基于ISO 25239-4标准搅拌摩擦焊工艺评定的应用

赵海燕， 冯宽， 张楠， 邓义刚

(机械工业哈尔滨焊接技术培训中心，黑龙江 哈尔滨150046)

0 前言

搅拌摩擦焊(Friction stir welding, FSW)是英国焊接研究所于1991年发明的一项固态连接技术[1]。与传统熔焊相比，搅拌摩擦焊在焊接时无焊接烟尘、无污染、热输入低、变形量小、易实现自动化等优点，已成功应用于航空航天、船舶工业、汽车领域、轨道交通等领域[2-3]。特别是在轨道交通领域，搅拌摩擦焊已大量应用于车体及各组成部件，如地铁地板，轻轨侧墙、车顶、裙板，高速列车车钩座板[4]等，涉及到的材料有5系、6系、7系铝合金[5]。

任何一种焊接方法在应用于生产时必须有合理的焊接工艺规程(Welding procedure specification, WPS)指导焊接生产，保证焊接产品质量。在编制WPS之前，焊接工艺需经过工艺验证，以确保焊接接头性能能够满足设计规范或生产需求。焊接工艺评定(Welding procedure qualification, WPQ)就是验证焊接工艺的合理性，是对焊接工艺的综合评判，也是评价焊接企业能否生产出符合相应规范的焊接接头的重要依据[6-7]。进行焊接工艺评定时，企业可自行按照标准或规范出具焊接工艺评定报告(Welding procedure qualification record, WPQR)，也可找第三方独立机构出具WPQR。机械工业哈尔滨焊接技术培训中心(WTI Harbin)作为第三方独立机构，自1999年开始为多家企业进行焊接工艺评定，完成各种焊接方法WPQR近2 0000份。近几年搅拌摩擦焊的工评数量也在逐年上升，截至目前，已为20余家企业进行了近百项搅拌摩擦焊WPQR。如中车唐山机车车辆有限公司、中车长春轨道客车股份有限公司、中车南京浦镇车辆有限公司、中车株洲电力机车有限公司、德州鲁斯泰铝业有限公司等。

搅拌摩擦焊焊接工艺评定标准为ISO 25239-4，此标准只适用于铝合金搅拌摩擦焊，不适用搅拌摩擦点焊。

文中以ISO 25239-4为基础，结合高速动车组车钩面板的搅拌摩擦焊，探讨在生产之前如何进行焊工工艺评定，以确保焊接工艺的合理性，并为正式编制焊接工艺指导书提供可靠的数据支撑。

1 焊接工艺评定流程

焊接工艺评定作为验证焊接工艺的重要手段，在实际生产中是必不可少的环节，指导焊接生产的WPS必须以合格的WPQR为依据，其焊接工艺评定的一般流程如下：企业结合实际产品或图纸要求，编制预焊接工艺规程(pWPS)→按 pWPS中技术要求焊制试件→由检验机构或本单位对试件按相关标准进行检验→所有检验项目合格后出具WPQR→根据焊接工艺评定报告编制WPS。如焊制的试件不符合验收标准，需重新焊制，检验后仍不合格，则焊接工艺评定失败，需重新调整工艺进行再次评定。

2 车钩面板搅拌摩擦焊工艺评定

2.1 接头设计

焊接工艺评定是有针对性的试验工作，应根据实际产品，设计与产品相匹配的接头形式。并在满足生产要求的情况下，尽可能考虑最大的覆盖范围，避免焊接工艺评定报告的重叠。ISO 25239-4中有3种标准接头，分别为板对接、管对接、板搭接。车钩面板作为高速动车重要承载构件，母材为25 mm的6005A-T6型材，其接头形式示意图如图1所示。车钩面板焊接工艺评定中设计的接头为25 mm、6005A-T6型材对接接头，与实际产品一致。

图1 车钩面板接头形式示意图

2.2 焊工要求

ISO 25239-4中对焊工是否有操作证书没有强制要求，但是施焊应由该单位人员进行。如经焊后检验，试件合格，此焊工可以获得ISO 25239-3操作证书。

2.3 制定pWPS

制定pWPS时应注意工艺参数的合理性，pWPS中的焊接工艺参数是经验或大量试验确定的最佳工艺参数。熔焊焊接工艺评定中的主要工艺参数是电弧电压、焊接电流、焊接速度，且熔焊技术相对成熟，确定合理的工艺参数相对容易。而搅拌摩擦焊自2002年引入中国，研究深度及应用程度远不及熔焊技术。同时搅拌摩擦焊的主要工艺参数较多，如搅拌头形状及材料、搅拌头旋转速度、压力、倾角、焊接速度等。基于此，在制定pWPS焊接工艺参数时，需要前期大量试验，进行工艺优化，最终确定最佳的焊接工艺参数。

车钩面板搅拌摩擦焊采用单轴肩双面焊，pWPS需明确搅拌头轴间直径、针长、搅拌头旋转速度、压力、倾角、焊接速度、焊后是否需要热处理及其它参数。

2.4 焊后检验

ISO 25239-4针对3种不同的接头形式，给出了相应的检验方法，包括无损检测和破坏性检测。

2.4.1无损检测

ISO 25239-4的3种接头形式：板对接、管对接、板搭接，焊后必须进行外观检验(VT)，VT结果应按ISO 25239-5“B级”评定。外观不允许出现孔洞，对错边和变形缺欠只允许在限定值内。其它外观缺欠，如飞边需按设计规范进行评定。车钩面板搅拌摩擦焊，焊接完成后必须由具有有效VT证书的检验人员对焊缝进行VT检验。

ISO 25239-4只对外观检验进行了强制要求，对其它无损检测方法并未强制要求，如渗透检测(PT)、射线检测(RT)或超声检测(UT)。这是因为搅拌摩擦焊是固相焊接，与常规熔焊相比，搅拌摩擦焊所产生的缺欠有明显的紧贴、细微难检测的特点，并且表面产生裂纹的可能性很小。因此在标准中除VT强制要求外，其它无损检验都需按设计规范进行。如对致密性要求严格，可能需要涡流检测或相控阵超声检测。目前，搅拌摩擦焊无损检测方法的研究已成为重点研究课题[8]。

VT检验合格后，设计规范要求进行其它无损检验，需按规范选择无损检测方法，如PT，RT，UT等。车钩面板搅拌摩擦焊，按设计规范进行无损检测。

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2.4.2破坏性检测

焊后对焊接接头实施破坏性检测，是验证焊接接头的性能能满足生产需求的一种手段。搅拌摩擦焊工艺评定标准中板对接、管对接必须进行拉伸试验、弯曲试验、宏观试验。板搭接需进行宏观试验。对板搭接接头的其它破坏性试验需按设计规范执行，如锤击S弯曲试验等。车钩面板作为重要的承载构件，其焊接接头性能直接影响产品安全。因此车钩面板必须进行拉伸、弯曲、宏观检验，确保焊接接头满足设计规范。

2.4.2.1拉伸试验

拉伸试验是验证焊接接头强度是否满足产品需求。在评定抗拉强度时，需根据材料组别、熔深厚度、焊前供货状态和焊后自然时效或人工时效选择正确的系数因子。如23组铝合金，供货转态是T6,熔深≤5 mm，焊后自然时效，计算抗拉强度时系数因子为0.7；若熔深>5 mm，其它条件不变，系数因子为0.6。如产品设计规范有要求，可按产品的规范执行。车钩座板搅拌摩擦焊按设计规范，焊后抗拉强度系数因子为0.7，抗拉强度达到250 MPa × 0.7 = 175 MPa。实际抗拉强度见表1。抗拉强度符合要求。

表1 抗拉强度

2.4.2.2弯曲试验

弯曲试验是验证焊接接头塑性的一种方式，要求弯曲180°，弯曲面不出现>3 mm的缺欠。在弯曲试验中需要注意的是压头直径的选择，应根据母材的最低延伸率，按照ISO 25239-4中的公式计算压头直径。压头直径选择不正确都会影响弯曲结果。车钩面板的搅拌摩擦焊弯曲180°未出现任何缺欠。

2.4.2.3宏观试验

宏观试验是检验焊缝内部宏观组织情况，评定标准为ISO 25239-5“B级”。宏观检验中不允许出现孔洞、未焊透缺欠。车钩面板的宏观金相如图2所示，金相未出现孔洞、未焊透等其它缺欠。车钩面板按pWPS焊制完成后，对焊接接头实施了外观检验、拉伸、弯曲、宏观检验，按评定标准均合格，因此焊接工艺合理，可以出具WPQR。

图2 车钩面板宏观金相

3 编制WPS

按照已生效的WPQR，依据ISO 25239-4中的覆盖范围，制定指导生产的WPS。超出标准规定的覆盖范围，需要新的WPQ。

ISO 25239-4无母材组别、厚度、接头形式的覆盖范围，因此依据WPQR编制的WPS，其相关参数均是WPQR中的实际参数。这可能是因为母材组别不同、厚度不同、接头形式不同、会造成焊接工艺参数较大的变化。而搅拌头的形状、针长、搅拌头旋转速度、焊接速度、压力、倾角等参数，任何一方的变化都会造成焊接接头组织和力学性能较大的改变。如母材厚度不同，采用相同的搅拌头，相同的针长，相同的工艺参数，很有可能造成未焊透等缺欠。或者改变工艺参数，如随着搅拌头旋转速度的提高，会产生大量的摩擦热，焊接完成后会产生起皮，更严重者有可能在焊核区产生隧道性孔洞缺欠；或者降低焊接速度，产生的热输入大，同样会产生飞边和孔洞缺欠。

车钩面板搅拌摩擦焊依据ISO 25239-4检验合格，出具WPQR，并编制WPS。因标准中无母材组别、厚度、接头形式的覆盖，实际焊制时焊接工艺参数严格按照WPS中的参数执行。

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4 结论

(1)WPQR为编制WPS提供了可靠的数据支撑。

(2)ISO 25239-4中无母材组别、厚度、接头类型的覆盖范围，依据WPQR颁布的WPS，其覆盖范围只限定在WPS中的参数。

(3)改变WPS中的任何参数，需要重新进行焊接工艺评定。