阀门材料之激光焊接工艺指南

克己奉公

本标准适用于各类金属材料(包括铸件、锻件及其他成形材料)的激光焊。其他激光加工方法的工艺指南可参见附录F激 光焊属于控制程序复杂的工艺过程。其质量控制要求应参照GB/T12457.2的规定。激光焊接接头的缺欠质量等级及相关质量要求可参照相关标准规定设备 的保养、维护和校准应参照设备供货商的应用手册。激光焊及堆焊所使用的填充金属(焊丝和合金粉末)应符合相关标准规定。

范围

本标准规定了激光焊的推荐工艺方法。

本标准适用于各类金属材料(包括铸件、锻件及其他成形材料)的激光焊。其他激光加工方法的工艺指南可参见附录F

规范性引用文件

下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。

GB/T 3375焊接术语

GB/T  6417.1-2005金属熔化焊接头缺欠分类及说明(ISO 6520-1:  1998, IDT)

GB/T  12467.2金属材料熔焊质量要求第2部分:完整质量要求(GB/T  12467.2---2009, ISO3834-2: 2005 IDT )

GB/T  19804-2005焊接结构的一般尺寸公差和形位公差(IS013920: 1996, IDT)

GB/T  19805--2005焊接操作工技能评定(IS014732:  1998,IDT)

GB/T 19866-2005焊接工艺规程及评定的一般原则(IS015507: 2003, IDT)

GB/T 19867.4-2008激光焊接工艺规程( ISO 15609-4: 2004, IDT )

GB/T 19868.4--2005基于预生产焊接试验的工艺评定(ISO15613: 2004 IDT)

GB/T 22085-1  2008电子束及激光焊接接头缺欠质量分级指南第1部分:钢( ISO 13919-1:1996 IDT)

GB/T 22085-2-2008电子束及激光焊接接头缺欠质量分级指南第2部分:铝及铝合金(( ISO13919-2: 2001，IDT )

ISO 9013: 2002热切割热切割分类几何产品技术条件及质量公差

ISO 15614-11: 2002金属材料焊接工艺规程及评定焊接工艺评定试验第11部分:电子束及激光焊

ISO 15616-1: 2003高能束焊接及切割用C02激光机的验收试验第1部分:一般原则、验收条件

ISO 15616-2: 2003高能束焊接及切割用C02激光机的验收试验第2部分:静态及动态精度测试

ISO 15616-3: 2003高能束焊接及切割用co2激光机的验收试验第3部分:流量及压力测量仪的标定

ISO 17662: 2005焊接焊接设备(及其操作)的校准、核定及有效性确认

ISO 22827-1: 2005固体激光焊机的验收试验光纤传送设备第1部分:激光器

ISO 22827-2: 2005固体激光焊机的验收试验光纤传送设备第2部分:行走装置

ISO/TR 15608: 2005焊接金属材料分类指南

术语和定义

GB/T 3375和GB/T 19866中确立的术语和定义适用于本标准。

安全防护

激光焊的环境条件及安全防护措施应符合相关标准或法规的要求。

质量要求

激光焊属于控制程序复杂的工艺过程。其质量控制要求应参照GB/T12457.2的规定。

激光焊接接头的缺欠质量等级及相关质量要求可参照相关标准规定，具体详见表1

表1 质量标准

设备总则

有关激光设备的一般规定参见附录Ao激光束的特性要求参见附录Bo

设备的验收检验

激光设备的验收检验应按照相关标准进行，具体参见表2

表2 激光设备的验收检验

保养、维护和校准

设备的保养、维护和校准应参照设备供货商的应用手册。

焊接操作人员的资质

焊接操作人员应按照GB/T 19805进行技能评定，并取得相应的资质。

焊接工艺规程

GB/T 19867.4规定了激光焊接r艺规程的具体内容。其他激光加工方法(如切割、打孔、表面处理和堆焊等)也可参照执行。

焊接工艺评定

激光焊的工艺评定应按照ISO 15614-11进行。

焊接材料

填充金属

激光焊及堆焊所使用的填充金属(焊丝和合金粉末)应符合相关标准规定。

保护气体

激光焊接所使用的气体需要具备保护焊缝和抑制等离子体的双重功效，应做特殊考虑。

设计

产品或结构的总体设计

应重点考虑确保焊缝的可达性。聚焦头与焊缝表面应有一定的距离。当采用保护气和抑制等离子体的气体时，喷嘴要靠近焊缝表面。传感器的使用提高了对可达性的要求。

接头设计

激光焊对接接头通常不开坡口。T形接头也类似，但通常不必全焊透。搭接接头通常用于激光点焊。

不论采用哪种接头形式，焊件均应精确定位。

为避免飞溅和咬边，可以采用衬垫。

接头制备

激光焊的质量与装配精度和焊接坡口的清洁度密切相关。坡口可以采用机械或切割方法加工。应仔细清除待焊部位的氧化物和油污等。清理方法主要有:

—用溶剂手工脱脂:

—在封闭的溶剂蒸汽室或者超声波液浸槽中清洗;

—先在微碱性蒸汽中进行预处理，然后烘干:

—酸洗、中和，在蒸馏水中洗涤，烘干，然后短期保存;

—用钢丝刷等进行机械清理;

—通过散焦的激光束清除焊缝附近的涂层，速度可达100mrnls以上

—对焊接区的表面镀层首选机械加工处理。

为消除焊接开始处和结尾处的凹坑，应该使用引入板和引出板(见图1)。引入板和引出板也能防止工件端部的过热。引入板和引出板与工件应接触良好，焊后去除。

1——引入板;2——工件;3——引出板;4——焊接开始区;5-----焊接结束区。

图1 引入板和引出板

激光焊

特性类型

激光焊常用于深熔焊接。深熔焊接要求具有高功率密度，能够使材料蒸发。通过蒸气压力产生一个近似圆筒状的深孔。深孔壁被熔化的金属覆盖。材料在深孔前部熔 化，流向深孔的后缘，凝固后形成焊缝，一小部分沿着激光束的轴线方向被蒸发或者形成飞溅。深熔焊常用于厚工件的熔透和不完全熔透对接焊。

热传导焊接时的功率密席不足以形成深孔，热量分布和电弧焊很相似。当低功率密度的激光散焦或者摆动时就呈热传导焊接。焊缝横截面近似成半圆形，熔宽约为熔深的两倍。当热输入散布在更大的面积上时，熔宽将大于熔深的两倍。在激光涂敷中会用到相似的技术，这时的熔深通常是极小值。

激光点焊时常采用脉冲激光，每点的焊接时间为毫秒级。焊缝横截面的轮廓一般介于热传导焊和深熔焊之间。

能量传输

激光能量使金属熔化并且产生深孔(深熔焊接)。深熔焊接时传递到母材上的能量主要受以下两个因素影响:

—部分激光能量被母材和液体金属的表面反射。

—产生气化的金属蒸气云和(或)等离子体云(co2激光焊中)的负面效应。

激光束被母材反射的能量取决于表面的微观状况(例如表面的粗糙度)和表面温度。对于光滑表面用波长大于1μm的激光在室温下焊接时，反射高达90%。对于 更短波长的光和反射率不是很大的表面，反射率小于50%。当激光能量足以产生深孔时，反射的作用就变得不很重要。对高功率和高光束质量的激光，材料的反射 率没那么重要;反射会引起过程不稳定以及不能产生深孔。

高功率co2激光会产生很高的温度，以至于一部分金属蒸气被电离，在匙孔上方生成等离子体云。等离子体云会削弱激光能量，通常的预防办法是侧吹氦气.He是抑制等离子体的首选气体，其他气体如N2或Ar也常采用。尽管等离子体并没有被完全抑制，但会使焊接过程更稳定。

高蒸气压的元素成分容易蒸发，和母材相比，其含量在焊缝中被降低。

脉冲激光焊

脉冲激光焊可用于点焊。对较厚的材料，可以用高峰值功率的脉冲进行深熔焊接，然而，焊接速度要低于连续输出的大功率激光焊。

光束摆动

激光束摆动可以加大焊缝宽度，也有益于有间隙接缝的桥接。焊缝截面随着冷却速率的减小而增大。

斜坡上升

数控的激光可实现上坡和下坡，和焦点控制一起被用来在开始和停止的位置获得满意的焊缝;这在环形焊缝和行星轨道焊缝中很重要。

激光束的聚焦

激光束通常聚焦在母材的表面或表面附近。

保护气体

很多应用中都需要保护气体。焊接熔池、熔池后方和熔池下方(熔透焊中)可能都需要保护。应该用适当设计的喷嘴。是否需要保护气体以及保护气体的类型取决于 被焊材料。高温部分金属被有效的防护是至关重要的，例如当焊接不锈钢时，通过保护气体来保证其耐蚀性。但对低碳钢的完全熔透焊，在焊缝的根部不需要任何保 护气体。薄板的高速焊接也可以在没有保护气体的情况下进行。

焊接材料的使用

对具有间隙的焊缝，为了避免未焊满，需要采用焊接材料。有时出于冶金原因也需要使用焊接材料。

焊丝需要进行精确定位。激光电弧复合焊可以提供更好的工艺方案。

复合方法

复合焊接是指激光焊和电弧焊(等离子弧焊、TIG焊、MAG焊)等的结合。复合焊接具有热输入低，焊接速度快的特点。

优点和缺点

和其他熔焊相比，激光深熔焊的优点是熔化的金属少，热输入小，热影响区很窄，变形极小，焊接速度快。在钢板上进行的单面对接穿透焊，熔深可达25mm左右。

和电子束焊相比，激光焊的优势是可以在大气环境中进行，并且没有x射线的产生。

主要缺点是:对某些材料，过高的冷却速率不可接受;某些材料会出现裂纹和气孔;对表面反射能力过强的材料难以施焊:激光光源的效率普遍太低，总的能源消耗 是激光能的10倍~30倍;不适宜手工焊接:焊缝中的高蒸气压成分由于蒸发而减少:对焊缝预处理要求严格;对焊缝定位或者对焊缝轨迹跟踪的要求高;表面涂 层会导致焊接缺欠等。

装配和夹具

传统的夹具、机械手、X -Y工作台都可以用在激光焊中。对高精度焊件和有严格的焊接要求时，夹具的精度见ISO 15616-1、ISO 15616-2、ISO 15616-3的规定。

过程控制

激光焊在数控下进行。采用传感器动态地调整光束与工件间的运动轨迹，才能在焊接过程中进行调节或反馈。传感器安装在工作台上，通过观测，诸如从焊接区发出的二次光的光强和光谱来监测焊接过程。

检验

ISO 15614-11给出了相关的破坏性试验标准。激光焊接头的检验可参照相关标准或产品规程进行。

i缺欠

GB/T 6417.1规定了各类缺欠的定义，在钢和铝合金激光焊接头中，这些缺欠的质量等级应分别符合GB/T 22085.1和GB/T 22085.2的规定。