基于ISO 25239-4標(biāo)準(zhǔn)攪拌摩擦焊工藝評定的應(yīng)用

趙海燕 馮寬 張楠 鄧義剛

摘要： 文中以高速動車組車鉤面板攪拌摩擦焊為例，按ISO 25239-4標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊接工藝評定，在制定pWPS時(shí)應(yīng)選擇與實(shí)際產(chǎn)品相匹配的接頭形式、母材組別及母材厚度。焊后按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行外觀檢驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、宏觀試驗(yàn)，合格后出具WPQR，并以此為依據(jù)頒布用于生產(chǎn)的WPS。ISO 25239-4標(biāo)準(zhǔn)中無母材、接頭類型及厚度的覆蓋范圍，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)嚴(yán)格按照WPS中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行焊接。WPS中的參數(shù)有任何變化需重新進(jìn)行焊接工藝評定。

關(guān)鍵詞： 鋁合金; 攪拌摩擦焊; ISO 25239-4; 焊接工藝評定

中圖分類號： TG 47

Application of procedure qualification for friction stir welding based on ISO 25239-4

Zhao Haiyan， Feng Kuan， Zhang Nan， Deng Yigang

（Harbin Welding Training Institute， Harbin 150046， Heilongjiang， China）

Abstract： In this article， the friction stir welding of the coupler panel of the high-speed EMU was taken as an example. The welding procedure was qualified according to ISO 25239-4 standard. When preparing the pWPS， the joint form， base material group and base material thickness should be selected to match the actual product. After welding， the visual test， tensile test， bending test and macroscopic test were carried out according to the standard， and WPQR was issued after meeting the standard， and WPS for production was issued based on this. There was no coverage range of base material， joint type， or thickness in ISO 25239-4 standard. In actual production， welding was carried out in strict accordance with the parameters in WPS. A new welding procedure qualification must be carried out for any changes to the parameters in WPS.

Key words： ?aluminum alloy;? friction stir welding;? ISO 25239-4;? welding procedure qualification

0 前言

攪拌摩擦焊（Friction stir welding， FSW）是英國焊接研究所于1991年發(fā)明的一項(xiàng)固態(tài)連接技術(shù)[1]。與傳統(tǒng)熔焊相比，攪拌摩擦焊在焊接時(shí)無焊接煙塵、無污染、熱輸入低、變形量小、易實(shí)現(xiàn)自動化等優(yōu)點(diǎn)，已成功應(yīng)用于航空航天、船舶工業(yè)、汽車領(lǐng)域、軌道交通等領(lǐng)域[2-3]。特別是在軌道交通領(lǐng)域，攪拌摩擦焊已大量應(yīng)用于車體及各組成部件，如地鐵地板，輕軌側(cè)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(yīng)用于生產(chǎn)時(shí)必須有合理的焊接工藝規(guī)程（Welding procedure specification，? WPS）指導(dǎo)焊接生產(chǎn)，保證焊接產(chǎn)品質(zhì)量。在編制WPS之前，焊接工藝需經(jīng)過工藝驗(yàn)證，以確保焊接接頭性能能夠滿足設(shè)計(jì)規(guī)范或生產(chǎn)需求。焊接工藝評定（Welding procedure qualification， WPQ）就是驗(yàn)證焊接工藝的合理性，是對焊接工藝的綜合評判，也是評價(jià)焊接企業(yè)能否生產(chǎn)出符合相應(yīng)規(guī)范的焊接接頭的重要依據(jù)[6-7]。進(jìn)行焊接工藝評定時(shí)，企業(yè)可自行按照標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范出具焊接工藝評定報(bào)告（Welding procedure qualification record， WPQR），也可找第三方獨(dú)立機(jī)構(gòu)出具WPQR。機(jī)械工業(yè)哈爾濱焊接技術(shù)培訓(xùn)中心（WTI Harbin）作為第三方獨(dú)立機(jī)構(gòu)，自1999年開始為多家企業(yè)進(jìn)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(shù)量也在逐年上升，截至目前，已為20余家企業(yè)進(jìn)行了近百項(xiàng)攪拌摩擦焊WPQR。如中車唐山機(jī)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(zhèn)車輛有限公司、中車株洲電力機(jī)車有限公司、德州魯斯泰鋁業(yè)有限公司等。

攪拌摩擦焊焊接工藝評定標(biāo)準(zhǔn)為ISO 25239-4，此標(biāo)準(zhǔn)只適用于鋁合金攪拌摩擦焊，不適用攪拌摩擦點(diǎn)焊。

文中以ISO 25239-4為基礎(chǔ)，結(jié)合高速動車組車鉤面板的攪拌摩擦焊，探討在生產(chǎn)之前如何進(jìn)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(dǎo)書提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

1 焊接工藝評定流程

焊接工藝評定作為驗(yàn)證焊接工藝的重要手段，在實(shí)際生產(chǎn)中是必不可少的環(huán)節(jié)，指導(dǎo)焊接生產(chǎn)的WPS必須以合格的WPQR為依據(jù)，其焊接工藝評定的一般流程如下：企業(yè)結(jié)合實(shí)際產(chǎn)品或圖紙要求，編制預(yù)焊接工藝規(guī)程（pWPS）→按 pWPS中技術(shù)要求焊制試件→由檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)或本單位對試件按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)→所有檢驗(yàn)項(xiàng)目合格后出具WPQR→根據(jù)焊接工藝評定報(bào)告編制WPS。如焊制的試件不符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，需重新焊制，檢驗(yàn)后仍不合格，則焊接工藝評定失敗，需重新調(diào)整工藝進(jìn)行再次評定。

2 車鉤面板攪拌摩擦焊工藝評定

2.1 接頭設(shè)計(jì)

焊接工藝評定是有針對性的試驗(yàn)工作，應(yīng)根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品，設(shè)計(jì)與產(chǎn)品相匹配的接頭形式。并在滿足生產(chǎn)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(bào)告的重疊。ISO 25239-4中有3種標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)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(shè)計(jì)的接頭為25 mm、6005A-T6型材對接接頭，與實(shí)際產(chǎn)品一致。

2.2 焊工要求

ISO 25239-4中對焊工是否有操作證書沒有強(qiáng)制要求，但是施焊應(yīng)由該單位人員進(jìn)行。如經(jīng)焊后檢驗(yàn)，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(shí)應(yīng)注意工藝參數(shù)的合理性，pWPS中的焊接工藝參數(shù)是經(jīng)驗(yàn)或大量試驗(yàn)確定的最佳工藝參數(shù)。熔焊焊接工藝評定中的主要工藝參數(shù)是電弧電壓、焊接電流、焊接速度，且熔焊技術(shù)相對成熟，確定合理的工藝參數(shù)相對容易。而攪拌摩擦焊自2002年引入中國，研究深度及應(yīng)用程度遠(yuǎn)不及熔焊技術(shù)。同時(shí)攪拌摩擦焊的主要工藝參數(shù)較多，如攪拌頭形狀及材料、攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度、壓力、傾角、焊接速度等。基于此，在制定pWPS焊接工藝參數(shù)時(shí)，需要前期大量試驗(yàn)，進(jìn)行工藝優(yōu)化，最終確定最佳的焊接工藝參數(shù)。

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(zhuǎn)速度、壓力、傾角、焊接速度、焊后是否需要熱處理及其它參數(shù)。

2.4 焊后檢驗(yàn)

ISO 25239-4針對3種不同的接頭形式，給出了相應(yīng)的檢驗(yàn)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(jìn)行外觀檢驗(yàn)（VT），VT結(jié)果應(yīng)按ISO 25239-5“B級”評定。外觀不允許出現(xiàn)孔洞，對錯(cuò)邊和變形缺欠只允許在限定值內(nèi)。其它外觀缺欠，如飛邊需按設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)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(yàn)人員對焊縫進(jìn)行VT檢驗(yàn)。

ISO 25239-4只對外觀檢驗(yàn)進(jìn)行了強(qiáng)制要求，對其它無損檢測方法并未強(qiáng)制要求，如滲透檢測（PT）、射線檢測（RT）或超聲檢測（UT）。這是因?yàn)閿嚢枘Σ梁甘枪滔嗪附樱c常規(guī)熔焊相比，攪拌摩擦焊所產(chǎn)生的缺欠有明顯的緊貼、細(xì)微難檢測的特點(diǎn)，并且表面產(chǎn)生裂紋的可能性很小。因此在標(biāo)準(zhǔn)中除VT強(qiáng)制要求外，其它無損檢驗(yàn)都需按設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行。如對致密性要求嚴(yán)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(diǎn)研究課題[8]。

VT檢驗(yàn)合格后，設(shè)計(jì)規(guī)范要求進(jìn)行其它無損檢驗(yàn)，需按規(guī)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(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行無損檢測。

2.4.2 破壞性檢測

焊后對焊接接頭實(shí)施破壞性檢測，是驗(yàn)證焊接接頭的性能能滿足生產(chǎn)需求的一種手段。攪拌摩擦焊工藝評定標(biāo)準(zhǔn)中板對接、管對接必須進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、宏觀試驗(yàn)。板搭接需進(jìn)行宏觀試驗(yàn)。對板搭接接頭的其它破壞性試驗(yàn)需按設(shè)計(jì)規(guī)范執(zhí)行，如錘擊S彎曲試驗(yàn)等。車鉤面板作為重要的承載構(gòu)件，其焊接接頭性能直接影響產(chǎn)品安全。因此車鉤面板必須進(jìn)行拉伸、彎曲、宏觀檢驗(yàn)，確保焊接接頭滿足設(shè)計(jì)規(guī)范。

2.4.2.1 拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)是驗(yàn)證焊接接頭強(qiáng)度是否滿足產(chǎn)品需求。在評定抗拉強(qiáng)度時(shí)，需根據(jù)材料組別、熔深厚度、焊前供貨狀態(tài)和焊后自然時(shí)效或人工時(shí)效選擇正確的系數(shù)因子。如23組鋁合金，供貨轉(zhuǎn)態(tài)是T6，熔深≤5 mm，焊后自然時(shí)效，計(jì)算抗拉強(qiáng)度時(shí)系數(shù)因子為0.7;若熔深>5 mm，其它條件不變，系數(shù)因子為0.6。如產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范有要求，可按產(chǎn)品的規(guī)范執(zhí)行。車鉤座板攪拌摩擦焊按設(shè)計(jì)規(guī)范，焊后抗拉強(qiáng)度系數(shù)因子為0.7，抗拉強(qiáng)度達(dá)到250 MPa × 0.7 = 175 MPa。實(shí)際抗拉強(qiáng)度見表1?？估瓘?qiáng)度符合要求。

2.4.2.2 彎曲試驗(yàn)

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

2.4.2.3 宏觀試驗(yàn)

宏觀試驗(yàn)是檢驗(yàn)焊縫內(nèi)部宏觀組織情況，評定標(biāo)準(zhǔn)為ISO 25239-5“B級”。宏觀檢驗(yàn)中不允許出現(xiàn)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(xiàn)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(shí)施了外觀檢驗(yàn)、拉伸、彎曲、宏觀檢驗(yàn)，按評定標(biāo)準(zhǔn)均合格，因此焊接工藝合理，可以出具WPQR。

3 編制WPS

按照已生效的WPQR，依據(jù)ISO 25239-4中的覆蓋范圍，制定指導(dǎo)生產(chǎn)的WPS。超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(jù)WPQR編制的WPS，其相關(guān)參數(shù)均是WPQR中的實(shí)際參數(shù)。這可能是因?yàn)槟覆慕M別不同、厚度不同、接頭形式不同、會造成焊接工藝參數(shù)較大的變化。而攪拌頭的形狀、針長、攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度、壓力、傾角等參數(shù)，任何一方的變化都會造成焊接接頭組織和力學(xué)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(shù)，很有可能造成未焊透等缺欠?；蛘吒淖児に噮?shù)，如隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的提高，會產(chǎn)生大量的摩擦熱，焊接完成后會產(chǎn)生起皮，更嚴(yán)重者有可能在焊核區(qū)產(chǎn)生隧道性孔洞缺欠;或者降低焊接速度，產(chǎn)生的熱輸入大，同樣會產(chǎn)生飛邊和孔洞缺欠。

車鉤面板攪拌摩擦焊依據(jù)ISO 25239-4檢驗(yàn)合格，出具WPQR，并編制WPS。因標(biāo)準(zhǔn)中無母材組別、厚度、接頭形式的覆蓋，實(shí)際焊制時(shí)焊接工藝參數(shù)嚴(yán)格按照WPS中的參數(shù)執(zhí)行。

4 結(jié)論

（1）WPQR為編制WPS提供了可靠的數(shù)據(jù)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(jù)WPQR頒布的WPS，其覆蓋范圍只限定在WPS中的參數(shù)。

（3）改變WPS中的任何參數(shù)，需要重新進(jìn)行焊接工藝評定。

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