现在，越来越多的大型部件完全由焊接金属制成。增材制造 (AM) 工艺可称为焊接金属增材、直接能量沉积 (DED) 或电弧熔化，具体取决于所用的沉积工艺。除了缩短生产周期、减少小批量零件的库存或实现传统制造方法无法实现的设计外，AM 工件还具有其他优势。
一个潜在的优势是可以选择重新设计连接接头，例如 TKY 设计（K 型接头，Y 型接头覆盖 T 型接头），这可以将所需的现场焊接接头更改为更有利的设计。在涉及 P91 材料的应用中，现场焊接和焊后热处理 (PWHT) 可能会影响其微观结构，而热影响区 (HAZ) 是众所周知的 IV 型故障。
无论采用 AM 解决方案的原因是什么钢结构焊接工艺评定报告，它们最终都需要安装到由传统方法制造的管道、套圈或其他结构材料组成的系统中。通常，增材组件通过焊接安装。ASME 锅炉和压力容器规范 (BPVC) 第 IX 节为一些最常见的碳、低合金和不锈钢焊接金属分配了 P 编号，以确定焊接金属的固有可焊性。林肯电气进行了一项研究来验证这种方法。该项目通过完成焊接程序来评估 GMAAM 与传统材料的焊接。
焊接工艺亮点
焊接工艺包括连接不同厚度的材料，厚度范围从 0.25 英寸（6 毫米）到 1.5 英寸（38 毫米）。焊接技术包括气体保护钨极电弧焊 (GTAW)、熔化极金属电弧焊 (SMAW)、气体保护金属电弧焊 (GMAW)、药芯电弧焊 (FCAW) 或上述技术的组合。
对于碳钢应用，Super Arc ® L-59 (ER70S-6) 3D 打印板与 SA - 516 60 级板连接。此外，3D 打印 Blue Max ® MIG 316L 不锈钢板与 SA - 240 316L 级板连接。所有板均经过目视测试 (VT) 和射线测试 (RT)，以及根据 ASME BPVC 第 IX 条和 ASME B31.3“工艺管道”进行弯曲、拉伸和冲击测试。硬度测试也根据 NACE MR0175“石油和天然气工业在石油和天然气生产过程中含 H2S 环境中进行（图 2）”进行。
表1列出了10种焊接方案所采用的母材、厚度及连接工艺。碳钢试件的详细结果将在后续章节中介绍。
GMAAM 板材采用林肯电气增材制造解决方案进行 3D 打印。焊接工作在林肯电气和位于德克萨斯州拉波特的 Republic Test Lab 完成。所有测试均在 Republic Test Lab 完成。然后从距焊接区域 3 英寸（76 毫米）处开始将焊缝加工至最终厚度。
图 1 左侧为 1.5 英寸碳钢试件在连接前用增材材料固定，右侧为 SA-516 Grade 60。对于每块 3D 打印板，还打印了一块额外的材料（见证样品）钢结构焊接工艺评定报告，以提供材料测试报告。根据碳钢的一般要求，1.5 英寸在打印后、连接后和测试前均需进行焊后热处理。
图 1. GTAW/SMAW 前固定的 1.5 英寸碳钢测试板
碳钢连接及试验结果
如表 1 所示，采用各种工艺连接样品，以代表潜在的现场焊接解决方案。对于低碳钢样品，使用 ER70S-6 填充金属、Lincoln ER70S-5 和 SuperArc L-59 进行 GTAW。碳钢 SMAW 采用 IronArcTM 7018-1 MR® 完成，气体保护药芯电弧焊 (FCAW-G) 采用 UltraCore® 712A80-H Plus 完成，所有这些都代表了该应用的典型填充金属选项。
0.25" 和 0.5" 试样在焊接状态下进行测试，而 1.5" 试样在 1150°F (621°C) 下进行 1.5 小时的焊后热处理。所有 VT、RT、弯曲试验、-50°F 试验条件下的冲击试验和拉伸试验均符合相关规范的要求。每个试样的拉伸试验结果、冲击结果和最大硬度如表 2 所示。1.5 英寸 GTAW/SMAW 碳钢和 1.5 英寸 Surface Tension Transfer® (STT®)/FCAW-G 不锈钢试板的代表性宏观照片如图 2 和图 3 所示。
0.250 和 0.500 英寸的试样在焊接状态下进行测试，而 1.5 英寸的试样在 1150°F (621°C) 下进行 1.5 小时的焊后热处理。所有 VT、RT、弯曲试验、-50°F 条件下的冲击试验和拉伸试验均符合适用规范。每个样品的拉伸试验结果、冲击结果和最大硬度如表 2 所示。1.5 英寸 GTAW/SMAW 碳钢试验板和 1.5 英寸 Surface Tension Transfer® (STT®)/FCAW-G 不锈钢试验板的代表性宏观照片如图 2 和图 3 所示。
图2 GTAW/SMAW焊接1.5英寸碳钢的宏观照片
图3 STT/FCAW-G焊接1.5英寸碳钢的宏观照片
对于具有焊接资质的人来说，测试结果完全不值得一提。例如，当连接异种金属时，通常用焊缝金属“堆积”板材。在其他情况下，例如延长管道或改善喷嘴开口和人孔的配合，堆积焊缝也很常见。本质上，任何类型的覆盖层或覆盖层的焊接都是焊缝金属的焊接，多年来一直被接受。
2023 年版 ASME BPVC 第 IX 节中增加了用于低碳钢、低合金和不锈钢焊接金属的 P 代码。预计在 2025 年版之前将添加用于其他焊接金属合金（镍合金、铝等）的 P 代码。这一变化对于那些连接由焊接金属制成的部件的人来说意义重大；通过分配 P 编号，焊工在焊接这些材料之前无需重新认证。它还允许将工艺资格与类似金属分组，包括通过线材 DED 工艺制造的金属、锻件、板材、管道和铸件。
综上所述
将 AM 焊接金属（如 GMAAM）制成的材料与 AM 焊接金属制成的材料连接起来，以及将 AM 焊接金属制成的材料与其他母材连接起来，非常实用。可以根据过去类似的锻造、锻造、铸造、焊接或挤压材料的资质来预测性能。
在使用 GMAAM 生产的类似合金焊接材料中，很难识别 HAZ。在低碳钢中，GMAAM 材料的额外加热甚至可能导致韧性增加。
GMA AM 材料与自身或其他形式的金属连接所产生的焊缝性能是完全可以预测的。这一因素可能会继续扩大 AM 在各种焊接重工业中的应用机会。
