T∕CWAN 0199-2026 厚壁钛合金真空激光焊接工艺规范

12026-08-12发布2026-10-01实施中国焊接协会发布1T/CWAN0199—2026 2 12规范性引用文件 3术语和定义 4符号 25一般要求 36工艺要求 67焊接检验 9T/CWAN0199—20262

本文件按照GB/T1.1—2020《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。本文件由中国焊接协会提出并归口。本文件起草单位：中国机械总院集团哈尔滨焊接研究所有限公司、中国机械总院集团哈尔滨焊接研究所有限公司北京分公司、北部湾大学、武昌船舶重工集团有限公司、重庆科技大学、陕西智拓固相增材制造技术有限公司、哈尔滨工业大学、重庆三峡科技大学、烟台哈尔滨工程大学研究院、无锡博焊环保科技有限公司、青岛理工大学、中焊科技发展（哈尔滨）有限公司。本文件主要起草人：徐富家、滕彬、邹吉鹏、郑磊、邓军林、张焱、李俐群、袁跃龙、黄瑞生、李洪伟、刘洪昌、胡志田、曹浩、周坤、尹立孟、杜亚杰、赵德民、李承铮、冯伟、韩鹏薄、邹太勇、武鹏博、纪安平、宫建锋、常帅、刘金戈、李忠晓、邓正华、赵培运、聂鑫、夏义江、任园、张毅梅、任少翠、方乃文。T/CWAN0199—20261厚壁钛合金真空激光焊接推荐工艺规范本文件规定了厚壁钛合金真空激光焊接的术语和定义、一般要求、工艺要求、焊接检验等内容。本文件适用于在真空环境下，对厚度不小于20mm的钛合金板材进行自熔或填丝激光焊接的工艺要求、检验方法等。2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/T2650焊接接头冲击试验方法GB/T2651焊接接头拉伸试验方法GB/T2654焊接接头硬度试验方法GB/T3163真空技术术语GB/T3623钛及钛合金丝GB/T9445无损检测人员资格鉴定与认证GB/T19867.4激光焊接工艺规程GB/T26955金属材料焊缝破坏性试验焊缝宏观和微观检验GB/T29710电子束及激光焊接工艺评定试验方法GB/T30562钛及钛合金焊丝GB/T35361潜水器钛合金对接焊缝超声波检测及质量分级GB/T39255焊接与切割用保护气体NB/T47013.2承压设备无损检测第2部分：射线检测3术语和定义GB/T3163界定的以及下列术语及定义适用于本文件。3.1真空激光焊接vacuumlaserwelding一种在真空环境下利用高能量激光束进行材料连接的先进焊接技术。根据压力范围可分为低真空激光焊接（10⁵Pa~102Pa）、中真空激光焊接（102Pa~10⁻1Pa）、高真空激光焊接（10⁻¹Pa~10⁻5Pa）和超高真空激光焊接(≤10⁻5Pa）。3.2等离子体羽辉plasmaplume激光焊接过程中，金属蒸气在激光作用下电离形成的发光等离子体云。在常压下，羽辉会强烈吸收和散射激光能量，限制熔深；在真空下，羽辉密度和尺寸急剧减小，能量传输效率显著提高。3.3光丝间距wiredistance激光束AB焊件图2激光入射角度示意图作用。摆动参数包括摆动频率(Hz)、摆动幅度(mm)和摆动波形(圆形、线形、形等)。将真空舱从真空状态恢复到大气压的过程。复压速度过快可能导致焊缝表面氧化或吸附污染物。T/CWAN0199—20263表1符号及说明符号说明单位L试板长度mmt母材厚度mmt1试板钝边厚度mmb坡口间隙mmλ坡口角度°a摆动幅度mmVf摆动频率HzP激光功率kWVh焊接速度m/minDf离焦量mmW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5.1人员5.1.1焊接操作人员应具备以下资质：a)应经过具有资质的机构组织的真空激光焊接专项培训，并考核合格；b)掌握真空设备启动、抽真空、真空度控制、复压、检漏、应急处理等操作；c)具备激光安全防护知识。5.1.2真空系统维护人员应具备真空技术基础知识，熟悉真空泵组（机械泵、罗茨泵、扩散泵、分子泵等）、真空计（电阻规、电离规）、阀门及检漏仪的操作与维护，并持有上岗证书。5.1.3无损检测人员应取得GB/T9445规定的2级及以上资格证书，其中超声检测和射线检测人员应分别取得相应方法的资质。5.1.4工艺编制人员应具有工程师及以上职称，并具有不少于2年的激光焊接或真空焊接工艺经验。5.1.5安全监督员应在焊接作业期间全程在场，负责激光安全、真空安全及应急响应。5.1.6所有进入真空舱内进行维护、工件装卸或清理的人员，必须经过受限空间作业培训，佩戴防护用品，并严格执行“先复压、后进舱”的规定。5.2设备5.2.1激光器a)宜采用光纤激光器或碟片激光器，连续输出模式。T/CWAN0199—20264b)额定输出功率应不低于6kW（焊接厚度50mm以上时不低于10kW）。c)激光功率不稳定度≤±2%。d)光束质量BPP≤4mm·mrad。e)激光波长通常为1.03μm~1.08μm。f)应具备实时功率监测与记录功能。5.2.2真空舱a)真空舱体材料宜为不锈钢（304或316L），内表面抛光处理，减少放气。b)舱体容积和尺寸应根据最大工件的尺寸和焊接路径要求确定，并留出足够的操作空间。例如，对于焊接长度≤2000mm的工件，舱体内部有效尺寸宜不小于长×宽×高=2200×1200×1000mm，或按定制要求。c)舱体上应设置：至少1个防激光辐射观察窗；舱内照明LED灯（照度≥200lx）；高清摄像系统（分辨率≥1920×1080，帧率≥30fps），用于实时监控熔池及焊缝；舱内工件运动平台（X/Y/Z轴，重复定位精度±0.05mm）或机器人接口；真空计接口（至少一个低真空规和一个高真空规）；充气阀和复压阀（可调节流量）；安全联锁装置（舱门打开时激光出光禁止）。d)真空舱的漏率应≤1×10⁻⁶Pa·m³/s。5.2.3真空系统a)应配置前级机械泵（旋片泵或干泵）和主泵（罗茨泵、分子泵或扩散泵）。b)对于容积≤2m³的真空舱，空载条件下，抽至10Pa的时间应≤30min；抽至1×10⁻²Pa的时间应≤120min。对于更大容积的舱体，抽气时间可按比例适当放宽，但需保证工艺要求的工作真空度。c)极限真空度应优于1×10⁻2Pa。d)真空测量系统应覆盖10⁵Pa至10⁻⁴Pa范围，测量精度±10%。e)应具备真空度自动记录功能（数据存储间隔≤1s）。5.2.4焊接头及光学系统a)焊接头应具备调焦功能，离焦量调节范围≥±20mm。b)可编程摆动焊接功能：摆动频率0~500Hz，摆动幅度0~5mm，支持多种波形。c)应配置保护镜片及烟尘防护装置（用于防止等离子体羽辉污染镜片）。d)焊接头光纤耦合端、准直镜、聚焦镜位置处应具备温度监测装置。5.2.5送丝系统（如需要填丝焊时）a)送丝速度范围0.5~10m/min，控制精度±2%。b)送丝角度可调（水平方向0~40°,垂直方向-30°~+30°)。c)应具备回抽功能，防止焊丝与熔池粘连。d)焊丝导向嘴材料宜为铜或陶瓷，内径比焊丝直径大0.1~0.2mm。5.2.6辅助系统a)真空舱内应设置金属蒸气捕集器（冷阱或过滤网），防止蒸气污染窗口。T/CWAN0199—20265b)应配备冷却水循环系统，用于激光器、焊接头和真空泵冷却，水温20~25℃,水压0.2~0.4MPa。c)应定期对真空舱体设备检漏。d)放置舱内的电子元器件应配备防电磁干扰装置。5.2.7设备检定a)激光功率计应每6个月校准一次。b)真空计应每12个月校准一次。c)设备大修或搬迁后，应进行真空检漏和工艺参数确认。d)停止使用超过一年的设备，启用前应全面检定。5.3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/T31910和GJB2505A等标准相关规定。a)为了减少气孔及裂纹等缺陷的产生，钛合金板应在焊接前12h以内进行砂纸打磨、酸洗以去除表面氧化膜和油污。b)推荐使用体积配比为5%HF+30%HNO3+H2O溶液进行酸洗，酸洗10min~30min后用清水冲洗并5.3.3钛合金焊丝应符合GB/T30562相关规定。焊丝应存放在干燥、通风良好的库房中，环境温度宜为5~35℃,相对湿度应≤60%。开包后的焊丝应在48h内用完，或用后将剩余部分密封储存。5.3.4保护气体（可选）。a)真空焊接时通常不需要外部保护气体。但在某些特殊情况（如填丝时防止合金元素挥发、增加熔池铺展性等）下，可向舱内焊接区充入少量高纯氩气或氦气。b)气体纯度≥99.99%。c)充气流量≤10L/min，且应在抽气状态下进行，以保持工作真空度。5.4环境5.4.1车间环境a)温度：18~28℃,相对湿度：≤70%。b)洁净度：空气中颗粒物浓度≤2mg/m³。c)照明：操作区照度≥300lx，真空舱内照明≥200lx。5.4.2真空泵区域a)应有独立通风或排风管道，将泵工作时的油雾排出室外。b)环境温度≤35℃,否则应增加冷却风扇。5.4.3激光器区域a)环境温度15~35℃,相对湿度≤80%。b)激光器冷却水进出水温差≤5℃。5.5坡口制备T/CWAN0199—202665.5.1采用对接接头形式，根据母材厚度、焊接方法（自熔/填丝、单面/双面）及产品要求选择坡口形5.5.2真空环境下激光能量穿透能力增强，对于厚度≤50mm的板材，可采用I形坡口；对于厚度>50mm的板材，建议采用小角度Y形、U形或双U形坡口，坡口角度1°~6°。5.5.3坡口加工方法：机械加工（铣、刨、车）或线切割。不得使用火焰切割或等离子切割。5.5.4坡口表面粗糙度Ra≤3.2μm，无毛刺、卷边、分层。5.5.5表2给出了推荐的坡口形式及尺寸。真空环境下熔深显著增加，可适度减小坡口角度和间隙。表2推荐采用坡口形式单位为mm序号坡口形式坡口角度λ坡口间隙b(mm)钝边t₁(mm)适用厚度t(mm)推荐焊接方式10°≤0.2020~50熔），或双面焊2Y形3°~6°≤0.2≥4050-803U形≤0.5≥50≥80单面焊打底+填丝焊填充盖面4双U形≤0.5≥60≥100双面焊接打底+填丝焊填充盖面6工艺要求6.1试板加工6.1.1试板尺寸：长度L一般不小于300mm，宽度不小于100mm，厚度t按产品要求。6.1.2坡口加工后应检查坡口角度、钝边厚度、间隙尺寸。6.1.3在试板两端可加装引弧板和熄弧板（材料同母材或同等焊接性材料），长度各50~100mm，宽度≥50mm，坡口形式与试板一致。6.2试板工装与装配6.2.1工装要求a)夹具应具有足够的刚性，在焊接过程中不会因热应力而变形。b)夹具不应与激光头、真空舱内壁、运动机构等发生干涉。c)夹具材料宜采用不锈钢或铜合金，避免使用易放气的材料（如普通碳钢、橡胶、塑料）。d)压板或夹紧力应均匀分布，防止工件翘曲。6.2.2装配间隙与错边量：表3和表4规定了允许的局部间隙和错边量。表3对接试件焊接装配间隙要求单位为mm母材厚度20≤t≤5050＜t≤100t＞100允许的局部间隙量放宽要求≤0.5≤0.5T/CWAN0199—20267表4对接试件焊接装配错边量要求单位为mm母材厚度20≤t≤5050＜t≤100t＞100允许的错边量≤2≤2≤36.2.3工装装配步骤a)将试板放置在真空舱内的工作平台上，调整位置使焊缝中心线与激光焊接路径重合。b)使用直角尺和塞尺测量错边量和间隙，必要时使用楔形垫片调整。c)分段点焊定位（若允许）。d)整体夹紧，检查装配质量。e)关闭舱门，准备抽真空。6.3焊接6.3.1定位焊定位焊宜在真空舱内进行，也可在大气下完成后再整体放入真空舱。定位焊参数：a)激光功率：1.5~3.5kWb)焊接速度：0.8~1.5m/minc)离焦量：+2~+5mmd)点焊长度：5~10mm（或全部板材长度）e)点焊间距：80~200mm（根据厚度选取，薄板取小值）定位焊后应检查焊缝是否开裂，如有裂纹应打磨清除后重新定位焊。6.3.2真空准备抽真空程序：a)关闭舱门，启动机械泵进行粗抽，粗抽速率应适中。b)当真空度达到1000Pa以下时，可开启主泵（分子泵或扩散泵）进行高真空抽气。c)抽气过程中应每隔2分钟记录一次真空度。工作真空度选择：根据母材厚度、焊接要求和经济性，推荐以下工作真空度：表5工作真空度推荐母材厚度t（mm）推荐工作真空度(Pa)典型应用20≤t≤50≤100重要结构件50<t≤100≤10航空、深海构件≥100≤0.1（若产品无超高洁净冶金要求，可采用1~10Pa高真空，配套焊接区微量高纯氩气局部保护。）超高质量要求部件自熔焊的目的是获得完全熔透、成形良好的焊缝。激光入射方向宜与工件表面法向夹角呈5°~15°,以防止激光反射损坏激光头。可以采用单激光自熔焊或者摆动激光自熔焊，板厚大于50mm后不建议再采用摆动焊接方式。T/CWAN0199—2026单激光自熔焊推荐工艺参数见表6。摆动激光自熔焊推荐工艺参数见表7。表中参数为参考值，实际应用时应通过工艺评定确定。表6钛合金真空激光自熔焊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真空度Pa20-30-10~0≤10030-50-20~-10≤10050-8020~250.6~0.8-40~-20≤1080-10025~300.6~0.8-50~-30≤10≥10025~300.3~0.6-50~-30≤0.1表7钛合金真空摆动激光自熔焊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摆动幅度mm摆动频率Hz20-300.6~0.8-10~01.5~2.050~25030-4015~200.6~0.8-20~-1050~25040-5015~200.4~0.6-20~-1050~250对于厚度较大且无法一次焊透的接头，可采用双面对称焊接，双面焊可减小变形。应通过观察窗或舱内摄像系统检查焊缝成形。焊缝应连续、均匀、无凹陷或凸起过度。若出现未熔透、背面下陷，应调整参数并重新修饰焊接。6.3.4填丝焊当单道自熔焊无法满足熔透、背面成形或盖面余高要求时，可采用自熔打底焊（可摆动或不摆动）+填丝焊填充盖面的多层多道焊工艺。填丝焊宜采用摆动激光填丝方式，焊丝直径宜选取1.0mm或1.2mm，送丝角度选取45°~65°,光丝间距DL取0.5mm~1mm。填丝焊填充盖面的推荐工艺参数参照表8进行选择。其中送丝速度应与激光功率、焊接速度相匹配，确保熔滴稳定过渡，避免未熔合或熔滴飞溅，建议通过工艺评定确定最佳匹配值。表8钛合金填充层真空激光填丝焊接推荐工艺参数坡口角度激光功率P（kW）焊接速度Vh（m/min）离焦量Df（mm）送丝速度Vs（m/min）摆动幅度a（mm）摆动频率Vf（Hz）2.0~3.00~52~30.5~1.050~2502°2.0~3.00~83~50.5~2.050~2503°2.0~3.00.3~0.85~70.5~3.050~2506.4焊后处理6.4.1冷却与复压a)焊接完成后，保持抽气1~3分钟，以排除舱内金属蒸气。T/CWAN0199—20269b)复压前应确认焊缝温度已降至100℃以下（可用红外测温仪测量）。c)。复压速度应缓慢，推荐采用程序控制的分段式充气，初始阶段速率≤10kPa/min，后期可适当提高，高真空焊接时宜采用分阶段复压。为防止冲击气流引起工件晃动或表面氧化，充气口应远离焊缝区，并采用多孔挡板扩散气流。复压过程中，舱内压力变化率应不大于0.2Pa/s(对于初始压力低的情况)或0.1MPa/min（接近大气压时）。d)复压后打开舱门，取出工件。6.4.2焊缝修整a)焊缝余高过大（超过表11规定）时，可采用角磨机或铣削方式修磨至与母材齐平或圆滑过渡。b)焊缝表面局部氧化（蓝色或紫色）可用细砂纸或酸洗去除。c)焊缝表面飞溅可用不锈钢刷清除。6.4.3返修a)对无损检验发现的可返修缺陷（如单个气孔、局部未熔合可采用真空激光局部重熔或填丝修补。b)同一部位返修次数不超过2次。c)返修后应重新进行无损检验和力学性能检验（按产品要求）。6.4.4焊后热处理a)对于重要结构件或对残余应力敏感的应用，建议进行去应力退火。b)推荐热处理制度：TC4：温度600~650℃,保温1~2h，真空炉冷或氩气保护冷却。TA15：温度600~630℃,保温1~2h。TC11：温度550~600℃,保温1~2h。c)热处理应在真空或惰性气体保护下进行，防止表面氧化。7焊接检验焊接接头的检验项目见表9。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9试件的检验与试验试件状态试验种类试验比例或数量备注焊后检验外观检验焊接变形/射线检验厚度≤50mm时优先超声检验厚度≥50mm时优先破坏性拉伸试验3-10覆盖全厚度硬度检验1/冲击检验≥6三层三区宏观金相检验1焊缝全截面微观金相检验（可选）1晶粒度、相组成7.1外观检验T/CWAN0199—20267.1.1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10的规定进行相应处理，可参考中国航空工业标准《钛及钛合金钨极氩弧焊标准色块》（HB7234-1995）对焊缝颜色进行比对。表10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