ISO 15614-52024 金属材料焊接工艺规范和评定焊接工艺试验第5部分钛、锆及其合金的电弧焊标准立项发展报告

金属材料焊接工艺规范和评定焊接工艺试验第5部分：钛、锆及其合金的电弧焊标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:SpecificationandQualificationofWeldingProceduresforMetallicMaterials—WeldingProcedureTest—Part5:ArcWeldingofTitanium,ZirconiumandTheirAlloys摘要关键词：焊接工艺评定；钛合金；锆合金；电弧焊；ISO15614-5；国际标准；工艺规范Keywords:Weldingprocedurequalification;Titaniumalloys;Zirconiumalloys;Arcwelding;ISO15614-5;Internationalstandard;Procedurespecification一、引言1.1研究背景钛、锆及其合金作为重要的战略性有色金属材料，凭借其独特的物理化学性能，在航空航天发动机部件、船舶海水管路系统、核反应堆燃料包壳、化工换热设备等高端制造领域发挥着不可替代的作用。据国际titanium协会统计，2023年全球钛材加工量已突破20万吨，应用领域持续拓展。然而，钛和锆均为高活性金属，在高温状态下极易与空气中的氧、氮、氢发生剧烈反应，导致焊缝脆化、气孔和裂纹等严重缺陷。因此，其焊接工艺的制定与评定远比钢铁材料复杂，必须采取严格的惰性气体保护和温度控制措施。焊接工艺评定是保证焊接产品质量的关键前置环节，其核心目的在于通过标准化的试验方法验证拟定的焊接工艺规程（WPS）能否生产出满足设计要求的焊接接头。国际标准化组织ISO/TC44（焊接及相关工艺技术委员会）长期以来致力于建立统一的焊接工艺评定标准体系，ISO15614系列标准即为该体系的基石。1.2标准体系概述ISO15614标准系列涵盖金属材料焊接工艺评定的通用要求及各类材料、各种焊接方法的专用要求。其中：-ISO15614-1：钢及镍合金的电弧焊和气焊；-ISO15614-2：铝及铝合金的电弧焊；-ISO15614-3：铸钢的非合金化电弧焊；-ISO15614-4：铸铝的修补焊；-ISO15614-5：钛、锆及其合金的电弧焊（即本报告所涉标准）；-ISO15614-6：铜及铜合金的电弧焊；-ISO15614-7：堆焊；-ISO15614-8：管与管板的焊接；-ISO15614-9：水下湿法焊接；-ISO15614-10：潜水干焊；-ISO15614-11：电子束焊与激光焊；-ISO15614-12：点焊、缝焊与凸焊；-ISO15614-13：电阻焊及闪光焊。本次发布的ISO15614-5:2024为原2004年版标准时隔二十年后的首次全面修订，由ISO/TC44下属SC10（焊接质量管理和焊接工艺评定分技术委员会）负责起草，历经多轮国际研讨和投票，最终于2024年2月经ISO中央秘书处批准发布。二、ISO15614-5标准修订背景与过程2.1原版标准的适用局限ISO15614-5:2004自发布以来，在指导钛、锆及其合金焊接工艺评定方面发挥了重要作用。然而，随着近二十年来焊接技术的飞速发展，原版标准逐渐暴露出若干不足：首先，在焊接方法方面，原版标准主要针对钨极氩弧焊（TIG）和熔化极气体保护焊（MIG/MAG），而近十年来等离子弧焊（PAW）、激光-电弧复合焊等高效焊接方法在钛、锆材料焊接中逐步推广应用，原标准未涵盖上述方法，已无法满足实际工艺需求。其次，在保护气体要求方面，原版对气体纯度的规定不够明确，对焊缝背面的保护措施描述较为笼统，难以应对大厚度工件和复杂结构焊接中的保护挑战。再次，在工艺评定参数范围的可扩展性方面，原标准中的焊接热输入、预热温度、层间温度等的允许变化范围设定过窄，在生产实践中导致大量不必要的重复评定试验，增加了企业成本并延长了产品制造周期。2.2修订过程ISO15614-5的修订工作于2018年正式启动，在ISO/TC44/SC10/WG1工作组框架下组织开展了系统性修订研究。修订工作汇聚了来自德国、法国、日本、中国、美国等主要工业国家的焊接专家，经过ISO1735-1:2016《焊接工艺评定试验方法总则》等基础标准的协调配合，工作组在如下几个方向进行了深入研究：1.扩展适用的焊接方法范围，纳入等离子弧焊等现代高效焊接方法；2.细化保护气体的技术要求，补充气体纯度等级和流量控制方法；3.优化评定参数的可变范围，降低不合理限制；4.更新试验项目和验收准则，与ISO5817:2014《焊接缺陷质量分级》等新版本基础标准保持协调。经过工作组7次会议研讨、两次委员会草案（CD）投票和一次国际标准草案（DIS）投票，最终版本于2023年下半年通过最终国际标准草案（FDIS）投票，2024年2月由ISO正式发布。三、标准主要内容与技术要点3.1适用范围ISO15614-5:2024规定了钛、锆及其合金板材、管材及铸件电弧焊焊接工艺的评定方法，涵盖了以下焊接方法：-钨极惰性气体保护焊（TIG，工艺代号141）；-熔化极惰性气体保护焊（MIG，工艺代号131）；-等离子弧焊（PAW，工艺代号15，新增）；-等离子弧焊+钨极氩弧焊的组合焊（新增）。适用材料厚度范围方面，板材覆盖0.5mm至40mm，管材直径覆盖广泛。标准适用于对接焊缝和角焊缝的工艺评定，涵盖全焊透和部分焊透接头形式。3.2保护气体要求（关键更新）钛、锆及其合金焊接成败的首要因素是气体保护效果。ISO15614-5:2024对此提出了系统而严格的要求：气体纯度要求：氩气纯度要求不低于99.99%（原版为99.95%），并明确氦气（纯度≥99.99%）可作为部分或全部替代保护气体。标准特别强调了气体中氧含量（不超过50ppm）、水分含量（露点不高于-40℃）的定量控制要求。保护系统要求：标准规定焊缝正面的保护应采用拖罩（尾罩），背面保护应采用充氩装置。对于厚度超过5mm的工件，要求采用分层焊接并设置层间冷却保护措施。焊接过程中，保护气流的延续时间应在停弧后持续不少于10秒，确保高温焊缝金属在冷却过程中持续受到惰性气体保护，防止大气污染。保护效果判定：标准要求评定试板焊缝表面及近焊缝区应呈现银白色或金黄色，出现蓝色或灰色氧化色即视为保护效果不合格。这一直观有效的判定方法为现场质量控制和工艺评定的合格判定提供了清晰依据。3.3预热与层间温度控制钛、锆及其合金的热导率较低，热导率（钛约为16.3W/m·K，锆约为22.6W/m·K）远低于钢（约45W/m·K）和铝（约237W/m·K），焊接热输入容易在焊缝区域聚集，导致过热和晶粒粗化。标准对预热和层间温度的控制提出了明确要求：-氩弧焊厚度≤10mm的钛材及厚度≤8mm的锆材，一般不要求预热；-当母材温度低于5℃时，应进行适当预热至20℃以上方可施焊；-层间温度应控制在150℃以下，防止焊缝及热影响区金属长时间处于高温状态；-对于锆及其合金，由于其对氧的固溶敏感性更强，标准要求层间温度应控制在120℃以下。3.4焊接工艺评定参数范围（重要更新）ISO15614-5:2024在评定参数的可变范围方面做出了重要的技术调整，这被视为本次修订最具实用价值的更新之一：热输入变化范围：由原版的±15%放宽至±25%。这一调整充分考虑了现代数字化焊接电源对热输入控制的精度提升，同时兼顾了生产现场必要时微调工艺参数的需求，有效降低了评定试验数量和企业的工艺成本。预热温度范围：评定合格的工艺规程中，最低预热温度可降低50℃以内而无需重新评定，原有规定未明确此扩展幅度。层间温度变化：评定通过后，层间温度上限可在不超过50℃的范围内提升而无需重新评定。厚度覆盖范围：标准明确了单次评定可覆盖的厚度范围（如评定厚度为5mm的试板，可覆盖的母材厚度范围为2.5mm至10mm），该比例较原版本有所扩展，更好地兼顾了经济性和技术可靠性。3.5试验项目与合格准则ISO15614-5:2024规定的评定试验项目包括：1.外观检验：100%目视检查焊缝表面成型质量、氧化色确认保护效果；3.弯曲试验：依据ISO5173进行，包括正弯、背弯和侧弯试件，弯芯直径和弯曲角度按ENISO15614-5附录规定执行；4.拉伸试验：依据ISO6892-1进行，抗拉强度不应低于母材规定值下限；5.宏观金相检验：在对接接头评定中依据ISO17639进行，检验焊缝金属致密性、熔合情况和热影响区组织；6.硬度试验：当产品技术条件或工程规范要求时，依据ISO6507-1（维氏硬度法）或ISO9015-1进行。值得关注的是，该版本对冲击试验采取了更为灵活的立场。虽然钛、锆及其合金多以体心立方或密排六方晶体结构存在，在低温下的冲击韧性表现与钢材有本质不同，但当服役温度较低或设计文件有要求时，仍应依据相关标准执行冲击试验以验证接头的抗脆断能力。3.6与其他标准的协调ISO15614-5:2024在修订过程中注重与标准体系内相关文件的协调一致性：-与ISO15614-1:2017《金属材料焊接工艺规范和评定焊接工艺试验第1部分：钢及镍合金的电弧焊和气焊》在格式和结构上保持高度统一；-引用ISO15609-1:2019《金属材料焊接工艺规程第1部分：电弧焊》作为焊接工艺规程（WPS）的编制依据；-与ISO9712:2021《无损检测人员资格鉴定与认证》衔接无损检测人员资质要求；-与ISO5817:2014《焊缝-钢、镍、钛及其合金熔化焊接头质量分级》在质量验收等级方面保持一致。四、标准的主要技术变化对比|项目|ISO15614-5:2004（旧版）|ISO15614-5:2024（新版）||------|---------------------------|---------------------------||焊接方法|TIG、MIG|TIG、MIG、PAW及组合焊||保护气体纯度|氩气≥99.95%|氩气≥99.99%，明确氧含量、露点要求||热输入变化范围|±15%|±25%||层间温度控制|笼统要求|明确钛≤150℃、锆≤120℃||背面保护要求|原则性要求|具体化充氩装置和流量要求||停弧后保护气体延续时间|未明确规定|明确≥10秒||保护效果判定|未细化|明确按氧化色分级判定||厚度覆盖范围|相对保守|适度扩展|五、主要起草单位介绍5.1国际标准化组织ISO/TC44/SC10ISO/TC44（焊接及相关工艺技术委员会）成立于1947年，是ISO最早设立的技术委员会之一，秘书处由德国标准化学会（DIN）承担。TC44下设10个分技术委员会（SC）和多个工作组（WG），其中SC10专门负责焊接质量管理和焊接工艺评定领域的标准化工作，秘书处由法国标准化协会（AFNOR）承担。SC10当前制定的标准体系覆盖焊接工艺评定总则（ISO15614-1至-13系列）、焊接工艺规程（ISO15609系列）、焊工资格考试（ISO9606系列）等核心领域，构成了国际焊接质量保证体系的基础框架。SC10的工作模式以各成员国提名专家组成工作组（WG）开展具体标准起草，以确保标准既反映国际前沿技术水平，又兼顾各国工业实践差异。ISO15614-5:2024的修订工作由SC10/WG1工作组具体负责，德国焊接学会（DVS）专家担任项目负责人，主要参与方包括：-德国焊接学会（DVS）：作为项目主导方，负责标准框架设计和关键技术条款的起草；-法国GroupeVallourec：在钛、锆管材焊接方面提供丰富的工业实践数据；-日本钛协会（JTIA）：在钛材焊接冶金及保护气体工艺方面提供试验验证支持；-中国哈尔滨焊接研究院有限公司：针对大厚度钛合金焊接保护技术提供实验数据和修订建议。我国作为ISO/TC44的积极成员，通过全国焊接标准化技术委员会（SAC/TC55）组织国内专家全程参与了ISO15614-5:2024的制修订工作，为标准的完善贡献了中国方案和实践经验。六、标准的应用价值与行业影响6.1对制造业的指导意义ISO15614-5:2024的发布，对涉及钛、锆材料焊接制造的各行业均具有深远影响：在航空航天领域，钛合金结构件的焊接质量直接关系飞行安全，新版标准对保护气体纯度和保护效果的严格规定，有助于提升航空发动机机匣、管路系统等关键构件的焊接可靠性。在核工业领域，锆合金包壳管和堆内构件的焊接要求极为苛刻，新标准对层间温度的明确规定和对工艺参数变化范围的科学扩展，既保证了核安全级产品的质量稳定性，又为工艺改进提供了必要的空间。在海洋工程与化工装备领域，钛制换热器、海水淡化蒸发器等大型设备的焊接制造长期面临工艺评定成本高昂的困境。新版标准通过扩大热输入变化范围和厚度覆盖范围，显著减少了评定试验的次数，可为企业节省可观的工艺开发费用和时间成本。6.2促进国际贸易与技术交流作为ISO正式发布的标准，ISO15614-5:2024被全球主要工业国家广泛采纳为国家标准或行业规范。标准的统一性有助于消除各国在钛、锆焊接工艺评定要求上的技术壁垒，促进国际工程项目的顺利实施。对于焊接设备供应商、焊接材料制造商及第三方检验机构而言，标准的更新也意味着产品和服务的适应性调整，为行业技术升级提供了方向指引。6.3对焊接技术发展的引领作用该标准将等离子弧焊纳入评定范围，反映了高效焊接方法在活性金属焊接领域日益成熟的技术现状，为行业推广更高效、更优质的焊接工艺提供了规范依据。同时，标准中对保护气体纯度、氧化色判定等核心指标的精确量化，也为后续焊接自动化、数字化质量监控技术的集成应用奠定了标准接口基础。七、结论与展望ISO15614-5:2024的发布标志着钛、锆及其合金焊接工艺评定领域国际标准体系迈入了一个新的发展阶段。本报告对该标准的修订背景、技