低其强度。该软化(其从工具延伸几毫米)对于使材料塑化是必需的且允许材料被搅拌。被机械混合的软化区域通常被称为搅拌区。因为在搅拌摩擦焊中搅拌区中的材料被加热到相对高的温度，所以其被弱化。这也包括在根部区域中的材料，所述根部区域为略低于旋压工具顶端的待焊接材料区域。因此，在FSW期间，通常从工件下面支撑根部区域，使得搅拌区不移离焊接接头的底部。背面支撑板常用以在FSW期间提供对搅拌区的支撑。在缺乏抵抗在FSW期间施加的下压力的背面支撑的情况下，焊缝的搅拌区中的材料可能从焊接接头的底部移离，产生有缺陷的焊缝或接头。

希望在不使用独立背面支撑的情况下使用FSW来接合金属构件，并解决可能随背面支撑的使用而出现的常见根部缺陷的问题。更具体地，希望在没有背面支撑的情况下使用FSW构造输油输气管线。FSW能够单道接合需要多个弧焊道的管道的整个壁厚或几乎整个壁厚。然而，对于管线构造应用FSW的问题之一涉及到需要背面支撑和如何使背面支撑的任何实用方法适应在将管道焊接到新构造的管道支线上时发生的相当大的“前端”活动。在构造工艺的前端，工人进行例如管道开坡口和预加热的活动，这可能限制进入到管道内部以便使用内部背面支撑来抵抗FSW的下压力。这种内部背面支撑也将是需要一些动力和遥控手段的庞大设备，这将是困难的且高成本的。另外，使用背面支撑增加根部缺陷的可能性，因为背面支撑不能顺利地适应管道错边、管径变化和壁厚变化的常见问题。在管线构造期间对于FSW使用背面支撑成问题。

因此，需要对接焊缝和使用FSW形成对接焊缝的方法，其可以用强度足够的根部焊接区域来形成，从而避免在FSW期间对于背面支撑的需要，由此，所述对接焊缝和形成对接焊缝的方法实现了在当将两个工件对接在一起时在根部区域中出现的常见几何错边方面使根部缺陷最小化的目标。

定义

为了方便起见，下文定义在本说明书和权利要求书中使用的各种结构钢和焊接术语。

可接受的焊件强度：始终高于钢基的强度的强度水平。