大厚度钛合金窄间隙激光填丝焊接推荐工艺规范(T-CWAN 0059—2021).pdf

ICS 25.160.10CCS J 33团团体体标标准准T/CWAN 00592021大厚度钛合金窄间隙激光填丝焊接推荐工艺规范大厚度钛合金窄间隙激光填丝焊接推荐工艺规范Recommended process specification for narrow-gap laser welding with filler wire of large thicknesstitanium alloy2021-12-02 发布2022-01-01 实施中国焊接协会中国焊接协会发发布布T/CWAN 00592021目次前言.1范围.12规范性引用文件.13术语及定义.14符号.25一般要求.36工艺要求.67焊接检验.7附录 A（资料性）焊接工艺规程.10T/CWAN 00592021II前言本文件按照 GB/T 1.12020标准化工作导则 第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则的规定起草。本文件的附录 A 为资料性附录。本文件由中国焊接协会提出并归口。本文件起草单位：哈尔滨焊接研究院有限公司、中国船舶工业集团公司第十一研究所、诺力智能装备股份有限公司、中国船舶重工集团公司第七二五研究所、南昌航空大学、四川航天长征装备制造有限公司、重庆科技学院、中船黄埔文冲船舶有限公司、广州黄船海洋工程有限公司、郑州机械研究所有限公司、华北水利水电大学。本文件主要起草人：黄瑞生、徐锴、邹吉鹏、任闻杰、刘自刚、聂希、吴艳明、陈玉华、曹浩、武鹏博、尹立孟、徐楷昕、王善林、闫德俊、梁晓梅、邵丹丹、秦建、蒋宝、王星星、李武凯、滕彬、谢吉林、聂鑫、张体明、杨悦、韩鹏薄、方乃文。T/CWAN 005920211大厚度钛合金窄间隙激光填丝焊接推荐工艺规范1范围范围本文件规定了钛合金材料窄间隙焊接工艺技术的一般要求、设计要求、质量要求、试件制备、焊接工艺、检验试验方法等。本文件适用于板厚20 mm的钛合金窄间隙激光填丝焊。2规范性引用文件规范性引用文件下列文件中的有关条款通过引用而成为本标准的条款。凡注日期或版次的引用文件，其后的任何修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，但提倡使用本标准的各方探讨使用其最新版本的可能性。凡不注日期或版次的引用文件，其最新版本适用于本标准。GB/T 2650 焊接接头冲击试验方法GB/T 2651 焊接接头拉伸试验方法GB/T 2654 焊接接头硬度试验方法GB/T 9445 无损检测 人员资格鉴定与认证GB/T 26955 金属材料焊缝破坏性试验焊缝宏观和微观检验GB/T 29710 电子束及激光焊接工艺评定试验方法GB/T 30562 钛及钛合金焊丝GB/T 31910 潜水器用钛合金板材GB/T 35361 潜水器钛合金对接焊缝超声波检测及质量分级GB/T 37901 高温钛合金激光焊接技术要求GB/T 39255 焊接与切割用保护气体GJB 2505A 航空用钛及钛合金板材和带材规范T/CWAN 00022018 焊接车间烟尘卫生标准T/CWAN 00082018 焊接术语-焊接基础T/CWAN 00102018 焊接术语-焊接检验3术语及定义术语及定义3.1光丝间距光丝间距bare wire spacing激光光斑中心与焊件上表面交点为A，焊丝端头与焊件上表面相交于点B，A与B两点之间的距离DL为光丝间距，见图1。图图 1 激光填丝焊接光丝间距示意图激光填丝焊接光丝间距示意图3.2摆动激光焊接摆动激光焊接oscillating laser welding激光束通过可编程聚焦镜组实现以一定运动方式、运动速度、运动幅度的振荡激光焊接技术。T/CWAN 0059202123.3窄间隙焊窄间隙焊narrow-gap welding厚板对接接头，焊前不加工坡口或只加工小角度坡口，并留有窄而深的间隙。一般通过单道多层或多道多层焊完成整条焊缝的高效率焊接方法。3.4激光能量密度激光能量密度laser energy density焊接区域的激光输入功率与激光束作用在此区域面积的比值。3.5激光入射角度激光入射角度laser incidence angle激光束与焊件平面法线的夹角为激光入射角度，见图2。图图 2 激光入射角度示意图激光入射角度示意图3.6激光填丝焊激光填丝焊laser welding with filler wire利用激光束作为热源将送进的焊丝及母材熔化形成焊缝的焊接方法。3.7坡口宽度坡口宽度groove width窄间隙坡口的上表面宽度，见图3，坡口宽度b应大于该平面光斑的直径D，即bD，摆动激光焊接时，bD+2a，其中a为激光束运动半径。图图 3 窄间隙坡口宽度示意图窄间隙坡口宽度示意图4符号符号表1给出本文件所用到的符号及相应的含义说明。表表1 符号及说明符号及说明符号说明单位L试板长度mmt1试板钝边厚度mmT/CWAN 005920213t2母材厚度mmb坡口宽度mm坡口角度Cj激光束运动方式-a激光束运动半径mmVf激光束运动速度HzP激光功率kWVh焊接速度m/minDf离焦量mmQ保护气体流量L/minW焊缝宽度mmH焊缝余高mmDL光丝间距mmVs送丝速度m/min5一般要求一般要求5.1 人员人员5.1.1 焊接操作人员应经过系统的理论学习和培训，具备足够的焊接专业知识和技能，并取得相应的资格证书。5.1.2 焊接检验人员应经过相关检验知识理论学历和培训，并取得相应的资格证书。5.1.3 无损检测人员应取得GB/T 9445中规定的2级以上资格证书，或依据其他相关标准进行培训、考核，并取得相应的资格证书。5.1.4 现场操作人员应佩戴对应波长范围的安全护目镜，现场人员所在位置应注意避开激光束的反射。5.2 设备设备5.2.1 激光器、激光枪头、送丝设备、相关仪器仪表等应经过检定合格方可使用，并按照相关要求定期进行检修及检定。5.2.2 设备在安装、搬迁、大修或停止使用一年以上时，应进行检定并进行工艺参数确认，合格后方可使用。5.2.3 激光焊接设备连入的电源网路电压波动范围不应超过额定值的10%，否则应配备稳压器。5.2.4 激光器使用一段时间或者更换激光发生物质后，应检查激光功率输出情况，并进行工艺参数确认。5.2.5 设备应具有侧吹保护装置，以免激光焊接中产生的高压金属蒸气粒子污染激光枪头保护镜片。5.2.6 设备应安装惰性气体保护装置。推荐使用长方形拖罩气体保护装置，可以增加气体保护范围。5.3 材料材料5.3.1 钛合金板及焊丝应具有生产厂家提供的质量保证书，如有必要应按照相关标准进行复验。5.3.2 钛合金板应符合GB/T 31910和GJB 2505A等标准相关规定。5.3.2.1 为了减少气孔及裂纹等缺陷的产生，钛合金板应在焊接前12 h以内进行砂纸打磨、酸洗以去除表面氧化膜和油污。5.3.2.2 推荐使用体积配比为5%HF+30%HNO3+H2O溶液进行酸洗，酸洗10 min30 min后用清水冲洗并吹干。5.3.3 钛合金焊丝应符合GB/T 30562相关规定。5.3.3.1 钛合金焊丝应存放在干燥、通风良好的库房中，不允许露天存放或放在有有害气体和腐蚀性介质的室内，室内温度应控制在 10 15，相对湿度60%。室内应保持整洁。堆放时不宜直接放在地面上，宜放在离地面和墙壁300 mm 的架子或垫板上，以保持空气流通，防止受潮。5.3.3.2 钛合金焊丝应在开包后48 h内用完。开包后的焊丝要防止其表面被冷凝结露，或被锈、油脂及其他碳氢化合物所污染，保持焊丝表面干净、干燥。5.3.3.3 对于已开包72 h以上不用的钛合金焊丝，要从送丝装置中取出进行密封储存。5.3.4 保护气体应符合GB/T 39255相关规定。5.3.4.1 焊接厚度较大的钛合金板时，建议使用较大流量惰性保护气体确保熔池区域完全被保护。T/CWAN 0059202145.3.4.2 焊接较为重要的钛合金构件时，建议使用纯度为99.999%氩气或氦气进行保护，也可以使用两种气体的混合气，两种混合气体比例由供需双方协商确定。5.4 环境环境5.4.1 激光填丝焊接环境应保持洁净和通风良好，为防止激光器结露，工作环境的温度、湿度应控制在对应型号激光器结露点以上。5.4.2 操作区照度不小于300 lx，噪声不大于80 dB，焊接烟尘的最高允许浓度不大于4 mg/m3。5.5 坡口制备坡口制备采用对接接头进行焊接试验，可采用单面焊接或双面焊接，坡口宽度应大于该平面激光束光斑的直径，推荐采用的坡口形式见表2。表表2 推荐采用坡口形式推荐采用坡口形式单位 mm序号序号坡口形式坡口形式坡口种类坡口种类规格尺寸规格尺寸坡口角度坡口间隙钝边1V形坡口4 3b1002I形坡口0b303Y形坡口4 3b10t11.54双Y形坡口4 3b10t11.5T/CWAN 0059202155U形坡口4 3b1006双U形坡口4 3b10t11.57J形坡口4 3b1008双J形坡口4 3b10t11.59单边V形坡口4 3b10010双V形坡口4 3b100T/CWAN 00592021611K形坡口4 3b10012带钝边K形坡口4 3b10t11.56工艺要求工艺要求6.1 试板加工试板加工6.1.1 钛合金试板待焊坡口内应平整、光洁、无毛刺、裂纹、氧化皮、油污及锈斑等，表面粗糙度Ra3.2m。6.1.2 钛合金试板应根据厚度设计反变形，保证焊后焊接试板平整和根部不致开裂。6.2 试板工装试板工装6.2.1 钛合金焊接工装在焊接过程中不允许与激光头、激光束、保护气拖罩、送丝装置等可移动部件发生干涉。6.2.2 焊接工装应使对接试件的装配间隙及错边量在规定范围内，表3给出了对接试件焊接装配间隙要求，表4给出了对接试件焊接装配错边量要求。表表3 对接试件焊接装配间隙要求对接试件焊接装配间隙要求单位 mm母材厚度20t25050t2100t2100允许的局部间隙0.050.10.3表表4 对接试件焊接装配错边量要求对接试件焊接装配错边量要求单位 mm母材厚度20t25050t2100t2100允许的错边量0.10.20.56.3 焊接焊接6.3.1 定位焊宜采用激光焊或激光填丝焊。定位焊长度在 2 mm5 mm 之间，间距控制在 50 mm150 mm之间。6.3.2 根据钝边厚度可选择双面打底或单面打底，双面坡口推荐采用双面打底焊，单面坡口推荐采用单面打底焊。双面打底焊时熔深需超过钝边厚度，单面打底焊时需单道焊透双面成形。打底焊接时焊缝背面需要通入惰性气体进行保护。6.3.3 打底焊接后观察焊缝表面及熔深情况，如发现表面成形不良或熔深不足应进行焊缝修正或返修重新焊接。6.3.4 在每道次焊接之前应去除钛合金窄间隙焊缝内待焊区域氧化物，确认清理干净后方可进行下道次焊接操作。T/CWAN 0059202176.3.5 钛合金窄间隙焊接过程应根据坡口间隙变化，适时调整工艺参数以实现单道多层填充而完成整条焊缝的焊接。6.3.6 激光入射方向宜与工件表面法向夹角呈515，以防止激光反射损坏激光头。6.3.7 为抑制钛合金金焊接过程产生气孔，优化焊缝表面成形，保证良好的窄间隙侧壁熔合及层间熔合情况，激光束宜采用较高的运动速度及运动半径。6.3.8 焊接过程可采用拖罩、拖罩与喷嘴结合的方式对焊接熔池和高温区域进行保护，特殊情况下可在惰性气体保护舱或真空舱内焊接。6.3.9 焊接过程中应至少提前5 s送气，焊后应至少延时5 s停气，若在惰性气体保护舱内焊接时，保护舱内氧气含量应不大于213 mg/m3。若在真空舱内焊接时，真空舱内环境压力应低于5 Pa。6.3.10 储存惰性气体的气瓶压力小于0.4 MPa时应停止使用。6.3.11 钛合金窄间隙内焊接为防止凝固裂纹，送丝速度不宜过快，推荐Vs4.5 m/min。6.3.12 打底焊接推荐工艺参数参照表5进行选择，填充焊激光填丝焊接推荐工艺参数参照表6进行选择。6.3.13 填充焊宜采用激光摆动填丝焊，焊丝直径宜选取 1.0 mm 或 1.2 mm，送丝角度选取 45 65，正面保护气体侧吹角度取 45 85，光丝间距 DL取 0.5 mm1 mm。表表5 钛合金打底层激光焊接推荐工艺参数钛合金打底层激光焊接推荐工艺参数钝边厚度（t1）mm激光功率kW焊接速度 m/min离焦量mm保护气体流量L/min1.531.52.50.60.80101525352.540.81.00101525540.81.00101525表表6 钛合金填充层激光填丝焊接推荐工艺参数钛合金填充层激光填丝焊接推荐工艺参数母材厚度mm激光功率kW焊接速度m/min离焦量mm送丝速度m/min保护气体流量L/min光束运动半径mm光束运动速度Hz20-303.54.50.31.0052.5315250.3 1.050 25030-503.54.50.31.00833.515250.3 1.250 250503.54.50.30.80103.54.515250.3 1.550 2506.4 焊后处理焊后处理6.4.1 焊缝正面、背面余高过高或向母材急剧过渡时，可采用角磨机对余高进行修整至圆滑过渡。6.4.2 焊缝表面的气孔、夹杂物、焊瘤、飞溅、裂纹可采用角磨机进行修整，并重新修饰焊接。7焊接检验焊接检验焊接接头的检验项目见表7，取样位置示意见图4。若有特殊的使用条件所需的试验由供需双方协商确定补充检验项目。表表7 试件的检验与试验试件的检验与试验试件状态试件状态试验种类试验种类试验比例或数量试验比例或数量焊后检验外观检验100%射线检验100%拉伸试验3硬度检验1焊接变形100%冲击检验1宏观金相检验2T/CWAN 005920218图图 4 对接接头试板尺寸及截取位置对接接头试板尺寸及截取位置7.1 外观检验外观检验7.1.1 可通过肉眼或放大镜对焊缝外形尺寸及表面质量进行检查。7.1.2 焊缝几何尺寸应符合设计图纸要求。7.1.3 焊接过程中应对每道焊缝及热影响区域的表面颜色进行观察，并按照表8的规定进行相应处理。表表8 焊缝及热影响区表面颜色规定表焊缝及热影响区表面颜色规定表焊缝与热影响区表面颜色保护状况是否合格处理方式银白色良好合格不用处理金黄色较好合格不用处理蓝色或紫色较差不合格去除氧化层灰色或米色很差不合格返修去除7.1.4 焊缝表面成形应均匀、致密、平滑向母材过渡，不应有裂纹、未熔合、咬边及气孔等缺陷。焊缝尺寸应符合表9要求。表表9 焊缝外观要求焊缝外观要求单位 mm母材厚度20t25050t2100t2100焊缝宽度W18W110W113焊缝余高W24W24.5W257.2 焊接变形检验焊接变形检验焊接试板变形度检验可通过对接试件焊后表面夹角进行测定，为保证测量精度，测定仪器推荐采用faro三坐标形位公差测量仪。焊接接头整体变形度应符合表10规定。表表10 焊接接头整体变形度焊接接头整体变形度母材厚度/mm20t25050t2100t2100变形度/1.01.52.07.3 无损检验无损检验焊接接头推荐采用超声波检验，应按照GB/T 35361进行。7.4 拉伸性能检验拉伸性能检验7.4.1 焊接接头拉伸试样尺寸及拉伸试验按照GB/T 2651规定进行。7.4.2 焊接接头拉伸试样的焊缝余高应以机械方法去除，使之与母材齐平。T/CWAN 0059202197.4.3 焊接接头拉伸试样取样数量按照表11规定进行，拉伸试样应覆盖焊缝全厚度。表表11 焊接接头拉伸试样取样数量焊接接头拉伸试样取样数量母材厚度/mm20t25050t2100100t2拉伸试样数量/个25510107.5 冲击性能检验冲击性能检验7.5.1 焊接接头冲击试验按照GB/T 2650规定执行。冲击试验试样的取样位置见图5，沿厚度方向上、中、下3层，每一层取自焊缝中心、热影响区、母材部位，共计9件冲击试样。7.5.2 试样的纵轴与焊缝长度方向垂直，缺口面垂直于试件表面，缺口形式不限。图图 5 冲击试样取样位置示意图冲击试样取样位置示意图7.6 硬度检验硬度检验7.6.1 焊接接头硬度试验按照GB/T 2654要求进行。7.6.2 硬度试样制备完成后进行适当腐蚀，以便于确定焊接接头不同区域的硬度测量位置。7.6.3 硬度试验应覆盖焊接接头横截面表层、中层、底层和纵向焊缝中心区硬度。横向测量时每隔0.5mm2 mm的距离测试一个点，纵向测量时每隔1 mm3 mm测试一个点，见图6。图图 6 硬度测试位置硬度测试位置7.7 宏观金相检验宏观金相检验7.7.1 焊接接头宏观金相检验按照GB/T 26955要求进行。7.7.2 焊接接头宏观金相试样表面不得有裂纹、侧壁未熔合、夹渣等焊接缺陷。T/CWAN 0059202110附录A（资料性附录）焊接工艺规程焊接工艺规程(WPS)设备标识：设备标识：激光器型号：激光器序列号：光束传输芯径：光束聚焦系统：保护气体系统：填充材料供给系统：母材型号：母材尺寸（mm）:坡口制备及清理方法：填充材料类型：接头类型：焊接位置：焊接接头详述（示意图）：接头形式接头形式焊接顺序焊接顺序焊接工艺参数：焊接工艺参数：焊道激光功率（kW）离焦量（mm）光束运动方式光束运动半径（mm）光束运动速度（Hz）激光枪倾角（）送丝速度（m/min）焊接速度（m/min）拖罩气体流量（L/min）打底1打底2填充1填充2预热温度：预热温度：道间温度：道间温度：修饰焊道：修饰焊道：焊后热处理：焊后热处理：制造商（名称、签字及日期）：