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首页 > 服务项目 > 压力容器许可证 > 搅拌摩擦焊接标准的分析研究压力容器资质：搅拌摩擦焊接标准的分析研究
1 引言
搅拌摩擦焊接技术具有接头强度高，缺陷率低，变形小等优点，自发明以来技术不断完善和进步，在航空航天、船舶等行业中的应用逐渐扩大。由于FSW过程中不需要填充材料，很大程度上避免了冶金问题的产生;且焊接过程中温度低于材料的熔点，因此避免了结晶问题的出现。从而诸如气孔、裂纹、偏析、变形等熔化焊常见的焊接性问题得以解决。
早在2000年左右，阿尔斯通、庞巴迪、日立、川琦重工、日本车辆制造等欧洲、日本列车制造商就开始把FSW技术应用于轨道车辆车体部件制造，并逐渐扩展应用范围。近几年，国内轨道车辆行业主要企业不断开展相关技术研发和设备引进，已在城轨铝合金车体中得到初步应用，进行了侧墙、地板、端墙板等样件的研制生产，或进行小批量生产，且逐渐向高速动车车体制造扩展。
但是现有工艺评定、质量验收、焊缝检测主要借用或依据弧焊标准转化来的企业标准。为了进一步推广该技术的应用并保证产品质量，不同国家地区和行业都制定了相关标准，例如国际标准ISO25239-铝的搅拌摩擦焊，美国的AWSD17.3:2010一航空航天铝合金搅拌摩擦焊技术规范，我国航天行业也制定了关于铝合金搅拌摩擦焊的行业标准。
搅拌摩擦焊接方法与弧焊存在本质不同，随着在轨道车辆中的应用日益广泛，迫切需要建立轨道车辆搅拌摩擦焊接制造技术的行业标准，以指导搅拌摩擦焊接设计，规范搅拌摩擦焊接生产，保证焊接质量。但是，目前针对轨道车辆行业的搅拌摩擦焊技术标准还没有制定，因此需要根据轨道车辆行业实际情况，系统分析现有搅拌摩擦焊接标准的优缺点，制定适合我国实际轨道车辆铝合金焊接生产的搅拌摩擦焊技术行业标准，为该技术在轨道车辆生产中的应用和推广提供依据。
2 搅拌摩擦焊接标准
国外对于搅拌摩擦焊接标准的研究已经开展了大量的工作，但受搅拌摩擦焊技术军工应用背景及保持本企业搅拌摩擦焊技术领先地位等因素的影响，国外制定的有关搅拌摩擦焊标准方面的资料大都未公开报道。在国内，航空、航天等单位相继开展了搅拌摩擦焊研究工作，实现了搅拌摩擦焊接技术在航空航天等制造领域的工程应用。
航天科技集团公司一院211厂在前期研究的基础上，结合航天系统兄弟单位的应用经验，编制了国内首份搅拌摩擦焊航天行业标准《铝合金搅拌摩擦焊技术要求》，为搅拌摩擦焊接技术在航天领域的工程应用奠定了基础。目前公开的搅拌摩擦焊标准有国际标准ISO252392011铝的搅拌摩擦焊和美国的AWSD17.3:2010航空航天铝合金搅拌摩擦焊技术规范。
国内公开的标准有航天行业标准QJ20043-2011铝合金中厚板搅拌摩擦焊技术要求;QJ20044-2011铝合金搅拌摩擦焊工艺规范;QJ20045.2011铝合金搅拌摩擦焊接超声波相控阵检查方法;QJ20046-2011铝合金摩擦塞补焊技术要求;QJ20047-2011铝合金摩擦塞补焊工艺规范。
3 搅拌摩擦焊标准分析对比
3.1 适用范围
虽然标准都是关于铝合金的搅拌摩擦焊接，但对于铝合金的种类及焊接工艺选择有具体规定。IS025239标准中铝就是指铝及铝合金，但标准中所有涉及的规定不包括搅拌摩擦点焊;
AWSD17.3标准中包含设计、搅拌摩擦焊接以及检查铝制航空航天硬件的要求，但其使用美制单位和国际单位制(SI)两种测量单位，并且引用的其他标准均为美国标准;
QJ20043和QJ20044标准明确说明只适用于母材厚度为3mm一12mm的2A12,2A14,2219,5A03,5A06材料牌号的铝合金工型对接接头的搅拌摩擦焊。
3.2 焊缝设计
AWSD17.3和IS025239标准对焊缝设计要求的不同之处如下:
AWSD17.3中要求工程方应该说明由焊接工艺造成的残余应力或者提供控制或者最小化这些残余应力的方法(例如焊接后退火、老化)，这是从航空航天安全性考虑要求的。
对接接头中，IS025239规定WPS文件必须指定对接接头的熔深。
搭接接头，AWSD17.3中规定从搅拌头中心线到各重叠部件的边缘的距离应该最小为工具肩部直径的两倍，IS025239中规定WPS文件应规定搅拌头中心线与搭接边缘之间的距离和搅拌针插入搭接接头中的深度。IS025239中所用焊接符号符合IS02553标准，AWSD17.3中焊接符号均采用AWSA2.4标准。
3.3 焊工资质
AWSD17.3和工S025239标准对焊接操作人员要求有所不同。对于验证焊工焊接能力的试件焊接，AWSD17.3对焊件的具体尺寸做出了明确规定，IS025239标准中则对试件取样位置和性能测试做出了明确规定。
AWSD17.3标准中对焊接操作人员视力提出了明确要求，焊接操作员每只眼睛均应该具有20/30或者更好的视觉分辨能力，并且应该能够在16英寸(406mm距离上读出Jaeger第2视力表。
矫正的或者未矫正的视力可以用于达到视力测试要求。应该至少每两年按照这些要求测试一次视力AWSD17.3标准中给出了对于焊工测试所使用的试件连接类型。ISO25239-3和AWSD17.3标准对于证书的延期规定有不同之处，ISO25239-3标准中有一条规定延期条件为用于支持延期的证据应具有容积性质(放射线试验或超声波检查)，或应在先前6个月期间对两个焊接件进行破坏性试验(断裂或弯曲)一与延期有关的证据最低应保存2年。
AWSD17.3标准中对于焊接操作员没有按照标准中7.1.1章节的要求通过视力测试或者在前两年内没有通过要求的视力测试不给予证书延长。
3.4 焊接工艺评定对比
三个标准体系，里面都有关于焊前清理等准备工作的一些规定，但又不完全相同，就此列出以下不同之处:QJ20044标准中对于焊前试件的装夹做出了更加详细的要求。装配、错边、偏移、定位焊有详细的规定。新产品焊接前，因对焊接试件或试样进行焊接工艺评定;批次生产前，应按以确定的工艺参数焊接试件或试样，以验证焊接工艺参数的稳定性，合格后方可焊接产品。
ISO25239-3相比于AWSD17.3,pWPS中还规定了要标明所使用的保护气体，按照IS014175标出组成成分、制造商和气体流量，如有需要，要标明焊前热处理、预热保持温度和层间温度。
AWSD17.3标准对于焊缝需要做何种破坏性试验给出了具体要求。ISO25239-4和AWSD17.3规定做工艺评定的试件尺寸有所不同，对于工SO25239-4标准对接试件取样处与ISO25239-3的取样处相同。AWSD17.3标准中规定了焊接工艺评定报告(WPQR)中的变量。
(1)接缝设计
a从填角焊到槽焊的更改;
b垫板的增加或者撤除;
c焊缝根部间隙的增加超过了评定试验中所使用的焊缝根部间隙的增加。
(2)基底金属
a基底金属厚度更改超过士5%;
b从无涂层铝到有涂层铝的更改(例如转化涂层、阳极处理)，除非在焊接前从焊接区域清除涂层，反之不成立;
c从铝制到包铝的更改或者反之亦然，或者更改包覆类型，除非在焊接前从焊接区域清除包覆;
d更改合金类型，焊接前回火、或者焊接后回火，是单合金焊接还是多合金焊接。
(3)预热温度
a预热温度从合格温度下降超过1000F[55℃]，
b对于可热处理合金，预热温度从合格温度上升超过1000F[55℃]。
c焊接后热处理(PWHT)，从PWHT(焊接后热处理)到无PWHT(焊接后热处理)的更改，反之亦然。
(4)其他变量
a焊接方法的更改;
b铁砧设计或者材料的更改;
c本标准6.3章节中所标识变量的更改，或者通过参考文件的更改。
3.5 质量检验要求
IS025239-4,AWSD17.3和QJ20043标准对焊接接头的质量有了明确的规定。其中QJ20043标准要求更加详细，对检测方法做出了说明，例如采用单面搅拌摩擦焊，焊缝背面无加工余量时，对Ⅰ、II级接头根部弱结合缺陷应100%进行超声相控阵检测，超声相控阵检测按QJ20045.2011的规定进行，并按基准灵敏度进行评定;不能进行超声相控阵检测的接头，应按设计文件规定，对焊件进行液压、气密试验或对试件、试样进行剖切金相检查等旁证性试验。
4 轨道车辆搅拌摩擦焊技术现状
早在2000年左右，国外已把搅拌摩擦焊接技术应用于轨道车辆的批量生产制造。例如欧洲、日本著名列车制造商都在采用FSW技术，包括Alstom,Bombardier,CAF,Siemens、日立、川琦重工、住友轻金属工业、日本车辆制造等。FSW在列车中应用部位广泛，涉及焊接位置有:车顶板、侧墙板、地板、列车底架。截止2006年，日本已生产单壳车体100辆以上;双壳车体600辆以上，焊缝总长度超300km。
日立为“西武铁道”制造的EMU20000系列市郊火车，双层结构的侧墙和车体采用FSW焊接，且为单面焊结构。在国内，株机公司、浦镇公司、长客股份等先后小批量生产出搅拌摩擦焊接大部件并装车使用。四方公司从2008年以来，开展搅拌摩擦焊基础性研究和工程化应用研究工作，已建立企业技术标准体系，形成完整搅拌摩擦焊接工艺评价体系、制造工艺体系和质量标准体。成功研制6XXX系铝合金、7XXX系铝合金搅拌摩擦焊部件，形成批量化生产能力。完成时速350公里某型动车组的牵引梁、枕梁、车钩丛板座等关键部件的搅拌摩擦焊接。完成A型地铁搅拌摩擦焊铝合金车体的试制。但是针对轨道车辆行业的材料体系、产品结构、生产节拍、服役性能的特征，仍需要进行大量的工作，以建立行业性的指导标准。
5 结论
通过以上讨论及归纳，AWSD17.3,IS025239以及我国航天行业标准QJ20043-QJ20047主要构成要素相近，都包括了术语、工艺评定、人员资质认定、接头检测等技术推广应用所必须的规定，但在具体条款上又略有差异。IS025239标准是国际标准，其包容性更强，没有行业和国家限制。
其起草专家来自美国、英国、德国、日本等搅拌摩擦焊应用技术先进的国家，又考虑和各个国家的技术发展不平衡性，其条款规定在有指导性的前提下，在一些方面又适当放宽。美国AWSD17.3标准应用航空行业，相对于IS025239标准其要求稍严格，比如规定操作人员的视力情况有明确规定，对缺陷的容忍度也低，对接头的残余应力也有要求，这都是行业决定的。
我国的航天行业标准QJ20043-QJ20047与上述两个标准差别最大，在很多技术层面上给出了强制的要求，可以说是要求最为严格的。在检测方面也专门制定了超声相控阵检测标准，并且专门针对缺陷的修补和塞补焊制定了标准。这些都是标准制定者在长期的生产中总结出来的，具有较大的指导意义。
搅拌摩擦焊接方法与弧焊存在本质不同，随着在轨道车辆中的应用日益广泛，因此需要根据轨道车辆行业实际情况，开展系列工艺试验研究，制定适合我国实际轨道车辆铝合金焊接生产的搅拌摩擦焊技术行业标准，为该技术在轨道车辆生产中的应用和推广提供依据。
搅拌摩擦焊接技术具有接头强度高，缺陷率低，变形小等优点，自发明以来技术不断完善和进步，在航空航天、船舶等行业中的应用逐渐扩大。由于FSW过程中不需要填充材料，很大程度上避免了冶金问题的产生;且焊接过程中温度低于材料的熔点，因此避免了结晶问题的出现。从而诸如气孔、裂纹、偏析、变形等熔化焊常见的焊接性问题得以解决。
早在2000年左右，阿尔斯通、庞巴迪、日立、川琦重工、日本车辆制造等欧洲、日本列车制造商就开始把FSW技术应用于轨道车辆车体部件制造，并逐渐扩展应用范围。近几年，国内轨道车辆行业主要企业不断开展相关技术研发和设备引进，已在城轨铝合金车体中得到初步应用，进行了侧墙、地板、端墙板等样件的研制生产，或进行小批量生产，且逐渐向高速动车车体制造扩展。
但是现有工艺评定、质量验收、焊缝检测主要借用或依据弧焊标准转化来的企业标准。为了进一步推广该技术的应用并保证产品质量，不同国家地区和行业都制定了相关标准，例如国际标准ISO25239-铝的搅拌摩擦焊，美国的AWSD17.3:2010一航空航天铝合金搅拌摩擦焊技术规范，我国航天行业也制定了关于铝合金搅拌摩擦焊的行业标准。
搅拌摩擦焊接方法与弧焊存在本质不同，随着在轨道车辆中的应用日益广泛，迫切需要建立轨道车辆搅拌摩擦焊接制造技术的行业标准，以指导搅拌摩擦焊接设计，规范搅拌摩擦焊接生产，保证焊接质量。但是，目前针对轨道车辆行业的搅拌摩擦焊技术标准还没有制定，因此需要根据轨道车辆行业实际情况，系统分析现有搅拌摩擦焊接标准的优缺点，制定适合我国实际轨道车辆铝合金焊接生产的搅拌摩擦焊技术行业标准，为该技术在轨道车辆生产中的应用和推广提供依据。
2 搅拌摩擦焊接标准
国外对于搅拌摩擦焊接标准的研究已经开展了大量的工作，但受搅拌摩擦焊技术军工应用背景及保持本企业搅拌摩擦焊技术领先地位等因素的影响，国外制定的有关搅拌摩擦焊标准方面的资料大都未公开报道。在国内，航空、航天等单位相继开展了搅拌摩擦焊研究工作，实现了搅拌摩擦焊接技术在航空航天等制造领域的工程应用。
航天科技集团公司一院211厂在前期研究的基础上，结合航天系统兄弟单位的应用经验，编制了国内首份搅拌摩擦焊航天行业标准《铝合金搅拌摩擦焊技术要求》，为搅拌摩擦焊接技术在航天领域的工程应用奠定了基础。目前公开的搅拌摩擦焊标准有国际标准ISO252392011铝的搅拌摩擦焊和美国的AWSD17.3:2010航空航天铝合金搅拌摩擦焊技术规范。
国内公开的标准有航天行业标准QJ20043-2011铝合金中厚板搅拌摩擦焊技术要求;QJ20044-2011铝合金搅拌摩擦焊工艺规范;QJ20045.2011铝合金搅拌摩擦焊接超声波相控阵检查方法;QJ20046-2011铝合金摩擦塞补焊技术要求;QJ20047-2011铝合金摩擦塞补焊工艺规范。
3 搅拌摩擦焊标准分析对比
3.1 适用范围
虽然标准都是关于铝合金的搅拌摩擦焊接，但对于铝合金的种类及焊接工艺选择有具体规定。IS025239标准中铝就是指铝及铝合金，但标准中所有涉及的规定不包括搅拌摩擦点焊;
AWSD17.3标准中包含设计、搅拌摩擦焊接以及检查铝制航空航天硬件的要求，但其使用美制单位和国际单位制(SI)两种测量单位，并且引用的其他标准均为美国标准;
QJ20043和QJ20044标准明确说明只适用于母材厚度为3mm一12mm的2A12,2A14,2219,5A03,5A06材料牌号的铝合金工型对接接头的搅拌摩擦焊。
3.2 焊缝设计
AWSD17.3和IS025239标准对焊缝设计要求的不同之处如下:
AWSD17.3中要求工程方应该说明由焊接工艺造成的残余应力或者提供控制或者最小化这些残余应力的方法(例如焊接后退火、老化)，这是从航空航天安全性考虑要求的。
对接接头中，IS025239规定WPS文件必须指定对接接头的熔深。
搭接接头，AWSD17.3中规定从搅拌头中心线到各重叠部件的边缘的距离应该最小为工具肩部直径的两倍，IS025239中规定WPS文件应规定搅拌头中心线与搭接边缘之间的距离和搅拌针插入搭接接头中的深度。IS025239中所用焊接符号符合IS02553标准，AWSD17.3中焊接符号均采用AWSA2.4标准。
3.3 焊工资质
AWSD17.3和工S025239标准对焊接操作人员要求有所不同。对于验证焊工焊接能力的试件焊接，AWSD17.3对焊件的具体尺寸做出了明确规定，IS025239标准中则对试件取样位置和性能测试做出了明确规定。
AWSD17.3标准中对焊接操作人员视力提出了明确要求，焊接操作员每只眼睛均应该具有20/30或者更好的视觉分辨能力，并且应该能够在16英寸(406mm距离上读出Jaeger第2视力表。
矫正的或者未矫正的视力可以用于达到视力测试要求。应该至少每两年按照这些要求测试一次视力AWSD17.3标准中给出了对于焊工测试所使用的试件连接类型。ISO25239-3和AWSD17.3标准对于证书的延期规定有不同之处，ISO25239-3标准中有一条规定延期条件为用于支持延期的证据应具有容积性质(放射线试验或超声波检查)，或应在先前6个月期间对两个焊接件进行破坏性试验(断裂或弯曲)一与延期有关的证据最低应保存2年。
AWSD17.3标准中对于焊接操作员没有按照标准中7.1.1章节的要求通过视力测试或者在前两年内没有通过要求的视力测试不给予证书延长。
3.4 焊接工艺评定对比
三个标准体系，里面都有关于焊前清理等准备工作的一些规定，但又不完全相同，就此列出以下不同之处:QJ20044标准中对于焊前试件的装夹做出了更加详细的要求。装配、错边、偏移、定位焊有详细的规定。新产品焊接前，因对焊接试件或试样进行焊接工艺评定;批次生产前，应按以确定的工艺参数焊接试件或试样，以验证焊接工艺参数的稳定性，合格后方可焊接产品。
ISO25239-3相比于AWSD17.3,pWPS中还规定了要标明所使用的保护气体，按照IS014175标出组成成分、制造商和气体流量，如有需要，要标明焊前热处理、预热保持温度和层间温度。
AWSD17.3标准对于焊缝需要做何种破坏性试验给出了具体要求。ISO25239-4和AWSD17.3规定做工艺评定的试件尺寸有所不同，对于工SO25239-4标准对接试件取样处与ISO25239-3的取样处相同。AWSD17.3标准中规定了焊接工艺评定报告(WPQR)中的变量。
(1)接缝设计
a从填角焊到槽焊的更改;
b垫板的增加或者撤除;
c焊缝根部间隙的增加超过了评定试验中所使用的焊缝根部间隙的增加。
(2)基底金属
a基底金属厚度更改超过士5%;
b从无涂层铝到有涂层铝的更改(例如转化涂层、阳极处理)，除非在焊接前从焊接区域清除涂层，反之不成立;
c从铝制到包铝的更改或者反之亦然，或者更改包覆类型，除非在焊接前从焊接区域清除包覆;
d更改合金类型，焊接前回火、或者焊接后回火，是单合金焊接还是多合金焊接。
(3)预热温度
a预热温度从合格温度下降超过1000F[55℃]，
b对于可热处理合金，预热温度从合格温度上升超过1000F[55℃]。
c焊接后热处理(PWHT)，从PWHT(焊接后热处理)到无PWHT(焊接后热处理)的更改，反之亦然。
(4)其他变量
a焊接方法的更改;
b铁砧设计或者材料的更改;
c本标准6.3章节中所标识变量的更改，或者通过参考文件的更改。
3.5 质量检验要求
IS025239-4,AWSD17.3和QJ20043标准对焊接接头的质量有了明确的规定。其中QJ20043标准要求更加详细，对检测方法做出了说明，例如采用单面搅拌摩擦焊，焊缝背面无加工余量时，对Ⅰ、II级接头根部弱结合缺陷应100%进行超声相控阵检测，超声相控阵检测按QJ20045.2011的规定进行，并按基准灵敏度进行评定;不能进行超声相控阵检测的接头，应按设计文件规定，对焊件进行液压、气密试验或对试件、试样进行剖切金相检查等旁证性试验。
4 轨道车辆搅拌摩擦焊技术现状
早在2000年左右，国外已把搅拌摩擦焊接技术应用于轨道车辆的批量生产制造。例如欧洲、日本著名列车制造商都在采用FSW技术，包括Alstom,Bombardier,CAF,Siemens、日立、川琦重工、住友轻金属工业、日本车辆制造等。FSW在列车中应用部位广泛，涉及焊接位置有:车顶板、侧墙板、地板、列车底架。截止2006年，日本已生产单壳车体100辆以上;双壳车体600辆以上，焊缝总长度超300km。
日立为“西武铁道”制造的EMU20000系列市郊火车，双层结构的侧墙和车体采用FSW焊接，且为单面焊结构。在国内，株机公司、浦镇公司、长客股份等先后小批量生产出搅拌摩擦焊接大部件并装车使用。四方公司从2008年以来，开展搅拌摩擦焊基础性研究和工程化应用研究工作，已建立企业技术标准体系，形成完整搅拌摩擦焊接工艺评价体系、制造工艺体系和质量标准体。成功研制6XXX系铝合金、7XXX系铝合金搅拌摩擦焊部件，形成批量化生产能力。完成时速350公里某型动车组的牵引梁、枕梁、车钩丛板座等关键部件的搅拌摩擦焊接。完成A型地铁搅拌摩擦焊铝合金车体的试制。但是针对轨道车辆行业的材料体系、产品结构、生产节拍、服役性能的特征，仍需要进行大量的工作，以建立行业性的指导标准。
5 结论
通过以上讨论及归纳，AWSD17.3,IS025239以及我国航天行业标准QJ20043-QJ20047主要构成要素相近，都包括了术语、工艺评定、人员资质认定、接头检测等技术推广应用所必须的规定，但在具体条款上又略有差异。IS025239标准是国际标准，其包容性更强，没有行业和国家限制。
其起草专家来自美国、英国、德国、日本等搅拌摩擦焊应用技术先进的国家，又考虑和各个国家的技术发展不平衡性，其条款规定在有指导性的前提下，在一些方面又适当放宽。美国AWSD17.3标准应用航空行业，相对于IS025239标准其要求稍严格，比如规定操作人员的视力情况有明确规定，对缺陷的容忍度也低，对接头的残余应力也有要求，这都是行业决定的。
我国的航天行业标准QJ20043-QJ20047与上述两个标准差别最大，在很多技术层面上给出了强制的要求，可以说是要求最为严格的。在检测方面也专门制定了超声相控阵检测标准，并且专门针对缺陷的修补和塞补焊制定了标准。这些都是标准制定者在长期的生产中总结出来的，具有较大的指导意义。
搅拌摩擦焊接方法与弧焊存在本质不同，随着在轨道车辆中的应用日益广泛，因此需要根据轨道车辆行业实际情况，开展系列工艺试验研究，制定适合我国实际轨道车辆铝合金焊接生产的搅拌摩擦焊技术行业标准，为该技术在轨道车辆生产中的应用和推广提供依据。
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