基于ISO 25239-4標準攪拌摩擦焊工藝評定的應用

趙海燕， 馮寬， 張楠， 鄧義剛

(機械工業哈爾濱焊接技術培訓中心，黑龍江 哈爾濱150046)

0 前言

攪拌摩擦焊(Friction stir welding, FSW)是英國焊接研究所于1991年發明的一項固態連接技術[1]。與傳統熔焊相比，攪拌摩擦焊在焊接時無焊接煙塵、無污染、熱輸入低、變形量小、易實現自動化等優點，已成功應用于航空航天、船舶工業、汽車領域、軌道交通等領域[2-3]。特別是在軌道交通領域，攪拌摩擦焊已大量應用于車體及各組成部件，如地鐵地板，輕軌側墻、車頂、裙板，高速列車車鉤座板[4]等，涉及到的材料有5系、6系、7系鋁合金[5]。

任何一種焊接方法在應用于生產時必須有合理的焊接工藝規程(Welding procedure specification, WPS)指導焊接生產，保證焊接產品質量。在編制WPS之前，焊接工藝需經過工藝驗證，以確保焊接接頭性能能夠滿足設計規范或生產需求。焊接工藝評定(Welding procedure qualification, WPQ)就是驗證焊接工藝的合理性，是對焊接工藝的綜合評判，也是評價焊接企業能否生產出符合相應規范的焊接接頭的重要依據[6-7]。進行焊接工藝評定時，企業可自行按照標準或規范出具焊接工藝評定報告(Welding procedure qualification record, WPQR)，也可找第三方獨立機構出具WPQR。機械工業哈爾濱焊接技術培訓中心(WTI Harbin)作為第三方獨立機構，自1999年開始為多家企業進行焊接工藝評定，完成各種焊接方法WPQR近2 0000份。近幾年攪拌摩擦焊的工評數量也在逐年上升，截至目前，已為20余家企業進行了近百項攪拌摩擦焊WPQR。如中車唐山機車車輛有限公司、中車長春軌道客車股份有限公司、中車南京浦鎮車輛有限公司、中車株洲電力機車有限公司、德州魯斯泰鋁業有限公司等。

攪拌摩擦焊焊接工藝評定標準為ISO 25239-4，此標準只適用于鋁合金攪拌摩擦焊，不適用攪拌摩擦點焊。

文中以ISO 25239-4為基礎，結合高速動車組車鉤面板的攪拌摩擦焊，探討在生產之前如何進行焊工工藝評定，以確保焊接工藝的合理性，并為正式編制焊接工藝指導書提供可靠的數據支撐。

1 焊接工藝評定流程

焊接工藝評定作為驗證焊接工藝的重要手段，在實際生產中是必不可少的環節，指導焊接生產的WPS必須以合格的WPQR為依據，其焊接工藝評定的一般流程如下：企業結合實際產品或圖紙要求，編制預焊接工藝規程(pWPS)→按 pWPS中技術要求焊制試件→由檢驗機構或本單位對試件按相關標準進行檢驗→所有檢驗項目合格后出具WPQR→根據焊接工藝評定報告編制WPS。如焊制的試件不符合驗收標準，需重新焊制，檢驗后仍不合格，則焊接工藝評定失敗，需重新調整工藝進行再次評定。

2 車鉤面板攪拌摩擦焊工藝評定

2.1 接頭設計

焊接工藝評定是有針對性的試驗工作，應根據實際產品，設計與產品相匹配的接頭形式。并在滿足生產要求的情況下，盡可能考慮最大的覆蓋范圍，避免焊接工藝評定報告的重疊。ISO 25239-4中有3種標準接頭，分別為板對接、管對接、板搭接。車鉤面板作為高速動車重要承載構件，母材為25 mm的6005A-T6型材，其接頭形式示意圖如圖1所示。車鉤面板焊接工藝評定中設計的接頭為25 mm、6005A-T6型材對接接頭，與實際產品一致。

圖1 車鉤面板接頭形式示意圖

2.2 焊工要求

ISO 25239-4中對焊工是否有操作證書沒有強制要求，但是施焊應由該單位人員進行。如經焊后檢驗，試件合格，此焊工可以獲得ISO 25239-3操作證書。

2.3 制定pWPS

制定pWPS時應注意工藝參數的合理性，pWPS中的焊接工藝參數是經驗或大量試驗確定的最佳工藝參數。熔焊焊接工藝評定中的主要工藝參數是電弧電壓、焊接電流、焊接速度，且熔焊技術相對成熟，確定合理的工藝參數相對容易。而攪拌摩擦焊自2002年引入中國，研究深度及應用程度遠不及熔焊技術。同時攪拌摩擦焊的主要工藝參數較多，如攪拌頭形狀及材料、攪拌頭旋轉速度、壓力、傾角、焊接速度等。基于此，在制定pWPS焊接工藝參數時，需要前期大量試驗，進行工藝優化，最終確定最佳的焊接工藝參數。

車鉤面板攪拌摩擦焊采用單軸肩雙面焊，pWPS需明確攪拌頭軸間直徑、針長、攪拌頭旋轉速度、壓力、傾角、焊接速度、焊后是否需要熱處理及其它參數。

2.4 焊后檢驗

ISO 25239-4針對3種不同的接頭形式，給出了相應的檢驗方法，包括無損檢測和破壞性檢測。

2.4.1無損檢測

ISO 25239-4的3種接頭形式：板對接、管對接、板搭接，焊后必須進行外觀檢驗(VT)，VT結果應按ISO 25239-5“B級”評定。外觀不允許出現孔洞，對錯邊和變形缺欠只允許在限定值內。其它外觀缺欠，如飛邊需按設計規范進行評定。車鉤面板攪拌摩擦焊，焊接完成后必須由具有有效VT證書的檢驗人員對焊縫進行VT檢驗。

ISO 25239-4只對外觀檢驗進行了強制要求，對其它無損檢測方法并未強制要求，如滲透檢測(PT)、射線檢測(RT)或超聲檢測(UT)。這是因為攪拌摩擦焊是固相焊接，與常規熔焊相比，攪拌摩擦焊所產生的缺欠有明顯的緊貼、細微難檢測的特點，并且表面產生裂紋的可能性很小。因此在標準中除VT強制要求外，其它無損檢驗都需按設計規范進行。如對致密性要求嚴格，可能需要渦流檢測或相控陣超聲檢測。目前，攪拌摩擦焊無損檢測方法的研究已成為重點研究課題[8]。

VT檢驗合格后，設計規范要求進行其它無損檢驗，需按規范選擇無損檢測方法，如PT，RT，UT等。車鉤面板攪拌摩擦焊，按設計規范進行無損檢測。

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2.4.2破壞性檢測

焊后對焊接接頭實施破壞性檢測，是驗證焊接接頭的性能能滿足生產需求的一種手段。攪拌摩擦焊工藝評定標準中板對接、管對接必須進行拉伸試驗、彎曲試驗、宏觀試驗。板搭接需進行宏觀試驗。對板搭接接頭的其它破壞性試驗需按設計規范執行，如錘擊S彎曲試驗等。車鉤面板作為重要的承載構件，其焊接接頭性能直接影響產品安全。因此車鉤面板必須進行拉伸、彎曲、宏觀檢驗，確保焊接接頭滿足設計規范。

2.4.2.1拉伸試驗

拉伸試驗是驗證焊接接頭強度是否滿足產品需求。在評定抗拉強度時，需根據材料組別、熔深厚度、焊前供貨狀態和焊后自然時效或人工時效選擇正確的系數因子。如23組鋁合金，供貨轉態是T6,熔深≤5 mm，焊后自然時效，計算抗拉強度時系數因子為0.7；若熔深>5 mm，其它條件不變，系數因子為0.6。如產品設計規范有要求，可按產品的規范執行。車鉤座板攪拌摩擦焊按設計規范，焊后抗拉強度系數因子為0.7，抗拉強度達到250 MPa × 0.7 = 175 MPa。實際抗拉強度見表1。抗拉強度符合要求。

表1 抗拉強度

2.4.2.2彎曲試驗

彎曲試驗是驗證焊接接頭塑性的一種方式，要求彎曲180°，彎曲面不出現>3 mm的缺欠。在彎曲試驗中需要注意的是壓頭直徑的選擇，應根據母材的最低延伸率，按照ISO 25239-4中的公式計算壓頭直徑。壓頭直徑選擇不正確都會影響彎曲結果。車鉤面板的攪拌摩擦焊彎曲180°未出現任何缺欠。

2.4.2.3宏觀試驗

宏觀試驗是檢驗焊縫內部宏觀組織情況，評定標準為ISO 25239-5“B級”。宏觀檢驗中不允許出現孔洞、未焊透缺欠。車鉤面板的宏觀金相如圖2所示，金相未出現孔洞、未焊透等其它缺欠。車鉤面板按pWPS焊制完成后，對焊接接頭實施了外觀檢驗、拉伸、彎曲、宏觀檢驗，按評定標準均合格，因此焊接工藝合理，可以出具WPQR。

圖2 車鉤面板宏觀金相

3 編制WPS

按照已生效的WPQR，依據ISO 25239-4中的覆蓋范圍，制定指導生產的WPS。超出標準規定的覆蓋范圍，需要新的WPQ。

ISO 25239-4無母材組別、厚度、接頭形式的覆蓋范圍，因此依據WPQR編制的WPS，其相關參數均是WPQR中的實際參數。這可能是因為母材組別不同、厚度不同、接頭形式不同、會造成焊接工藝參數較大的變化。而攪拌頭的形狀、針長、攪拌頭旋轉速度、焊接速度、壓力、傾角等參數，任何一方的變化都會造成焊接接頭組織和力學性能較大的改變。如母材厚度不同，采用相同的攪拌頭，相同的針長，相同的工藝參數，很有可能造成未焊透等缺欠。或者改變工藝參數，如隨著攪拌頭旋轉速度的提高，會產生大量的摩擦熱，焊接完成后會產生起皮，更嚴重者有可能在焊核區產生隧道性孔洞缺欠；或者降低焊接速度，產生的熱輸入大，同樣會產生飛邊和孔洞缺欠。

車鉤面板攪拌摩擦焊依據ISO 25239-4檢驗合格，出具WPQR，并編制WPS。因標準中無母材組別、厚度、接頭形式的覆蓋，實際焊制時焊接工藝參數嚴格按照WPS中的參數執行。

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4 結論

(1)WPQR為編制WPS提供了可靠的數據支撐。

(2)ISO 25239-4中無母材組別、厚度、接頭類型的覆蓋范圍，依據WPQR頒布的WPS，其覆蓋范圍只限定在WPS中的參數。

(3)改變WPS中的任何參數，需要重新進行焊接工藝評定。