(57)【要約】  本開示は、高マンガン鋼ベースメタルを接合するための溶接組成物およびそれを適用する方法に関する。この組成物は、約０．４重量％〜約０．８重量％の範囲の炭素；約１８重量％〜約２４重量％の範囲のマンガン；約６重量％以下の量のクロム；約４重量％以下の量のモリブデン；約５重量％以下の量のニッケル；約０．４重量％〜約１．０重量％の量のケイ素；約２００ｐｐｍ以下の量の硫黄；約２００ｐｐｍ以下の量のリン；および鉄を含む残余を含む。一実施形態において、この組成物は、オーステナイト相を有する。
2019520473.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高マンガン鋼ベースメタルのための溶接組成物であって、
０．４重量％〜０．８重量％の範囲の炭素、
１８重量％〜２４重量％の範囲のマンガン、
６重量％以下の量のクロム、
４重量％以下の量のモリブデン、
５重量％以下の量のニッケル、
０．４重量％〜１．０重量％の量のケイ素、
２００ｐｐｍ以下の量の硫黄、
２００ｐｐｍ以下の量のリン、および
鉄を含む残余
を含む、組成物。
【請求項２】
２重量％以下の量のチタン、
５重量％以下の量のニオブ、
５重量％以下の量のタングステン、
１．０重量％以下の量のアルミニウム、
０．１重量％以下の量のホウ素、
１．５重量％以下の量の窒素、または
それらの組合せ
の少なくとも１つをさらに含む、請求項１に記載の組成物。
【請求項３】
オーステナイト微細構造を有する、請求項１または２に記載の組成物。
【請求項４】
前記オーステナイト微細構造が、硬質α’−マルテンサイトに変態し、歪みを加えると微細双晶化を起こす、請求項３に記載の組成物。
【請求項５】
侵食／腐食耐性高マンガン溶接を提供するためのシステムであって、前記システムが、消耗品ワイヤ電極と、ガスメタルアーク溶接を行うガスメタルアーク溶接電源とを含み、
前記消耗品ワイヤ電極が、
０．４重量％〜０．８重量％の範囲の炭素、
１８重量％〜２４重量％の範囲のマンガン、
６重量％以下の量のクロム、
４重量％以下の量のモリブデン、
５重量％以下の量のニッケル、
０．４重量％〜１．０重量％の範囲のケイ素、
２００ｐｐｍ以下の量の硫黄、
２００ｐｐｍ以下の量のリン、および
鉄を含む残余
を含む溶接物を生成し、
前記ガスメタルアーク溶接電源が、２．５ｋＪ／ｍｍ以下の溶接入熱を生成する、
システム。
【請求項６】
前記溶接入熱が、０．６〜１．０ｋＪ／ｍｍの範囲である、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
少なくとも１つのシールドガスを提供するための装置をさらに含み、前記少なくとも１つのシールドガスが、１０％〜３０％の範囲のＣＯ２を含む、請求項５または６に記載のシステム。
【請求項８】
前記少なくとも１つのシールドガスが、８０％のアルゴンおよび２０％のＣＯ２を含む、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
侵食／腐食耐性高Ｍｎ鋼の溶着物を製造する方法であり、
溶接される少なくとも２つの高Ｍｎ鋼ベースと、溶接物とを提供すること、および
溶接用溶加材を溶融および冷却して溶着物を生成すること
を含み、前記溶接物が、
０．４重量％〜０．８重量％の範囲の炭素、
１８重量％〜２４重量％の範囲のマンガン、
６重量％以下の量のクロム、
４重量％以下の量のモリブデン、
５重量％以下の量のニッケル、
０．４重量％〜１．０重量％の範囲のケイ素、
２００ｐｐｍ以下の量の硫黄、
２００ｐｐｍ以下の量のリン、および
鉄を含む残余
を含む、方法。
【請求項１０】
溶融が、２．５ｋＪ／ｍｍ以下の溶接入熱を、前記溶接用溶加材に提供することを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記少なくとも２つの高Ｍｎ鋼ベースが、溶接される部分を含み、前記部分が、３０°〜３７．５°の開先を含む、請求項９または１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記溶着物が、溶接したままの状態で、高マンガン鋼ベースの降伏強度を超えるか、または所要の最小降伏強度を超える、降伏強度を有するか、
前記溶着物が、溶接したままの状態で、７０ｋｓｉを超える降伏強度を有するか、
前記溶着物が、溶接したままの状態で、８２．７ｋｓｉを超える極限引張強さを有するか、
前記溶着物が、溶接したままの状態で、１６％を超える引張伸びを有するか、
前記溶着物が、溶接したままの状態で、７％の歪みで４０℃〜１７０℃の凝固割れ温度範囲を有するか、または
それらの組合せ
の少なくとも１つである、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記溶着物および／または前記ベースの熱影響部は、溶接したままの状態で、２７Ｊを超える、−２９℃におけるＣＶＮエネルギーを有する、請求項９〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記ベースメタルが、侵食／腐食耐性高Ｍｎ鋼である、請求項９〜１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記ベースメタルからの前記溶接金属における炭素希釈を制限することをさらに含む、請求項９〜１４のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１６年５月２日に出願された米国仮特許出願第６２／３３０，４１５号の利益および優先権を主張するものであり、この仮特許出願の開示内容は、全体が参照により本明細書に援用される。
【０００２】
（分野）
本開示は、溶接金属の分野に関する。より具体的には、本明細書は、高マンガン（Ｍｎ）鋼を接合および建設するのに必要とされる溶接金属を製造するための材料および方法を提供する。
【背景技術】
【０００３】
（背景）
採掘作業（オイルサンド鉱業を含む）における配管系は、液体またはスラリー中の硬い岩と砂粒子との混合物を、処理プラントに輸送し、瓦礫を採掘領域または貯蔵領域に循環させるのに使用される。現在のスラリー水力輸送パイプは、典型的に、低炭素の、パイプライングレードの鋼（例えば、ＡＰＩ仕様５Ｌ  Ｘ６５またはＸ７０グレード鋼）から作製される。これらのパイプは、かなりの磨損／侵食摩耗および腐食を受け、これは、壁損失を引き起こし、頻繁な修理および交換につながる。したがって、これらの配管系は、採掘プロジェクトの多大な運転コストの要因であることが多い。改良された侵食／磨耗／腐食耐性を有するパイプ材料を開発する大きな経済的誘因がある。
【０００４】
オイルサンド鉱業においても強化された耐摩耗性鋼に対する必要性がある。このようなオイルサンド鉱床は、１９６０年代から商業的に回収されており、回収率が、近年増加している。ビチューメン鉱石は、一般に、浅部鉱床（例えば、深さ１００ｍ未満）での露天採掘技術によって、またはより深い地下（例えば、約１００ｍまたはそれより深い）に位置する深部鉱床でのその場熱抽出（例えば、蒸気、化学溶剤および／またはそれらの混合物の注入を含む）によって採取されている。浅部オイルサンドの露天採掘では、多くのタイプの重機およびパイプラインが用いられる。まず、オイルサンドは、典型的に、ショベルを用いて掘削され、採掘物をトラック／車両に移送する。車両は、オイルサンド鉱石を鉱石調製施設に輸送し、そこで、採掘された鉱石は、典型的に、粉砕され、熱水と混合される。次に、オイルサンドスラリーは、典型的に、水力輸送パイプラインを通して、第一次分離槽（ＰＳＣ）にポンプで送られ、そこで、油状ビチューメンが、一般に、砂および水から分離される。ビチューメンが分離された後、残りの砂および水のスラリーが、鉱滓パイプラインを通して、砂を沈殿させるために鉱滓池に輸送される。大量のスラリー混合物の水力輸送は、従来の金属パイプラインなどにおいてかなりの金属損失を引き起こし、短い交換周期およびかなりの運転コストをもたらす。
【０００５】
したがって、オイルサンドの採掘および鉱石の調製プロセスは、多くの装置／作動領域（例えば、ショベルの歯、ホッパー、粉砕機、コンベヤ、振動篩、スラリーポンプ、パイプラインなど）におけるいくつかの応力および／または衝撃による磨耗の課題を含む。例えば、下流のスラリー輸送および抽出プロセスにおいて、装置、パイプライン（例えば、水力輸送パイプライン）、ポンプおよび／またはＰＳＣにおいて直面する課題の一部は、装置／材料の、侵食、侵食／腐食、腐食、応力、磨耗および／または摩滅などを含む。これらの装置／材料の侵食／腐食などの問題は、かなりの修理、交換および／または維持コストにつながるだけでなく、生産性の低下にもつながる。
【０００６】
記載されるように、スラリー水力輸送用の現行の配管構造は、典型的に、低炭素のパイプライングレードの鋼（例えば、ＡＰＩ仕様５Ｌ第４５版のＸ７０）から作製されている。一般に、スラリー流れ中で高速移動する固体は、パイプのかなりの金属損失（例えば、内側パイプ壁の金属損失）を引き起こし得る。水性曝気スラリー流れはまた、典型的に、腐食環境を生じることによってパイプの侵食の促進を引き起こす。さらに、スラリー中の粒子状物質（重力の影響下）は、とりわけ、パイプの内側の下半分に沿って損傷を引き起こす。例えば、オイルサンド採掘作業において砂および水のスラリーを運ぶ水力輸送および鉱滓パイプラインは、稼働中に厳しい侵食・腐食損傷を受けるが、パイプラインの最下部（例えば、６時の位置）で、典型的に、最も厳しい侵食磨耗を受ける。
【０００７】
パイプラインの耐用寿命を延ばすために、定期的にパイプラインを回転させている採掘作業者もいる。例えば、パイプラインは、時々（例えば、約３０００時間の稼動後）約９０°回転される。約３回の回転の後（例えば、約１２０００時間の稼動後）、パイプラインは、典型的に、完全に取り替えられる。マルテンサイトステンレス鋼、硬化肉盛材料（例えば、ＷＣ系、炭化クロム系）、およびポリマーライニング材料（例えば、ポリウレタン）などの様々な材料が、オイルサンド採掘作業者によって評価され、使用されている。しかしながら、このような材料には、典型的に、比較的低い磨耗／侵食性能（例えば、ポリマーライナー）、高い材料／製造コスト（例えば、ＷＣ系硬質金属、炭化クロム系硬質金属オーバーレイ材料）、または限られた利用可能な厚さ（例えば、二金属多層硬化鋼材料）のいずれかのため、隙間的用途しかない。パイプの侵食などは、依然として深刻な問題であり、より効率的／経済的な操業／解決を可能にする、代替的なパイプ構造および／または材料が求められている。
【０００８】
近年、強化された侵食／磨耗／腐食性能を有する改良された鋼組成物が、採掘作業において運転コストを削減するために開発されている。詳細には、強化された磨耗／侵食／腐食耐性を有する改良された高マンガン（Ｍｎ）鋼は、スラリーパイプを含むオイルサンド採掘用途のために開発されている。首尾よく実施するために、高Ｍｎ鋼スラリーパイプ部分は、高Ｍｎ鋼スラリーパイプラインを作製するために、現場（又はフィールド（field））で接合されなければならない。スラリーパイプラインは、円周突合せ溶接（ｇｉｒｔｈ  ｂｕｔｔ  ｗｅｌｄ）、フランジ、および機械的結合を含むいくつかの異なるタイプの接合方法を用いて建設される。高Ｍｎ鋼スラリーパイプ部分を互いに直接接合するのに使用される円周突合せ溶接は、所要の強度、靱性および磨耗特性を提供する必要があり、また、「溶接性」または適用しやすさに関する過度の懸念なしに、現場での建設中に適用されるべきである。高Ｍｎ鋼スラリーパイプ部分を接合する円周突合せ溶接物は、内部のスラリー作動流体および固体に曝されることになるため、スラリーパイプ用途のために高Ｍｎ鋼を適用する最大の利益を達成するために、パイプベースメタルの侵食／腐食性能を満たすかまたはそれを超えなければならない。
【０００９】
これまでに開発された高Ｍｎ鋼溶接金属は、侵食耐性高Ｍｎ鋼スラリーパイプラインを接合するのに十分でない。鋳造ハッドフィールド鋼（鉄道の部品に一般的に使用される）を溶接するのに使用される従来の高Ｍｎ鋼消耗品は、最近開発された侵食耐性高Ｍｎ鋼スラリーパイプを接合するのに使用されるのに十分な溶接金属強度を提供しない。硬化肉盛用途に使用される高Ｍｎ鋼溶接消耗品は、例えば、スラリーパイプライン円周溶接に必要とされる溶接金属靱性レベルを一貫して提供することができない。
【００１０】
特許文献１には、液化天然ガス（ＬＮＧ）用の貯蔵容器などの極低温用途のために開発された高Ｍｎ鋼が記載されている。溶接金属は、非特許文献１に記載されているものなどの極低温高Ｍｎ鋼のために開発された。これらの極低温高Ｍｎ鋼溶接金属は、−２００℃までの極低温で十分な靱性を提供するが、例えば、スラリーパイプ用途で使用される場合、侵食耐性高Ｍｎ鋼のために十分な溶接金属強度を提供しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１３／０１７４９４１号明細書
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ｊ．Ｋ．Ｃｈｏｉ，ｅｔ  ａｌ，“Ｈｉｇｈ  Ｍａｎｇａｎｅｓｅ  Ａｕｓｔｅｎｉｔｉｃ  Ｓｔｅｅｌ  ｆｏｒ  Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ２２ｎｄ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  ＩＳＯＰＥ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｒｈｏｄｅｓ，Ｇｒｅｅｃｅ  ２０１２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
したがって、溶接性または使用しやすさに関する過度の懸念なしに、例えば、高Ｍｎ鋼パイプライン現場建設中に適用され得る、十分な強度、十分な靱性、および高い侵食／腐食耐性を同時にもたらす、オイルサンド採掘プロジェクトのために高Ｍｎ鋼スラリーパイプラインを建設するのに使用可能な溶接技術に対する必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
（要旨）
特定の態様において、本明細書は、円周突合せ溶接（girth butt welding）（例えば、高Ｍｎ鋼（又はハイＭｎスチール（high Mn steel））を高Ｍｎ鋼（又はハイＭｎスチール）に接合（又はジョイント（joining））することによって、侵食耐性高Ｍｎ鋼スラリーパイプ（又はエロージョン耐性ハイＭｎスチールスラリーパイプ（erosion resistant high Mn steel slurry pipe））を接合するのに十分な強度、十分な靱性（又はタフネス（toughness））、および高い侵食／腐食耐性（又はエロージョン／コロージョン耐性（erosion/corrosion resistance））を達成する溶接金属（又はウェルドメタル（weld metal））および使用方法を提供する。本開示は、その用途に好適な溶接微細構造（又はウェルドミクロ構造（weld microstructure））および機械的特性（又はメカニカル特性（mechanical properties））をもたらす、溶接金属化学（又はウェルドメタルケミストリー（weld metal chemistries））、溶接プロセス（又はウェルディングプロセス（welding processes））、および溶接（又はウェルディング（welding））の実施（又はプラクティス（practices））の制御（又はコントロール）を提供する。本開示の溶接金属（又はウェルドメタル）は、侵食耐性（又はエロージョン耐性）、高Ｍｎ鋼（又はハイＭｎスチール）またはＥＲ−ＨＭＳと呼ばれ得る。
【００１５】
特定の実施形態において、溶接金属は、
約０．４〜約０．８重量％の炭素、
約１８．０〜約２４．０重量％のマンガン、
約６．０％以下のクロムの量のクロム、
約４．０重量％以下の量のモリブデン、
約５．０重量％以下の量のニッケル、
約０．４〜約１．０％のケイ素、
約２００ｐｐｍ以下の量の硫黄、および
約２００ｐｐｍ以下の量のリン
を含む。
さらなる実施形態において、
約２重量％以下の量のチタン、
約５重量％以下の量のニオブ、
約５重量％以下の量のタングステン、
１重量％以下の量のアルミニウム、
約１．５重量％以下の量の窒素、
約０．１重量％以下のホウ素の量のホウ素、または
それらの組合せ
の少なくとも１つを含む、溶接金属特性（又はウェルドメタルプロパティ（weld metal properties））（例えば、強度）を高めるための他の元素が加えられ得る。溶接金属の残余（又は残余物又はバランス（balance））は、鉄、例えば、約７５重量％を含む。
【００１６】
特定の実施形態において、溶接金属は、約１８．０〜約２２重量％の量のマンガン；約２．０〜約４．０重量％の量のクロム；約１．２５〜２．７５重量％の量のモリブデン；約５重量％未満の量のニッケル；０．２〜約０．５重量％の量のケイ素；１５０ｐｐｍ以下の量の硫黄；またはそれらの組合せの少なくとも１つをさらに含む。
【００１７】
別の実施形態において、溶接用溶加材は、オーステナイト相を有する。特定の実施形態において、オーステナイト相は、硬質α’−マルテンサイトに変態し得、歪みを加えると微細双晶化を起こし得る。
【００１８】
別の態様において、本明細書は、許容され得る溶接性（又はウェルダビリティ（weldability））を提供するように、溶接アーク安定性、ならびに粘度およびビード形状などの溶接プール流れ特性（又はウェルドプールフローキャラクテリスティク（weld pool flow characteristics））の制御を可能にする溶接装置およびパラメータを用いて、溶接金属を適用するためのシステムを提供する。特定の実施形態において、侵食／腐食耐性高マンガン溶接を提供するためのシステムは、消耗品ワイヤ電極と、ガスメタルアーク溶接を行うガスメタルアーク溶接電源とを含む。特定の実施形態において、消耗品ワイヤ電極は、
約０．４重量％〜約０．８重量％の範囲の炭素、
約１８重量％〜約２４重量％の範囲のマンガン、
約０重量％〜約６重量％の範囲のクロム、
約４重量％以下の量のモリブデン、
約５重量％以下の量のニッケル、
約０．４重量％〜約１．０重量％の量のケイ素、
約２００ｐｐｍ以下の量の硫黄、
約２００ｐｐｍ以下の量のリン、および
鉄を含む残余（又は残余物又はバランス）
を含む。
ガスメタルアーク溶接電源は、約２．５ｋＪ／ｍｍ以下の溶接入熱を生成する。
【００１９】
別の実施形態において、溶接入熱は、約０．６〜約１．０ｋＪ／ｍｍの範囲である。
【００２０】
特定の実施形態において、このシステムは、少なくとも１つのシールドガスを提供するための装置をさらに含み、少なくとも１つのシールドガスが、約１０％〜約３０％の範囲のＣＯ２を含む。特定の実施形態において、少なくとも１つのシールドガスは、８０％のアルゴンおよび２０％のＣＯ２である。
【００２１】
さらなる態様において、本明細書は、本明細書中に記載される溶接金属を適用するための方法を提供する。特定の実施形態において、この方法は、許容され得る溶接性を提供するように、溶接アーク安定性、ならびに粘度およびビード形状などの溶接プール流れ特性の制御を可能にする溶接装置およびパラメータを用いて、本明細書中に記載される溶接金属を適用することを含む。溶接金属化学、溶接継ぎ手形状（ウェルドジョイントジオメトリ（weld joint geometry））、および溶接入熱は、凝固割れ（又はソリディフィケーションクラッキング（solidification cracking））に対する脆弱性（又は感受率（susceptibility））を確実に減少させ、溶接金属および熱影響部（ＨＡＺ）靱性（又は熱影響ゾーン（ＨＡＺ）タフネス（heat affected zone (HAZ) toughness））の著しい低下を防ぐように制御される。好ましい実施形態において、本開示の溶接金属は、小さい体積分率（volume fraction）の炭化物とともにオーステナイト結晶粒（又はオーステナイトグレイン（austenite grains））を含む微細構造を有する。
【００２２】
さらなる態様において、本明細書は、侵食／腐食耐性高Ｍｎ鋼の溶着物（又はウェルドデポジット（weld deposit））を製造する方法を提供する。この方法は、溶接される少なくとも２つの高Ｍｎ鋼ベースおよび溶接用溶加材を提供すること（又は工程又はステップ）と、溶接用溶加材を溶融および冷却して溶着物を生成すること（又は工程又はステップ）とを含む。
特定の実施形態において、溶接用溶加材は、
約０．４重量％〜約０．８重量％の範囲の炭素、
約１８重量％〜約２４重量％の範囲のマンガン、
約６重量％以下の量のクロム、
約４重量％以下の量のモリブデン、
約５重量％以下の量のニッケル、
約０．４重量％〜約１．０重量％の範囲のケイ素、
約２００ｐｐｍ以下の量の硫黄、
約２００ｐｐｍ以下の量のリン、および
鉄を含む残余（又は残余物又はバランス）
を含む。
【００２３】
特定の実施形態において、溶融は、約２．５ｋＪ／ｍｍ以下の溶接入熱を、溶接用溶加材に適用することを含む。
【００２４】
特定の実施形態において、少なくとも２つの高Ｍｎ鋼ベースは、溶接される部分を含み、この部分は、約３０°〜約３７．５°の開先（又はベベル）を含む。
【００２５】
別の実施形態において、溶着物は、溶接したままの状態で、高マンガン鋼ベースの降伏強度を超えるか、または所要の最小降伏強度を超える、降伏強度を有する。
【００２６】
特定の実施形態において、溶着物は、
溶接したままの状態で、約７０ｋｓｉを超える降伏強度、
溶接したままの状態で、８２．７ｋｓｉを超える極限引張強さ、
溶接したままの状態で、約１６％を超える引張伸び、
溶接したままの状態で、−２９℃で約２７Ｊを超えるＣＶＮ、または
それらの組合せ
の少なくとも１つを有する。
【００２７】
さらなる実施形態において、ベースの熱影響部は、溶接後、−２９℃で約２７Ｊを超えるＣＶＮを有する。
【００２８】
本明細書中に記載される態様または実施形態のいずれかにおいて、ベースメタルまたはベース鋼（又はベーススチール）は、侵食／腐食耐性高Ｍｎ鋼である。
【００２９】
本明細書中に記載される態様または実施形態のいずれかにおいて、この方法は、溶接金属における炭素含量を、ベースメタルにおける炭素の量未満の量に制限することをさらに含む。
【００３０】
上記の一般的な利用分野は、例として示されるに過ぎず、本開示の範囲および添付の特許請求の範囲に限定されることは意図されていない。本開示の組成物、方法、およびプロセスに関連するさらなる目的および利点が、本発明の特許請求の範囲、本明細書、および実施例を考慮して、当業者によって理解されるであろう。例えば、本開示の様々な態様および実施形態は、多くの組合せで用いられてもよく、それらは全て、本明細書によって明示的に想定される。これらのさらなる利点、目的および実施形態は、本開示の範囲内に明示的に含まれる。本開示の背景技術を例示するために、および特定の場合、実施に関するさらなる詳細を提供するために本明細書において使用される刊行物および他の資料が、参照により援用される。
【００３１】
本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を成す添付の図面は、本開示のいくつかの実施形態を例示し、本明細書と一緒に、本開示の原理を説明するのに用いられる。図面は、本開示の一実施形態を例示するためのものに過ぎず、本開示を限定するものとして解釈されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】侵食耐性高マンガン鋼（ＥＲ−ＨＭＳ）円周溶接を作製するための高度な溶接電源を用いて生じたパルス電流波形の例を示す。
【図２】図２Ａ、図２Ｂは、本開示の一実施形態に係る開先をそれぞれ示す。
【図３】異なる合金の添加に応じた、計算された積層欠陥エネルギー（ＳＦＥ）の変化を示す一連のプロットである。
【図４】異なる合金の添加に応じた、計算された凝固温度範囲（ＳＴＲ）の変化を示す一連のプロットである。
【図５】異なる合金の添加に応じた、計算されたセメンタイト固溶度線温度（ＣＳＴ）の変化を示す一連のプロットである。
【図６】物理的溶接評価および試験について生成された消耗品化学についての主な熱力学的パラメータを示すプロットである。
【図７】ＥＲ−ＨＭＳ消耗品の物理的溶接評価に使用され得る開先設計の図面である。
【図８Ａ】本開示の一実施形態に係るＥＲ−ＨＭＳ消耗品の物理的溶接評価についての溶接ビードシーケンスである。
【図８Ｂ】図８Ａに示される溶接ビードシーケンスについての溶接マクロである。
【図９】候補のＨＭＳ円周溶接消耗品についての平均降伏強度および平均で実施する（ａｖｅｒａｇｅ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ）シャルピーＶノッチ（ＣＶＮ）値を示すプロットである。
【図１０】候補のＥＲ−ＨＭＳ溶接金属についてのジェット衝突侵食試験結果を示す。
【図１１】本開示に係るいくつかのＥＲ−ＨＭＳ消耗品についての１％の歪みから７％の歪みにおける平均最大亀裂距離（ＭＣＤ）（ｍｍ）値を示す。
【図１２】本開示の一実施形態に係るＥＲ−ＨＭＳ消耗品の溶接ビードシーケンスの例を示す。
【図１３】本開示の一実施形態に係るＥＲ−ＨＭＳパイプ円周溶接についての溶接マクロの例を示す。
【図１４】本開示の一実施形態に係るＥＲ−ＨＭＳ溶接金属（パイプ円周溶接）の光学顕微鏡写真の例を示す。
【図１５】本開示の一実施形態に係るＥＲ−ＨＭＳ消耗品の物理的溶接評価についての溶接ビードシーケンスである。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
（詳細な説明）
以下の詳細な説明の節において、本開示の特定の実施形態は、好ましい実施形態に関連して説明される。しかしながら、以下の説明が、本開示の特定の実施形態または特定の使用に特有である程度に、これは、あくまでも例示のためであることが意図され、例示的な実施形態の説明を提供するに過ぎない。本開示は、後述される特定の実施形態に限定されず、むしろ、それは、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲に含まれる全ての代替例、変更、および均等物を含む。
【００３４】
典型的な炭素−マンガン鋼溶接と比較した、高Ｍｎ鋼溶接金属における炭素、ニッケル、およびマンガンの濃度のため、高Ｍｎ鋼溶接金属は、従来の溶接技術で適用するのが困難である。高Ｍｎ鋼溶接金属は、従来の低炭素鋼溶接金属と比較して、溶融した場合の粘性がかなり高い。溶融された高Ｍｎ鋼溶接金属の粘度の増加により、溶接の縁部とベースメタルとの間に位置する溶接止端部における溶融欠陥がなくなり得る。さらに、高Ｍｎ鋼ベースメタルの靱性は、溶接による熱サイクルの影響を受ける。結果として、溶接中の入熱が高過ぎる場合、高Ｍｎ鋼ベースメタルＨＡＺは、許容できないレベルの靱性を有し得る。さらに、溶接金属は、初晶オーステナイトとして凝固する。したがって、溶接金属組成物、溶接開先形状、および溶接ビード形状が、適切に制御されない場合、溶接は、凝固割れを起こしやすい。
【００３５】
低下した欠陥の可能性で、本開示の高Ｍｎ鋼溶接金属を現場で適用し、実用的な溶接性を維持し、溶接ビード形状を制御することができるという意外かつ予想外の発見に関連するシステムおよび方法が、本明細書に記載される。本明細書に記載されるシステムおよび方法は、侵食／磨耗／腐食耐性高Ｍｎ鋼ベースメタルのものと同様の強度、靱性、および磨耗特性を有する高Ｍｎ鋼溶接を提供する。
【００３６】
以下の明細書において、本開示は、オイルサンド製造に使用される高マンガン鋼スラリーパイプラインに関して記載される。しかしながら、本開示の実施形態は、限定はされないが、パイプ以外のあらゆる溶接物を含む、十分な強度、靱性、および侵食／磨耗耐性を有する溶接物が望ましい侵食／磨耗耐性高マンガン鋼部品のあらゆる溶接により幅広く適用されることが明らかである。様々な用語が、以下の明細書において定義されている。
【００３７】
値の範囲が示されている場合、その範囲の上限および下限の間の各中間値、およびその指定される範囲内の任意の他の指定される値または中間値は、本開示の範囲内に包含されることが理解される。独立して、より狭い範囲に含まれ得る、これらのより狭い範囲の上限および下限も、指定される範囲内の明確に除外される限界値にしたがって、本開示の範囲内に包含される。指定される範囲が、限界値の一方または両方を含む場合、含まれる限界値のいずれかまたは両方を除外した範囲も本開示に含まれる。
【００３８】
以下の用語が、本開示を説明するのに使用される。用語が、本明細書において具体的に定義されていない場合、その用語は、本開示を説明する際のその使用に関してその用語を適用して、当業者によって当該技術分野において認識されている意味を与えられる。
【００３９】
本明細書の詳細な説明および特許請求の範囲における全ての数値は、示される値の前の「約」または「およそ」によって修飾され、当業者によって予測され得る実験誤差および変動を考慮に入れる。
【００４０】
本明細書および添付の特許請求の範囲において使用される際の冠詞「ａ」および「ａｎ」は、文脈上特に明記されない限り、冠詞の文法的目的語の１つまたは２つ以上（すなわち、少なくとも１つ）を指す。例として、「要素（ａｎ  ｅｌｅｍｅｎｔ）」は、１つの要素または２つ以上の要素を意味する。
【００４１】
本明細書および特許請求の範囲において使用される際、「および／または」という語句は、そのように結合される要素の「いずれかまたは両方」、すなわち、ある場合には結合して存在し、他の場合には分離して存在する要素を意味するものと理解されるべきである。「および／または」を用いて列挙される複数の要素は、同じ様式、すなわち、そのように結合される要素の「１つまたは複数」と同様に解釈されるべきである。具体的に特定される要素に関連するかまたは関連しないかにかかわらず、「および／または」節によって具体的に特定される要素以外の他の要素が任意選択的に存在し得る。したがって、非限定的な例として、「Ａおよび／またはＢ」への言及は、「を含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」などのオープンエンドの語とともに使用される場合、一実施形態において、Ａのみ（任意選択的にＢ以外の要素を含む）；別の実施形態において、Ｂのみ（任意選択的にＡ以外の要素を含む）；さらに別の実施形態において、ＡおよびＢの両方（任意選択的に他の要素を含む）などを指し得る。
【００４２】
本明細書および特許請求の範囲において使用される際、「または」は、上に定義される「および／または」と同じ意味を有するものと理解されるべきである。例えば、リスト中の項目を分離する場合、「または」または「および／または」は、包括的である、すなわち、いくつかの要素または要素のリストの２つ以上も含む少なくとも１つ、および、任意選択的に、列挙されていないさらなる項目を含むものと解釈されるべきである。矛盾することが明らかに示される限定的な用語（ｏｎｌｙ  ｔｅｒｍ）、例えば、「のうちの１つのみ」または「のうちのちょうど１つ」、または、特許請求の範囲において使用される場合、「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ）」は、いくつかの要素または要素のリストのちょうど１つの要素を含むことを指す。一般に、本明細書において使用される際の「または」という用語は、「いずれか」、「のうちの１つ」、「のうちの１つのみ」、または「のうちのちょうど１つ」などの排他性を有する用語が前にある場合、排他的選択肢（すなわち、「一方または他方であるが、両方でない」）を示すものとして解釈されるのみである。
【００４３】
特許請求の範囲、ならびに上記の本明細書において、「を含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「を含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「を有する（ｃａｒｒｙｉｎｇ）」、「を有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「を含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「を含む（ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ）」、「を保持する（ｈｏｌｄｉｎｇ）」、「から構成される（ｃｏｍｐｏｓｅｄ  ｏｆ）」などの全ての移行句は、オープンエンドである、すなわち、含むがそれに限定されないことを意味するものと理解されるべきである。限定的な移行句「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ）」および「から本質的になる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ）」はそれぞれ、ｔｈｅ  １０  Ｕｎｉｔｅｄ  Ｓｔａｔｅｓ  Ｐａｔｅｎｔ  Ｏｆｆｉｃｅ  Ｍａｎｕａｌ  ｏｆ  Ｐａｔｅｎｔ  Ｅｘａｍｉｎｉｎｇ  Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ，Ｓｅｃｔｉｏｎ  ２１１１．０３に記載されるように、クローズドまたはセミクローズドな移行句であるものとする。
【００４４】
本明細書および特許請求の範囲において使用される際、１つまたは複数の要素のリストに関する「少なくとも１つ」という語句は、要素のリスト中のいずれか１つまたは複数から選択される少なくとも１つの要素を意味するものと理解されるべきであるが、要素のリスト内に特に列挙されるあらゆる要素の少なくとも１つを必ずしも含むとは限らず、要素のリスト内の要素の任意の組合せを除外しない。この定義はまた、具体的に特定される要素に関連するかまたは関連しないかにかかわらず、「少なくとも１つ」という語句が指す要素のリスト内で具体的に特定される要素以外の要素が任意選択的に存在し得ることを可能にする。したがって、非限定的な例として、「ＡおよびＢの少なくとも１つ」（または、同等に、「ＡまたはＢの少なくとも１つ」、または、同等に「Ａおよび／またはＢの少なくとも１つ」）は、一実施形態において、任意選択的に２つ以上を含む少なくとも１つの、Ｂの存在なしのＡ（任意選択的にＢ以外の要素を含む）；別の実施形態において、任意選択的に２つ以上を含む少なくとも１つの、Ａの存在なしのＢ（任意選択的にＡ以外の要素を含む）；さらに別の実施形態において、任意選択的に２つ以上を含む少なくとも１つのＡ、および任意選択的に２つ以上を含む少なくとも１つのＢ（任意選択的に他の要素を含む）などを指し得る。
【００４５】
矛盾することが明らかに示されない限り、２つ以上の工程または作業を含む本明細書において権利請求される任意の方法において、方法の工程または作業の順序は、方法の工程または作業が記載される順序に必ずしも限定されないことも理解されるべきである。
【００４６】
特に定義されない限り、本明細書において使用される全ての技術用語および科学用語は、本開示が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書における本開示の説明に使用される用語は、特定の実施形態を説明するものに過ぎず、本開示を限定することは意図されていない。
【００４７】
定義
延性：破壊前にかなりの塑性変形を受ける材料の能力の尺度を意味し得るが、決してこれに限定されず；それは、伸び率（％  ＥＬ）または面積減少率（％  ＡＲ）として表され得る。
【００４８】
耐腐食性：反応性または腐食環境への曝露によって引き起こされる劣化に対する材料固有の耐性を意味し得るが、決してこれに限定されない。
【００４９】
靱性：亀裂発生および伝播に対する耐性を意味し得るが、決してこれに限定されない。
【００５０】
降伏強度：変形せずに荷重に耐える材料の能力を意味し得るが、決してこれに限定されない。
【００５１】
引張強さ：破壊機構が線形弾性破壊でない場合の、応力の単位での材料の最大荷重支持能力に対応する強度を意味し得るが、決してこれに限定されない。
【００５２】
冷却速度：一般に材料の片の中心、または実質的に中心で測定される、材料の片の冷却の速度を意味し得るが、決してこれに限定されない。
【００５３】
熱影響部（ＨＡＺ）：溶接作業中に溶融されないが、溶接のための熱によって影響される、溶接溶融ラインに隣接するベースメタルを意味し得るが、決してこれに限定されない。
【００５４】
溶接物：溶接によって接合される構成部品の組立体を意味し得るが、決してこれに限定されない。
【００５５】
溶接ビード溶け込み形状：横断面において観察したときの、溶接ビードの底部（ルート）の近くの溶接ビードの形状を意味し得るが、決してこれに限定されない。
【００５６】
溶接性：特定の金属または合金を溶接する実現可能性を意味し得るが、決してこれに限定されない。溶接性は、溶接中の脆弱性または水素に誘起される割れを指す場合があるが、本開示に関して、溶接性は、溶融の欠如、溶け込みの欠如、またはアンダーカットなどの欠陥の発生を伴わない溶接しやすさを指す。いくつかの要因が、高い表面張力の溶融溶接プールおよび一貫性のないまたは不安定な溶接アークを含む低い溶接性に寄与する。これらの要因は、隣接するベースメタルにおける溶接プールの低い濡れ性、溶接止端部における鋭い（または小さい）凹角および望ましくない溶接スパッタを含む、溶接者によって観察される兆候を生じる。良好な溶接性を得ることは、良好な溶接プール流動性、アーク安定性（「滑らかな」アーク）、ベースメタルとの接合部における溶接プールの良好な濡れ性、良好なビード溶け込み形状を含む一連の特性を指す（全て、溶接欠陥を減少させることを目的としている）。
【００５７】
ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）：トーチを用いる溶接プロセスであって、それによって、溶加ワイヤが電極として働き、コンタクトチップを通して自動的に送給され、溶接プロセスにおいて消費される。コンタクトチップは、典型的に、シールドガスを溶接アークの領域に送るガスカップによって囲まれる。一般的なシールドガスは、アルゴン、ＣＯ２、ヘリウム、および酸素である。トーチの走行は、機械によって提供され得るか（自動的または機械化）または人間によって提供され得る（半自動）。プロセス名ＧＭＡＷは、アメリカ溶接協会（ｔｈｅ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｗｅｌｄｉｎｇ  Ｓｏｃｉｅｔｙ）による規格表示である。
【００５８】
パルスガスメタルアーク溶接（ＰＧＭＡＷ）：電流パルス能力を提供する電源を用いるＧＭＡＷプロセスの変形。これらは、高度な電流波形電源と呼ばれる場合がある。アメリカ溶接協会（Ｔｈｅ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｗｅｌｄｉｎｇ  Ｓｏｃｉｅｔｙ）は、ＰＧＭＡＷをＧＭＡＷ−Ｐと称している。
【００５９】
ＧＭＡＷに基づくプロセス：ＰＧＭＡＷ、メタルコアアーク溶接（ＭＣＡＷ）、およびフラックスコアアーク溶接（ＦＣＡＷ）などの、ＧＭＡＷと類似したいくつかの関連するプロセス。ＭＣＡＷとの主な相違は、コアードワイヤが使用され、コア内に金属粉末が存在することである。ＦＣＡＷプロセスはまた、コアードワイヤを使用し、コアは、典型的に、フラックス粉末からなる。ＦＣＡＷは、シールドガスとともにまたはそれを伴わずに使用され得る。
【００６０】
オーステナイト：面心立方（ＦＣＣ）原子結晶構造を有する鋼における金属学的相を意味し得るが、決してこれに限定されない。
【００６１】
マルテンサイト：限定はされないが、母相（典型的にオーステナイト）および生成物相が特定の配向関係を有する無拡散相変態によって形成され得る鋼における金属学的相を意味し得るが、決してこれに限定されない。
【００６２】
ε（イプシロン）−マルテンサイト：オーステナイト相を冷却するかまたは歪みを加えると生じる六方最密充填原子結晶構造を有するマルテンサイトの特定の形態を意味し得るが、決してこれに限定されない。ε−マルテンサイトは、典型的に、オーステナイト相の最密充填（１１１）面に生じ、形態が変形双晶または積層欠陥クラスターに類似している。
【００６３】
α’（アルファプライム）−マルテンサイト：オーステナイト相を冷却するかまたは歪みを加えると生じる体心立方（ＢＣＣ）または体心正方（ＢＣＴ）原子結晶構造を有するマルテンサイトの特定の形態を意味し得るが、決してこれに限定されず；α’−マルテンサイトは、典型的に、板状晶として生じる。
【００６４】
炭化物：鉄／金属および炭素の化合物を意味し得るが、決してこれに限定されない。
【００６５】
溶接金属組成物：
一態様において、本明細書は、滑らかな制御された溶接アークおよび溶接プールを適切に生成するのに十分な電源電流波形制御による最近のガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）プロセスを用いて適用されるオーステナイト溶接金属を提供する。これにより、溶接金属およびＨＭＳベースメタル熱影響部の両方において好適な強度、好適な低温靱性、高い侵食／腐食耐性を同時に達成することが可能な高Ｍｎ鋼パイプライン円周溶接に有用なオーステナイト微細構造、および低い欠陥率を有する溶接物が製造される。本開示の実施形態は、良好な溶接性を得るが、これは、良好な溶接プール流動性、アーク安定性（「滑らかな」アーク）、ベースメタルとの接合部における溶接プールの良好な濡れ性、および良好なビード溶け込み形状を含む一連の特性を指し、これらは全て、溶接欠陥を減少させることを目的としている。
【００６６】
ＥＲ−ＨＭＳ溶接金属化学を、ベースメタルＨＭＳ化学と併用して、必要な消耗品溶接ワイヤ組成を計算することができる。同様に、消耗品溶接ワイヤ化学およびベースメタルＨＭＳ化学を用いて、ＥＲ−ＨＭＳ溶接金属化学を計算することができる。ＥＲ−ＨＭＳ化学は、単に、溶接ワイヤ化学の変更ならびに溶け込みおよびベースメタル希釈の量を制御する溶接プロセスの知識によって、様々なＨＭＳベースメタルに適用され得る。溶接工学の当業者に公知であるように、化学的性質のうちの２つが分かっているかまたは特定される場合、３つの化学的性質のうちの１つを決定するために、希釈率の計算を用いることができる。ＨＭＳ部品（例えば、スラリーパイプ）を溶接する場合、ベースメタル、溶接金属、および溶加ワイヤの３つの金属が関与する。本明細書に記載される機械化ＭＣＡＷパイプライン円周溶接の用途では、希釈率は、典型的に、溶接パスの大部分について５％〜２０％である。希釈率の計算は、当該技術分野において公知であり、アメリカ溶接協会（Ｔｈｅ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｗｅｌｄｉｎｇ  Ｓｏｃｉｅｔｙ）によって出版されたＧｅｏｒｇｅ  Ｅ．ＬｉｎｎｅｒｔによるＷｅｌｄｉｎｇ  Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ，Ｖｏｌｕｍｅ  ２，Ｔｈｉｒｄ  Ｅｄｉｔｉｏｎを含むいくつかの溶接工学のテキストに説明されている。
【００６７】
本開示の溶接金属は、高Ｍｎ鋼スラリーパイプラインにおいて円周溶接のために十分な機械的特性および良好な侵食／腐食耐性をもたらす。これらの新規な溶接は、スラリーパイプラインに好適であり、これらの溶接は、許容される溶接性および欠陥率で、現場建設中に適用され得る。特定の用途に必要とされる溶接金属は、溶接金属化学および溶接方法（電源タイプおよびシールドガスの選択を含む、プロセスおよび手順）の選択によって設計され、好適な溶接微細構造および機械的特性をもたらすように、厳しい現場パイプライン建設の条件で適用され得る。
【００６８】
一実施形態において、溶接金属は、約０．４重量％〜約０．８重量％の炭素、約１８重量％〜約２４重量％のマンガン、約６重量％以下のクロムの量のクロム、約４重量％以下の量のモリブデン、約５重量％以下の量のニッケル、約０．４重量％〜約１．０重量％のケイ素、２００ｐｐｍ以下の量の硫黄、約２００ｐｐｍ以下の量のリンを含み、残余は鉄である。別途特に示されない限り、溶接金属の組成物に関連する本明細書における全てのパーセンテージは、重量％（重量パーセント）で表される。溶接金属組成物の残余は鉄であるが、溶接金属は、他の挙げられていない構成要素、例えば不純物などを含み得る可能性がある。
【００６９】
以下に概説される理由で、他の元素が加えられ得る。一実施形態において、溶接金属は、約２重量％以下の量のチタン、約５重量％以下の量のニオブ、約５重量％以下の量のタングステン、１．０重量％未満の量のアルミニウム、約０．１重量％以下の量のホウ素、約１．５重量％以下の量の窒素、またはそれらの組合せのうちの少なくとも１つをさらに含む。
【００７０】
溶接金属学、微細構造、および機械的特性：
特定の実施形態において、本開示に記載される高Ｍｎ鋼溶接金属は、例えば、スラリーパイプ用途に使用されるベースメタル高Ｍｎ鋼と同様の機械的特性および侵食／腐食特性を有する。したがって、ＥＲ−ＨＭＳ溶接金属は、例えば、スラリーパイプ用途のためのベースメタル高Ｍｎ鋼と同様の微細構造および同様の歪み誘起変態挙動を有し得る。従来の炭素鋼と異なり、高Ｍｎ鋼の微細構造は、室温で面心立方（ｆｃｃ）構造を有する準安定オーステナイト相を有し得る。
【００７１】
歪みを加えると、準安定オーステナイト相は、歪み誘起変態によっていくつかの異なる相変態を起こし得る。これらの変態としては、以下のものが挙げられる：オーステナイト相は、具体的な鋼の化学的性質および／または温度に応じて、双晶が母相と整列された微細双晶（ｆｃｃ）構造、ε−マルテンサイト（六方格子）、およびα’−マルテンサイト（体心正方格子）へと変態する。
【００７２】
これらの変態生成物は、高Ｍｎ鋼の特有の特性をもたらす上での鍵である。例えば、微細な微細双晶は、一次オーステナイト結晶粒を効果的に分割し、転位運動に対する強い障害物として働く。これは、結晶粒を効果的に微細化し、高い極限引張強さおよび延性の優れた組合せをもたらす。
【００７３】
ベースメタル侵食耐性高Ｍｎ鋼の化学的性質は、良好な侵食および磨耗性能を提供する変態生成物を生成するように特に調整されてきた。ベースメタルは、歪みを加えると硬質α’−マルテンサイトへと変態することが多い準安定オーステナイト相を含むように製造される。この摩擦誘起相変態は、丈夫な非変態準安定オーステナイトの内部の上にマルテンサイトからなる薄い硬質表面層の形成をもたらし、これは、磨耗／侵食用途のための望ましい組合せである。
【００７４】
別の実施形態において、表面結晶粒微細化は、稼動／使用の前および／または稼動／使用中（例えば、現場で形成される）のいずれかに、特定の高Ｍｎ鋼の表面層において起こる。例えば、表面における結晶粒微細化は、高い強度および硬度、高い延性、および／または高い靱性の独自の組合せを有する層の形成をもたらし得る。このような微細粒子（例えば、高さ約１００ｎｍの層）または超微細粒子（例えば、高さ約１０ｎｍの層）表面層は、稼動／使用の前および／または稼動／使用中（例えば、現場で形成される）のいずれかに形成されてもよく、継ぎ目耐摩耗性、侵食耐性、および／または耐腐食性を、鋼に与えることができる。
【００７５】
例示的な実施形態において、微細粒子（例えば、約１００ｎｍの層）または超微細粒子（例えば、約１０ｎｍの層）表面層は、限定はされないが、ショットピーニング、レーザー衝撃ピーニング、および／または表面バニシングなどの表面変形によって、例示的な鋼の使用／取り付けの前に形成され得る。
【００７６】
ＥＲ−ＨＭＳ溶接金属において所要の機械的挙動をもたらすために、微細構造は、ベースメタル侵食耐性ＨＭＳの微細構造と同様であるべきである。マンガンは、高Ｍｎ鋼の主要な元素であり、それは、冷却および変形中にオーステナイト構造を安定させるのに重要である。ある実施形態において、Ｍｎレベルは、溶接金属およびベースメタルの両方において同様である。特定の実施形態において、溶接金属は、約１８重量％〜約２４重量％、約１８重量％〜約２３重量％、約１８重量％〜約２２重量％、約１８重量％〜約２１重量％、約１８重量％〜約２０重量％、約１８重量％〜約１９重量％、１９重量％〜約２４重量％、約１９重量％〜約２３重量％、約１９重量％〜約２２重量％、約１９重量％〜約２１重量％、約１９重量％〜約２０重量％、２０重量％〜約２４重量％、約２０重量％〜約２３重量％、約２０重量％〜約２２重量％、約２０重量％〜約２１重量％、２１重量％〜約２４重量％、約２１重量％〜約２３重量％、約２１重量％〜約２２重量％、２２重量％〜約２４重量％、約２重量％〜約２３重量％、または約２３重量％〜約２４重量％の量のマンガンを含む。他の実施形態において、溶接金属は、約１８重量％、約１８．５重量％、約１９重量％、約１９．５重量％、約２０重量％、約２０．５重量％、約２１重量％、約２１．５重量％、約２２重量％、約２２．５重量％、約２３重量％、約２３．５重量％、または約２４重量％を含む。
【００７７】
特定の実施形態において、溶接金属における炭素含量は、ベースメタルと比較して、より低いレベルである。より低い炭素含量は、パイプライン溶接に十分な溶接性（溶接プール流動性、アーク安定性、および溶接ビード形状）をもたらすのに役立つ。特定の実施形態において、ベースメタルにおける炭素は、１．０重量％超であり、溶接金属における炭素は、０．８重量％未満のレベルである。ある実施形態において、溶接金属は、約０．７重量％以下、約０．６重量％以下、約０．５重量％以下、約０．４重量％以下、約０．３重量％以下、約０．２重量％以下、約０．１重量％以下、約０．１重量％〜約０．８重量％、約０．１重量％〜約０．７重量％、約０．１重量％〜約０．６重量％、約０．１重量％〜約０．５重量％、約０．１重量％〜約０．４重量％、約０．１重量％〜約０．３重量％、約０．１重量％〜約０．２重量％、約０．２重量％〜約０．８重量％、約０．２重量％〜約０．７重量％、約０．２重量％〜約０．６重量％、約０．２重量％〜約０．５重量％、約０．２重量％〜約０．４重量％、約０．２重量％〜約０．３重量％、約０．３重量％〜約０．８重量％、約０．３重量％〜約０．７重量％、約０．３重量％〜約０．６重量％、約０．３重量％〜約０．５重量％、約０．３重量％〜約０．４重量％、約０．４重量％〜約０．８重量％、約０．４重量％〜約０．７重量％、約０．４重量％〜約０．６重量％、約０．４重量％〜約０．５重量％、約０．５重量％〜約０．８重量％、約０．５重量％〜約０．７重量％、約０．５重量％〜約０．６重量％、約０．６重量％〜約０．８重量％、約０．６重量％〜約０．７重量％、または約０．７重量％〜約０．８重量％の量の炭素を含む。他の実施形態において、溶接金属は、約０．１重量％、約０．２重量％、約０．３重量％、約０．４重量％、約０．５重量％、約０．６重量％、約０．７重量％、または約０．８重量％の量の炭素を含む。
【００７８】
オーステナイトＨＭＳでは、炭素は、有効なオーステナイト安定剤として働き、また、固溶体固化によって母相を強化する。ＥＲ−ＨＭＳ溶接金属における炭素レベルの低下により、ベースメタルと同様の強度特性をもたらすようにさらなる元素で溶接金属を合金化することが必要になる。
【００７９】
ケイ素の添加は、α’−マルテンサイト変態の持続に加えて、いくらかの固溶体強化を提供する。ケイ素はまた、溶接中の溶接プール流動性を改善するように働き、これにより、溶接性が改善される。一実施形態において、溶接金属におけるケイ素含量は、溶接性の利益のため、ベースメタルレベルを超えて、例えば、約０．４重量％〜約１．０重量％の範囲で増加される。ある実施形態において、溶接金属は、約０．４重量％〜約０．９重量％、約０．４重量％〜約０．８重量％、約０．４重量％〜約０．７重量％、約０．４重量％〜約０．６重量％、約０．４重量％〜約０．５重量％、約０．５重量％〜約１．０重量％、約０．５重量％〜約０．９重量％、約０．５重量％〜約０．８重量％、約０．５重量％〜約０．７重量％、約０．５重量％〜約０．６重量％、約０．６重量％〜約１．０重量％、約０．６重量％〜約０．９重量％、約０．６重量％〜約０．８重量％、約０．４重量％〜約０．７重量％、約０．７重量％〜約１．０重量％、約０．７重量％〜約０．９重量％、約０．７重量％〜約０．８重量％、約０．８重量％〜約１．０重量％、約０．８重量％〜約０．９重量％、または約０．９重量％〜約１．０重量％の量のケイ素を含む。
【００８０】
クロムの添加は、耐腐食性を高め、溶接金属耐腐食性がベースメタル耐腐食性と同様であるのを確実にするために重要である。より高いレベルでのクロムの添加はまた、冷却中のフェライト相の形成を促進し、冷却および再加熱中の炭化物の形成につながる。ある実施形態において、クロム含量は、約６重量％以下の量で存在する。特定の実施形態において、溶接金属は、約５重量％以下、約４重量％以下、約３重量％以下、約２重量％以下、約１重量％以下、約１重量％〜約６重量％、約１重量％〜約５重量％、約１重量％〜約４重量％、約１重量％〜約３重量％、約１重量％〜約２重量％、約２重量％〜約６重量％、約２重量％〜約５重量％、約２重量％〜約４重量％、約２重量％〜約３重量％、約３重量％〜約６重量％、約３重量％〜約５重量％、約３重量％〜約４重量％、約４重量％〜約６重量％、約４重量％〜約５重量％、または約５重量％〜約６重量％の量のクロムを含む。他の実施形態において、溶接金属は、約０．５重量％、約１重量％、約１．５重量％、約２重量％、約２．５重量％、約３重量％、約３．５重量％、約４重量％、約４．５重量％、約５重量％、約５．５重量％、または約６重量％の量のクロムを含む。
【００８１】
モリブデンの添加は、かなりの固溶体強化を提供する。モリブデンの添加は、ＥＲ−ＨＭＳ溶接金属において必要な強度特性を達成するのに重要である。本開示の溶接金属は、約４重量％以下の量のモリブデンを含み得る。特定の実施形態において、溶接金属は、約３重量％以下、約２重量％以下、約１重量％以下、約１重量％〜約４重量％、約１重量％〜約３重量％、約１重量％〜約２重量％、約２重量％〜約４重量％、約２重量％〜約３重量％、または約３重量％〜約４重量％の量のモリブデンを含む。他の実施形態において、溶接金属は、約０．５重量％、約１重量％、約１．５重量％、約２重量％、約２．５重量％、約３重量％、約３．５重量％、または約４重量％の量のクロムを含む。
【００８２】
ニッケルの添加は、さらなるオーステナイト安定性を提供することができ、溶接金属靱性を改善することができる。しかしながら、より高いレベルでのニッケルの添加は、強度を低下させ得る。ある実施形態において、溶接金属は、約５重量％以下の量のニッケルを含む。特定の実施形態において、溶接金属は、約４重量％以下、約３重量％以下、約２重量％以下、約１重量％以下、約１重量％〜約５重量％、約１重量％〜約４重量％、約１重量％〜約３重量％、約１重量％〜約２重量％、約２重量％〜約５重量％、約２重量％〜約４重量％、約２重量％〜約３重量％、約３重量％〜約５重量％、約３重量％〜約４重量％、または約４重量％〜約５重量％の量のニッケルを含む。他の実施形態において、溶接金属は、約０．５重量％、約１重量％、約１．５重量％、約２重量％、約２．５重量％、約３重量％、約３．５重量％、約４重量％、約４．５重量％、または約５重量％の量のニッケルを含む。
【００８３】
ＥＲ−ＨＭＳ溶接金属に対して行われ得るいくつかのさらなる少量の元素の添加がある。窒素および／またはホウ素が、さらなる固溶体強化を提供するために、少量で、例えば、それぞれ最大で約１．５重量％および最大で約０．１重量％で加えられ得る。より多い量の窒素は、溶接金属ポロシティおよび靱性の低下を引き起こし得る。タングステンも、例えば、約５重量％以下の量で加えられて、固溶体強化剤として働き得る。特定の実施形態において、溶接金属は、約４重量％以下、約３重量％以下、約２重量％以下、約１重量％以下、約１重量％〜約５重量％、約１重量％〜約４重量％、約１重量％〜約３重量％、約１重量％〜約２重量％、約２重量％〜約５重量％、約２重量％〜約４重量％、約２重量％〜約３重量％、約３重量％〜約５重量％、約３重量％〜約４重量％、または約４重量％〜約５重量％の量のタングステンを含む。他の実施形態において、溶接金属は、約０．５重量％、約１重量％、約１．５重量％、約２重量％、約２．５重量％、約３重量％、約３．５重量％、約４重量％、約４．５重量％、または約５重量％の量のタングステンを含む。
【００８４】
少量のチタンおよびニオブ（例えば、それぞれ約２重量％以下、および約５重量％以下）が、結晶粒微細化および析出硬化のために加えられて、溶接金属を強化し得る。特定の実施形態において、溶接金属は、約１重量％以下または約１重量％〜約２重量％の量のチタンを含む。他の実施形態において、溶接金属は、約０．５重量％、約１重量％、約１．５重量％、または約２重量％の量のチタンを含む。特定の実施形態において、溶接金属は、約４重量％以下、約３重量％以下、約２重量％以下、約１重量％以下、約１重量％〜約５重量％、約１重量％〜約４重量％、約１重量％〜約３重量％、約１重量％〜約２重量％、約２重量％〜約５重量％、約２重量％〜約４重量％、約２重量％〜約３重量％、約３重量％〜約５重量％、約３重量％〜約４重量％、または約４重量％〜約５重量％の量のニオブを含む。他の実施形態において、溶接金属は、約０．５重量％、約１重量％、約１．５重量％、約２重量％、約２．５重量％、約３重量％、約３．５重量％、約４重量％、約４．５重量％、または約５重量％の量のニオブを含む。
【００８５】
硫黄およびリンは、不純物であり、意図的に加えられない。これらの要素は、溶接消耗品中のそれらの量を制限することによって制御される。硫黄およびリンの量は、溶接凝固割れを回避するために制御されなければならない。例えば、一実施形態において、硫黄およびリンはそれぞれ、約２００ｐｐｍ以下の濃度で存在する。
【００８６】
特定の実施形態において、本開示の溶接金属は、小さい体積分率の炭化物とともにオーステナイト結晶粒を含む微細構造を有する。
【００８７】
別の実施形態において、溶接金属は、溶接したままの状態で、高マンガン鋼ベースの降伏強度を超えるか、または所要の最小降伏強度を超える降伏強度を有する。
【００８８】
一実施形態において、溶接金属は、溶接したままの状態で、約７０ｋｓｉを超える降伏強度を有する。特定の実施形態において、降伏強度は、約７２．５ｋｓｉ、約７５ｋｓｉ、約７７．５ｋｓｉ、約８０ｋｓｉ、または約８２．５ｋｓｉを超える。
【００８９】
ある実施形態において、溶接金属は、溶接したままの状態で、８２．７ｋｓｉを超える極限引張強さを有する。特定の実施形態において、極限引張強さは、約８５ｋｓｉ、約９０ｋｓｉ、約９５ｋｓｉ、約１００ｋｓｉ、約１０５ｋｓｉ、約１１０ｋｓｉ、約１１５ｋｓｉ、約１２０ｋｓｉ、約１２５ｋｓｉ、または約１３０ｋｓｉを超える。
【００９０】
他の実施形態において、溶接金属は、溶接したままの状態で、約１６％を超える引張伸びを有する。特定の実施形態において、溶接金属の引張伸びは、約２０％、約２５％、約３０％、約３５％、約４０％、約４５％、約５０％、約５５％、約６０％、または約６５％を超える。
【００９１】
さらなる実施形態において、溶接金属は、溶接したままの状態で、７％の歪みで約４０℃〜約１７０℃の凝固割れ温度範囲を有する。特定の実施形態において、７％の歪みにおける凝固割れ温度範囲は、約４０℃〜約１６０℃、約４０℃〜約１５０℃、約４０℃〜約１４０℃、約４０℃〜約１３０℃、約４０℃〜約１２０℃、約４０℃〜約１１０℃、約４０℃〜約１００℃、約４０℃〜約９０℃、約４０℃〜約８０℃、約４０℃〜約７０℃、約４０℃〜約６０℃、約５０℃〜約１７０℃、約５０℃〜約１６０℃、約５０℃〜約１５０℃、約５０℃〜約１４０℃、約５０℃〜約１３０℃、約５０℃〜約１２０℃、約５０℃〜約１１０℃、約５０℃〜約１００℃、約５０℃〜約９０℃、約５０℃〜約８０℃、約５０℃〜約７０℃、約６０℃〜約１７０℃、約６０℃〜約１６０℃、約６０℃〜約１５０℃、約６０℃〜約１４０℃、約６０℃〜約１３０℃、約６０℃〜約１２０℃、約６０℃〜約１１０℃、約６０℃〜約１００℃、約６０℃〜約９０℃、約６０℃〜約８０℃、約７０℃〜約１７０℃、約７０℃〜約１６０℃、約７０℃〜約１５０℃、約７０℃〜約１４０℃、約７０℃〜約１３０℃、約７０℃〜約１２０℃、約７０℃〜約１１０℃、約７０℃〜約１００℃、約７℃〜約９０℃、約８０℃〜約１７０℃、約８０℃〜約１６０℃、約８０℃〜約１５０℃、約８０℃〜約１４０℃、約８０℃〜約１３０℃、約８０℃〜約１２０℃、約８０℃〜約１１０℃、約８０℃〜約１００℃、約９０℃〜約１７０℃、約９０℃〜約１６０℃、約９０℃〜約１５０℃、約９０℃〜約１４０℃、約９０℃〜約１３０℃、約９０℃〜約１２０℃、約９０℃〜約１１０℃、約１００℃〜約１７０℃、約１００℃〜約１６０℃、約１００℃〜約１５０℃、約１００℃〜約１４０℃、約１００℃〜約１３０℃、約１００℃〜約１２０℃、約１１０℃〜約１７０℃、約１１０℃〜約１６０℃、約１１０℃〜約１５０℃、約１１０℃〜約１４０℃、約１１０℃〜約１３０℃、約１３０℃〜約１７０℃、約１３０℃〜約１６０℃、約１３０℃〜約１５０℃、または約１４０℃〜約１７０℃である。
【００９２】
別の実施形態において、溶接金属は、溶接したままの状態で、−２９℃で約２７Ｊを超えるＣＶＮエネルギーを有する。特定の実施形態において、溶着物は、溶接したままの状態で、約３０Ｊ、約３５Ｊ、約４０Ｊ、約４５Ｊ、約５０Ｊ、約５５Ｊ、約６０Ｊ、約６５Ｊ、約７０Ｊ、約７５Ｊ、または約８０Ｊを超える、−２９℃におけるＣＶＮエネルギーを有する。
【００９３】
本開示の別の実施形態によれば、本開示の溶接金属を適用するためのシステムが提供される。スラリーパイプライン建設の実用的な生産性で製造される確実なＥＲ−ＨＭＳ溶接の適用は、最近開発された溶接技術を用いて達成され得る。ＧＭＡＷ溶接機は、工業で利用可能であり、これは、ＥＲ−ＨＭＳ溶接のための良好な溶接性を可能にする。ＧＭＡＷ電源の製造業者は、複雑な固体電子工学の使用による高度なパルス波形制御を組み込んでいる。この波形制御は、溶接性の改善および最適化を可能にする。このタイプの溶接は、典型的に、パルスＧＭＡＷまたはＰＧＭＡＷと呼ばれる。これらのＰＧＭＡＷ機械は、長年存在していたが、波形制御が、ＥＲ−ＨＭＳ現場建設に最も有益な最適化のレベルを可能にするのに十分に高度になったのはまだごく最近のことである。
【００９４】
このシステムは、溶接装置およびパラメータを用いて、許容される溶接性を提供するように、溶接アーク安定性ならびに粘度およびビード形状などの溶接プール流れ特性を制御し得る。侵食／腐食耐性高マンガン溶接を提供するためのシステムは、消耗品ワイヤ電極およびガスメタルアーク溶接を行うガスメタルアーク溶接電源を含む。消耗品ワイヤ電極は、約０．４重量％〜約０．８重量％の範囲の炭素、約１８重量％〜約２４重量％の範囲のマンガン、約６重量％以下の量のクロム、約４重量％以下の量のモリブデン、約５重量％以下の量のニッケル、約０．４重量％〜約１．０重量％の範囲のケイ素、約２００ｐｐｍ以下の量の硫黄、約２００ｐｐｍ以下の量のリン、および鉄を含む残余を含む溶接金属を製造する。ガスメタルアーク溶接電源は、約２．５ｋＪ／ｍｍ以下の溶接入熱を生成する。
【００９５】
別の実施形態において、溶接入熱は、約０．６〜約１．０ｋＪ／ｍｍの範囲である。
【００９６】
ある実施形態において、このシステムは、少なくとも１種のシールドガスを提供するための装置であって、少なくとも１種のシールドガスが、約１０％〜約３０％の範囲のＣＯ２を含む装置をさらに含む。
【００９７】
特定の実施形態において、少なくとも１種のシールドガスは、８０％のアルゴンおよび２０％のＣＯ２である。
【００９８】
溶接性：
一実施形態において、現場での高Ｍｎ鋼建設（例えば、スラリーパイプライン建設）では、ＥＲ−ＨＭＳ溶接は、好ましくは、ＧＭＡＷに基づくプロセス、特に、ＰＧＭＡＷを用いて行われるが、所定の化学的性質および微細構造が達成され、溶接性がその用途に十分である限り、他のプロセスが使用され得る。高度なパルス溶接電源が、ＥＲ−ＨＭＳ現場建設のための良好な溶接性を達成するのに重要である。これらの電源のいくつかの例は、ｔｈｅ  Ｆｒｏｎｉｕｓ  ＴｒａｎｓＳｙｎｅｒｇｉｃ  ３２００、ｔｈｅ  Ｌｉｎｃｏｌｎ  Ｐｏｗｅｒ  Ｗａｖｅ  ４５５、およびｔｈｅ  Ｍｉｌｌｅｒ  ＰｉｐｅＰｒｏ  ４５０である。
【００９９】
本開示の実施形態において、ＥＲ−ＨＭＳ溶接を１Ｇまたは５Ｇ円周溶接に適用するためのシステムは、約７５〜約１５０ａｍｐのバックグラウンド電流および約３５０〜約４５０ａｍｐのパルス電流量の使用を含む。パルス電流波形の例が、図１に示される。アーク電圧は、約１５Ｖ〜約３０Ｖの範囲であり得る。ワイヤ送給速度は、直径約１．２ｍｍのワイヤについて約８０〜約５００インチ／分（ｉｐｍ）の範囲であり得る。シールドガス流量は、約１０〜約５０立方フィート／時（ｃｆｈ）の範囲であり得る。走行速度は、ルート溶接について約１〜約１８ｉｐｍ、およびフィルおよびキャップパスについて約１〜約２５ｉｐｍの範囲であり得る。溶加ワイヤは、直径約０．９ｍｍ〜約１．６ｍｍの範囲であり得る。入熱は、ルートおよびフィルパスの両方について約１５〜約２６ｋＪ／インチの範囲であり得る。
【０１００】
本開示の別の実施形態によれば、本開示の溶接金属を適用するための方法が提供される。この方法は、例えば、許容される溶接性を提供するように、溶接アーク安定性ならびに粘度およびビード形状などの溶接プール流れ特性の制御を可能にする溶接装置およびパラメータを用いる。一実施形態において、溶接金属化学、溶接継ぎ手形状、および溶接入熱は、凝固割れに対する脆弱性を確実に減少させ、溶接金属および熱影響部（ＨＡＺ）靱性の著しい低下を防ぐように制御される。
【０１０１】
侵食／腐食耐性高Ｍｎ鋼の溶着物を製造する方法は、溶接される少なくとも２つの高Ｍｎ鋼ベースおよび溶接用溶加材を提供する工程と；溶接用溶加材を溶融および冷却して、溶着物を生成する工程とを含む。溶接用溶加材は、約０．４重量％〜約０．８重量％の範囲の炭素、約１８重量％〜約２４重量％の範囲のマンガン、約６重量％以下の量のクロム、約４重量％以下の量のモリブデン、約５重量％以下の量のニッケル、約０．４重量％〜約１．０重量％の範囲のケイ素、約２００ｐｐｍ以下の量の硫黄、約２００ｐｐｍ以下の量のリン、および鉄を含む残余を含む。
【０１０２】
特定の実施形態において、溶融は、約２．５ｋＪ／ｍｍ以下の溶接入熱を、溶接用溶加材／溶接消耗品ワイヤ組成物に適用することを含む。
【０１０３】
特定の実施形態において、少なくとも２つの高Ｍｎ鋼ベースは、約３０°〜約３７．５°の開先を有する、溶接される部分を含む。
【０１０４】
一実施形態において、ベースの熱影響部は、溶接後、−２９℃で約２７Ｊを超えるＣＶＮエネルギーを有する。特定の実施形態において、ベースの熱影響部は、溶接後、約３０Ｊ、約３５Ｊ、約４０Ｊ、約４５Ｊ、約５０Ｊ、約５５Ｊ、約６０Ｊ、約６５Ｊ、約７０Ｊ、約７５Ｊ、または約８０Ｊを超える、−２９℃におけるＣＶＮエネルギーを有する。
【０１０５】
ある実施形態において、ベースメタルは、侵食／腐食耐性高Ｍｎ鋼である。
【０１０６】
一実施形態において、この方法は、ベースメタルにおける炭素希釈を制限することをさらに含む。例えば、この方法は、溶接金属における炭素含量を、ベースメタルの熱影響部における炭素の量未満の量に制限することをさらに含み得る。一実施形態において、溶接金属は、約０．８重量％以下の量の炭素を含み、ベースメタルは、少なくとも約１．０重量％（例えば、約１．０重量％〜約３．０重量％）の量の炭素を含む。
【０１０７】
一実施形態において、溶接金属降伏強度は、侵食耐性ＨＭＳベースパイプの降伏強度を超えるか、またはスラリーパイプライン設計によって必要とされる所定の最小降伏強度（ＳＭＹＳ）を超える。別の実施形態において、溶接金属極限引張強さは、ベースパイプ本体のための所定の最小極限引張強さ（ＳＭＵＴＳ）を超える。さらなる実施形態において、溶接金属は、引張伸びのある所定の最小レベルを提供しなければならない。
【０１０８】
一実施形態において、ＥＲ−ＨＭＳ溶接金属は、初晶オーステナイトとして凝固し、そのため、溶接凝固割れを起こしやすいことがある。いかなる溶接凝固割れも、スラリーパイプの作製にとって許容されないため、ＥＲ−ＨＭＳ溶接金属は、実際の溶接パラメータを用いた溶接中、凝固割れに対する十分な耐性を提供しなければならない。溶接金属化学の適切な制御は、ＥＲ−ＨＭＳ溶接金属において凝固割れを避ける。さらに、消耗品ワイヤ組成物の制御は、適切なレベルの合金元素および最小レベルの不純物元素（硫黄およびリンなど）を確実にし、また、凝固割れを避けるのに役立ち得る。別の実施形態において、ベースメタルの希釈は、溶接金属組成物の範囲が、適切な範囲内であることを確実にするように管理される。ベースメタルＨＭＳは、ＥＲ−ＨＭＳ溶接消耗品より高い炭素含量を有し、したがって、より高い希釈率は、より高い凝固割れ脆弱性につながる。一実施形態において、希釈レベルは、最大入熱を制限し、溶接ビードシーケンスを規定することによって制御される。凝固割れはまた、溶接金属の凝固中に生じる溶接残留応力の大きさおよび位置に依存する。特定の溶接開先形状の使用は、より有利な溶接残留応力およびＥＲ−ＨＭＳ溶接金属における凝固割れに対する改良された耐性につながり得る。より大きいねじ山角度を有する開先は、より低い深さ対幅比を有する溶接ビードをもたらし、これにより、より小さいねじ山角度およびより大きい熱誘起応力を有する狭い開先と比較して、凝固割れ脆弱性を低下させる。例えば、一実施形態において、パイプ円周溶接のための開先は、図２Ａに示されるように、約３／３２インチ〜約１／８インチの高さの開口（ギャップ）を含む。さらに、開口は、約３／３２インチ〜約１／８インチの範囲の高さ（ランド）を有し得る。開先は、約３０°〜約３７．５°の開先角度を有し得る。別の実施形態において、開先は、高さを有さず、むしろ、開先は、図２Ｂに示されるように、ベースの１つの表面から開始し、実質的に直線で、ベースの他の表面に続いている。この実施形態において、開口は、約１／３２インチ〜約６／３２インチ幅（例えば、５／３２インチ）であり得る。
【０１０９】
一実施形態において、ＥＲ−ＨＭＳ消耗品は、侵食耐性ＨＭＳベースメタルと同様のマンガン含量を有し、これは、両方ともオーステナイトであることから、ベースメタル微細構造と同様の溶接金属微細構造をもたらす。この化学的適合性は、溶接金属／ベースメタルの境界におけるマルテンサイト相の形成を防ぐ。これにより、低温割れ／水素割れなどの潜在的な問題のリスクが低下される。
【０１１０】
別の実施形態において、高Ｍｎ鋼ベースは、参照により本明細書に援用される、“Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｗｅａｒ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｔ  Ｓｔｅｅｌ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｏｆ  Ｍａｋｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｓａｍｅ”と題された２０１３  ＥＭ１１８、ＰＣＴ／ＵＳ２０１４／０２０５９９号明細書に提供され、記載されるとおりである。
【０１１１】
溶接シールドガスの組成の適切な制御は、所要の特性を有する確実なＥＲ−ＨＭＳ溶接を製造するのに役立ち得る。ＥＲ−ＨＭＳ溶接金属の粘着性は、シールドガス中のＣＯ２の使用によって克服される。シールドガス中のＣＯ２は、溶接プール流動性、アーク安定性、および溶け込み形状を含むビード形状を改善するように働く。これらの特性の全ては、パイプライン溶接中の溶接欠陥を避けるために重要である。しかしながら、ＣＯ２の使用は、酸素ポテンシャルを増加させ、溶接金属における酸素含量を増加させることができる。溶接金属における酸化物の過剰な形成が、靱性を低下させ得る。したがって、一実施形態において、シールドガス中のＣＯ２の量は、１０％〜３０％に制御される。別の実施形態において、ＥＲ−ＨＭＳ溶接技術は、８０％のＡｒ／２０％のＣＯ２の組成を有するシールドガスを適用する。
【０１１２】
ＥＲ−ＨＭＳ溶接の溶接ビード形状は、凝固割れのリスクを最小限に抑えるように適切に制御されるべきである。特定の実施形態において、非常に窪んだビード形状は、これらが凝固割れを起こしやすいため、避けられる。ビード形状は、溶接電流、ワイヤ送給速度、および溶接走行速度の適切な制御により制御され得る。
【０１１３】
ＥＲ−ＨＭＳ溶接を適用するのにコアードワイヤ消耗品を使用する場合、メタルコアードアーク溶接（ＭＣＡＷ）およびフラックスコアードアーク溶接（ＦＣＡＷ）などのコアードワイヤ溶接プロセスに関連し得る典型的な溶接の問題を避けることが重要である。このような潜在的な問題としては、過剰なスパッタおよび溶接金属ポロシティが挙げられる。上述されるような、シールドガス中のＣＯ２の使用は、スパッタを減少させ得る。溶接金属ポロシティは、適切なクリーニングの実施によって減少または回避され得、例えば、溶接継ぎ手および消耗品ワイヤは、乾燥して清浄であり、油および他のデブリがない。コアードワイヤ消耗品は、ソリッドワイヤ消耗品より、不適切に貯蔵された場合に水分を集める傾向が高いため、適切な消耗品ワイヤの貯蔵の実施（温度および湿度）を後で行うべきである。
【０１１４】
溶接プロセスパラメータは、スラリーパイプ用途に好適な微細構造および特性を有する確実なＥＲ−ＨＭＳ溶接をもたらす溶接入熱を生成するように制御され得る。溶接入熱は、パイプライン溶接の実用的な生産性で一貫した溶融を可能にするのに十分に高くすべきである。しかしながら、それは、要件を満たす溶接を確実にするために最大で約２．５ｋＪ／ｍｍ未満に制御されるべきである。溶接パラメータ（電流、電圧、および走行速度）は、溶接入熱値を確実に超えないように調整され得る。最大値を超える過剰な入熱は、凝固割れ、低下した溶接金属靱性、および低下したベースメタルＨＡＺ靱性を含む、いくつかの潜在的な問題をもたらし得る。
【０１１５】
溶接入熱は、凝固割れする傾向があり得る高い深さ対幅比を有する大きい溶接ビードを製造するのを避けるために、最大値未満に制御され得る。これらの高い深さ対幅比は、溶接金属における偏析を増加させ、円周溶接継ぎ手における横方向歪みを増加させ、したがって、凝固割れの可能性を増加させ得る。
【０１１６】
溶接入熱を最大値未満に制御するさらなる理由は、過剰な溶接パス間の炭化物析出を防ぐためである。ＥＲ−ＨＭＳ溶接に使用される多層盛溶接では、それぞれの後続の溶接パスが、前のパスからの溶接金属ビードに影響を与える熱サイクルを生成する。入熱が大き過ぎる場合、この溶接金属の再加熱は、溶接金属における炭化物析出をもたらし得る。過剰な炭化物の形成は、溶接金属靱性を要件未満に低下させ得る。
【０１１７】
さらに、溶接入熱制御は、ＨＭＳベースメタルＨＡＺにおいて所要の靱性を維持する上での鍵である。高過ぎる入熱が、ベースメタルＨＡＺにおいて結晶粒粒界における過剰な炭化物析出をもたらすことが理解される。これは、低下した靱性を有する局所的領域をもたらし得る。最大値未満に制御された溶接入熱は、ＨＡＺ結晶粒粒界において減少した量の炭化物析出物を生じる熱サイクルおよび冷却速度をもたらす。これにより、破壊靱性および亀裂に対する耐性が改善される。したがって、適切な入熱制御が、所要の靱性がＥＲ−ＨＭＳ溶接金属およびＨＭＳベースメタルＨＡＺの両方において確実に満たされるのに必要とされる。
【０１１８】
上述される溶接金属化学、溶接プロセス、および溶接の実施の適切な適用は、ＨＭＳスラリーパイプラインを建設するのに必要とされる微細構造および機械的特性を有する好適なＥＲ−ＨＭＳ溶接を製造するであろう。新規なＥＲ−ＨＭＳ溶接金属は、例えば、１Ｇおよび５Ｇ溶接位置の両方において最近のパイプライン溶接装置を用いて、実用的な生産性で適用され得、また、円周溶接補修溶接を製造するために適用され得る。
【０１１９】
本開示の実施形態は、特定の用途要件のためのＥＲ−ＨＭＳ溶接を製造する方法を含む。この方法は、本明細書に開示される有効範囲内の所望のＥＲ−ＨＭＳ溶接金属化学を決定することを含む。一実施形態において、この方法は、ベースメタル化学および所望の溶接金属化学を所与として、溶接消耗品ワイヤ化学を決定することを含む。ある実施形態において、溶接消耗品ワイヤ化学を決定することは、上述されるように希釈率の計算を行うことを含む。ある実施形態において、この方法は、溶接消耗品ワイヤを用いてベースメタルを溶接することをさらに含む。特定の実施形態において、ベースメタルを溶接することは、十分な溶接性および溶接融合を提供するように、溶接中のアーク安定性および溶接プール流れ特性を制御することを含む。
【実施例】
【０１２０】
溶接消耗品化学の選択手法：
微細構造、相変態、および特性に対するこれらの合金元素の影響の理解に基づいて、適切なＥＲ−ＨＭＳ溶接金属化学が、その用途のために設計され得る。消耗品化学の適切な選択は、計算された材料特性予測を用いたスクリーニングによって容易にされ得る。計算された相図は、元素濃度範囲にわたって主な材料特性を予測するのに使用され得る。多くの可能な合金元素および濃度範囲を有する、ＥＲ−ＨＭＳ溶接金属化学のような場合、独立変数および従属変数を分析するために実験手法の計画を用いるのが有益である。このタイプの要因計画手法の例は、表１に示されるように、それぞれ３つの濃度における８つの変数（合金元素）であり、これにより、３８すなわち６，５６１の実験条件（組成物）が得られる。
【０１２１】
【表１】
2019520473.tif 000003
【０１２２】
実験要因手法の計画によって実験溶接金属組成物を生成した後、主な熱力学的パラメータが、最初のスクリーニングのために各組成物について計算され得る。ＥＲ−ＨＭＳ溶接金属性能を予測するのに使用され得る３つの主なパラメータは、（ｉ）積層欠陥エネルギー、（ｉｉ）凝固温度範囲、および（ｉｉｉ）セメンタイト固溶度線温度である。Ｔｈｅｒｍｏ−Ｃａｌｃ（Ｔｈｅｒｍｏ−Ｃａｌｃ  Ｓｏｆｔｗａｒｅ  ＡＢ，Ｓｔｏｃｋｈｏｌｍ，Ｓｗｅｄｅｎ）を用いて、パラメータを予測した。
【０１２３】
積層欠陥エネルギー（ＳＦＥ）は、合金化学の関数であり、ＳＦＥの値は、変形の際に高Ｍｎ鋼において起こる変態誘起塑性（ＴＲＩＰ）および双晶誘起塑性（ＴＷＩＰ）機構のタイプに相当する。具体的な活性変形機構が、溶接金属の強度および侵食性能に影響を与える。これに基づいて、ＳＦＥ値は、引張強さおよび侵食性能の強力な予測因子と見なされるため、消耗品合金設計における重要なパラメータである。好ましいＥＲ−ＨＭＳ溶接金属ＳＦＥ値は、ベースメタル侵食耐性ＨＭＳ  ＳＦＥ値（例えば、６０ｍＪ／ｍ２超かつ８０ｍＪ／ｍ２未満）と類似していることを目標としている。
【０１２４】
凝固温度範囲（ＳＴＲ）は、所与の合金組成についての液相線温度と固相線温度との間の範囲である。ＳＴＲは、凝固（この場合、溶接金属凝固）の際の半溶融帯（ｍｕｓｈｙ  ｚｏｎｅ）の範囲を表すため、溶接性の強力な指標である。ＳＴＲのより高い値は、より大きい半溶融帯および溶接凝固割れに対するより高い脆弱性に相当する。ＥＲ−ＨＭＳ溶接金属は、初晶オーステナイトとして凝固し、そのため、本質的に、いくらか溶接凝固割れ欠陥を起こしやすい。ＳＴＲは、欠陥のないパイプライン円周溶接を可能にするように、凝固割れ脆弱性を最小限に抑えるように制御されなければならない。ＥＲ−ＨＭＳ溶接金属の好ましい計算されたＳＴＲ値は、最良の性能を提供するように、１２０℃未満になることを目標としている。
【０１２５】
セメンタイト固溶度線温度（ＣＳＴ）は、凝固および複数の溶接パス再加熱の際の溶接金属における炭化物析出の相対的評価を提供するのに使用され得る。この温度は、合金組成に基づいて予測され得る。炭化物析出の量は、ＣＳＴが最小限に抑えられるときに最小限に抑えられるであろう。溶接金属における過剰な炭化物析出が、溶接金属靱性（主な機械的特性）に悪影響を与えることが理解される。したがって、ＥＲ−ＨＭＳ溶接金属組成物が、最小限に抑えられたＣＳＴをもたらすことが好ましい。
【０１２６】
記載される主なパラメータの熱力学的計算を用いて、さらなる評価および開発のために最も有望な消耗品化学を選択した。さらに、元素の変化を有する主なパラメータの変化を表す統計を分析し、計算されたパラメータに対する様々な元素の変化の影響にする傾向を特定した。例えば、図３、４、および５は、異なる合金の添加に応じた、それぞれＳＦＥ、ＳＴＲ、およびＣＳＴの変化を表すプロットを示す。図３において、例えば、主な影響は、炭素、クロム、ニッケル、および窒素含量の変化に起因する。主なパラメータに対する元素の影響の統計的分析は、物理的溶接評価のための化学範囲（熱力学的計算を用いて評価されるよりはるかに小さい一連の化学）の選択を可能にした。
【０１２７】
物理的溶接評価のためのＥＲ−ＨＭＳ消耗品合金の化学範囲は、要因実験計画を可能にし得る計算された熱力学的基準（ＳＦＥ、ＳＴＲ、ＣＳＴ）への最良の適合に基づいて選択され得る。いくつかの元素の含量が固定され得る一方、２つの値の間で変化する４つの元素が選択され得る（炭素、マンガン、モリブデン、およびニッケル）。これにより、２４すなわち１６の実験条件が得られる。これに、より高いマンガン消耗品のサブセットおよびチタン、ニオブ、タングステン、ホウ素、および窒素のいくらかの微量合金添加（ｍｉｃｒｏａｌｌｏｙｉｎｇ  ａｄｄｉｔｉｏｎ）を含む消耗品のサブセットが追加され得る。合計で、表２に示されるように、物理的溶接評価および試験について生じた２２の実験的消耗品化学がある。図６は、これらの消耗品化学についての主な熱力学的パラメータのプロットを示す。
【０１２８】
【表２】
2019520473.tif 000004
【０１２９】
物理的溶接評価：
実験的ＥＲ−ＨＭＳ消耗品を、溶接を製造し、機械的特性、溶接性、および侵食耐性を試験することによって評価した。ＥＲ−ＨＭＳ評価溶接を、侵食耐性ＨＭＳベースメタルの（プレートまたはパイプの）突合せ溶接として作製した。突合せ溶接を、以下のＭＣＡＷ条件下で行った：２６〜３０Ｖのアーク電圧、アーク電流１４０〜１８０Ａ、直径１．２ｍｍの溶加ワイヤで２５０〜３００ｉｐｍのワイヤ送給、８０のＡｒ／２０のＣＯ２で４５ｃｆｈのシールドガス流量、ならびにルートおよびフィルパスの両方について０．７４〜１．１ｋＪ／ｍｍの入熱。
【０１３０】
適切な機械的試験および微細構造分析を可能にするのに十分な溶接金属を製造した。このようなプレート溶接のための開先設計の例が、図７の略図に示される。このようなプレート溶接のための溶接ビードシーケンスの例が、図８Ａの図面に示され、このようなプレートについての典型的な溶接マクロが、図８Ｂに示される。
【０１３１】
溶接が、スラリーパイプラインに必要とされる十分な強度、十分な靱性、および高い侵食／腐食耐性をもたらすことを実証するために、ＥＲ−ＨＭＳ試験溶接の試験を行った。製造され、強度および靱性について試験された一連のＥＲ−ＨＭＳ溶接の例が、表３に示される。
【０１３２】
【表３】
2019520473.tif 000005
【０１３３】
溶接金属学、微細構造、および機械的特性：
新規なＥＲ−ＨＭＳ溶接金属は、円周突合せ溶接によって侵食耐性ＨＭＳスラリーパイプを接合するのに必要な強度、靱性、および高い侵食／腐食耐性を提供することができる。これらの特性要件を満たすのに必要な微細構造は、溶接金属化学および溶接プロセスパラメータの適切な制御によって達成される。
【０１３４】
ＥＲ−ＨＭＳ溶接金属は、その用途（スラリーパイプ）に必要な最小引張強さ特性を達成しなければならない。したがって、溶接金属降伏強度は、侵食耐性ＨＭＳベースパイプの降伏強度を超えるか、またはスラリーパイプライン設計によって必要とされる所定の最小降伏強度（ＳＭＹＳ）を超えることが望ましい。さらに、ベースパイプ本体のための所定の最小極限引張強さ（ＳＭＵＴＳ）を超える溶接金属極限引張強さも望ましい。さらに、溶接金属はまた、引張伸びのある所定の最小レベルを提供すべきである。ＥＲ−ＨＭＳ溶接金属は、硬質α’−マルテンサイトに変態し、歪みを加えると微細双晶化を起こす、非常に準安定なオーステナイト相を含むように設計されるため、これらの測定のそれぞれを達成することができる。さらに、溶接金属（例えば、モリブデン）における固溶体強化要素は、格子転位運動を妨げることによって、さらなる強化を提供する。これらの強化機構の組成物は、典型的なスラリーパイプラインの円周溶接のための引張強さ要件を達成する高い強度および加工硬化速度を提供する。例として、試験されるＥＲ−ＨＭＳ溶接金属特性は、表４に示され、ＡＰＩ  Ｘ７０グレードに基づくパイプライン設計のための円周溶接要件（ＳＭＹＳは７０ｋｓｉである）と比較される。溶接を、以下の条件下で機械化ＭＣＡＷを用いて行った：４０〜５０ｃｆｈの流量としての８０のＡｒ／２０のＣＯ２シールドガス、ルートについて２０〜２２Ｖおよびフィルについて２０〜３１Ｖのアーク電圧、ルートについて１５０〜１９０Ａおよびフィルについて２１０〜２６５Ａのアーク電流、１．２ｍｍの直径を有する溶加ワイヤ、ルートについて２３０ｉｐｍおよびフィルについて３３０〜４４０ｉｐｍのワイヤ送給、およびルートについて０．８６〜１．０２ｋＪ／ｍｍおよびフィルについて０．６〜０．９３ｋＪ／ｍｍの入熱。ＡＰＩ  Ｘ７０グレード設計は、オイルサンドスラリーパイプライン設計に一般的である。ＥＲ−ＨＭＳ溶接金属化学の調節が、Ｘ５２、Ｘ６０、Ｘ６５、Ｘ７０、およびＸ８０を含む可能なスラリーパイプライングレードの範囲に必要な溶接金属引張特性を達成するために、本明細書に開示される範囲内で行われ得る。ＥＲ−ＨＭＳ溶接金属は、スラリーパイプ用途に必要とされるものより著しく高い靱性測定値を示す。
【０１３５】
【表４】
2019520473.tif 000006
【０１３６】
ＥＲ−ＨＭＳ溶接金属は、その用途（スラリーパイプ）に必要な最小靱性特性を達成しなければならない。本開示の溶接の近くのベースメタル（ＨＡＺ）も、これらの最小靱性特性を達成することができる。本出願のための靱性の最も一般的な評価は、溶接金属およびＨＡＺのいくつかの領域のシャルピーＶノッチ（ＣＶＮ）試験を行うことによって測定される衝撃靱性である。エネルギーの単位（すなわち、ジュール、Ｊ）で報告される試験値は、その用途のための設計コードによって規定される最小限必要なＣＶＮより大きくなければならない。ＥＲ−ＨＭＳ溶接は、溶接金属および侵食耐性ＨＭＳベースメタルＨＡＺの両方において要件を達成する。溶接金属靱性は、オーステナイト相と、延性破壊モードをもたらす限られた量の炭化物とからなる溶接金属微細構造により達成される。ベースメタルＨＡＺ靱性は、ＨＡＺにおける炭化物析出が最小限に抑えられるように溶接入熱を制御することによって達成され得る。高い入熱は、ＨＡＺ結晶粒粒界における過剰な炭化物析出につながり、ＨＡＺの増加した硬度につながり、不十分なＣＶＮ靱性値につながり得る。製造されたＥＲ−ＨＭＳ溶接で達成されるＣＶＮ値の例が、表４に示され、スラリーパイプ用途のための溶接衝撃靱性要件と比較される。図９は、上述される条件下でおよび表３に示される組成物を用いて行われる候補のＨＭＳ円周溶接消耗品についての平均降伏強度および平均ＣＶＮ値を示すプロットである。４８５ｋｓｉの最小降伏強度および２７Ｊの最小ＣＶＮエネルギーの目標範囲が、網掛け領域で表示された目標内に示される。溶接ＦＸ−５、ＦＸ−８、ＦＸ−１４、およびＦＸ−１６が、目標範囲を満たす一方、溶接ＦＸ−１、ＦＸ−９、ＦＸ−１１、ＦＸ−１７は、目標範囲を満たさなかった。
【０１３７】
本開示のＥＲ−ＨＭＳ溶接金属は、侵食耐性ＨＭＳパイプ本体と比較して同様の侵食／腐食耐性を達成する。結果として、ＥＲ−ＨＭＳは、ＨＭＳスラリーパイプ部分を接合するための実行可能な選択肢である。パイプの内壁、およびひいては円周溶接のルート表面が、侵食／腐食作用スラリー環境に曝される。溶接金属は、ＨＭＳベースメタルにおいて改良された侵食／腐食性能の最大の作用利益を達成するために、ベースメタルと同様の、侵食／腐食劣化に対する耐性を有さなければならない。溶接のより速い劣化速度が、ベースメタルパイプの利用可能寿命の完全利用前のスラリーパイプの交換につながるであろう。スラリーパイプ環境における侵食／腐食劣化についての確立された、標準化された試験または最小特性要件は存在しない。小規模の実験室試験において侵食および腐食の組み合わされた相乗効果を評価するのは特に困難である。したがって、侵食／腐食性能の評価は、別々の侵食および腐食試験を行い、ＥＲ−ＨＭＳ溶接金属を実際の現場条件に曝す現場試験を行うことによって行われる。侵食性能のための好ましい試験は、ジェット衝突試験であり、これは、高速の水と砂との混合物を、所定の速度および期間にわたってサンプル表面に向け、喪失された材料の量を測定することを含む。ジェット衝突試験は、相対的侵食耐性の一般的な指標を提供するものと見なされる。それは、試験における砂粒子のサイズおよび分布が、スラリーパイプ使用における固体のサイズおよび分布とかなり異なる点で制限される。ＥＲ−ＨＭＳ溶接金属についてのジェット衝突結果の例が、図１０に示される。実験室規模の腐食試験は、ＨＭＳベースメタルと比較して、ＥＲ−ＨＭＳ溶接金属の腐食性能を評価するために、溶接材料に対して行われ得る。試験溶接からの試験片は、溶接金属およびベースメタルの両方を含むように採取され得る。これは、溶接金属とベースメタルとの間のかなりの電気化学ポテンシャル差に起因し得る任意の潜在的な選択的溶接腐食の評価を可能にする。試験片は、典型的に、塩化物および溶解酸素を含む、特定のスラリーパイプライン腐食環境を模擬した水性環境に曝され得る。試験片は、３０日の試験期間にわたって曝され、その後、それらは、性能を評価するために、環境から取り出され、分析される。試験片の全重量損失が、一般的な腐食速度を決定するのに使用され得、試験後の表面形状が、溶接金属領域およびベースメタル領域の両方における腐食浸透（ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ  ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ）の深さを決定するために測定され得る。それぞれの水性スラリーパイプライン環境におけるＥＲ−ＨＭＳ試験溶接の腐食試験片試験は、２０〜２５ミル／年（ｍｐｙ）の重量損失腐食速度ならびに溶接金属およびベースメタルの両方における浸透の同様の平均深さをもたらした。ＥＲ−ＨＭＳ溶接金属によって示される侵食および腐食耐性のレベルは、スラリーパイプライン用途のための侵食耐性ＨＭＳパイプを接合するのに十分である。
【０１３８】
溶接性：
新規なＥＲ−ＨＭＳ溶接金属は、円周突合せ溶接によって侵食耐性ＨＭＳスラリーパイプを接合するのに必要な溶接性を提供することができる。この溶接性は、溶接金属化学、溶接プロセスパラメータ、および／または溶接継ぎ手設計の適切な制御によって達成される。
【０１３９】
凝固割れ脆弱性は、トランスバレストレイン（ｔｒａｎｓ−ｖａｒｅｓｔｒａｉｎｔ）試験を用いて評価され得る。この試験は、歪みと割れの関係を決定するために、歪みを凝固溶接金属に加えることによって、溶接金属の凝固割れ脆弱性を評価する。トランスバレストレイン試験の主な結果は、凝固割れ温度範囲（ＳＣＴＲ）である。より大きいＳＣＴＲ値は、典型的に、凝固割れに対するより高い脆弱性を表す。５％の歪みおよび７％の歪みにおけるＳＣＴＲ値が、表５にいくつかのＥＲ−ＨＭＳ消耗品について示される。ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）を、以下の条件下で行った：１１．６Ｖのアーク電圧、１８０Ａのアーク電流、２．５４ｍｍ／秒の走行速度、１．３７ｋＪ／ｍｍの入熱、および約１２５℃／秒の凝固範囲における冷却速度。計算されたＳＣＴＲ値は、約４０℃〜約１６０℃の範囲である。これらの値は、初晶オーステナイトとして凝固するステンレス鋼について報告される値と同様である（Ｗｅｌｄｉｎｇ  Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ  ａｎｄ  Ｗｅｌｄａｂｉｌｉｔｙ，Ｌｉｐｐｏｌｄ，Ｊｏｈｎ  Ｃ．，２０１４）。これは、ＥＲ−ＨＭＳ溶接金属が、凝固割れを伴わずに製造され得ることを示す。一実施形態において、溶接金属は、約４０℃〜約１６０℃の範囲のＳＣＴＲ値を有する。図１１は、いくつかのＥＲ−ＨＭＳ消耗品についての１％の歪みから７％の歪みにおける平均最大亀裂距離（ＭＣＤ）（ｍｍ）値を示す。
【０１４０】
【表５】
2019520473.tif 000007
【０１４１】
溶接プロセスパラメータ：
図１２は、図２Ａに示されるように、開先を有する一実施形態に係るＥＲ−ＨＭＳ溶接についての例示的な溶接ビードシーケンスを示す。この実施形態において製造されるＥＲ−ＨＭＳ溶接マクロの例が、図１３に示され、ＥＲ−ＨＭＳ溶接金属の光学顕微鏡写真の例が、図１４に示される。表６は、図２Ａおよび１０〜１２に関して記載されるように適用される１Ｇパイプ円周溶接からのＡＳＭＥ  Ｓｅｃｔｉｏｎ  ＩＸ試験結果の概要である。機械化ＭＣＡＷを、以下の条件下で行った：５０ｃｆｈの流量としての８０のＡｒ／２０のＣＯ２シールドガス、ルートについて２０〜２２Ｖおよびフィルについて２４〜３１Ｖのアーク電圧、ルートについて１５０〜１６５Ａおよびフィルについて２１０〜２６５Ａのアーク電流、１．２ｍｍの直径を有する溶加ワイヤ、ルートについて２３０ｉｐｍおよびフィルについて２９６〜４４１ｉｐｍのワイヤ送給、およびルートについて０．９〜１．０２ｋＪ／ｍｍおよびフィルについて０．６〜０．９３ｋＪ／ｍｍの入熱。
【０１４２】
【表６】
2019520473.tif 000008
【０１４３】
上述される実施形態は、侵食耐性ＨＭＳスラリーパイプラインを作製および適用するための要件を満たすＥＲ−ＨＭＳ溶接を製造することができる。溶接手順適格性確認中に製造された溶接を試験した。これらの溶接からのＥＲ−ＨＭＳ溶接金属特性が、表７に示され、ＡＰＩ  Ｘ７０グレードに基づくパイプライン設計のためのＡＳＭＥ  Ｓｅｃｔｉｏｎ  ＩＸ円周溶接要件（ＳＭＹＳは７０ｋｓｉである）と比較される。機械化ＭＣＡＷを、以下の条件下で行った：５０ｃｆｈの流量としての８０のＡｒ／２０のＣＯ２シールドガス、ルートについて２０〜２２Ｖおよびフィルについて２４〜３１Ｖのアーク電圧、ルートについて１５０〜１６５Ａおよびフィルについて２１０〜２６５Ａのアーク電流、１．２ｍｍの直径を有する溶加ワイヤ、ルートについて２３０ｉｐｍおよびフィルについて２９６〜４４１ｉｐｍのワイヤ送給、およびルートについて０．９〜１．０２ｋＪ／ｍｍおよびフィルについて０．６〜０．９３ｋＪ／ｍｍの入熱。製造されたＥＲ−ＨＭＳ溶接は、要件と比べて優れた靱性性能を示した。
【０１４４】
【表７】
2019520473.tif 000009
【０１４５】
図１５は、図２Ｂに示されるように、開先のためのパイプ円周溶接（例えば、１Ｇパイプ）についての溶接ビードシーケンスの例である。図１６は、ビッカース硬さ試験を行った、表８内の点の位置を示す。機械化ＭＣＡＷを、以下の条件下で行った：５０ｃｆｈの流量としての８０のＡｒ／２０のＣＯ２シールドガス、ルートについて２０〜２２Ｖおよびフィルについて２４〜３１Ｖのアーク電圧、ルートについて１５０〜１６５Ａおよびフィルについて２１０〜２６５Ａのアーク電流、１．２ｍｍの直径を有する溶加ワイヤ、ルートについて２３０ｉｐｍおよびフィルについて２９６〜４４１ｉｐｍのワイヤ送給、およびルートについて０．９〜１．０２ｋＪ／ｍｍおよびフィルについて０．６〜０．９３ｋＪ／ｍｍの入熱。ビッカース硬さ試験は、容易に行われる広い硬さスケールを提供する。ビッカースピラミッドナンバー（ＨＶ）は、ビッカース硬さ試験の硬さの尺度であり、窪みの表面積にわたる荷重によって決定される。表８は、ＦＸ−５  １Ｇパイプ円周溶接からの点についてのビッカース硬さ試験結果をまとめている。
【０１４６】
【表８】
2019520473.tif 000010
【０１４７】
特定の実施形態：
一態様によれば、本開示は、高マンガン鋼ベースメタル（又はハイマンガンスチールベースメタル（high manganese steel base metal））のための溶接組成物（又はウェルディング組成物（welding composition））を提供し、当該溶接組成物は、
０．４重量％〜０．８重量％の範囲の炭素、
１８重量％〜２４重量％の範囲のマンガン
６重量％以下の量のクロム
４重量％以下の量のモリブデン
５重量％以下の量のニッケル
０．４重量％〜１．０重量％の量のケイ素
２００ｐｐｍ以下の量の硫黄
２００ｐｐｍ以下の量のリン、および
鉄を含む残余（又は残余物又はバランス（balance））
を含む。
【０１４８】
本明細書中に記載される任意の態様または実施形態において、溶接組成物は、
２重量％以下の量のチタン、
５重量％以下の量のニオブ、
５重量％以下の量のタングステン、
１．０重量％以下の量のアルミニウム、
０．１重量％以下の量のホウ素、および／または
１．５重量％以下の量の窒素
をさらに含む。
【０１４９】
本明細書中に記載される任意の態様または実施形態において、上記組成物は、オーステナイト微細構造（又はオーステナイトミクロストラクチャー（austenitic microstructure））を有する。
【０１５０】
本明細書中に記載される任意の態様または実施形態において、オーステナイト微細構造は、硬質α’−マルテンサイト（又はハードα’−マルテンサイト（hard α’-martensite））に変態（又はトランスフォーム（transform））し、歪み（又はストレイン）を加える（straining）と、微細双晶化（又はミクロ双晶化（microtwinning））を起こす。
【０１５１】
別の態様によれば、本開示は、侵食／腐食耐性高マンガン溶接（又はエロージョン／コロージョン耐性ハイマンガンウェルド（erosion/corrosion resistant high manganese weld））を提供するためのシステムであり、当該システムは、消耗品ワイヤ電極（又は消費ワイヤ電極（consumable wire electrode））と、ガスメタルアーク溶接（gas metal are welding）を行うガスメタルアーク溶接電源（又はガスメタルアークウェルディング電源（gas metal arc welding power source））とを含み、
上記消耗品ワイヤ電極は、
０．４重量％〜０．８重量％の範囲の炭素、
１８重量％〜２４重量％の範囲のマンガン、
６重量％以下の量のクロム、
４重量％以下の量のモリブデン、
５重量％以下の量のニッケル、
０．４重量％〜１．０重量％の範囲のケイ素、
２００ｐｐｍ以下の量の硫黄、
２００ｐｐｍ以下の量のリン、および
鉄を含む残余（又は残余物又はバランス）
を含む溶接物（又はウェルドメント（weldment））を生成し、
上記ガスメタルアーク溶接電源が、２．５ｋＪ／ｍｍ以下の溶接入熱（又はウェルディングヒートインプット（welding heat input））を生成する。
【０１５２】
本明細書中に記載される任意の態様または実施形態において、溶接入熱は、０．６〜１．０ｋＪ／ｍｍの範囲である。
【０１５３】
本明細書中に記載される任意の態様または実施形態において、当該システムは、少なくとも１つのシールドガス（又はシールディングガス（shielding gas））を提供するための装置をさらに含み、少なくとも１つのシールドガスが、１０％〜３０％の範囲のＣＯ２を含む。
【０１５４】
本明細書中に記載される任意の態様または実施形態において、少なくとも１つのシールドガスが、８０％のアルゴンおよび２０％のＣＯ２を含む。
【０１５５】
さらなる態様によれば、本開示は、侵食／腐食耐性高Ｍｎ鋼（又はエロージョン／コロージョン耐性ハイＭｎスチール（erosion/corrosion resistant high Mn steel））の溶着物（又はウェルドデポジット（weld deposit））を製造する方法を提供し、当該方法は、
溶接される少なくとも２つの高Ｍｎ鋼ベース（又はハイＭｎスチールベース（high Mn steel base））と、溶接物（又はウェルドメント）とを提供すること（又は工程又はステップ）、および
溶接用溶加材（又はウェルディングフィラーマテリアル（welding filler material））を溶融（又はメルティング（melting））および冷却（又はクーリング（cooling））して、溶着物（又はウェルドデポジット）を生成すること（又は工程又はステップ）
を含み、
上記溶接物（又はウェルドメント）が、
０．４重量％〜０．８重量％の範囲の炭素、
１８重量％〜２４重量％の範囲のマンガン、
６重量％以下の量のクロム、
４重量％以下の量のモリブデン、
５重量％以下の量のニッケル、
０．４重量％〜１．０重量％の範囲のケイ素、
２００ｐｐｍ以下の量の硫黄、
２００ｐｐｍ以下の量のリン、および
鉄を含む残余（又は残余物又はバランス）
を含む。
【０１５６】
本明細書中に記載される任意の態様または実施形態において、溶融（又はメルティング）は、２．５ｋＪ／ｍｍ以下の溶接入熱（又はウェルディングヒートインプット）を、溶接用溶加材（又はウェルディングフィラーメタル（welding filler metal））に提供することを含む。
【０１５７】
本明細書中に記載される任意の態様または実施形態において、少なくとも２つの高Ｍｎ鋼ベース（又はハイＭｎスチールベース）は、溶接される部分を含み、この部分は、３０°〜３７．５°の開先（又はベベル（bevels））を含む。
【０１５８】
本明細書中に記載される任意の態様または実施形態において、
溶着物（又はウェルドデポジション（weld deposition））は、溶接したままの状態（as-welded condition）で、高マンガン鋼ベースの降伏強度（yield strength）を超えるか、または所要の（又は求められる）最小降伏強度（minimum yield strength）を超える、降伏強度を有し、
溶着物は、溶接したままの状態で、７０ｋｓｉを超える降伏強度を有し、
溶着物は、溶接したままの状態で、８２．７ｋｓｉを超える極限引張強さ（ultimate tensile strength）を有し、
溶着物は、溶接したままの状態で、１６％を超える引張伸び（tensile elongation）を有し、そして／または
溶着物は、溶接したままの状態で、７％の歪み（又はストレイン（strain））で４０℃〜１７０℃の凝固割れ温度範囲（solidification cracking temperature range）を有する。
【０１５９】
本明細書中に記載される任意の態様または実施形態において、溶着物および／または上記ベースの熱影響部（heat affected zone）は、溶接したままの状態で、２７Ｊを超える、−２９℃におけるＣＶＮエネルギーを有する。
【０１６０】
本明細書中に記載される任意の態様または実施形態において、上記ベースメタルは、侵食／腐食耐性高Ｍｎ鋼（又はエロージョン／コロージョン耐性ハイＭｎスチール）である。
【０１６１】
本明細書中に記載される任意の態様または実施形態において、当該方法は、上記ベースメタルからの溶接金属（又はウェルドメタル（weld metal））における炭素希釈（又はカーボンダイリューション（carbon dilution））を制限することをさらに含む。
【０１６２】
当業者によって理解されるように、特定の数量（ｑｕａｎｔｉｔｉｅｓ）、量（ａｍｏｕｎｔｓ）、および測定値には、機器および／または方法の一部に固有の、精度の理論的および／または実際的制限がある。したがって、特に示されない限り、権利請求される量は、ある程度の変化を包含することが想定される。
【０１６３】
本明細書に記載される詳細な実施例および実施形態は、例示的な目的で例として示されるに過ぎず、本開示を限定するものと決して見なされないことが理解される。本開示を考慮した様々な変更または変形が、当業者に示唆され、本出願の趣旨および範囲内に含まれ、添付の特許請求の範囲内であると見なされる。例えば、成分の相対的な数量は、所望の効果を最適化するために変更されてもよく、さらなる成分が加えられてもよく、および／または同様の成分が、記載される成分の１つまたは複数の代わりに用いられ得る。本開示のシステム、方法、およびプロセスに関連するさらなる有利な特徴および機能性は、添付の特許請求の範囲から明らかであろう。
【図１】
2019520473.tif 000011
【図２】
2019520473.tif 000012
【図３】
2019520473.tif 000013
【図４】
2019520473.tif 000014
【図５】
2019520473.tif 000015
【図６】
2019520473.tif 000016
【図７】
2019520473.tif 000017
【図８Ａ】
2019520473.tif 000018
【図８Ｂ】
2019520473.tif 000019
【図９】
2019520473.tif 000020
【図１０】
2019520473.tif 000021
【図１１】
2019520473.tif 000022
【図１２】
2019520473.tif 000023
【図１３】
2019520473.tif 000024
【図１４】
2019520473.tif 000025
【図１５】
2019520473.tif 000026
【国際調査報告】
2019520473.tif 000027
2019520473.tif 000028