摘要:隨著在軌道車輛中的應用日益廣泛，迫切需要建立軌道車輛攪拌摩擦焊接製造技術的行業標準，以指導攪拌摩擦焊接設計，規範攪拌摩擦焊接生產，保證焊接質量。但目前針對軌道車輛行業的攪拌摩擦焊技術標準還沒有制定，因此本文根據車輛行業實際情況，結合攪拌摩擦焊工藝穩定生產製造的需求，系統分析現有攪拌摩擦焊接標準的優缺點，為制定適合我國軌道車輛鋁合金焊接生產的攪拌摩擦焊技術行業標準奠定基礎。
1 引言
攪拌摩擦焊接技術具有接頭強度高，缺陷率低，變形小等優點，自發明以來技術不斷完善和進步，在航空航天、船舶等行業中的應用逐漸擴大。由於FSW過程中不需要填充材料，很大程度上避免了冶金問題的產生;且焊接過程中溫度低於材料的熔點，因此避免了結晶問題的出現。從而諸如氣孔、裂紋、偏析、變形等熔化焊常見的焊接性問題得以解決。
早在2000年左右，阿爾斯通、龐巴迪、日立、川琦重工、日本車輛製造等歐洲、日本列車製造商就開始把FSW技術應用於軌道車輛車體部件製造，並逐漸擴展應用範圍。近幾年，國內軌道車輛行業主要企業不斷開展相關技術研發和設備引進，已在城軌鋁合金車體中得到初步應用，進行了側牆、地板、端牆板等樣件的研製生產，或進行小批量生產，且逐漸向高速動車車體製造擴展。
但是現有工藝評定、質量驗收、焊縫檢測主要借用或依據弧焊標準轉化來的企業標準。為了進一步推廣該技術的應用並保證產品質量，不同國家地區和行業都制定了相關標準，例如國際標準ISO25239-鋁的攪拌摩擦焊，美國的AWSD17.3:2010一航空航天鋁合金攪拌摩擦焊技術規範，我國航天行業也制定了關於鋁合金攪拌摩擦焊的行業標準。
攪拌摩擦焊接方法與弧焊存在本質不同，隨著在軌道車輛中的應用日益廣泛，迫切需要建立軌道車輛攪拌摩擦焊接製造技術的行業標準，以指導攪拌摩擦焊接設計，規範攪拌摩擦焊接生產，保證焊接質量。但是，目前針對軌道車輛行業的攪拌摩擦焊技術標準還沒有制定，因此需要根據軌道車輛行業實際情況，系統分析現有攪拌摩擦焊接標準的優缺點，制定適合我國實際軌道車輛鋁合金焊接生產的攪拌摩擦焊技術行業標準，為該技術在軌道車輛生產中的應用和推廣提供依據。
1 攪拌摩擦焊接標準
國外對於攪拌摩擦焊接標準的研究已經開展了大量的工作，但受攪拌摩擦焊技術軍工應用背景及保持本企業攪拌摩擦焊技術領先地位等因素的影響，國外製定的有關攪拌摩擦焊標準方面的資料大都未公開報導。在國內，航空、航天等單位相繼開展了攪拌摩擦焊研究工作，實現了攪拌摩擦焊接技術在航空航天等製造領域的工程應用。
航天科技集團公司一院211廠在前期研究的基礎上，結合航天系統兄弟單位的應用經驗，編制了國內首份攪拌摩擦焊航天行業標準《鋁合金攪拌摩擦焊技術要求》，為攪拌摩擦焊接技術在航天領域的工程應用奠定了基礎。目前公開的攪拌摩擦焊標準有國際標準ISO252392011鋁的攪拌摩擦焊和美國的AWSD17.3:2010航空航天鋁合金攪拌摩擦焊技術規範。
國內公開的標準有航天行業標準QJ20043-2011鋁合金中厚板攪拌摩擦焊技術要求;QJ20044-2011鋁合金攪拌摩擦焊工藝規範;QJ20045.2011鋁合金攪拌摩擦焊接超聲波相控陣檢查方法;QJ20046-2011鋁合金摩擦塞補焊技術要求;QJ20047-2011鋁合金摩擦塞補焊工藝規範。
2 攪拌摩擦焊標準分析對比
2.1 適用範圍
雖然標準都是關於鋁合金的攪拌摩擦焊接，但對於鋁合金的種類及焊接工藝選擇有具體規定。IS025239標準中鋁就是指鋁及鋁合金，但標準中所有涉及的規定不包括攪拌摩擦點焊;
AWSD17.3標準中包含設計、攪拌摩擦焊接以及檢查鋁製航空航天硬體的要求，但其使用美制單位和國際單位制(SI)兩種測量單位，並且引用的其他標準均為美國標準;
QJ20043和QJ20044標準明確說明只適用於母材厚度為3mm一12mm的2A12,2A14,2219,5A03,5A06材料牌號的鋁合金工型對接接頭的攪拌摩擦焊。
2.2 焊縫設計
AWSD17.3和IS025239標準對焊縫設計要求的不同之處如下:
AWSD17.3中要求工程方應該說明由焊接工藝造成的殘餘應力或者提供控制或者最小化這些殘餘應力的方法(例如焊接後退火、老化)，這是從航空航天安全性考慮要求的。
對接接頭中，IS025239規定WPS文件必須指定對接接頭的熔深。
搭接接頭，AWSD17.3中規定從攪拌頭中心線到各重疊部件的邊緣的距離應該最小為工具肩部直徑的兩倍，IS025239中規定WPS文件應規定攪拌頭中心線與搭接邊緣之間的距離和攪拌針插入搭接接頭中的深度。IS025239中所用焊接符號符合IS02553標準，AWSD17.3中焊接符號均採用AWSA2.4標準。
2.3 焊工資質
AWSD17.3和工S025239標準對焊接操作人員要求有所不同。對於驗證焊工焊接能力的試件焊接，AWSD17.3對焊件的具體尺寸做出了明確規定，IS025239標準中則對試件取樣位置和性能測試做出了明確規定。
AWSD17.3標準中對焊接操作人員視力提出了明確要求，焊接操作員每隻眼睛均應該具有20/30或者更好的視覺分辨能力，並且應該能夠在16英寸(406mm距離上讀出Jaeger第2視力表。
矯正的或者未矯正的視力可以用於達到視力測試要求。應該至少每兩年按照這些要求測試一次視力AWSD17.3標準中給出了對於焊工測試所使用的試件連接類型。ISO25239-3和AWSD17.3標準對於證書的延期規定有不同之處，ISO25239-3標準中有一條規定延期條件為用於支持延期的證據應具有容積性質(放射線試驗或超聲波檢查)，或應在先前6個月期間對兩個焊接件進行破壞性試驗(斷裂或彎曲)一與延期有關的證據最低應保存2年。
AWSD17.3標準中對於焊接操作員沒有按照標準中7.1.1章節的要求通過視力測試或者在前兩年內沒有通過要求的視力測試不給予證書延長。
2.4 焊接工藝評定對比
三個標準體系，裡面都有關於焊前清理等準備工作的一些規定，但又不完全相同，就此列出以下不同之處:QJ20044標準中對於焊前試件的裝夾做出了更加詳細的要求。裝配、錯邊、偏移、定位焊有詳細的規定。新產品焊接前，因對焊接試件或試樣進行焊接工藝評定;批次生產前，應按以確定的工藝參數焊接試件或試樣，以驗證焊接工藝參數的穩定性，合格後方可焊接產品。
ISO25239-3相比於AWSD17.3,pWPS中還規定了要標明所使用的保護氣體，按照IS014175標出組成成分、製造商和氣體流量，如有需要，要標明焊前熱處理、預熱保持溫度和層間溫度。
AWSD17.3標準對於焊縫需要做何種破壞性試驗給出了具體要求。ISO25239-4和AWSD17.3規定做工藝評定的試件尺寸有所不同，對於工SO25239-4標準對接試件取樣處與ISO25239-3的取樣處相同。AWSD17.3標準中規定了焊接工藝評定報告(WPQR)中的變量。
(1)接縫設計
a從填角焊到槽焊的更改;
b墊板的增加或者撤除;
c焊縫根部間隙的增加超過了評定試驗中所使用的焊縫根部間隙的增加。
(2)基底金屬
a基底金屬厚度更改超過士5%;
b從無塗層鋁到有塗層鋁的更改(例如轉化塗層、陽極處理)，除非在焊接前從焊接區域清除塗層，反之不成立;
c從鋁製到包鋁的更改或者反之亦然，或者更改包覆類型，除非在焊接前從焊接區域清除包覆;
d更改合金類型，焊接前回火、或者焊接後回火，是單合金焊接還是多合金焊接。
(3)預熱溫度
a預熱溫度從合格溫度下降超過1000F[55℃]，
b對於可熱處理合金，預熱溫度從合格溫度上升超過1000F[55℃]。
c焊接後熱處理(PWHT)，從PWHT(焊接後熱處理)到無PWHT(焊接後熱處理)的更改，反之亦然。
(4)其他變量
a焊接方法的更改;
b鐵砧設計或者材料的更改;
c本標準6.3章節中所標識變量的更改，或者通過參考文件的更改。
2.5 質量檢驗要求
IS025239-4,AWSD17.3和QJ20043標準對焊接接頭的質量有了明確的規定。其中QJ20043標準要求更加詳細，對檢測方法做出了說明，例如採用單面攪拌摩擦焊，焊縫背面無加工餘量時，對Ⅰ、II級接頭根部弱結合缺陷應100%進行超聲相控陣檢測，超聲相控陣檢測按QJ20045.2011的規定進行，並按基準靈敏度進行評定;不能進行超聲相控陣檢測的接頭，應按設計文件規定，對焊件進行液壓、氣密試驗或對試件、試樣進行剖切金相檢查等旁證性試驗。
3 軌道車輛攪拌摩擦焊技術現狀
早在2000年左右，國外已把攪拌摩擦焊接技術應用於軌道車輛的批量生產製造。例如歐洲、日本著名列車製造商都在採用FSW技術，包括Alstom,Bombardier,CAF,Siemens、日立、川琦重工、住友輕金屬工業、日本車輛製造等。FSW在列車中應用部位廣泛，涉及焊接位置有:車頂板、側牆板、地板、列車底架。截止2006年，日本已生產單殼車體100輛以上;雙殼車體600輛以上，焊縫總長度超300km。
日立為「西武鐵道」製造的EMU20000系列市郊火車，雙層結構的側牆和車體採用FSW焊接，且為單面焊結構。在國內，株機公司、浦鎮公司、長客股份等先後小批量生產出攪拌摩擦焊接大部件並裝車使用。四方公司從2008年以來，開展攪拌摩擦焊基礎性研究和工程化應用研究工作，已建立企業技術標準體系，形成完整攪拌摩擦焊接工藝評價體系、製造工藝體系和質量標準體。成功研製6XXX系鋁合金、7XXX系鋁合金攪拌摩擦焊部件，形成批量化生產能力。完成時速350公裡某型動車組的牽引梁、枕梁、車鉤叢板座等關鍵部件的攪拌摩擦焊接。完成A型地鐵攪拌摩擦焊鋁合金車體的試製。但是針對軌道車輛行業的材料體系、產品結構、生產節拍、服役性能的特徵，仍需要進行大量的工作，以建立行業性的指導標準。
4 結論
通過以上討論及歸納，AWSD17.3,IS025239以及我國航天行業標準QJ20043-QJ20047主要構成要素相近，都包括了術語、工藝評定、人員資質認定、接頭檢測等技術推廣應用所必須的規定，但在具體條款上又略有差異。IS025239標準是國際標準，其包容性更強，沒有行業和國家限制。
其起草專家來自美國、英國、德國、日本等攪拌摩擦焊應用技術先進的國家，又考慮和各個國家的技術發展不平衡性，其條款規定在有指導性的前提下，在一些方面又適當放寬。美國AWSD17.3標準應用航空行業，相對於IS025239標準其要求稍嚴格，比如規定操作人員的視力情況有明確規定，對缺陷的容忍度也低，對接頭的殘餘應力也有要求，這都是行業決定的。
我國的航天行業標準QJ20043-QJ20047與上述兩個標準差別最大，在很多技術層面上給出了強制的要求，可以說是要求最為嚴格的。在檢測方面也專門制定了超聲相控陣檢測標準，並且專門針對缺陷的修補和塞補焊制定了標準。這些都是標準制定者在長期的生產中總結出來的，具有較大的指導意義。
攪拌摩擦焊接方法與弧焊存在本質不同，隨著在軌道車輛中的應用日益廣泛，因此需要根據軌道車輛行業實際情況，開展系列工藝試驗研究，制定適合我國實際軌道車輛鋁合金焊接生產的攪拌摩擦焊技術行業標準，為該技術在軌道車輛生產中的應用和推廣提供依據。
焊接知識普及 焊接技術諮詢
焊接工裝設備的採購
機器人知識普及 焊接標準