一種摩擦清理均化下的電弧金屬螺柱焊接方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種摩擦清理均化下的電弧金屬螺柱焊接方法及裝置，本發(fā)明是將金屬螺柱的端面與金屬基板的表面經(jīng)摩擦清理預(yù)先處理、轉(zhuǎn)軸動(dòng)弧均化加熱、摩擦界面清理均化和頂鍛流塑變形結(jié)合，而制得性能優(yōu)良的金屬螺柱焊接接頭成品。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)厚大金屬板材與中大直徑金屬螺柱的焊接，適用于鋼、鎳、銅、鈦、鋁或鎂金屬螺柱與同種或異種金屬材料基板之間的焊接，特別適用于脆性、難焊導(dǎo)體材料金屬螺柱以及大直徑、高碳當(dāng)量鋼金屬螺柱的焊接。
【專利說明】一種摩擦清理均化下的電弧金屬螺柱焊接方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種金屬螺柱焊接方法，特別是涉及一種摩擦清理均化下的電弧金屬螺柱焊接方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬螺柱焊是指一種將金屬螺柱或類似的金屬柱狀物及其他緊固件焊接在金屬工件上的方法。金屬螺柱焊作為一種簡便、高速、低耗、低污染的先進(jìn)焊接技術(shù)，廣泛適用于車輛、造船、鍋爐、鋼結(jié)構(gòu)、建筑、電子、儀表、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。按實(shí)現(xiàn)金屬螺柱焊的熱源分類，金屬螺柱焊可分為電阻焊、摩擦焊、爆炸焊及電弧焊等焊接方法。按實(shí)現(xiàn)金屬螺柱焊的電源分類，電弧螺柱焊可分為穩(wěn)定電弧螺柱焊(電弧螺柱焊)、不穩(wěn)定電弧螺柱焊(電容放電螺柱焊或電容儲(chǔ)能螺柱焊)和短周期螺柱焊。其中，電容放電螺柱焊的特點(diǎn)是利用電容充電儲(chǔ)存能量，焊接時(shí)放電形成能量脈沖，加熱焊接部位且加壓焊接；電弧螺柱焊是目前采用最為廣泛的一種焊接方法，特點(diǎn)是在桿狀或其他類似的金屬緊固件與板材之間形成的電弧壓力的焊接方法；短周期螺柱焊是將焊接電流經(jīng)過波形控制的電弧螺柱焊。但這些螺柱焊接方法可焊金屬螺柱的直徑小，且為防止熱量集中而引起變色、變形和燒穿，要求焊接時(shí)間短，但熔深淺，焊接接頭的可靠性降低。
[0003]隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，金屬螺柱使用越來越普遍，在許多應(yīng)用領(lǐng)域，單一熱源的螺柱焊已經(jīng)無法滿足焊接的需要，因此，復(fù)合熱源螺柱焊接方法應(yīng)運(yùn)而生?，F(xiàn)有金屬螺柱焊復(fù)合熱源的方式主要有感應(yīng)與電弧復(fù)合熱源、感應(yīng)與摩擦復(fù)合熱源、摩擦與摩擦復(fù)合熱源、電阻與摩擦復(fù)合等。其中:感應(yīng)與電弧復(fù)合熱源螺柱焊可利用感應(yīng)加熱裝置對(duì)接頭焊前預(yù)熱、焊接、焊后退火一體化協(xié)調(diào)處理，以減小拘束度和預(yù)防冷裂紋發(fā)生，但焊接界面容易生成大面積的金屬間化合物，接頭韌性不足，與電弧螺柱焊一樣也容易發(fā)生縮頸、飛邊、熔合不良、焊偏等缺陷。感應(yīng)與摩擦復(fù)合熱源螺柱焊是一種利用感應(yīng)加熱對(duì)工件加熱從而降低所需摩擦產(chǎn)熱的焊接方法，該方法在保留固相焊接接頭優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)解決了單一摩擦螺柱焊接系統(tǒng)在焊接螺柱時(shí)產(chǎn)熱不足的難題，但由于感應(yīng)加熱的區(qū)域較大，熱影響區(qū)很大，而降低了工件的焊接性能。摩擦與摩擦復(fù)合熱源是一種利用外環(huán)進(jìn)行摩擦預(yù)熱，內(nèi)環(huán)螺柱摩擦進(jìn)行焊接的方法，該方法在保留固相焊接接頭優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)解決了單一摩擦螺柱焊接系統(tǒng)在焊接螺柱時(shí)產(chǎn)熱不足的難題，但該裝置復(fù)雜，熱源利用率低。電阻與摩擦復(fù)合熱源是一種利用電阻熱和摩擦熱共同對(duì)接頭加熱而實(shí)現(xiàn)焊接的方法，該方法雖然可以降低摩擦壓力、降低主軸功率，但是該方法不能解決大直徑螺柱和厚大工件的焊接。
[0004]歐洲專利局EP1595635A1公開了一種電弧螺柱焊接方法，雖然該方法實(shí)施簡單，能夠解決小直徑帶錐尖角金屬螺柱的焊接問題，但單一電弧熱源加熱，電弧加熱范圍有限，對(duì)于平頭螺柱引弧點(diǎn)不易控制，空心螺柱不能起弧，因此對(duì)于大直徑或平頭金屬螺柱端部加熱不均，螺柱根部易發(fā)生熔合不良等缺陷，所以該方法無法解決中大直徑或平頭或空心金屬螺柱與金屬厚板的焊接需求；并且對(duì)于脆性異種材料的焊接，容易產(chǎn)生金屬間化合物等脆性相，嚴(yán)重影響接頭質(zhì)量，因此無法解決脆性異種材料的焊接問題。電弧螺柱焊接方法在螺柱端面與板面間產(chǎn)生了熔化，并不能完全擠出熔化金屬，若是異種材料形成脆性金屬間化合物，極易裂開，難于實(shí)現(xiàn)如鋁螺柱-鋼板等異種材料的螺柱焊接。
[0005]美國專利US2006086707A1公開了一種電弧復(fù)合攪拌摩擦焊接方法，該方法只能實(shí)現(xiàn)板與板的對(duì)接焊接，無法實(shí)現(xiàn)螺柱焊的接頭形式；且所用的電弧熱源與摩擦熱源為獨(dú)立的熱源，電弧只能置于攪拌頭之前或之后，無法同時(shí)加熱焊接區(qū)域，因此對(duì)于要求所用熱源必須加熱螺柱端部與對(duì)應(yīng)板材位置的螺柱焊不適用；該方法以摩擦熱源為主，攪拌頭只是加熱工具，為第三體摩擦，攪拌頭本身不參與連接，不是接頭的組成部分，而螺柱焊中螺柱參與連接，實(shí)則為本體摩擦，因此攪拌摩擦焊與螺柱焊的原理不同，攪拌摩擦焊無法應(yīng)用于螺柱端面與板的焊接。
[0006]中國專利200710092974.7公開了一種導(dǎo)電-攪拌摩擦復(fù)合熱源焊接方法和設(shè)備，雖然該方法能夠?qū)嚢枘Σ梁傅倪m用范圍擴(kuò)大到黑色金屬、高溫合金等結(jié)構(gòu)材料的焊接，但只能實(shí)現(xiàn)對(duì)接接頭的焊接，無法實(shí)現(xiàn)螺柱焊的接頭形式；該方法以摩擦熱源為主，攪拌頭只是加熱工具，為第三體摩擦，攪拌頭本身不參與連接，不是接頭的組成部分，而螺柱焊中螺柱參與連接，為本體摩擦，因此攪拌摩擦焊與螺柱焊的原理不同，攪拌摩擦焊無法應(yīng)用于螺柱焊，更無法實(shí)現(xiàn)大直徑、脆性難焊導(dǎo)電材料金屬螺柱的焊接。該方法若電阻加熱過強(qiáng)，攪拌頭強(qiáng)度降低，將造成攪拌頭的損傷，因此電阻熱只能作為補(bǔ)充和輔助熱源，對(duì)接焊接頭只能以攪拌摩擦產(chǎn)熱為主體，攪拌頭完全不同于螺柱焊中的螺柱。
[0007]如何克服現(xiàn)有技術(shù)的不足已成為當(dāng)今金屬螺柱焊接【技術(shù)領(lǐng)域】亟待解決的重點(diǎn)難
題之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種摩擦清理均化下的電弧金屬螺柱焊接方法及裝置，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)厚大金屬板材與中大直徑金屬螺柱的焊接，適用于鋼、鎳、銅、鈦、鋁或鎂金屬螺柱與同種或異種金屬材料基板之間的焊接，特別適用于脆性、難焊導(dǎo)體材料金屬螺柱以及大直徑、高碳當(dāng)量鋼金屬螺柱的焊接。
[0009]根據(jù)本發(fā)明提出的一種摩擦清理均化下的電弧金屬螺柱焊接方法，其特征在于將金屬螺柱的端面與金屬基板的表面經(jīng)摩擦清理預(yù)先處理、轉(zhuǎn)軸動(dòng)弧均化加熱、摩擦界面清理均化和頂鍛流塑變形結(jié)合，而制得性能優(yōu)良的金屬螺柱焊接接頭成品，具體步驟如下:
步驟一，摩擦清理預(yù)先處理:啟動(dòng)金屬螺柱軸向位移裝置和電動(dòng)機(jī)，金屬螺柱的轉(zhuǎn)速為300?3000r/min，使金屬螺柱在金屬螺柱軸向位移裝置和電動(dòng)機(jī)的共同作用下沿軸向運(yùn)動(dòng)與金屬基板的表面接觸，同時(shí)施加壓力5?30MPa,使金屬螺柱的端面與金屬基板的表面產(chǎn)生直接摩擦，摩擦I?3s后，清除金屬螺柱的端面與金屬基板的表面氧化物、油污等雜質(zhì)，同時(shí)使金屬螺柱的端面與金屬基板的表面產(chǎn)生引弧毛刺；
步驟二，轉(zhuǎn)軸動(dòng)弧均化加熱:在步驟一的基礎(chǔ)上，開啟保護(hù)氣，開啟電弧電源，控制電弧電源的電流為600?3000A，將旋轉(zhuǎn)中的金屬螺柱抬起1.5?7_，在金屬螺柱的端面與金屬基板的表面之間引燃電弧并形成轉(zhuǎn)軸動(dòng)弧，金屬螺柱的端面與金屬基板的表面被均勻加熱、升溫，形成兩個(gè)局部高溫區(qū)，電弧加熱時(shí)間700?1500ms，使金屬螺柱的端面與金屬基板表面產(chǎn)生均勻熔化層；
步驟三，摩擦界面清理均化:在步驟二的基礎(chǔ)上，關(guān)閉電弧電源、熄弧，將旋轉(zhuǎn)的金屬螺柱下壓至基板表面，摩擦壓力5?30MPa、摩擦?xí)r間I?2s，擠出熔化層中的雜質(zhì)、氧化物和液態(tài)金屬，使金屬螺柱的端面與金屬基板的表面形成半固態(tài)接觸界面；
步驟四，頂鍛流塑變形結(jié)合:制動(dòng)電動(dòng)機(jī)停止金屬螺柱旋轉(zhuǎn)，同時(shí)加壓頂鍛，頂鍛力10?lOOMPa、頂鍛力維持I?3s，使金屬螺柱的端面與金屬基板的表面流塑變形實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，從而得到金屬螺柱焊接接頭成品。
[0010]本發(fā)明提出的基于實(shí)現(xiàn)上述一種摩擦清理均化下的電弧金屬螺柱焊接方法的裝置，它包括金屬螺柱和金屬基板，該金屬基板固定在外部工作臺(tái)上，其特征在于還包括帶集電環(huán)的電弧加載裝置、金屬螺柱夾頭、電動(dòng)機(jī)、金屬螺柱軸向位移裝置、電弧電源和保護(hù)氣罩和保護(hù)氣噴管，其中:金屬螺柱夾頭安裝在電動(dòng)機(jī)主軸上，金屬螺柱夾頭夾持金屬螺柱的后部，帶集電環(huán)的電弧加載裝置安裝在金屬螺柱的中部，金屬螺柱軸向位移裝置控制電動(dòng)機(jī)主軸，保護(hù)氣罩置于金屬螺柱與金屬基板焊接部位，保護(hù)氣噴管的頭部設(shè)置在保護(hù)氣罩中，電弧電源的正極與金屬基板連接，電弧電源的負(fù)極與帶集電環(huán)的電弧加載裝置連接。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比其顯著優(yōu)點(diǎn)在于:第一，通過摩擦清理預(yù)先處理，實(shí)現(xiàn)了摩擦界面的清潔化，為形成良好的接頭提供重要的前提條件；第二，通過轉(zhuǎn)軸動(dòng)弧實(shí)現(xiàn)了金屬螺柱端面與金屬板材對(duì)應(yīng)部位的均化加熱，從而避免了一般電弧螺柱焊易發(fā)生縮頸、飛邊、熔合不良、焊偏等問題；第三，通過摩擦界面清理均化，保證了接頭界面在結(jié)合之前的清潔化，并且形成了半固態(tài)接觸界面；第四，通過頂鍛流塑變形結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了介于熔化焊與摩擦焊之間的優(yōu)良接頭，避免了電弧螺柱焊中的各種缺陷，而且具有固相接頭的優(yōu)點(diǎn)；第五，本發(fā)明的電弧與摩擦復(fù)合熱源具有改善焊接區(qū)域的溫度場(chǎng)、降低應(yīng)力、預(yù)熱、后熱和緩冷的顯著特點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)的電弧焊只能焊接小直徑金屬螺柱以及傳統(tǒng)摩擦焊熱源的不足，它可實(shí)現(xiàn)金屬螺柱與金屬板材基體的冶金結(jié)合，能夠焊接厚大尺寸金屬板材，金屬板厚范圍3-80_、最大可達(dá)120_;第六，本發(fā)明焊接金屬螺柱的直徑跨度大，金屬螺柱直徑范圍6-30mm、最大可達(dá)40mm;第七，本發(fā)明焊接質(zhì)量明顯提高，接頭強(qiáng)度可達(dá)金屬螺柱母材強(qiáng)度的100%，接頭內(nèi)熔合率100%;第八，本發(fā)明雖然以電弧為主熱源、摩擦為輔助熱源，但是電弧熱產(chǎn)生的熔融金屬經(jīng)旋轉(zhuǎn)摩擦后被擠出，最終接頭為介于，具有固相連接的優(yōu)點(diǎn)；第九，本發(fā)明中保護(hù)氣為N2、CO2, Ar等，根據(jù)不同的材料選擇不同的保護(hù)氣；第十，本發(fā)明焊接過程可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，焊接效率明顯提高。本發(fā)明適用于鋼、鎳、銅、鈦、鋁或鎂金屬螺柱與同種或異種金屬材料基板之間的焊接，特別適用于脆性、難焊導(dǎo)體材料金屬螺柱以及大直徑、高碳當(dāng)量鋼金屬螺柱的焊接。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明提出的一種摩擦清理均化下的電弧金屬螺柱焊接方法的流程示意圖。
[0013]圖2為本發(fā)明提出的一種摩擦清理均化下的電弧金屬螺柱焊接裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖3為本發(fā)明提出的金屬螺柱的形狀示意圖。
[0015]圖4為本發(fā)明提出的帶集電環(huán)的電弧加載裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖5為本發(fā)明提出的一種摩擦清理均化下的電弧金屬螺柱焊接方法的步驟與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系?！揪唧w實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0018]結(jié)合圖1和圖2，發(fā)明提出的一種摩擦清理均化下的電弧金屬螺柱焊接方法，是將金屬螺柱的端面與金屬基板的表面經(jīng)摩擦清理預(yù)先處理、轉(zhuǎn)軸動(dòng)弧均化加熱、摩擦界面清理均化和頂鍛流塑變形結(jié)合步驟，而制得性能優(yōu)良的金屬螺柱焊接接頭成品，具體步驟如下:
步驟一，摩擦清理預(yù)先處理:啟動(dòng)金屬螺柱軸向位移裝置(6)和電動(dòng)機(jī)(5)，金屬螺柱
(I)的轉(zhuǎn)速為300?3000r/min，使金屬螺柱(I)在金屬螺柱軸向位移裝置(6)和電動(dòng)機(jī)(5)的共同作用下沿軸向運(yùn)動(dòng)與金屬基板(2)的表面接觸，同時(shí)施加壓力5?30MPa，使金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)的表面產(chǎn)生直接摩擦，摩擦I?3s后，清除金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)的表面氧化物、油污等雜質(zhì)，同時(shí)使金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)的表面產(chǎn)生引弧毛刺；
步驟二，轉(zhuǎn)軸動(dòng)弧均化加熱:在步驟一的基礎(chǔ)上，開啟保護(hù)氣，開啟電弧電源(7)，控制電弧電源(7)的電流為600?3000A，將旋轉(zhuǎn)中的金屬螺柱(I)抬起1.5?7mm，在金屬螺柱
(I)的端面與金屬基板(2)的表面之間引燃電弧并形成轉(zhuǎn)軸動(dòng)弧，金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)的表面被均勻加熱、升溫,形成兩個(gè)局部高溫區(qū)，電弧加熱時(shí)間700?1500ms,使金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)表面產(chǎn)生均勻熔化層；其中，保護(hù)氣為N2、C02*Ar。
[0019]步驟三，摩擦界面清理均化:在步驟二的基礎(chǔ)上，關(guān)閉電弧電源(7)、熄弧，將旋轉(zhuǎn)的金屬螺柱(I)下壓至基板表面，摩擦壓力5?30MPa、摩擦?xí)r間I?2s，擠出熔化層中的雜質(zhì)、氧化物和液態(tài)金屬，使金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)的表面形成半固態(tài)接觸界面；
步驟四，頂鍛流塑變形結(jié)合:制動(dòng)電動(dòng)機(jī)(5 )停止金屬螺柱(I)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)加壓頂鍛，頂鍛力10?lOOMPa、頂鍛力維持I?3s，使金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)的表面流塑變形實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，從而得到金屬螺柱焊接接頭成品。
[0020]結(jié)合圖2，本發(fā)明提出的基于實(shí)現(xiàn)上述一種摩擦清理均化下的電弧金屬螺柱焊接方法的裝置，它包括金屬螺柱(I)和金屬基板(2)，該金屬基板(2)固定在外部工作臺(tái)上，其特征在于還包括帶集電環(huán)的電弧加載裝置(3)、金屬螺柱夾頭(4)、電動(dòng)機(jī)(5)、金屬螺柱軸向位移裝置(6)、電弧電源(7)和保護(hù)氣罩(8)和保護(hù)氣噴管(9)，其中:金屬螺柱夾頭(4)安裝在電動(dòng)機(jī)(5)主軸上，金屬螺柱夾頭(4)夾持金屬螺柱(I)的后部，帶集電環(huán)電弧加載裝置(3)安裝在金屬螺柱(I)的中部，金屬螺柱軸向位移裝置(6)控制電動(dòng)機(jī)(5)主軸，保護(hù)氣罩(8)置于金屬螺柱(I)與金屬基板(2)焊接部位，保護(hù)氣噴管(9)的頭部設(shè)置在保護(hù)氣罩(8)中，電弧電源(7)的正極與金屬基板(2)連接，電弧電源(7)的負(fù)極與帶集電環(huán)的電弧加載裝置(3)連接。
[0021]結(jié)合圖3和圖4，本發(fā)明裝置的進(jìn)一步優(yōu)選方案是:本發(fā)明的金屬螺柱(I)與金屬基板(2)為同種金屬或異種金屬；金屬螺柱(I)為如圖3-1所示的錐形實(shí)心金屬螺柱或如圖3-2所示的錐形空心金屬螺柱或如圖3-3所示的空心金屬螺柱或如圖3-4所示的實(shí)心金屬螺柱；帶集電環(huán)的電弧加載裝置(3 )如圖4所示，它包括集電環(huán)內(nèi)環(huán)和集電環(huán)外環(huán)，在集電環(huán)內(nèi)環(huán)與集電環(huán)外環(huán)之間并聯(lián)設(shè)置兩個(gè)軸承，在兩軸承之間設(shè)置電刷，該帶集電環(huán)的電弧加載裝置(3)采用VSR-P型號(hào)為佳；在焊接過程中，集電環(huán)外環(huán)靜止，集電環(huán)內(nèi)環(huán)夾持金屬螺柱(I)并相對(duì)于集電環(huán)外環(huán)旋轉(zhuǎn)，將電弧電源電信號(hào)接在集電環(huán)外環(huán)上，然后通過電刷加載在集電環(huán)內(nèi)環(huán)及金屬螺柱(I)上，由此將摩擦熱源和電弧熱源均加載在金屬螺柱(I)上，使兩種熱源融合為一體，成為同體熱源。
[0022]結(jié)合圖5，進(jìn)一步說明本發(fā)明的方法所涉及的步驟與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系:在初始時(shí)亥|J，金屬螺柱(I)在電動(dòng)機(jī)(5)的作用下開始旋轉(zhuǎn)，時(shí)刻轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)定的轉(zhuǎn)速如圖5-1所示；此時(shí)，金屬螺柱(I)在金屬螺柱軸向位移裝置(6)的作用下向下運(yùn)動(dòng)，在t2時(shí)刻金屬螺柱(I)與工件(2)接觸如見圖5-4所示；通過金屬螺柱軸向位移裝置(6)在金屬螺柱(I)與工件(2)之間施加預(yù)定的摩擦壓力，金屬螺柱(I)與工件(2)之間進(jìn)行摩擦清理預(yù)先處理至t3時(shí)刻如圖5-3所示；金屬螺柱(I)在金屬螺柱軸向位移裝置(6)的作用下向上抬起，&時(shí)刻達(dá)到預(yù)定的距離如圖5-4所示；開啟電弧電源(7)，引燃轉(zhuǎn)軸動(dòng)弧對(duì)金屬螺柱(I)與工件
(2)均化加熱，直到t5時(shí)關(guān)閉電弧電源(7)，電弧熄滅如圖5-2所示；金屬螺柱(I)在金屬螺柱軸向位移裝置(6)的作用下向下運(yùn)動(dòng)，t6時(shí)刻金屬螺柱(I)與工件(2)接觸(見圖5-4)；通過金屬螺柱軸向位移裝置(6)在金屬螺柱(I)與工件(2)之間施加預(yù)定的摩擦壓力，金屬螺柱(I)與工件(2)之間進(jìn)行摩擦界面清理均化，清理界面的雜質(zhì)、氧化物和液態(tài)金屬，形成半固態(tài)接觸界面如圖5-3所示；t7時(shí)刻金屬螺柱(I)在電動(dòng)機(jī)(5)的制動(dòng)下停止旋轉(zhuǎn)如圖5-1所示；金屬螺柱(I)在金屬螺柱軸向位移裝置(6)的作用下施加預(yù)定頂鍛力，實(shí)現(xiàn)頂鍛流塑變形結(jié)合，頂鍛力維持到t8時(shí)卸載如圖5-3所示，完成整個(gè)焊接過程。
[0023]以下結(jié)合圖1-5，進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體實(shí)施例。
[0024]實(shí)施例1，以焊接直徑為6mm、長80mm的30CrNi3MoV實(shí)心金屬螺柱，以及板厚3mm的30CrNi3MoV的焊接接頭成品為例，保護(hù)氣為CO2，氣流量17L/min:
步驟一，摩擦清理預(yù)先處理:啟動(dòng)金屬螺柱軸向位移裝置(6)和電動(dòng)機(jī)(5)，金屬螺柱Cl)的轉(zhuǎn)速為3000r/min，使金屬螺柱(I)在金屬螺柱軸向位移裝置(6)和電動(dòng)機(jī)(5)的共同作用下沿軸向運(yùn)動(dòng)與金屬基板(2)的表面接觸，同時(shí)施加壓力5MPa，使金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)的表面產(chǎn)生直接摩擦，摩擦Is后，清除金屬螺柱(I)的端面與金屬基板
(2)的表面氧化物、油污等雜質(zhì)，同時(shí)使金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)的表面產(chǎn)生引弧毛刺；
步驟二，轉(zhuǎn)軸動(dòng)弧均化加熱:在步驟一的基礎(chǔ)上，開啟CO2保護(hù)氣，開啟電弧電源(7)，控制電弧電源(7)的電流為600A，將旋轉(zhuǎn)中的金屬螺柱(I)抬起1.5mm,在金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)的表面之間引燃電弧并形成轉(zhuǎn)軸動(dòng)弧，金屬螺柱(I)的端面與金屬基板
(2)的表面被均勻加熱、升溫，形成兩個(gè)局部高溫區(qū)，電弧加熱時(shí)間700ms，使金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)表面產(chǎn)生均勻熔化層；
步驟三，摩擦界面清理均化:在步驟二的基礎(chǔ)上，關(guān)閉電弧電源(7)、熄弧，將旋轉(zhuǎn)的金屬螺柱(I)下壓至基板表面，摩擦壓力5MPa、摩擦?xí)r間ls，擠出熔化層中的雜質(zhì)、氧化物和液態(tài)金屬，使金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)的表面形成半固態(tài)接觸界面；
步驟四，頂鍛流塑變形結(jié)合:制動(dòng)電動(dòng)機(jī)(5)停止金屬螺柱(I)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)加壓頂鍛，頂鍛力lOMPa、頂鍛力維持ls，使金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)的表面流塑變形實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，從而得到金屬螺柱焊接接頭成品。
[0025]實(shí)施例2，以焊接直徑為20mm、長80mm的30CrNi3MoV錐形金屬螺柱，以及板厚40mm的6061鋁合金的焊接接頭成品為例，保護(hù)氣為Ar，氣流量16L/min:
步驟一，摩擦清理預(yù)先處理:啟動(dòng)金屬螺柱軸向位移裝置(6)和電動(dòng)機(jī)(5)，金屬螺柱Cl)的轉(zhuǎn)速為2000r/min，使金屬螺柱(I)在金屬螺柱軸向位移裝置(6)和電動(dòng)機(jī)(5)的共同作用下沿軸向運(yùn)動(dòng)與金屬基板(2)的表面接觸，同時(shí)施加壓力18MPa，使金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)的表面產(chǎn)生直接摩擦，摩擦2s后，清除金屬螺柱(I)的端面與金屬基板
(2)的表面氧化物、油污等雜質(zhì)，同時(shí)使金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)的表面產(chǎn)生引弧毛刺；
步驟二，轉(zhuǎn)軸動(dòng)弧均化加熱:在步驟一的基礎(chǔ)上，開啟Ar保護(hù)氣，開啟電弧電源(7)，控制電弧電源(7 )的電流為2000A，將旋轉(zhuǎn)中的金屬螺柱(I)抬起3mm，在金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)的表面之間引燃電弧并形成轉(zhuǎn)軸動(dòng)弧,金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)的表面被均勻加熱、升溫，形成兩個(gè)局部高溫區(qū)，電弧加熱時(shí)間1000ms，使金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)表面產(chǎn)生均勻熔化層；
步驟三，摩擦界面清理均化:在步驟二的基礎(chǔ)上，關(guān)閉電弧電源(7)、熄弧，將旋轉(zhuǎn)的金屬螺柱(I)下壓至基板表面，摩擦壓力18MPa、摩擦?xí)r間1.5s，擠出熔化層中的雜質(zhì)、氧化物和液態(tài)金屬，使金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)的表面形成半固態(tài)接觸界面；
步驟四，頂鍛流塑變形結(jié)合:制動(dòng)電動(dòng)機(jī)(5)停止金屬螺柱(I)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)加壓頂鍛，頂鍛力50MPa、頂鍛力維持2s，使金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)的表面流塑變形實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，從而得到金屬螺柱焊接接頭成品。
[0026]實(shí)施例3,以焊接直徑為30mm、內(nèi)孔徑為12mm,長80mm的6061招合金空心金屬螺柱，以及板厚80mm的6061鋁合金的焊接接頭成品為例，保護(hù)氣為Ar，氣流量18L/min:
步驟一，摩擦清理預(yù)先處理:啟動(dòng)金屬螺柱軸向位移裝置(6)和電動(dòng)機(jī)(5)，金屬螺柱
(1)的轉(zhuǎn)速為300r/min,使金屬螺柱(I)在金屬螺柱軸向位移裝置(6)和電動(dòng)機(jī)(5)的共同作用下沿軸向運(yùn)動(dòng)與金屬基板(2)的表面接觸，同時(shí)施加壓力30MPa，使金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)的表面產(chǎn)生直接摩擦，摩擦3s后，清除金屬螺柱(I)的端面與金屬基板
(2)的表面氧化物、油污等雜質(zhì)，同時(shí)使金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)的表面產(chǎn)生引弧毛刺；
步驟二，轉(zhuǎn)軸動(dòng)弧均化加熱:在步驟一的基礎(chǔ)上，開啟Ar保護(hù)氣，開啟電弧電源(7)，控制電弧電源(7 )的電流為3000A，將旋轉(zhuǎn)中的金屬螺柱(I)抬起7mm，在金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2 )的表面之間弓I燃電弧并形成轉(zhuǎn)軸動(dòng)弧，金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2 )的表面被均勻加熱、升溫，形成兩個(gè)局部高溫區(qū)，電弧加熱時(shí)間1500ms，使金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)表面產(chǎn)生均勻熔化層；
步驟三，摩擦界面清理均化:在步驟二的基礎(chǔ)上，關(guān)閉電弧電源(7)、熄弧，將旋轉(zhuǎn)的金屬螺柱(I)下壓至基板表面，摩擦壓力30MPa、摩擦?xí)r間2s，擠出熔化層中的雜質(zhì)、氧化物和液態(tài)金屬，使金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)的表面形成半固態(tài)接觸界面；
步驟四，頂鍛流塑變形結(jié)合:制動(dòng)電動(dòng)機(jī)(5 )停止金屬螺柱(I)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)加壓頂鍛，頂鍛力lOOMPa、頂鍛力維持3s，使金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)的表面流塑變形實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，從而得到金屬螺柱焊接接頭成品。
[0027]實(shí)施例4,以焊接直徑為40mm、內(nèi)孔徑為15mm,長80mm的6061招合金錐形空心金屬螺柱，以及板厚120_的純銅的焊接接頭成品為例，保護(hù)氣為N2，氣流量17L/min: 步驟一，摩擦清理預(yù)先處理:啟動(dòng)金屬螺柱軸向位移裝置(6)和電動(dòng)機(jī)(5)，金屬螺柱
(1)的轉(zhuǎn)速為500r/min,使金屬螺柱(I)在金屬螺柱軸向位移裝置(6)和電動(dòng)機(jī)(5)的共同作用下沿軸向運(yùn)動(dòng)與金屬基板(2)的表面接觸，同時(shí)施加壓力25MPa，使金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)的表面產(chǎn)生直接摩擦，摩擦3s后，清除金屬螺柱(I)的端面與金屬基板
(2)的表面氧化物、油污等雜質(zhì)，同時(shí)使金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)的表面產(chǎn)生引弧毛刺；
步驟二，轉(zhuǎn)軸動(dòng)弧均化加熱:在步驟一的基礎(chǔ)上，開啟N2保護(hù)氣，開啟電弧電源(7)，控制電弧電源(7 )的電流為3000A，將旋轉(zhuǎn)中的金屬螺柱(I)抬起6mm，在金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)的表面之間引燃電弧并形成轉(zhuǎn)軸動(dòng)弧,金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)的表面被均勻加熱、升溫，形成兩個(gè)局部高溫區(qū)，電弧加熱時(shí)間1500ms，使金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)表面產(chǎn)生均勻熔化層；
步驟三，摩擦界面清理均化:在步驟二的基礎(chǔ)上，關(guān)閉電弧電源(7)、熄弧，將旋轉(zhuǎn)的金屬螺柱(I)下壓至基板表面，摩擦壓力25MPa、摩擦?xí)r間2s，擠出熔化層中的雜質(zhì)、氧化物和液態(tài)金屬，使金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)的表面形成半固態(tài)接觸界面；
步驟四，頂鍛流塑變形結(jié)合:制動(dòng)電動(dòng)機(jī)(5 )停止金屬螺柱(I)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)加壓頂鍛，頂鍛力90MPa、頂鍛力維持3s，使金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)的表面流塑變形實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，從而得到金屬螺柱焊接接頭成品。
[0028]本發(fā)明中凡未作說明的技術(shù)手段均為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。
[0029]本發(fā)明經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，取得了滿意的應(yīng)用效果。
【權(quán)利要求】
1.一種摩擦清理均化下的電弧金屬螺柱焊接方法，其特征在于將金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)的表面經(jīng)摩擦清理預(yù)先處理、轉(zhuǎn)軸動(dòng)弧均化加熱、摩擦界面清理均化和頂鍛流塑變形結(jié)合，而制得性能優(yōu)良的金屬螺柱焊接接頭成品，具體步驟如下: 步驟一，摩擦清理預(yù)先處理:啟動(dòng)金屬螺柱軸向位移裝置(6)和電動(dòng)機(jī)(5)，金屬螺柱(I)的轉(zhuǎn)速為300?3000r/min，使金屬螺柱(I)在金屬螺柱軸向位移裝置(6)和電動(dòng)機(jī)(5)的共同作用下沿軸向運(yùn)動(dòng)與金屬基板(2)的表面接觸，同時(shí)施加壓力5?30MPa，使金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)的表面產(chǎn)生直接摩擦，摩擦I?3s后，清除金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)的表面氧化物、油污等雜質(zhì)，同時(shí)使金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)的表面產(chǎn)生引弧毛刺； 步驟二，轉(zhuǎn)軸動(dòng)弧均化加熱:在步驟一的基礎(chǔ)上，開啟保護(hù)氣，開啟電弧電源(7)，控制電弧電源(7)的電流為600?3000A，將旋轉(zhuǎn)中的金屬螺柱(I)抬起1.5?7mm，在金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)的表面之間引燃電弧并形成轉(zhuǎn)軸動(dòng)弧，金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)的表面被均勻加熱、升溫,形成兩個(gè)局部高溫區(qū)，電弧加熱時(shí)間700?1500ms,使金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)表面產(chǎn)生均勻熔化層； 步驟三，摩擦界面清理均化:在步驟二的基礎(chǔ)上，關(guān)閉電弧電源(7)、熄弧，將旋轉(zhuǎn)的金屬螺柱(I)下壓至基板表面，摩擦壓力5?30MPa、摩擦?xí)r間I?2s，擠出熔化層中的雜質(zhì)、氧化物和液態(tài)金屬，使金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)的表面形成半固態(tài)接觸界面； 步驟四，頂鍛流塑變形結(jié)合:制動(dòng)電動(dòng)機(jī)(5)停止金屬螺柱(I)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)加壓頂鍛，頂鍛力10?lOOMPa、頂鍛力維持I?3s，使金屬螺柱(I)的端面與金屬基板(2)的表面流塑變形實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，從而得到金屬螺柱焊接接頭成品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摩擦清理均化下的電弧金屬螺柱焊接方法，其特征在于步驟二所述的保護(hù)氣為N2、CO2或Ar。
3.基于實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1所述的一種摩擦清理均化下的電弧金屬螺柱焊接方法的裝置，它包括金屬螺柱(I)和金屬基板(2)，該金屬基板(2)固定在外部工作臺(tái)上，其特征在于還包括帶集電環(huán)的電弧加載裝置(3)、金屬螺柱夾頭(4)、電動(dòng)機(jī)(5)、金屬螺柱軸向位移裝置(6)、電弧電源(7)和保護(hù)氣罩(8)和保護(hù)氣噴管(9)，其中:金屬螺柱夾頭(4)安裝在電動(dòng)機(jī)(5)的主軸上，金屬螺柱夾頭(4)夾持金屬螺柱(I)的后部，帶集電環(huán)的電弧加載裝置(3)安裝在金屬螺柱(I)的中部，金屬螺柱軸向位移裝置(6)控制電動(dòng)機(jī)(5)主軸，保護(hù)氣罩(8)置于金屬螺柱(I)與金屬基板(2)焊接部位，保護(hù)氣噴管(9)的頭部設(shè)置在保護(hù)氣罩(8)中，電弧電源(7)的正極與金屬基板(2)連接，電弧電源(7)的負(fù)極與帶集電環(huán)的電弧加載裝置(3)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于金屬螺柱(I)與金屬基板(2)為同種金屬或異種金屬。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的裝置，其特征在于金屬螺柱(I)為錐形金屬螺柱、錐形空心金屬螺柱、空心金屬螺柱或?qū)嵭慕饘俾葜?br> 6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的裝置，其特征在于帶集電環(huán)的電弧加載裝置(3)包括集電環(huán)內(nèi)環(huán)和集電環(huán)外環(huán)，在集電環(huán)內(nèi)環(huán)與集電環(huán)外環(huán)之間并聯(lián)設(shè)置兩個(gè)軸承，在兩軸承之間設(shè)置電刷。
【文檔編號(hào)】B23K20/12GK103753029SQ201310718986
【公開日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2013年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】周琦, 王克鴻, 張德庫, 朱軍, 張惠蕓, 彭勇 申請(qǐng)人:江蘇爍石焊接科技有限公司