CN109070284A

CN109070284A - 用于高锰钢浆料管道的现场环缝焊接技术

Info

Publication number: CN109070284A
Application number: CN201780027293.4A
Authority: CN
Inventors: A·J·沃森; T·D·安德森; D·P·费尔柴尔德; X·岳; H·金; N·马; I·韩; S·李; B·李; J·李
Original assignee: Posco Co Ltd; ExxonMobil Research and Engineering Co
Current assignee: Posco Holdings Inc
Priority date: 2016-05-02
Filing date: 2017-05-02
Publication date: 2018-12-21
Also published as: EP3452247A1; WO2017192619A1; US12311474B2; EP3452247B1; AU2017259978A1; CA3022962C; RU2018141292A; US20200086431A1; AR108269A1; CN121132089A; US20180021895A1; EP3452247A4; KR102266804B1; US10493569B2; JP2022081631A; RU2018141292A3; BR112018071995A2; CA3022962A1; KR20180132960A; JP2019520473A

Abstract

本公开涉及涉及用于接合高锰钢基材金属的焊接组合物及其施加方法。该组合物包括：大约0.4重量％至大约0.8重量％的碳；大约18重量％至大约24重量％的锰；≤大约6重量％的量的铬；≤大约4重量％的量的钼；≤大约5重量％的量的镍；大约0.4重量％至大约1.0重量％的量的硅；≤大约200ppm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，组合物具有奥氏体相。

Description

用于高锰钢浆料管道的现场环缝焊接技术

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No.62/330,415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。更特别地，本说明书提供用于制造接合和构造高锰(Mn)钢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)中的管道系统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，这些管道系统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制成(例如API规范5L X70，第45版)。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)。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/腐蚀性的改进的高锰(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。用于将高Mn钢浆料管段直接互相接合的环缝对接焊接需要提供所需的强度、韧度和磨损性质，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。接合高Mn钢浆料管段的环缝对接焊件会暴露于内部浆料运行流体和固体，因此必须符合或超过管道基材金属的侵蚀/腐蚀性能以实现将高Mn钢用于浆料管道用途的最大益处。

迄今开发的高Mn钢焊缝金属不足以接合耐侵蚀高Mn钢浆料管道。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接合最新开发的耐侵蚀高Mn钢浆料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例如浆料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 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，但在用于例如浆料管道用途时没有为耐侵蚀高Mn钢提供足够的焊缝金属强度。

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，和高耐侵蚀/腐蚀性，可在高Mn钢管道现场施工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，本说明书提供实现足够的强度、足够的韧度和高耐侵蚀/腐蚀性来通过环缝对接焊接接合耐侵蚀高Mn钢浆料管道(例如将高Mn钢与高Mn钢接合)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。本公开的焊缝金属可被称作耐侵蚀高Mn钢或ER-HMS。

在某些实施方案中，焊缝金属包含大约0.4至大约0.8重量％碳、大约18.0至大约24.0重量％锰、小于或等于大约6.0％铬的量的铬、小于或等于大约4.0重量％的量的钼、小于或等于大约5.0重量％的量的镍、大约0.4至大约1.0％硅、小于或等于大约200ppm的量的硫和小于或等于大约200ppm的量的磷。在附加实施方案中，可以添加其它元素以增强焊缝金属性质(例如强度)，包括下列至少一种：小于或等于大约2重量％的量的钛、小于或等于大约5重量％的量的铌、小于或等于大约5重量％的量的钨、小于或等于1重量％的量的铝、小于或等于大约1.5重量％的量的氮、小于或等于大约0.1重量％硼的量的硼或其组合。焊缝金属的余量包含铁，例如大约75％wt。

在某些实施方案中，焊缝金属进一步包含下列至少一种：大约18.0至大约22重量％的量的锰；大约2.0至大约4.0重量％的量的铬；大约1.25至2.75重量％的量的钼；小于大约5重量％的量的镍；0.2至大约0.5重量％的量的硅；小于或等于150ppm的量的硫；或其组合。

在另一实施方案中，焊接填料金属具有奥氏体相。在一个具体实施方案中，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，本说明书提供一种使用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来施加焊缝金属的系统。在某些实施方案中，用于提供耐侵蚀/腐蚀的高锰焊缝的系统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。在某些实施方案中，自耗丝状电极包含大约0.4重量％至大约0.8重量％的碳、大约18重量％至大约24重量％的锰、大约0重量％至大约6重量％的铬、小于或等于大约4重量％的量的钼、小于或等于大约5重量％的量的镍、大约0.4重量％至大约1.0重量％的量的硅、小于或等于大约200ppm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。

在另一实施方案中，焊接热输入为大约0.6至大约1.0kJ/mm。

在某些实施方案中，系统进一步包含用于提供至少一种保护气体的装置，其中所述至少一种保护气体包括大约10％至大约30％的CO₂。在一个具体实施方案中，所述至少一种保护气体是80％氩气和20％CO₂。

在另一方面，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热输入来确保降低的凝固裂纹易感性并防止焊缝金属和热影响区(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，其具有小体积分数的碳化物。

在进一步方面中，本说明书提供制造耐侵蚀/腐蚀高Mn钢的焊接熔敷物(welddeposit)的方法。该方法包括：提供至少两个要焊接的高Mn钢基材和焊接填料金属；和熔融和冷却所述焊接填料以产生焊接熔敷物。在某些实施方案中，焊接填料金属包含大约0.4重量％至大约0.8重量％的碳、大约18重量％至大约24重量％的锰、小于或等于大约6重量％的量的铬、不多于大约4重量％的量的钼、不多于大约5重量％的量的镍、大约0.4重量％至大约1.0重量％的硅、不多于大约200ppm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，所述至少两个高Mn钢基材包含要焊接的部分，所述部分具有大约30度至大约37.5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高锰钢基材的屈服强度或高于所需的最低屈服强度。

在某些实施方案中，焊接熔敷物具有如下中的至少一种：高于大约70ksi的焊态屈服强度、高于82.7ksi的焊态极限抗拉强度、高于大约16％的焊态拉伸伸长、在^–29℃下高于大约27J的焊态CVN或其组合。

在附加实施方案中，基材的热影响区具有在^–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，该方法进一步包括限制焊缝金属中的碳含量至小于基材金属中的碳量的量。

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本权利要求书、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，本公开的各种方面和实施方案可以许多组合使用，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1显示与用于制造耐侵蚀高锰钢(ER-HMS)环形焊缝的先进焊接电源一起开发的脉冲电流波形的一个实例。

图2A和2B各自图解根据本公开的一个实施方案的开斜角(open bevel)。

图3是显示计算堆垛层错能(SFE)随不同合金化条件的变化的一系列曲线图。

图4是显示计算凝固温度范围(STR)随不同合金化条件的变化的一系列曲线图。

图5是显示计算渗碳体溶线温度(CST)随不同合金化条件的变化的一系列曲线图。

图6是显示为物理焊接评估和测试而制造的耗材化学体的关键热力学参数的曲线图。

图7是可用于ER-HMS耗材的物理焊接评估的斜角设计的图。

图8A是用于根据本公开的一个实施方案的ER-HMS耗材的物理焊接评估的焊道序列(weld bead sequence)。

图8B是图8A中所示的焊道序列的焊缝近摄图。

图9是图解候选HMS环缝焊接耗材的平均屈服强度和平均导向Charpy V型缺口(CVN，average conducting Charpy V-notch)值的曲线图。

图10显示候选ER-HMS焊缝金属的射流冲击侵蚀试验结果。

图11图解根据本公开的几种ER-HMS耗材在1％应变至7％应变下的平均最大裂纹距离(MCD)值。

图12显示根据本公开的一个实施方案的ER-HMS耗材的焊道序列的一个实例。

图13显示根据本公开的一个实施方案的ER-HMS管道环形焊缝的焊缝近摄图的一个实例。

图14显示根据本公开的一个实施方案的ER-HMS焊缝金属(管道环形焊缝)的光学显微照片的一个实例。

图15是用于根据本公开的一个实施方案的ER-HMS耗材的物理焊接评估的焊道序列。

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不存在熔合缺陷。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可具有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、焊缝斜角几何和焊道轮廓(weld bead 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系统和方法，所述发现在于，可以在降低的缺陷可能性下现场施加本公开的高Mn钢焊缝金属，保持实用的可焊性并控制焊道轮廓。本文所述的系统和方法提供具有与耐侵蚀/磨损/腐蚀的高Mn钢基材金属类似的强度、韧度和磨损性质的高Mn钢焊缝。

在下列说明书中，就用于油砂生产的高锰钢浆料管道描述本公开。但是，本公开的实施方案明显可更广泛用于需要具有足够强度、韧度并且耐侵蚀/耐磨损的焊件的耐侵蚀/耐磨损高锰钢组件的任何焊接，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。

在提供数值范围时，要理解的是，在该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括在本公开内。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、CO₂、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)和焊剂芯焊丝电弧焊(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，本说明书提供使用具有足以充分产生平滑、受控的焊弧和焊池的电源电流波形控制的现代气体金属电弧焊(GMAW)法施加的奥氏体焊缝金属。这产生可用于高Mn钢管道环形焊缝的奥氏体微结构，这能够同时实现合适的强度、在焊缝金属和HMS基材金属热影响区中的合适低温韧度、高耐侵蚀/腐蚀性和具有低缺陷率的焊缝。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。

ER-HMS焊缝金属化学，可与基材金属HMS化学结合，用于计算必要的自耗焊丝组成。以类似方式，自耗焊丝化学和基材金属HMS化学可用于计算ER-HMS焊缝金属化学。ER-HMS化学可简单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基材金属。如焊接工程领域的技术人员已知，当已知或规定两种化学时，可以使用稀释计算测定三种化学之一。在焊接HMS组件(例如浆料管道)的情况下，涉及三种金属；基材金属、焊缝金属和填充焊丝。对于此处所述的机械化MCAW管道环缝焊接用途，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WeldingMetallurgy,第2卷,第3版,George E.Linnert著。

本公开的焊缝金属产生对高Mn钢浆料管道中的环形焊缝而言足够的机械性质和良好的耐侵蚀/腐蚀性。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施加这些焊缝。通过焊缝金属化学和焊接方法(工艺和程序，包括电源类型和保护气体选择)的选择来设计特定用途所需的焊缝金属并可在恶劣的(rugged)现场管道施工条件下应用以产生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0.4重量％至大约0.8重量％碳、大约18重量％至大约24重量％锰、小于或等于大约6重量％铬的量的铬、小于或等于大约4重量％的量的钼、小于或等于大约5重量％的量的镍、大约0.4重量％至大约1.0重量％硅、小于或等于200ppm的量的硫、小于或等于大约200ppm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wt％(重量百分比)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。

由于下文概述的原因，可加入其它元素。在一个实施方案中，焊缝金属进一步包含下列至少一种：小于或等于大约2重量％的量的钛、小于或等于大约5重量％的量的铌、小于或等于大约5重量％的量的钨、小于1.0重量％的量的铝、小于或等于大约0.1重量％的量的硼、小于或等于大约1.5重量％的量的氮或其组合。

焊缝冶金学、微结构和机械性质：

在某些实施方案中，本公开中描述的高Mn钢焊缝金属具有与用于例如浆料管道用途的基材金属高Mn钢类似的机械性质和耐侵蚀/腐蚀性质。因此，ER-HMS焊缝金属可具有与用于例如浆料管道用途的基材金属高Mn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Mn钢的微结构可具有在室温下具有面心立方(fcc)结构的亚稳奥氏体相。

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亚稳奥氏体相，其通常在应变时转变成硬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。

在另一实施方案中，在工作/使用之前和/或过程中(例如原位形成)在某些高Mn钢的表面层中发生表面晶粒细化。例如，表面晶粒细化可导致形成具有高强度和硬度、高延性和/或高韧性的独特组合的层。这样的细粒(例如高度大约100nm层)或超细粒(例如高度大约10nm层)表面层可在工作/使用之前和/或过程中形成(例如原位形成)，并可为钢提供改进的(step-out)耐磨性、耐侵蚀性和/或耐腐蚀性。

在示例性实施方案中，可在示例性钢的使用/安装之前通过这样的表面形变，例如但不限于喷丸硬化、激光冲击强化和/或表面抛光形成细粒(例如大约100nm层)或超细粒(例如大约10nm层)表面层。

为了产生ER-HMS焊缝金属中的所需机械行为，微结构应该类似于基材金属耐侵蚀HMS。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。在一些实施方案中，焊缝金属和基材金属中的Mn含量类似。在具体实施方案中，焊缝金属包含大约18重量％至大约24重量％、大约18重量％至大约23重量％、大约18重量％至大约22重量％、大约18重量％至大约21重量％、大约18重量％至大约20重量％、大约18重量％至大约19重量％、19重量％至大约24重量％、大约19重量％至大约23重量％、大约19重量％至大约22重量％、大约19重量％至大约21重量％、大约19重量％至大约20重量％、20重量％至大约24重量％、大约20重量％至大约23重量％、大约20重量％至大约22重量％、大约20重量％至大约21重量％、21重量％至大约24重量％、大约21重量％至大约23重量％、大约21重量％至大约22重量％、22重量％至大约24重量％、大约2重量％至大约23重量％、或大约23重量％至大约24重量％的量的锰。在另一些实施方案中，焊缝金属包含大约18重量％、大约18.5重量％、大约19重量％、大约19.5重量％、大约20重量％、大约20.5重量％、大约21重量％、大约21.5重量％、大约22重量％、大约22.5重量％、大约23重量％、大约23.5重量％或大约24重量％。

在某些实施方案中，焊缝金属中的碳含量与基材金属相比处于较低水平。较低碳含量有助于为管道焊缝提供足够的可焊性(焊池流动性、电弧稳定性和焊道轮廓)。在一个具体实施方案中，基材金属中的碳多于1.0重量％且焊缝金属中的碳为少于0.8重量％的水平。在一些实施方案中，焊缝金属包含小于或等于大约0.7重量％、小于或等于大约0.6重量％、小于或等于大约0.5重量％、小于或等于大约0.4重量％、小于或等于大约0.3重量％、小于或等于大约0.2重量％、小于或等于大约0.1重量％、大约0.1重量％至大约0.8重量％、大约0.1重量％至大约0.7重量％、大约0.1重量％至大约0.6重量％、大约0.1重量％至大约0.5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0.8重量％、大约0.2重量％至大约0.7重量％、大约0.2重量％至大约0.6重量％、大约0.2重量％至大约0.5重量％、大约0.2重量％至大约0.4重量％、大约0.2重量％至大约0.3重量％、大约0.3重量％至大约0.8重量％、大约0.3重量％至大约0.7重量％、大约0.3重量％至大约0.6重量％、大约0.3重量％至大约0.5重量％、大约0.3重量％至大约0.4重量％、大约0.4重量％至大约0.8重量％、大约0.4重量％至大约0.7重量％、大约0.4重量％至大约0.6重量％、大约0.4重量％至大约0.5重量％、大约0.5重量％至大约0.8重量％、大约0.5重量％至大约0.7重量％、大约0.5重量％至大约0.6重量％、大约0.6重量％至大约0.8重量％、大约0.6重量％至大约0.7重量％、或大约0.7重量％至大约0.8重量％的量的碳。在另一些实施方案中，焊缝金属包含大约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％或大约0.8重量％的量的碳。

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。ER-HMS焊缝金属中降低的碳含量使得焊缝金属必须与附加元素形成合金以产生类似于基材金属的强度性质。

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，例如大约0.4重量％至大约1.0重量％。在一些实施方案中，焊缝金属包含大约0.4重量％至大约0.9重量％、大约0.4重量％至大约0.8重量％、大约0.4重量％至大约0.7重量％、大约0.4重量％至大约0.6重量％、大约0.4重量％至大约0.5重量％、大约0.5重量％至大约1.0重量％、大约0.5重量％至大约0.9重量％、大约0.5重量％至大约0.8重量％、大约0.5重量％至大约0.7重量％、大约0.5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0.9重量％、大约0.6重量％至大约0.8重量％、大约0.4重量％至大约0.7重量％、大约0.7重量％至大约1.0重量％、大约0.7重量％至大约0.9重量％、大约0.7重量％至大约0.8重量％、大约0.8重量％至大约1.0重量％、大约0.8重量％至大约0.9重量％、或大约0.9重量％至大约1.0重量％的量的硅。

铬的添加提高耐腐蚀性并对确保焊缝金属耐腐蚀性类似于基材金属耐腐蚀性是重要的。较高量的铬添加还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，铬含量以小于或等于大约6重量％的量存在。在一个具体实施方案中，焊缝金属包含小于或等于大约5重量％、小于或等于大约4重量％、小于或等于大约3重量％、小于或等于大约2重量％、小于或等于大约1重量％、大约1重量％至大约6重量％、大约1重量％至大约5重量％、大约1重量％至大约4重量％、大约1重量％至大约3重量％、大约1重量％至大约2重量％、大约2重量％至大约6重量％、大约2重量％至大约5重量％、大约2重量％至大约4重量％、大约2重量％至大约3重量％、大约3重量％至大约6重量％、大约3重量％至大约5重量％、大约3重量％至大约4重量％、大约4重量％至大约6重量％、大约4重量％至大约5重量％、或大约5重量％至大约6重量％的量的铬。在另一些实施方案中，焊缝金属包含大约0.5重量％、大约1重量％、大约1.5重量％、大约2重量％、大约2.5重量％、大约3重量％、大约3.5重量％、大约4重量％、大约4.5重量％、大约5重量％、大约5.5重量％或大约6重量％的量的铬。

钼的添加提供显著的固溶强化。钼的添加对实现ER-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4重量％的量的钼。在一个具体实施方案中，焊缝金属包含小于或等于大约3重量％、小于或等于大约2重量％、小于或等于大约1重量％、大约1重量％至大约4重量％、大约1重量％至大约3重量％、大约1重量％至大约2重量％、大约2重量％至大约4重量％、大约2重量％至大约3重量％、或大约3重量％至大约4重量％的量的钼。在另一些实施方案中，焊缝金属包含大约0.5重量％、大约1重量％、大约1.5重量％、大约2重量％、大约2.5重量％、大约3重量％、大约3.5重量％或大约4重量％的量的铬。

镍的添加可提供额外奥氏体稳定性并可改进焊缝金属韧性。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5重量％的量的镍。在一个具体实施方案中，焊缝金属包含小于或等于大约4重量％、小于或等于大约3重量％、小于或等于大约2重量％、小于或等于大约1重量％、大约1重量％至大约5重量％、大约1重量％至大约4重量％、大约1重量％至大约3重量％、大约1重量％至大约2重量％、大约2重量％至大约5重量％、大约2重量％至大约4重量％、大约2重量％至大约3重量％、大约3重量％至大约5重量％、大约3重量％至大约4重量％、或大约4重量％至大约5重量％的量的镍。在另一些实施方案中，焊缝金属包含大约0.5重量％、大约1重量％、大约1.5重量％、大约2重量％、大约2.5重量％、大约3重量％、大约3.5重量％、大约4重量％、大约4.5重量％或大约5重量％的量的镍。

可为ER-HMS焊缝金属添加几种附加次要元素。氮和/或硼可少量加入以提供额外的固溶强化，例如分别最多大约1.5重量％和最多大约0.1重量％。更高量的氮可造成焊缝金属多孔性和降低的韧度。钨也可作为固溶强化剂加入，例如小于或等于大约5重量％的量。在一个具体实施方案中，焊缝金属包含小于或等于大约4重量％、小于或等于大约3重量％、小于或等于大约2重量％、小于或等于大约1重量％、大约1重量％至大约5重量％、大约1重量％至大约4重量％、大约1重量％至大约3重量％、大约1重量％至大约2重量％、大约2重量％至大约5重量％、大约2重量％至大约4重量％、大约2重量％至大约3重量％、大约3重量％至大约5重量％、大约3重量％至大约4重量％、或大约4重量％至大约5重量％的量的钨。在另一些实施方案中，焊缝金属包含大约0.5重量％、大约1重量％、大约1.5重量％、大约2重量％、大约2.5重量％、大约3重量％、大约3.5重量％、大约4重量％、大约4.5重量％或大约5重量％的量的钨。

为了晶粒细化和沉淀硬化目的，可以添加少量钛和铌(例如分别小于或等于大约2重量％，和大约5重量％)以强化焊缝金属。在一个具体实施方案中，焊缝金属包含小于或等于大约1重量％、或大约1重量％至大约2的量的钛。在另一些实施方案中，焊缝金属包含大约0.5重量％、大约1重量％、大约1.5重量％或大约2重量％的量的钛。在一个具体实施方案中，焊缝金属包含小于或等于大约4重量％、小于或等于大约3重量％、小于或等于大约2重量％、小于或等于大约1重量％、大约1重量％至大约5重量％、大约1重量％至大约4重量％、大约1重量％至大约3重量％、大约1重量％至大约2重量％、大约2重量％至大约5重量％、大约2重量％至大约4重量％、大约2重量％至大约3重量％、大约3重量％至大约5重量％、大约3重量％至大约4重量％、或大约4重量％至大约5重量％的量的铌。在另一些实施方案中，焊缝金属包含大约0.5重量％、大约1重量％、大约1.5重量％、大约2重量％、大约2.5重量％、大约3重量％、大约3.5重量％、大约4重量％、大约4.5重量％或大约5重量％的量的铌。

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，其具有小体积分数的碳化物。

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82.7ksi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。

在另一些实施方案中，焊缝金属具有高于大约16％的焊态拉伸伸长。在一个具体实施方案中，焊缝金属的拉伸伸长高于大约20％、大约25％、大约30％、大约35％、大约40％、大约45％、大约50％、大约55％、大约60％或大约65％。

在进一步实施方案中，焊缝金属具有在7％应变下大约40℃至大约170℃的在焊态下的凝固开裂温度范围。在一个具体实施方案中，在7％应变下的凝固开裂温度范围是大约40℃至大约160℃、大约40℃至大约150℃、大约40℃至大约140℃、大约40℃至大约130℃、大约40℃至大约120℃、大约40℃至大约110℃、大约40℃至大约100℃、大约40℃至大约90℃、大约40℃至大约80℃、大约40℃至大约70℃、大约40℃至大约60℃、大约50℃至大约170℃、大约50℃至大约160℃、大约50℃至大约150℃、大约50℃至大约140℃、大约50℃至大约130℃、大约50℃至大约120℃、大约50℃至大约110℃、大约50℃至大约100℃、大约50℃至大约90℃、大约50℃至大约80℃、大约50℃至大约70℃、大约60℃至大约170℃、大约60℃至大约160℃、大约60℃至大约150℃、大约60℃至大约140℃、大约60℃至大约130℃、大约60℃至大约120℃、大约60℃至大约110℃、大约60℃至大约100℃、大约60℃至大约90℃、大约60℃至大约80℃、大约70℃至大约170℃、大约70℃至大约160℃、大约70℃至大约150℃、大约70℃至大约140℃、大约70℃至大约130℃、大约70℃至大约120℃、大约70℃至大约110℃、大约70℃至大约100℃、大约7℃至大约90℃、大约80℃至大约170℃、大约80℃至大约160℃、大约80℃至大约150℃、大约80℃至大约140℃、大约80℃至大约130℃、大约80℃至大约120℃、大约80℃至大约110℃、大约80℃至大约100℃、大约90℃至大约170℃、大约90℃至大约160℃、大约90℃至大约150℃、大约90℃至大约140℃、大约90℃至大约130℃、大约90℃至大约120℃、大约90℃至大约110℃、大约100℃至大约170℃、大约100℃至大约160℃、大约100℃至大约150℃、大约100℃至大约140℃、大约100℃至大约130℃、大约100℃至大约120℃、大约110℃至大约170℃、大约110℃至大约160℃、大约110℃至大约150℃、大约110℃至大约140℃、大约110℃至大约130℃、大约130℃至大约170℃、大约130℃至大约160℃、大约130℃至大约150℃、或大约140℃至大约170℃。

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。

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系统。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践生产率下制成的可靠ER-HMS焊缝的施加。能够实现ER-HMS焊缝的良好可焊性的GMAW焊机是工业上可得的。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，但直到最近波形控制才变成足够先进以实现最有益于ER-HMS现场施工的优化水平。

该系统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。用于提供耐侵蚀/腐蚀的高锰焊缝的系统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。该自耗丝状电极产生包含大约0.4重量％至大约0.8重量％的碳、大约18重量％至大约24重量％的锰、小于或等于大约6重量％的量的铬、小于或等于大约4重量％的量的钼、小于或等于大约5重量％的量的镍、大约0.4重量％至大约1.0重量％的硅、小于或等于大约200ppm的量的硫、小于或等于大约200ppm的量的磷且余量包含铁的焊缝金属。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0.6至大约1.0kJ/mm。

在一些实施方案中，该系统进一步包含用于提供至少一种保护气体的装置，其中所述至少一种保护气体包括大约10％至大约30％的CO₂。

在一个具体实施方案中，所述至少一种保护气体是80％氩气和20％CO₂。

可焊性：

在一个实施方案中，对于现场高Mn钢施工(例如浆料管道施工)，优选使用GMAW基工艺，特别是PGMAW制造ER-HMS焊缝，尽管可以使用其它工艺，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。先进脉冲焊接电源对实现用于ER-HMS现场施工的良好可焊性是重要的。这些电源的几个实例是Fronius TransSynergic 3200、Lincoln PowerWave 455和Miller PipePro 450。

在本公开的一个实施方案中用于将ER-HMS焊缝施加到1G或5G环形焊缝上的系统包括使用大约75至大约150amps的背景电流和大约350至大约450amps的脉冲电流幅度。脉冲电流波形的一个实例显示在图1中。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500英寸/分钟(ipm)。保护气体流速可为大约10至大约50立方英尺/小时(cfh)。行进速度对于根焊可为大约1至大约18ipm，对于填充和盖面焊道可为大约1至大约25ipm。填充焊丝可为大约0.9mm至大约1.6mm直径。对于根部和填充焊道，热输入可为大约15至大约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以确保降低的易凝固开裂性并防止焊缝金属和热影响区(HAZ)韧度的显著退化。

制造耐侵蚀/腐蚀高Mn钢的焊接熔敷物的方法包括：提供至少两个要焊接的高Mn钢基材和焊接填料金属；和熔融和冷却所述焊接填料以产生焊接熔敷物。该焊接填料金属包含大约0.4重量％至大约0.8重量％的碳、大约18重量％至大约24重量％的锰、小于或等于大约6重量％的量的铬、小于或等于大约4重量％的量的钼、小于或等于大约5重量％的量的镍、大约0.4重量％至大约1.0重量％的硅、小于或等于大约200ppm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，所述至少两个高Mn钢基材包含要焊接的部分，所述部分具有大约30度至大约37.5度的斜角。

在一个实施方案中，基材的热影响区具有在^–29℃下高于大约27J的焊接后CVN能量。在一个具体实施方案中，基材的热影响区具有在^–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的焊接后CVN能量。

在一些实施方案中，基材金属是耐侵蚀/腐蚀高Mn钢。

在一个实施方案中，该方法进一步包括限制基材金属中的碳稀释。例如，该方法可进一步包括限制焊缝金属中的碳含量至小于基材金属的热影响区中的碳量的量。在一个实施方案中，焊缝金属包含不多于大约0.8重量％的量的碳且基材金属包含至少大约1.0重量％(例如大约1.0重量％至大约3.0重量％)的量的碳。

在一个实施方案中，焊缝金属屈服强度高于耐侵蚀HMS基材管道的屈服强度或高于浆料管道设计要求的指定最低屈服强度(SMYS)。在另一实施方案中，焊缝金属极限抗拉强度高于管道基体的指定最低极限抗拉强度(SMUTS)。在另一实施方案中，焊缝金属必须提供一定的最低指定拉伸伸长水平。

在一个实施方案中，ER-HMS焊缝金属凝固为初生奥氏体，这使它们容易发生焊缝凝固裂纹。对于浆料管道的制造，任何焊缝凝固裂纹都不可接受，因此ER-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以避免ER-HMS焊缝金属中的凝固裂纹。此外，控制耗材丝组成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，这也有助于避免凝固裂纹。在另一实施方案中，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具有高于ER-HMS焊接耗材的碳含量，因此较高稀释造成较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和规定焊道序列来控制稀释水平。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。使用特定焊缝斜角几何可带来更有利的焊缝残余应力和改进的ER-HMS焊缝金属中的抗凝固裂纹性。具有较大夹角的开斜角(open bevels)产生具有较低深宽比的焊道，这与具有较小夹角和较大热致应力的窄斜角相比降低凝固裂纹易感性。例如，在一个实施方案中，如图2A中所示，用于管道环缝焊接的斜角包括在高度上大约3/32英寸至大约1/8英寸的开口(缝隙)。此外，开口可具有大约3/32英寸至大约1/8英寸的高度(land)。该斜角可具有大约30度至大约37.5度的斜角角度。在另一实施方案中，开斜角没有高度，而是该斜角如图2B中所示从基材的一个表面开始并基本直线继续到基材的另一表面。在这一实施方案中，开口可为大约1/32英寸至大约6/32英寸宽(例如5/32")。

在一个实施方案中，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，因为两者都是奥氏体。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。这降低潜在问题如冷裂/氢裂的风险。

在另一实施方案中，如标题为“Enhanced Wear Resistant Steel and Methodsof Making the Same”的2013EMI 18、PCT/US2014/020599中提供和描述了高Mn钢基材，其经此引用并入本文。

焊接保护气体组成的适当控制可有助于制造具有所需性质的可靠ER-HMS焊缝。通过在保护气体中使用CO₂克服ER-HMS焊缝金属的粘性性质。保护气体中的CO₂有助于改进焊池流动性、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管道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，在一个实施方案中，将保护气体中的CO₂量控制在10％至30％之间。在另一实施方案中，ER-HMS焊接技术施加组成为80％Ar/20％CO₂的保护气体。

应该适当控制ER-HMS焊缝的焊道轮廓以使凝固裂纹的风险最小化。在某些实施方案中，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施加ER-HMS焊缝时，重要的是避免与包芯焊丝焊接工艺如金属芯电弧焊(MCAW)和焊剂芯电弧焊(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，例如焊缝接头和耗材丝保持干燥和清洁，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以产生形成具有适合浆料管道用途的微结构和性质的可靠ER-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环形焊缝接头中的横向应变，由此提高凝固裂纹可能性。

将焊接热输入控制在最大值以下的另一原因是防止过度焊道间碳化物沉淀。在如用于ER-HMS焊缝的多道焊中，各后续焊道产生影响来自前一道次的焊缝金属道的热周期。如果热输入太大，这种焊缝金属再加热会造成焊缝金属中的碳化物沉淀。过度碳化物形成可将焊缝金属韧度降到低于要求。

此外，焊接热输入控制对保持HMS基材金属HAZ中的所需韧度至关重要。要理解的是，太高的热输入会造成在基材金属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ER-HMS焊缝金属和HMS基材金属HAZ中都符合所需韧度。

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ER-HMS焊缝。可以使用现代管道焊接设备在例如1G和5G焊接位置在实用的生产率下施加新型ER-HMS焊缝金属，并也可用于产生环缝焊接修补焊缝。

本公开的一个实施方案包含一种针对特定用途要求制造ER-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ER-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。在一些实施方案中，确定焊接耗材丝化学包括进行如上所述的稀释计算。在一些实施方案中，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，焊接基材金属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

焊接耗材化学选择方法：

基于理解这些合金化元素对微结构、相变和性质的影响，可以为该用途设计适当的ER-HMS焊缝金属化学。可以通过使用计算的材料性质预测进行的筛选来促进耗材化学的适当选择。计算的相位图可用于预测在元素浓度范围内的关键材料性质。在如具有许多可能的合金化元素和浓度范围的ER-HMS焊缝金属化学的情况下，有益的是，利用实验方法的设计来分析自变量和因变量。这种类型的析因设计方法的一个实例是如表1中所示各自在三种浓度下的八种变量(合金化元素)，这产生3^8或6,561种实验条件(组成)。

表1-6,561种实验条件的初步分析中所用的八种元素的浓度

	Min	Mid	Max	注释
					C	0.4	0.6	0.8	固溶强化剂；减轻IG开裂
Mn	18	21	24	TRIP/TWIP能力
					Si	0.4	0.7	1	通过提高粘度改进可焊性
Cr	0	3	6	一般耐腐蚀性
					Mo	0	2	4	耐侵蚀和腐蚀性
N	0	0.03	0.06	固溶强化剂；替代C
					Ni	0	2.5	5	TRIP/TWIP-能力；奥氏体稳定剂
Al	0	0.5	1	奥氏体稳定剂

在通过实验析因途径的设计生成实验焊缝金属组成后，可以为初步筛选计算用于各组成的关键热力学参数。可用于预测ER-HMS焊缝金属性能的三个关键参数是：(i)堆垛层错能、(ii)凝固温度范围和(iii)渗碳体溶线温度。用Thermo-Calc(Thermo-Calc SoftwareAB,Stockholm,Sweden)预测参数。

堆垛层错能(SFE)是合金化学的函数，并且SFE的值对应于在形变过程中在高Mn钢中发生的相变诱发塑性(TRIP)和孪晶诱发塑性(TWIP)机制的类型。具体的主动形变机制影响焊缝金属的强度和侵蚀性能。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。优选的ER-HMS焊缝金属SFE值旨在类似于基材金属耐侵蚀HMS SFE值(例如大于60mJ/m²和小于80mJ/m²)。

凝固温度范围(STR)是在给定合金组合物的液相线温度和固相线温度之间的范围。STR是可焊性的强指标，因为其代表在凝固(在这种情况下为焊缝金属凝固)过程中的糊状区的跨度。STR的较高值与较大的糊状区和较高的焊缝易凝固开裂性相关联。ER-HMS焊缝金属凝固为初生奥氏体，这固有地使它们比较容易发生凝固裂纹缺陷。必须控制STR以使易凝固开裂性最小化以获得无缺陷管道环形焊缝。ER-HMS焊缝金属的优选计算STR值旨在小于120℃以提供最佳性能。

渗碳体溶线温度(CST)可用于提供在凝固和多焊道再加热过程中焊缝金属中的碳化物沉淀的相对估算。可以基于合金组成预测这种温度。在使CST最小化时，碳化物沉淀量最小化。要理解的是，焊缝金属中的过度碳化物沉淀对焊缝金属韧度(关键机械性质)具有不利影响。因此，ER-HMS焊缝金属组成优选产生最小化的CST。

使用所述关键参数的热力学计算，为进一步的评估和开发来选择最有前途的耗材化学。另外，分析描述随元素变化的关键参数变化的统计学和识别关于不同元素变化对计算参数的影响的趋势。例如，图3、4和5分别显示代表随不同合金化添加物的SFE、STR和CST变化的曲线图。在图3中，例如，主要效应来自碳、铬、镍和氮含量的变化。元素对关键参数的影响的统计分析使得能够选择用于物理焊接评估的化学范围(比用热力学计算评估小得多的化学集)。

可以基于与实现析因实验设计的计算热力学标准(SFE、STR、CST)的最佳匹配来选择用于物理焊接评估的ER-HMS耗材合金的化学范围。可以固定几种元素的含量，同时可以选择四种元素(碳、锰、钼和镍)在两个值之间变化。这产生2⁴或16重实验条件。这可用更高锰耗材子集和具有钛、铌、钨、硼和氮的一些微合金化添加物的耗材子集补充。总计为物理焊接评估和测试制成22种实验耗材化学，如表2中所示。图6显示在这些耗材化学下的关键热力学参数的曲线图。

表2.为物理焊接评估制成的ER-HMS耗材化学

物理焊接评估:

通过制造焊缝并测试机械性质、可焊性和耐侵蚀性，评估实验ER-HMS耗材。作为耐侵蚀HMS基材金属(的板或管道)的对接焊缝制造ER-HMS评估焊缝。对接焊缝在下列MCAW条件下进行：26-30V的电弧电压、140-180A的电弧电流、对于1.2mm直径的填充焊丝250-300ipm的送丝速度、使用80Ar/20CO₂的保护气体流速45cfh和对于根部和填充焊道都为0.74-1.1kJ/mm的热输入。

制造足以进行适当机械测试和微结构分析的焊缝金属。用于这样的板焊接的斜角设计的一个实例显示在图7中的图中。用于这样的板焊接的焊道序列的一个实例显示在图8A中的图中，且用于这样的板的典型焊缝近摄图显示在图8B中。

进行ER-HMS试验焊缝的测试以证实焊缝产生浆料管道所需的足够强度、足够韧度和高耐侵蚀/腐蚀性。制造并测试强度和韧度的一系列ER-HMS焊缝的一个实例显示在表3中。

表3：ER-HMS焊缝拉伸和冲击韧度性质

焊缝冶金、微结构和机械性质:

该新型ER-HMS焊缝金属可提供通过环缝对接焊接接合耐侵蚀HMS浆料管道所需的强度、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。

该ER-HMS焊缝金属必须实现该用途(浆料管道)所需的最低抗拉强度性质。因此，理想的是，焊缝金属屈服强度高于耐侵蚀HMS基管道的屈服强度或高于浆料管道设计要求的指定最低屈服强度(SMYS)。此外，高于管道基体的指定最低极限抗拉强度(SMUTS)的焊缝金属极限抗拉强度也是理想的。此外，焊缝金属还应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测量结果的每一个，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)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浆料管道的环形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表4中并与基于API X70级的管道设计(SMYS为70ksi)的环形焊缝要求比较。在下列条件下用机械化MCAW进行焊接：在40-50cfh流速下的80Ar/20CO₂保护气体、对于根部20-22V和对于填充20-31V的电弧电压、对于根部150-190A和对于填充210-265A的电弧电流、具有1.2mm直径的填充焊丝、对于根部230ipm和对于填充330-440ipm的送丝速度和对于根部0.86-1.02kJ/mm和对于填充0.6-0.93kJ/mm的热输入。API X70级设计是油砂浆料管道设计常见的。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浆料管道等级(包括X52、X60、X65、X70和X80)所需的焊缝金属抗拉性质。该ER-HMS焊缝金属表现出比浆料管道用途所需的明显更高的韧度测量结果。

表4.与典型API X70级浆料管道设计的环形焊缝性质要求比较的受试ER-HMS焊缝金属性质

该ER-HMS焊缝金属必须实现该用途(浆料管道)所需的最低韧度性质。本公开的焊缝附近(HAZ)的基材金属也可实现这些最低韧度性质。用于这一用途的韧度的最常见评估是通过进行焊缝金属和HAZ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)报道的该试验值必须高于如由该用途的设计规范规定的最低所需CVN。该ER-HMS焊缝实现焊缝金属和耐侵蚀HMS基材金属HAZ二者的要求。用由奥氏体相和有限量的碳化物构成的焊缝金属微结构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，实现基材金属HAZ韧度。高热输入可造成在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。用制成的ER-HMS焊缝实现的CVN值的一个实例显示在表4中并与浆料管道用途的焊缝冲击韧度要求比较。图9是图解在上述条件下和用如表3中所示的组成进行的候选HMS环缝焊接耗材的平均屈服强度和平均CVN值的曲线图。485ksi的最低屈服强度和27J的最低CVN能量的目标范围显示在标作目标的阴影区内。焊缝FX-5、FX-8、FX-14和FX-16符合目标范围，而焊缝FX-1、FX-9、FX-11、FX-17不符合目标范围。

本公开的ER-HMS焊缝金属实现与耐侵蚀HMS管道体类似的耐侵蚀/腐蚀性。因此，ER-HMS是用于接合HMS浆料管段的可行选择。管道的内壁和因此环形焊缝的根部表面暴露于侵蚀/腐蚀性运行浆料环境。焊缝金属必须具有与基材金属类似的耐侵蚀/腐蚀劣化性以实现HMS基材金属中的改进的侵蚀/腐蚀性能的最大运行益处。焊缝中的更快劣化速率会导致在基材金属管道中的有效寿命完全用尽之前更换浆料管道。对于在浆料管道环境中的侵蚀/腐蚀劣化不存在确立的、标准化的试验或最低性质要求。在小规模实验室试验中评估侵蚀和腐蚀的协同效应特别具有挑战性。因此，通过进行单独的侵蚀和腐蚀试验和进行现场试验以使ER-HMS焊缝金属暴露于实际现场条件而进行侵蚀/腐蚀性能的评估。用于侵蚀性能的优选试验是射流冲击试验，其涉及将高速水砂混合物以规定速率和持续时间导向样品表面并测量损失的材料量。射流冲击试验被视为提供相对耐侵蚀性的一般指示。其限制在于，试验中的砂粒的尺寸和分布相当不同于在浆料管道服务中的固体的尺寸和分布。ER-HMS焊缝金属的射流冲击结果的实例显示在图10中。对焊缝材料进行实验室规模腐蚀测试以评估与HMS基材金属比较的ER-HMS焊缝金属的腐蚀性能。可以提取含有焊缝金属和基材金属二者的来自试验焊缝的试块。这能够评估可来自焊缝金属和基材金属之间的显著电化学电位差的任何潜在优先焊缝腐蚀。可使试块暴露于模拟通常含有氯化物和溶解氧的特定浆料管道腐蚀性环境的含水环境。可使试块暴露30天试验持续期，此后将它们从该环境中取出并分析以评估性能。可以使用试块的总重量损失测定一般腐蚀率并可以测量试验后的表面轮廓以测定在焊缝金属区和基材金属区中的腐蚀穿透深度。在代表性的含水浆料管道环境中的ER-HMS试验焊缝的腐蚀试块测试导致在每年20至25mils(mpy)之间的重量损失腐蚀率和在焊缝金属和基材金属中类似的平均穿透深度。该ER-HMS焊缝金属表现出的耐侵蚀和腐蚀性的水平足以接合用于浆料管道用途的耐侵蚀HMS管道。

可焊性：

该新型ER-HMS焊缝金属可提供通过环缝对接焊接来接合耐侵蚀HMS浆料管道所需的可焊性。通过焊缝金属化学、焊接工艺参数和/或焊接接头设计的适当控制实现这种可焊性。

使用trans-varestraint试验评估凝固裂纹易感性。这一试验通过对凝固的焊缝金属施加应变以测定应变—开裂关系来评估焊缝金属的凝固裂纹易感性。trans-varestraint试验的关键输出是凝固开裂温度范围(SCTR)。较大SCTR值通常代表较高的凝固裂纹易感性。显示表5中的几种ER-HMS耗材在5％应变和7％应变下的SCTR值。在下列条件下进行气体保护钨极电弧焊(GTAW)：11.6V的电弧电压、180A的电弧电流、2.54mm/秒的行进速度、1.37kJ/mm的热输入和大约125℃/秒的在凝固范围中的冷却速率。计算SCTR值为大约40℃至大约160℃。这些值类似于凝固为初生奥氏体的不锈钢的报道值(Welding Metallurgy and Weldability,Lippold,John C.,2014)。这表明可以制造无凝固裂纹的ER-HMS焊缝金属。在一个实施方案中，焊缝金属具有大约40℃至大约160℃的SCTR值。图11图解几种ER-HMS耗材在1％应变至7％应变下的平均最大裂纹距离(MCD)(mm)值。

表5.几种ER-HMS耗材的trans-varestraint试验结果

焊接工艺参数

图12图解用于具有如图2A中所示的开斜角的根据一个实施方案的ER-HMS焊缝的示例性焊道序列。在这一实施方案中制成的ER-HMS焊缝近摄图的一个实例显示在图13中，并且ER-HMS焊缝金属的光学显微照片的一个实例显示在图14中。表6是来自如关于图2A和10-12所述施加的1G管道环形焊缝的ASME Section IX试验结果的概要。在下列条件下进行机械化MCAW：在50cfh流速下的80Ar/20CO₂保护气体、对于根部20-22V和对于填充20-31V的电弧电压、对于根部150-165A和对于填充210-265A的电弧电流、具有1.2mm直径的填充焊丝、对于根部230ipm和对于填充296-441ipm的送丝速度和对于根部0.9-1.02kJ/mm和对于填充0.6-0.93kJ/mm的热输入。

表6.来自在焊接程序评定过程中制成的ER-HMS焊缝的ASME Section IX试验结果的概要

上述实施方案可产生满足制造和应用耐侵蚀HMS浆料管道的要求的ER-HMS焊缝。测试在焊接程序评定过程中制成的焊缝。来自这些焊缝的ER-HMS焊缝金属性质显示在表7中并与基于API X70等级的管道设计的ASME Section IX环形焊缝要求(SMYS为70ksi)比较。在下列条件下进行机械化MCAW：在50cfh流速下的80Ar/20CO₂保护气体、对于根部20-22V和对于填充20-31V的电弧电压、对于根部150-165A和对于填充210-265A的电弧电流、具有1.2mm直径的填充焊丝、对于根部230ipm和对于填充296-441ipm的送丝速度和对于根部0.9-1.02kJ/mm和对于填充0.6-0.93kJ/mm的热输入。制成的ER-HMS焊缝表现出相对于这些要求而言更优异的韧度性能。

表7.来自在焊接程序评定过程中制成的ER-HMS焊缝的ASME Section IX试验结果的概要

图15是在如图2B中所示的斜角情况下管道环形焊缝(例如1G管道)的焊道序列的一个实例。图16图解经受Vickers硬度试验的表8内的点的位置。在下列条件下进行机械化MCAW：在50cfh流速下的80Ar/20 CO₂保护气体、对于根部20-22V和对于填充24-31V的电弧电压、对于根部150-165A和对于填充210-265A的电弧电流、具有1.2mm直径的填充焊丝、对于根部230ipm和对于填充296-441ipm的送丝速度和对于根部0.9-1.02kJ/mm和对于填充0.6-0.93kJ/mm的热输入。Vickers硬度试验提供容易实施的宽的硬度标度。维氏角锥硬度值(HV)是Vickers硬度试验的硬度的量度并通过在压痕表面积上的载荷测定。表8概括来自FX-5 1G管道环形焊缝的点的Vickers硬度试验结果。

表8.来自FX-5 1G管道环形焊缝的Vickers硬度试验结果的概要

具体实施方案:

根据一个方面，本公开提供一种用于高锰钢基材金属的焊接组合物，所述组合物包含：0.4重量％至0.8重量％的碳；18重量％至24重量％的锰；≤6重量％的量的铬；≤4重量％的量的钼；≤5重量％的量的镍；0.4重量％至1.0重量％的量的硅；≤200ppm的量的硫；≤200ppm的量的磷；且余量包含铁。

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≤2重量％的量的钛；≤5重量％的量的铌；≤5重量％的量的钨；≤1.0重量％的量的铝；≤0.1重量％的量的硼；和/或≤1.5重量％的量的氮。

在本文所述的任一方面或实施方案中，所述组合物具有奥氏体微结构。

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a'-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耐侵蚀/腐蚀的高锰焊缝的系统，所述系统包含：产生包含0.4重量％至0.8重量％的碳、18重量％至24重量％的锰、≤6重量％的量的铬、≤4重量％的量的钼、≤5重量％的量的镍、0.4重量％至1.0重量％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，焊接热输入为0.6至1.0kJ/mm。

在本文所述的任一方面或实施方案中，所述系统进一步包含用于提供至少一种保护气体的装置，其中所述至少一种保护气体包括10％至30％的CO₂。

在本文所述的任一方面或实施方案中，所述至少一种保护气体包含80％氩气和20％CO₂。

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：提供至少两个要焊接的高Mn钢基材，和包含0.4重量％至0.8重量％的碳、18重量％至24重量％的锰、≤6重量％的量的铬、≤4重量％的量的钼、≤5重量％的量的镍、0.4重量％至1.0重量％的硅、≤200ppm的量的硫、≤200ppm的量的磷且余量包含铁的焊件；和熔融和冷却所述焊接填料以产生焊接熔敷物。

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，所述至少两个高Mn钢基材包含要焊接的部分，所述部分具有30度至37.5度的斜角。

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高锰钢基材的屈服强度或高于所需最低屈服强度；所述焊接熔敷物具有高于70ksi的焊态屈服强度；所述焊接熔敷物具有高于82.7ksi的焊态极限抗拉强度；所述焊接熔敷物具有高于16％的焊态拉伸伸长；和/或所述焊接熔敷物具有在7％应变下40℃至170℃的在焊态下的凝固开裂温度。

在本文所述的任一方面或实施方案中，所述焊接熔敷物和/或所述基材的热影响区具有在^–29℃下高于27J的焊态CVN能量。

在本文所述的任一方面或实施方案中，所述基材金属是耐侵蚀/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来自基材金属的碳稀释。

本领域技术人员会理解，某些数量(quantities)、量(amounts)和测量在精确度上受到一些仪器和/或方法固有的理论和/或实践限制。因此，除非另行指明，所要求保护的量意欲包含合理的变动量。

要理解的是，本文所述的详细实施例和实施方案仅为举例说明而作为实例给出，并且无论如何不视为限制本公开。本领域技术人员会想到根据其的各种修改或变动并包括在本申请的精神和范围内，并且被认为在所附权利要求书的范围内。例如，可以改变成分的相对量以优化所需效果，可以加入附加成分，和/或可用类似成分替代一种或多种所述成分。与本公开的系统、方法和工艺相关的其它有利的特征和功能从所附权利要求书中显而易见。

Claims

1.一种用于高锰钢基材金属的焊接组合物，所述组合物包含：0.4重量％至0.8重量％的碳；18重量％至24重量％的锰；≤6重量％的量的铬；≤4重量％的量的钼；≤5重量％的量的镍；0.4重量％至1.0重量％的量的硅；≤200ppm的量的硫；≤200ppm的量的磷；且余量包含铁。

2.权利要求1的组合物，其进一步包含下列至少一种：≤2重量％的量的钛；≤5重量％的量的铌；≤5重量％的量的钨；≤1.0重量％的量的铝；≤0.1重量％的量的硼；≤1.5重量％的量的氮；或其组合。

3.权利要求1或2的组合物，其中所述组合物具有奥氏体微结构。

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

5.一种用于提供耐侵蚀/腐蚀的高锰焊缝的系统，所述系统包含：产生包含0.4重量％至0.8重量％的碳、18重量％至24重量％的锰、≤6重量％的量的铬、≤4重量％的量的钼、≤5重量％的量的镍、0.4重量％至1.0重量％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的系统，其中所述焊接热输入为0.6至1.0kJ/mm。

7.权利要求5或6的系统，其进一步包含用于提供至少一种保护气体的装置，其中所述至少一种保护气体包括10％至30％的CO₂。

8.权利要求7的系统，其中所述至少一种保护气体包含80％氩气和20％CO₂。

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：提供至少两个要焊接的高Mn钢基材，和包含0.4重量％至0.8重量％的碳、18重量％至24重量％的锰、≤6重量％的量的铬、≤4重量％的量的钼、≤5重量％的量的镍、0.4重量％至1.0重量％的硅、≤200ppm的量的硫、≤200ppm的量的磷且余量包含铁的焊件；和熔融和冷却所述焊接填料以产生焊接熔敷物。

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，其中所述至少两个高Mn钢基材包含要焊接的部分，所述部分具有30度至37.5度的斜角。

12.权利要求9-11任一项的方法，其中至少一项：所述焊接熔敷具有的焊态屈服强度高于高锰钢基材的屈服强度或高于所需最低屈服强度；所述焊接熔敷物具有高于70ksi的焊态屈服强度；所述焊接熔敷物具有高于82.7ksi的焊态极限抗拉强度；所述焊接熔敷物具有高于16％的焊态拉伸伸长；所述焊接熔敷物具有在7％应变下40℃至170℃的在焊态下的凝固开裂温度范围；或其组合。

13.权利要求9-12任一项的方法，其中所述焊接熔敷物和/或所述基材的热影响区具有在^–29℃下高于27J的焊态CVN能量。

14.权利要求9-13任一项的方法，其中所述基材金属是耐侵蚀/腐蚀高Mn钢。

15.权利要求9-14任一项的方法，其进一步包括限制焊缝金属中的来自基材金属的碳稀释。