《大厚度鈦合金窄間隙激光填絲焊接推薦工藝規范》團體標準制定概述

周珍珍，武鵬博，劉孔豐，蘇金花，賈立超，鄒吉鵬，方乃文

哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028

0 前言

鈦合金具有比強度高、耐腐蝕和無磁性等特點，使其廣泛應用在核潛艇、深潛器和海洋平臺等海洋裝備領域所需要的關鍵構件中，被稱為“海洋金屬”[1-2]。隨著近年來海洋裝備對大厚度鈦合金結構的迫切需求，優質高效的鈦合金焊接工藝成為大厚度鈦合金結構制造的關鍵技術之一[3-4]。目前，大厚度鈦合金焊接常采用TIG焊、真空電子束焊和窄間隙激光填絲焊。TIG焊具有電弧穩定、焊接質量高等特點，但TIG焊的焊接坡口角度及根部間隙尺寸較大，存在焊接效率低、焊接變形與殘余應力大、焊接接頭組織晶粒粗化等問題[5-6]；真空電子束焊具有能量密度高、穿透能力強以及焊接效率高等優點，但該方法需要在真空條件下進行，設備昂貴、存在輻射和焊接結構件尺寸受限等問題[7-8]。窄間隙激光填絲焊在兼具焊接熱輸入小、熱影響區狹窄、能量可精準調控、焊接效率高等優點的同時，添加填充金屬還能改善焊接接頭組織性能，同時不受焊接構件規格尺寸的限制。因此，窄間隙激光填絲焊接技術應用于大厚度鈦合金結構焊接具有重要的推廣價值。

為更好地推廣大厚度鈦合金窄間隙激光填絲焊接技術，《大厚度鈦合金窄間隙激光填絲焊接推薦工藝規范》團體標準編寫組于2021年03月向中國焊接協會提出了立項申請并獲得批復，由哈爾濱焊接研究院有限公司牽頭制定的T/CWAN 0059—2021《大厚度鈦合金窄間隙激光填絲焊接推薦工藝規范》團體標準于2021年12月02日發布，2022年01月01日實施。為了便于大厚度鈦合金窄間隙激光填絲焊接技術使用單位能更好地理解應用該標準，本文對該標準制定的相關內容進行詳細介紹。

1 標準立項背景

近年來激光作為窄間隙焊接工藝的優質熱源，逐漸得到廣泛關注。但其在厚板材料的實際應用中仍然存在側壁未熔合、焊接氣孔、焊接變形及應力大和焊接接頭塑韌性差等不足。尤其是大厚度鈦合金焊接，在存在上述問題的同時由于鈦合金對雜質氣體非常敏感，當焊縫中溶解少量氫、氧、氮就會嚴重影響接頭性能，因此焊接過程中的氣體保護措施極為關鍵；并且隨著鈦合金厚度的增加，焊接過程中溶解雜質氣體的概率也隨之提高，產生氣孔、凝固裂紋等缺陷也會增加。因此制定《大厚度鈦合金窄間隙激光填絲焊接推薦工藝規范》團體標準對于促進大厚度鈦合金窄間隙激光填絲焊接技術的應用推廣十分重要。

1.1 大厚度鈦合金窄間隙激光填絲焊接技術特點

1.1.1 鈦合金氧化

鈦合金在高溫焊接條件下對氣體有很高的化學活性，容易與空氣中氧、氮、氫等發生反應，在高溫下鈦與氧、氮、氫等的親和力非常強，無氣體保護的鈦合金在300℃以上開始吸氫，在600℃以上開始吸氧，700℃以上開始吸氮，這些氫、氧、氮氣體被鈦合金吸收后會引起接頭脆化，從而使得焊接接頭硬度提高，塑性嚴重下降，影響焊接接頭的服役安全性能[9]。因此大厚度鈦合金窄間隙激光填絲焊接過程必須設計合理的保護裝置，使得保護氣能夠深入窄間隙坡口內，對焊縫高溫區進行保護，最終得到銀白色焊縫。

1.1.2 側壁熔合不良

鈦合金導熱性能差、熱膨脹系數高，在大厚度鈦合金窄間隙激光填絲焊接過程中的側壁熔合不良問題尤為嚴重。側壁未熔合主要是由于坡口角度及間隙過大、激光功率過低、焊接速度過快、激光光束指向偏斜、焊道層間清渣不徹底等因素所導致。可以通過采取小坡口角度及間隙、組合光斑和光束振蕩等方法提高光斑作用范圍，解決側壁未熔合缺陷。

1.1.3 焊縫氣孔

氣孔是大厚度鈦合金窄間隙激光填絲焊接過程中容易出現的缺陷之一，液態熔池金屬過快的冷卻速度及凝固速度是產生焊接氣孔的主要原因。可以通過增加光斑直徑和激光擺動的方法增加匙孔穩定性，降低氣孔率[10]。

1.1.4 焊接變形及應力

在大厚度鈦合金窄間隙激光填絲焊接過程中，坡口兩側母材如果熔化不均勻易造成焊接變形和應力集中；另外，厚板材料窄間隙多道次激光填絲焊的焊接接頭經歷多次焊接熱循環作用，焊接接頭組織在橫向和大厚度方向產生不均勻分布趨勢。可以通過預置反變形、控制層間溫度和焊后熱處理等方法降低焊接接頭的變形及應力。

1.2 標準制定原則

針對大厚度鈦合金窄間隙激光填絲焊接技術應用及推廣需求，該標準對大厚度鈦合金窄間隙激光填絲焊接技術的術語及定義、符號、一般要求、工藝要求和焊接檢驗等內容分別進行了規定，以保證標準的科學性、嚴謹性和全面性，為大厚度鈦合金窄間隙激光填絲焊接技術的快速發展提供依據支撐。標準在編寫格式、結構、內容等方面執行了GB/T 1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規則》。

2 標準概述

2.1 適用范圍

該標準規定了鈦合金材料窄間隙焊接工藝技術的一般要求、設計要求、質量要求、試件制備、焊接工藝、檢驗試驗方法等。同時指出該標準適用于板厚≥20 mm的鈦合金窄間隙激光填絲焊。

2.2 術語及定義

光絲間距（bare wire spacing）：激光光斑中心與焊件上表面交點為A，焊絲端頭與焊件上表面相交于點B，A與B兩點之間的距離DL為光絲間距，如圖1所示。

圖1 激光填絲焊接Fig.1 Laser filler wire welding intention

擺動激光焊接（oscillating laser welding）：激光束通過可編程聚焦鏡組實現以一定運動方式、運動速度、運動幅度的振蕩激光焊接技術。激光擺動方式如圖2所示。

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圖2 激光擺動方式示意Fig.2 Schematic diagram of laser oscillating mode

窄間隙焊（narrow-gap welding）：厚板對接接頭，焊前不加工坡口或只加工小角度坡口，并留有窄而深的間隙。一般通過單道多層或多道多層焊完成整條焊縫的高效率焊接方法。

激光能量密度（laser energy density）：焊接區域的激光輸入功率與激光束作用在此區域面積的比值。

激光入射角度（laser incidence angle）：激光束與焊件平面法線的夾角α為激光入射角度，見圖1。

激光填絲焊（laser welding with filler wire）：利用激光束作為熱源將送進的焊絲及母材熔化形成焊縫的焊接方法。

坡口寬度（groove width）：窄間隙坡口的上表面寬度，見圖3，坡口寬度b應大于該平面光斑的直徑D，即b＞D，擺動激光焊接時，b＞D+2a，其中a為激光束運動半徑。

圖3 窄間隙坡口寬度示意Fig.3 Schematic diagram of narrow gap groove width

2.3 符號

所用符號及相應含義說明如表1所示。

表1 符號及說明Table 1 Symbol and description

2.4 技術要求

2.4.1 一般要求

鈦合金板及焊絲應具有生產廠家提供的質量保證書，如有必要按照相關標準進行復驗。鈦合金板應符合GB/T 31910《潛水器用鈦合金板材》和GJB 2505A《航空用鈦及鈦合金板材和帶材規范》等標準相關規定。為了減少氣孔及裂紋等缺陷的產生，鈦合金板在焊前12 h以內進行砂紙打磨、酸洗以去除表面氧化膜和油污。鈦合金焊絲應符合GB/T 30562《鈦及鈦合金焊絲》相關規定，鈦合金焊絲存放在干燥、通風良好的庫房中，以保持空氣流通，防止受潮。

保護氣體應符合GB/T 39255《焊接與切割用保護氣》相關規定。焊接厚度較大的鈦合金板時，建議使用較大流量壓力表對熔池區域進行保護，建議使用純度為99.999%氬氣或氦氣進行保護，也可以使用兩種氣體的混合氣進行保護。

2.4.2 工藝要求

鈦合金試板待焊坡口內應平整、光潔、無毛刺、裂紋、氧化皮、油污及銹斑等，表面粗糙度Ra≤3.2 μm。鈦合金試板應根據厚度設計反變形如圖4所示，保證焊后焊接試板平整和根部不致開裂。當采用對接形式進行焊接，可采用單面焊接或雙面焊接，坡口寬度大于該平面激光束光斑的直徑，典型的坡口形式如圖5所示。焊接過程保護氣裝置如圖6所示，當鈦合金厚度在20～30 mm范圍內建議使用圖6a的保護裝置，當鈦合金厚度≥30 mm時建議使用圖6b的保護裝置。焊接工裝應使對接試件的裝配間隙及錯邊量在規定范圍，對接試件焊接裝配間隙和錯變量要求如表2所示。

圖4 大厚度鈦合金窄間隙激光填絲焊反變形裝置[11]Fig.4 Inverse deformation device for narrow gap laser welding of large thickness titanium alloy

圖5 常用坡口形式Fig.5 Common slope forms

圖6 氣體保護裝置[12-13]Fig.6 Gas protection set-up

表2 對接試件焊接裝配間隙和錯變量要求Table 2 Welding assembly gap and error requirements of butt specimens

定位焊宜采用激光焊或激光填絲焊，定位焊長度2～5 mm，間距控制在50～150 mm之間。根據鈍邊厚度可選擇雙面打底或單面打底，雙面坡口推薦采用雙面打底焊，單面坡口推薦采用單面打底焊。雙面打底焊時熔深需超過鈍邊厚度，單面打底焊時需單道焊透雙面成形。打底焊接時焊縫背面需要通入惰性氣體進行保護。打底焊接后觀察焊縫表面及熔深情況，如發現表面成形不良或熔深不足應進行焊縫修正或返修重新焊接。在每道次焊接之前應去除鈦合金窄間隙焊縫內待焊區域氧化物，確認清理干凈后方可進行下道次焊接操作。鈦合金窄間隙焊接過程應根據坡口間隙變化，適時調整工藝參數實現單道多層填充而完成整條焊縫的焊接。

激光入射方向宜與工件表面法向夾角呈5°～15°，以防止激光反射損壞激光頭。為抑制鈦合金金焊接過程產生氣孔，優化焊縫表面成形，保證良好的窄間隙側壁熔合及層間熔合情況，激光束宜采用較高的運動速度及較大的運動半徑。焊接過程可單獨采用拖罩、或拖罩與排管結合的方式對焊接熔池和高溫區域進行保護，特殊情況下可在惰性氣體保護艙或真空環境焊接。焊接過程中至少提前5 s送氣，焊后至少延時5 s停氣，以保證高溫區域始終獲得惰性氣體保護；若在惰性氣體保護艙內焊接時，保護艙內氧氣含量應不大于213 mg/m3；若在真空艙內焊接時，真空艙內環境壓力應低于5 Pa。儲存惰性氣體的氣瓶壓力小于0.4 MPa時應停止使用。鈦合金窄間隙焊接過程中為防止產生凝固裂紋缺陷，送絲速度不宜過快，推薦vs≤4.5 m/min。打底焊接推薦工藝參數參照表3進行選擇，填充焊激光填絲焊接推薦工藝參數參照表4進行選擇。填充焊宜采用激光擺動填絲焊，焊絲直徑選取1.0～1.6mm，送絲角度選取45°～65°，正面保護氣體側吹角度取45 °～85 °，光絲間距DL取0.5～1 mm。

表3 鈦合金打底層激光焊接推薦工藝參數Table 3 Recommended process parameters for laser welding of titanium alloy

表4 鈦合金填充層激光填絲焊接推薦工藝參數Table 4 Recommended process parameters for laser filler wire welding of titanium alloy filler layer

焊縫正面、背面余高過高或向母材急劇過渡時，可采用角磨機對余高進行修整至圓滑過渡。焊縫表面的氣孔、夾雜物、焊瘤、飛濺、裂紋可采用角磨機進行修整，并重新修飾焊接。

2.5 焊接檢驗

2.5.1 外觀及無損檢驗

可通過肉眼或放大鏡對焊縫外形尺寸及表面質量進行檢查。焊縫幾何尺寸應符合設計圖紙要求。焊接過程中應對每道焊縫及熱影響區域的表面顏色進行觀察，并按照表5規定進行相應處理。

表5 焊縫及熱影響區表面顏色規定Table 5 Surface color specification table of weld and heat affected zone

焊縫表面成形應均勻、致密、平滑向母材過渡，無裂紋、未熔合、咬邊及氣孔等缺陷。焊接試板變形度檢驗可通過對接試件焊后表面夾角進行測定，為保證測量精度，測定儀器推薦采用FARO三坐標形位公差測量儀（見圖7），焊縫尺寸和焊接接頭整體變形度應符合表6要求。

圖7 焊接接頭變形測試[14]Fig.7 Deformation test of welded joint

表6 焊縫外觀和焊接接頭整體變形度要求Table 6 Appearance of welds and overall deformation requirements of welded joints

焊接接頭推薦采用超聲波檢驗，應按照GB/T 35361《潛水器鈦合金對接焊縫超聲波檢測及質量分級》進行。

2.5.2 接頭性能及組織檢驗

為測試大厚度鈦合金焊接接頭沿厚度方向組織及性能均勻性，分別沿厚度方向分為上、中、下三層進行拉伸性能檢驗、沖擊性能檢驗、硬度檢驗和宏觀金相檢驗。焊接接頭拉伸試樣尺寸及拉伸試驗按照GB/T 2651《焊接接頭拉伸試驗方法》規定進行。焊接接頭拉伸試樣的焊縫余高應以機械方法去除，使之與母材齊平。焊接接頭拉伸試樣取樣數量按照表7規定進行，拉伸試樣應覆蓋焊縫全厚度如圖8所示。焊接接頭沖擊試驗按照GB/T 2650《焊接接頭沖擊試驗方法》規定執行。沖擊試驗試樣的取樣位置如圖9所示，沿厚度方向上、中、下三層，每一層取自焊縫中心、熱影響區、母材部位，共計9件沖擊試樣。試樣的縱軸與焊縫長度方向垂直，缺口面垂直于試件表面，缺口形式不限。

表7 焊接接頭拉伸試樣取樣數量Table 7 Sampling number of tensile specimens of welded joints

圖8 拉伸試樣取樣位置示意Fig.8 Sample location diagram of tensile specimen

圖9 沖擊試樣取樣位置示意Fig.9 Sampling position diagram of impact sample

焊接接頭硬度試驗按照GB/T 2654《焊接接頭硬度試驗方法》要求進行。硬度試樣制備完成后進行適當腐蝕，以便于確定焊接接頭不同區域的硬度測量位置。硬度試驗應覆蓋焊接接頭橫截面表層、中層、底層和縱向焊縫中心區硬度。橫向測量時每隔0.5～2 mm的距離測試一個點，縱向測量時每隔1～3 mm測試一個點，如圖10所示。

圖10 硬度測試位置[15-16]Fig.10 Hardness test position

焊接接頭宏觀金相檢驗按照GB/T 26955《金屬材料焊縫破壞性試驗焊縫宏觀和微觀檢驗》要求進行。焊接接頭宏觀金相試樣表面不得有裂紋、側壁未熔合、夾渣等焊接缺陷。

3 結論

該團體標準的發布實施基于當前厚板鈦合金對優質高效連接提出的技術需求及鈦合金快速發展的關鍵時期，較為系統全面地對厚壁鈦合金窄間隙激光填絲焊接技術的相關內容提出了規范和依據，對于促進激光填絲焊接技術在厚壁鈦合金領域的應用、保證鈦合金焊接接頭的服役性能、推廣鈦合金等輕量化有色金屬在焊接領域的服役極為重要。