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ISO 25239-4:2020 FSW 焊接工艺规程与评定
摩擦搅拌焊焊接工艺的开发和评定
ISO 25239-4:2020 规定了铝合金摩擦搅拌焊的焊接工艺规程（WPS）和焊接工艺评定的要求。合格的焊接工艺是稳定、无缺陷 FSW 生产的基础。标准建立了一套系统的方法，用于在不同合金、厚度和接头配置下开发、测试和评定 FSW 工艺。
与熔焊中常见的预合格 WPS（如根据 AWS D1.2）不同，由于工具设计、材料特性和工艺参数之间的强相关性，FSW 目前需要对每个新应用进行工艺评定。
焊接工艺规程内容
标准规定了 FSW-WPS 中必须记录的最少信息。重要变量包括材料组和厚度、接头类型和尺寸、工具几何形状（轴肩直径、搅拌针直径、搅拌针长度、特征类型）、工具材料、旋转速度（范围）、行进速度（范围）、轴向力（范围）、工具倾角和下压深度。对重要变量的任何更改都需要重新评定工艺。
非重要变量包括夹紧方法、背垫材料、保护气体（使用时）和预热——这些更改不需要重新评定，但必须记录。标准提供了 FSW-WPS 格式模板，包括工具图纸参考、参数监控方法和生产焊缝验收标准等字段。
| 参数类别 | 示例 | 变更是否需要重新评定？ |
|---|---|---|
| 重要变量 | 材料组、厚度、接头类型、工具几何形状、旋转速度、行进速度、轴向力 | 是 |
| 非重要变量 | 夹紧方法、背垫材料、保护气体、预热 | 否 |
| 补充重要变量 | 热处理、焊后时效参数 | 是（适用时） |
工具几何形状经常被低估为一个重要变量。具有相同轴肩和搅拌针直径但特征几何形状不同（如螺纹与沟槽搅拌针、凹面与平面轴肩）的两个工具可能产生截然不同的焊接质量。始终在 WPS 中包含详细的工具图纸，并要求任何工具几何尺寸变化超过 0.1 mm 时重新评定。
工艺评定测试
评定需要焊接代表生产接头的试件，然后进行全面测试。破坏性试验包括横向拉伸试验（根据 ISO 4136）、弯曲试验（根据 ISO 5173）和宏观金相检验（根据 ISO 17639）。标准规定了最低验收标准：对于结构应用，抗拉强度必须达到母材强度的至少 90%，弯曲试样受拉面不得出现超过 3 mm 的缺陷，宏观截面不得有空隙、裂纹和未熔合。
无损检测包括目视检查（100% 生产焊缝），以及特定情况下用于关键应用的射线检测（ISO 17636）或超声检测（ISO 17640）。评定试件必须在复制生产约束的条件下生产，包括夹紧配置、背垫条件和所用设备。标准定义了厚度和直径的评定范围——例如，在 6 mm 材料上评定通常涵盖同种合金组和接头类型的 3-12 mm 范围。
在工艺开发过程中使用实验设计（DOE）方法，而非单因素逐一试验（OFAT）方法。FSW 参数之间存在强烈交互作用——例如，旋转速度和行进速度共同决定热输入和冷却速率。使用 15-20 次试验的 DOE 方法可以有效绘制参数窗口图谱，并以比 OFAT 更少的总试验次数确定最佳操作点。
常见问题
问：工艺评定需要多少个试件？
答：标准通常需要一个试件，从中提取多个测试样品：2 个拉伸、4 个弯曲（2 个正面、2 个背面）和 1 个宏观截面。根据应用要求，可能需要额外样品进行断裂韧性、疲劳或腐蚀测试。
答：标准通常需要一个试件，从中提取多个测试样品：2 个拉伸、4 个弯曲（2 个正面、2 个背面）和 1 个宏观截面。根据应用要求，可能需要额外样品进行断裂韧性、疲劳或腐蚀测试。
问：合格的工艺能否在不同 FSW 机器之间转移？
答：可以，但前提是机器特性（刚度、力能力、控制系统、主轴功率）等效。机器动力学的显著差异可能改变有效参数窗口。即使不强制要求重新评定，也建议在新机器上进行验证焊接和测试。
答：可以，但前提是机器特性（刚度、力能力、控制系统、主轴功率）等效。机器动力学的显著差异可能改变有效参数窗口。即使不强制要求重新评定，也建议在新机器上进行验证焊接和测试。
问：合格 FSW 工艺的有效期是多久？
答：ISO 25239-4 未规定工艺本身的固定有效期。只要生产条件不发生变化，WPS 保持有效。如果该工艺超过 3 年未使用，建议在恢复生产前进行审查和验证焊接。
答：ISO 25239-4 未规定工艺本身的固定有效期。只要生产条件不发生变化，WPS 保持有效。如果该工艺超过 3 年未使用，建议在恢复生产前进行审查和验证焊接。
问：WPS 中参数公差如何定义？
答：典型范围为旋转速度 ±10%、行进速度 ±15% 和轴向力 ±20%。这些范围必须在评定时进行验证——试件应在极端条件下（如最小旋转速度与最大行进速度组合）焊接，以确认工艺在参数边界处的稳健性。
答：典型范围为旋转速度 ±10%、行进速度 ±15% 和轴向力 ±20%。这些范围必须在评定时进行验证——试件应在极端条件下（如最小旋转速度与最大行进速度组合）焊接，以确认工艺在参数边界处的稳健性。
