軌道車輛鋁合金攪拌摩擦焊質量保證及控制標準分析

楊高， 侯振國， 陳宇

(1.機械工業哈爾濱焊接技術培訓中心，黑龍江 哈爾濱 150046; 2. 中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山 063035)

0 前言

攪拌摩擦焊工藝方法在軌道車輛焊接國際認證企業中的應用比重逐步增加，典型應用如制造鋁合金車體及車鉤面板等部件。

應用過程中伴生了一系列焊接質量問題，如ISO 25239-5[1]表A.1提及的未焊透、根部余高過大、毛刺、錯邊、未填滿、不等寬、表面不規則、孔穴、吊鉤等缺欠，其中“孔穴”缺欠與其他焊接方法的孔穴缺欠有較大不同，其通常是連貫的且具有一定長度，工程應用領域又稱其為“隧道”。孔穴/“隧道”是鋁合金攪拌摩擦焊典型嚴重缺欠。

結合軌道車輛領域主要焊接標準現狀及工程應用常見問題，綜合分析其焊接質量保證及控制標準的應用情況并補充說明工程應用方面若干事項。

1 國內主要焊接質量保證及控制標準

軌道車輛領域現行主要焊接質量保證及控制標準為：軌道車輛及其部件的焊接—EN 15085: 2007[2]，該標準發布時攪拌摩擦焊工藝方法尚未在軌道車輛焊接國際認證企業中大量應用；EN 15085: 2007相關攪拌摩擦焊的唯一內容為“EN 15085-4表1”，僅提及允許鋁合金材料使用該方法，再無其它信息。

EN 15085-4表1中大部分焊接方法的焊接質量保證及控制要求，EN 15085均有較全面系統的規定，但攪拌摩擦焊不在其中，如：①質量要求：ISO 3834[3]原則上不適用；ISO 3834金屬材料熔化焊的質量要求，其適用范圍為金屬材料熔化焊，而攪拌摩擦焊屬于“壓力焊”，原則上不在其適用范圍；②操作工：ISO 9606-1(鋼)[4]，ISO 9606-2(鋁合金)[5]，或ISO 14732(操作工)[6]不適用；攪拌摩擦焊為ISO 25239-3；③焊接工藝：ISO 15609[7]或ISO 14555[8]或ISO 15620[9]不適用；攪拌摩擦焊為ISO 25239-4；④焊接工藝評定：ISO 15610[10]，ISO 15611[11]，ISO 15612[12]，ISO 15613[13]，ISO 15614[14]或ISO 14555或ISO 15620部分適用；攪拌摩擦焊為ISO 25239-4，其僅部分引用ISO 15613及ISO 15614-2。

標準的缺位在一定程度上制約了攪拌摩擦焊在軌道車輛領域的應用，尤其在焊接質量保證及控制標準層面。

現行主要標準不能完全實現軌道車輛鋁合金攪拌摩擦焊的焊接質量保證及控制。基于標準現狀及工程實例，分析ISO 3834和EN 15085標準以外涉及軌道車輛鋁合金攪拌摩擦焊質量保證及控制可參照的標準/規范為：①歐洲軌道車輛焊接委員會指南-第二部分 EN 15085技術解析；②攪拌摩擦焊-鋁合金—ISO 25239系列標準。

“歐洲軌道車輛焊接委員會指南-第二部分 EN 15085技術解析”第5.2條款[15]及“ISO 25239系列標準”，比較全面的規定了鋁合金攪拌摩擦焊的焊接質量控制要求。

進一步綜合分析現行業內標準及工程實例，參照ISO 3834-1 第4條款“該國際標準所包含的這些質量要求可能適用于其它焊接方法”，以及大量工程實例應用，目前軌道車輛鋁合金攪拌摩擦焊的焊接質量保證仍遵循ISO 3834系列標準及EN 15085-2 5.2條款。

2 標準應用實例解析及補充說明

2.1 標準應用實例解析

根據EN 15085系列標準，一般情況下應用攪拌摩擦焊的鋁合金部件認證等級為CL1，對應ISO 3834系列標準的第二部分-ISO 3834-2。

以軌道車輛某項目鋁合金攪拌摩擦焊為例，焊接質量保證及控制實例解析見表1。

2.2 補充說明

結合工程實例技術規范及常見問題，補充說明如下內容：①進行焊接結構設計時，注意數據源的選擇應適用于攪拌摩擦焊工藝方法。接頭設計應符合ISO 25239-2[16]焊接接頭的設計，當攪拌摩擦焊的接頭設計涉及工藝預留量時，焊接圖紙中的焊縫標注不應包括預留量，ISO 25239-3 4.3.2[17]規定，圖紙中的焊縫尺寸標注應是焊件的最終尺寸，預留量可在其他技術文件或圖紙技術說明中加以規定。②裝配間隙及錯邊量是焊前裝配的重要工藝參數，“EN 15085-3附錄B 焊接接頭的制備”不適用攪拌摩擦焊，“ISO 25239-2 焊接接頭的設計”也未規定具體要求，因此需要視構件具體情況在焊接工藝規程或工藝卡中加以規定(通常情況，接頭制備需要試驗進行驗證)，以確保焊后焊縫質量滿足標準要求，同時應準備合適的檢測工具對焊前裝配質量進行檢查。③攪拌頭是攪拌摩擦焊質量控制的關鍵因素，攪拌頭選型時應選擇工藝輸出能力強的攪拌頭，生產前應該通過試驗確定該攪拌頭的使用壽命，使用過程中應及時關注焊縫的表面質量，同時測量攪拌頭的磨損量；為避免攪拌頭故障影響使用，應制定檢查維護規程，使用過程中定期檢查維護，并對使用和檢查維護進行記錄，到達預期壽命應停止使用或報廢處理。④焊接工作試件是軌道車輛焊接質量控制的重要措施，EN 15085及ECWRV規程僅規定了軌道車輛焊接工作試件的通用要求，沒有針對鋁合金攪拌摩擦焊的工藝特點作出專門規定，ISO 25239也沒有規定；目前業內有限的可參照的技術條件為德國焊接學會的一個草案指南“DVS 1619: 2011”，該指南4.6.4條款以ISO 15613為基礎，專門規定了鋁合金攪拌摩擦焊工作試件的驗證內容如下：外觀檢驗、射線檢驗、工藝彎曲試驗、宏觀試驗。⑤鋁合金攪拌摩擦焊的缺欠驗收標準為ISO 25239-5，應注意不是弧焊常用的ISO 10042[18]。ISO 25239-5: 2011表A.1規定了缺欠的驗收等級，但未對等級進行劃分，新標準ISO 25239-5: 2020[19]表A.1在2011版基礎上進行了優化，將缺欠驗收劃分為B,C,D三個等級。表A.1關于缺欠驗收的未盡事宜應在施工前盡早約定。攪拌摩擦焊驗收標準與無損檢測驗收標準的對應關系不同于其他熔化焊方法，ISO 17635[20]未規定其與無損檢測缺欠驗收等級的對應關系，且目前尚無國際標準對此進行規定，以ISO 17635中的滲透檢測為例說明見表2，因此實施無損檢測前應充分的進行焊接要求及技術評審，并提前約定無損檢測的缺欠驗收等級；對于關鍵焊縫，應提前約定是否進行破壞性例行試驗。

表1 焊接質量保證及控制實例解析

表2 鋁合金攪拌摩擦焊-滲透檢測

3 結論

在目前軌道車輛鋁合金攪拌摩擦焊焊接質量保證及控制相關標準及技術規范尚不完善的階段，其焊接質量保證及控制需要綜合應用“EN 15085系列標準”、“ISO 3834系列標準”、“歐洲軌道車輛焊接委員會指南-第二部分 EN 15085技術解析”、“ISO 25239系列標準”及項目技術規范的補充說明等。標準的更新通常滯后于技術的發展，期待相關標準能夠進一步完善。