大厚度铝合金窄间隙激光填丝焊接推荐工艺规范(T-CWAN 0060—2022).pdf

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1、 1 ICS 25.160.10 CCS J 33 团体标准团体标准 T/CWAN 00602022 大厚度铝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 thickness aluminum alloy 2022-05-24 发布 2022-07-01 实施 中国焊接协会中国焊接协会 发发 布布 T/CWAN 00602022 1 目 次 前 言.2 1 范围.2 2 规范性引用文件.2 3 下列术语和定义适用于本文件.2 4

2、 符号.4 5 一般要求.4 6 工艺要求.7 7 检验方法.9 T/CWAN 00602022 2 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。本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。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、上海航天设备制造总厂有限公司、山推工程机械股份有限公司、哈尔滨工业大学、四川航天长征装备制造有限公司、山东省平度市技师学院。本文件主要起草人：黄瑞生、封小松、王彩凤、邹吉鹏、夏佩云、李俐群、陈健、徐锴、武鹏博、孙谦、韩鹏薄、曹浩、刘阳、蒋宝、聂

3、鑫、徐楷昕、许辉、方迪生、刘孔丰、宫建锋、赵德民、周坤、滕彬、梁晓梅、李小宇、孙徕博、陈晓宇、方乃文。T/CWAN 00602022 2 大厚度铝合金窄间隙激光填丝焊接推荐工艺规范 1 范围范围 本文件规定了铝合金材料窄间隙激光填丝焊接工艺技术的一般要求、工艺要求、质量检验方法等。本文件适用于板厚20 mm的铝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 下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB 9448 焊接与切割安全 GB/T 985

4、.3 铝及铝合金气体保护焊的推荐坡口 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 3323.1 焊缝无损检测 射线检测 GB/T 4842 氩 GB/T 9445 无损检测 人员资格鉴定与认证 GB/T 10858 铝及铝合金焊丝 GB/T 22087 铝及铝合金的弧焊接头 缺欠质量分级指南 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 GJB 2053A2015 航空航天用铝合金结构板规范 GJB 390A2008 航天用铝合

5、金板材规范 T/CWAN 00 0013 铝及铝合金焊丝质量评价规范 3 下列术语和定义适下列术语和定义适用于本文件用于本文件 3.1 光丝间距光丝间距 distance between laser and welding wire 激光束光斑在焊件上表面的中心点A，焊丝轴线与焊件上表面交点B，两点间的间距DL为光丝间距，见图1。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、运动频率、运动幅度的摆动激光焊接技术。T/CWAN 00602022 3 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

6、3.3 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

7、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 坡口组配间隙坡口组配间隙 combination gap of groove 坡口组配间隙是指窄间隙坡口的上表面宽度，见图3，坡口组配间隙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。T/CWAN 00602022 4 图图 3 窄间隙坡口组配间隙示意图窄间隙坡口组配间隙示意图 3.8 离焦量离焦量 defocus distance 激光束束腰中心距焊件上表面的距离。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 符号及符号及说明说明 符号 说明 单位 L 试板长度 mm mm

8、 mm mm t1 试板钝边厚度 t2 母材厚度 b 坡口组配间隙 坡口角度 Cj 激光束运动方式-a 激光束运动半径 mm Vf 激光束运动频率 Hz P 激光功率 kW Vh 焊接速度 m/min Df 离焦量 mm Q 保护气体流量 L/min W 焊缝宽度 mm H 焊缝余高 mm DL 光丝间距 mm Vs 送丝速度 m/min 5 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，熟悉激光填丝焊接设备的操作规范。5.1.2 焊接检验人员应经过相关检验知识理论学习和培训，并取得相应的资格证书。5.1.3 无损检测人员

9、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。T/CWAN 00602022 5 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1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

10、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 铝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 铝合金板应满足设计图样及相关技术文件等的规定，另外，板材的成分、表面质量、规格、力学性能等应符合GJB 2053A和GJB 390A中的有关规定或技术条件的要求。5.3.2.1 为了降低焊接缺陷提高焊缝质量，铝合金板应在焊接前4 h以

11、内去除坡口表面氧化膜和油污。5.3.2.2 当铝合金板尺寸较小时推荐坡口表面处理方法为化学清洗，首先经酒精清洗铝合金坡口去除油污后用10%NaOH溶液清洗约10 min去除氧化膜，然后用30%HNO3溶液亮化处理约1 min，最后清水冲洗、烘干；当铝合金板尺寸较大时推荐表面处理方法为激光清洗。5.3.3 铝及铝合金焊丝应符合GB/T 10858及T/CWAN 0013中相关规定。5.3.3.1 铝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

12、 mm的架子或垫板上，以保持空气流通，防止受潮。5.3.3.2 铝合金焊丝应在开包后48 h内使用，未用完的焊丝应采用真空密封保存，并做好标记。5.3.4 保护气体氩气应符合GB/T 4842的要求，纯度不小于99.99%，露点在-50以下。5.4 环境环境 5.4.1 焊接环境干净整洁，应设立独立的焊接工作室内空调房，并具备排气装置，空调房安装警示装置，激光焊接作业时启用，焊接作业时禁止人员在内，防止激光伤人。5.4.2 为防止激光器结露，工作空调房的温度、湿度应控制在对应型号激光器结露点以上并保持恒定。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，坡口组配间

13、隙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 推荐推荐采用坡口形式采用坡口形式 单位为毫米 序号 坡口示意图 坡口种类 规格尺寸 T/CWAN 00602022 6 坡口角度 坡口组配间隙 钝边 1 I形坡口 0 0.5b3 2 V形坡口 4 3b10 0 3 Y形坡口 4 3b10 t11.5 4 双Y形 坡口 4 3b10 t11.5 5 U形坡口 4 3b10 t11.5 6 双U形坡口 4 3b10 t11.5 T/CWAN 00602022 7 7 双V形坡口 4 3b10 0 6 工艺要求工艺要求 6.1 试板加工试板加工 6.1.1 铝合金试板对接面及坡口两侧

14、10 mm范围内应平整、光洁，无毛刺、裂纹、氧化皮、油污等；坡口表面粗糙度Ra应10 m。6.1.2 铝合金厚板在焊接前需对材料的轧制方向进行区分，焊接方向尽量与轧制方向一致。6.1.3 铝合金厚板在焊接前需对材料沿厚度方向的力学性能分布均匀均性进行检测，以避免厚板焊接接头存在较大的区域性力学性能差异。6.1.4 铝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 试板装配及焊接条件试板装配及焊接条件 6.2.1 铝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 焊接工装建议采用紧固螺栓方式与待焊工件贴实并保持稳定，

15、工件不能在焊接过程中发生偏位。6.2.3 出光之前，应确保激光头气刀及焊接保护气体处于打开状态。6.2.4 保护气拖罩应对准熔池中心并距离焊件表面一定高度，防止拖罩强气流影响焊缝成形。6.2.5 激光入射方向宜与工件法向呈10 15 夹角，以防止激光反射损坏激光头。6.2.6 建议采用前送丝的焊丝填充方式，送丝装置不应在焊接过程中发生晃动。6.2.7 焊接工装应使对接试件的焊接坡口组配间隙偏差及错边量在规定范围内，表3给出了对接试件焊接坡口组配间隙偏差要求，表4给出了对接试件焊接装配错边量要求。表表3 对接试件焊接坡口对接试件焊接坡口组配间隙偏差组配间隙偏差要求要求 单位为毫米 母材厚度 20

16、t250 50t2100 t2100 允许的组配间隙偏差 0.5 1 1.5 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 单位为毫米 母材厚度 20t250 50t2100 t2100 允许的错边量 0.1 0.2 0.5 T/CWAN 00602022 8 6.3 焊接焊接 6.3.1 定位焊宜采用激光焊或激光填丝焊。一般定位焊长度为 2 mm5 mm，间距一般控制为 50 mm150 mm。6.3.2 根据钝边厚度可选择双面打底或单面打底焊，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，双面打底焊熔深需超过钝边厚度，单面打底焊接时，需单道焊透，双面

17、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 间隙内部每次焊接之前去除待焊区域氧化物，然后采用无尘布蘸取酒精对待焊区表面进行擦拭，确认无杂质异物后方可进行下一道次焊接操作。6.3.5 每道焊接之后观察焊缝熔合及表面成形情况，如发现熔合不良或成形不良应进行焊缝修正或返修重新焊接。6.3.6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，避免坡口过小影响激光可达性。6.3.7 为抑制铝合金焊接气孔，优化焊缝表面成形，保证良好的窄间隙侧壁熔合及层

18、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通入保护气体，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10 Pa。6.3.10 为防止凝固裂纹，其焊接速度不宜过慢，推荐Vh0.6 m/min。6.3.11 在产品结构允许设置引焊、收弧板的情况下，可将焊接起点、终止点分别设置于引焊、收弧板之上，引焊收弧板应采用与母材相同材料。6.3.

19、12 在产品结构不允许设置引焊收弧板的情况下，可采用起始点低速焊接、终止点功率与速度匹配缓降功率的方法来避免焊接起始点填丝量不足、终止点产生弧坑。6.3.13 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。6.3.14 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 mm2 mm。表表5 铝合金打底层激光焊接推荐工艺参数铝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/min

20、 1.53 1.52.5 0.60.8 010 1525 35 2.54.0 0.81.0 010 1525 5 4.0 0.81.0 010 1525 T/CWAN 00602022 9 表表6 铝合金填充层激光填铝合金填充层激光填丝焊接推荐工艺参数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 频率 Hz 2030 4.56.5 0.61.0 05 7.59.0 1525 0.6 1.0 50 250 3050 4.56.5 0.61.0 08 7.59.0 1525 0.6 1

21、.2 50 250 50 4.56.5 0.60.8 010 8.09.5 1525 0.6 1.5 50 250 6.4 焊后处理焊后处理 6.4.1 焊缝正面、背面余高超过上限或向母材急剧过渡时，可采用磨削等方式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、裂纹可采用磨削等方式进行修整。6.4.3 可采用修饰焊对焊件表面气孔、咬边缺陷进行修整。6.4.4 返修焊应编制工艺文件，返修焊工艺文件应包括返修位置、返修焊接方法、焊接工艺参数、质量要求等内容。6.4.5 对于内部气孔、夹杂、裂纹缺陷、层间未熔合（缺陷深度不大于10 mm），应首先对缺陷进行排挖，确认缺陷排

22、挖彻底后，再采用激光填丝焊接方法进行返修。6.4.6 对于根部收缩缩沟、未焊满（含凹坑）缺陷，可采用激光填丝焊接方法进行填充返修，返修前需清理焊缝表面多余物及氧化膜。7 检验检验方法方法 焊接接头的检验项目见表7，取样位置示意见图4，图4中舍去的接头长度应大于5mm。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 试验种类 试验比例或数量 焊后检验 外观检验 100%射线检验 100%拉伸性能试验 3 硬度检验 1 焊接变形检验 100%冲击性能检验 1 宏观金相检验 2 T/CWAN 00602022 10 图图 4 对接接头试

23、样尺寸及截取位置对接接头试样尺寸及截取位置 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 8 要求。表表8 焊缝外观要求焊缝外观要求 母材厚度/mm 20t250 50t2100 t2100 焊缝宽度/mm W8 W10 W13 焊缝余高/mm H4 H4.5 H5 7.2 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

24、标形位公差测量仪。焊接接头整体变形度应符合表 9 规定。表表9 焊接接头整体变形度焊接接头整体变形度 母材厚度/mm 20t250 50t2100 t2100 变形度/0.5 1.0 1.5 7.3 无损检验无损检验 焊接接头推荐采用射线检验，应按照 GB/T 3323.1 执行，焊缝内部允许存在的缺欠尺寸和数量应符合相关工艺规程文件的规定，文件没有规定的，应符合表 10 的要求。表表10 焊缝内部允许存在的缺欠焊缝内部允许存在的缺欠 焊缝等级 缺欠种类 缺欠尺寸/mm 最小距离/mm 缺欠个数/个 内部气孔、夹杂或裂纹 0 0 0 0.01t2，且不大于1mm 最大缺陷2倍 4 0.03t2

25、，且不大于3mm 最大缺陷5倍 8 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，取样位置参照图 5。T/CWAN 00602022 11 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。7.4.3 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/mm 20t250 50t2100 100t2 拉伸试样数量/个 25 510 10 图图 5 拉伸试样取样位置示意图拉伸试样取样位置示意图 7.5 冲击性能检验冲击

26、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 6，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 6 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

27、 0.5 mm2 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 7 所示。T/CWAN 00602022 12 图图 7 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 00602022 13 附录附录A（资料性）焊接工艺规程(WPS)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（草图）：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 光束运动频率 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：道间温度：修饰焊道：焊后热处理：制造商（名称、签字及日期）：