一种金属电弧‑摩擦复合螺柱摩擦焊方法与流程

本发明金属焊接技术，尤其涉及金属电弧-摩擦复合螺柱焊技术。

背景技术：

在船体船舱中、兵器装甲车车体内部、各种压力容器内外壁、桥梁以及其他领域均广泛应用钢、铝、铜螺柱的焊接，螺柱焊接涉及的领域日益广泛。所谓螺柱焊是用螺柱(或类似的构件)端头和焊件的表面之间引燃的电弧加热并熔化结合部位,然后快速地挤压在一起而形成焊接接头的一种电弧焊接方法。电弧螺柱焊常用于把螺柱端头焊接到平面或曲面上,可代替铆接、钻孔、焊条电弧焊、钎焊等,具有快速方便、经济、质量可靠的优点。

螺柱的焊接采用电弧螺柱焊是目前应用最广泛的技术，可以使用不同的方法实现。螺柱焊接由于快速加热和急速冷却造成焊接接头极易产生裂纹、未熔合等缺陷,对于某些如兵器等特种材料碳当量较高，在螺柱焊接条件下，极易出现脆性组织，产生焊接冷裂纹缺陷，导致焊接质量不能保证,需要研究开发新型工艺方法,突破关键技术，解决中厚钢板螺柱焊接的技术难题。电弧的引入，有效解决由热传导不均匀性引起焊接质量不佳，获得无夹杂、无氧化的焊接接头，大大提高了接头质量。由于采用摩擦焊可以将金属氧化物挤出；压力冷却结晶；切向力使位错能增加从而材料性具有更优良的性能。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种金属电弧-摩擦复合螺柱摩擦焊方法。

本发明是一种金属电弧-摩擦复合螺柱摩擦焊方法，其步骤为：采用预热电源对待焊位置进预热，预热2min焊件达到400℃之后，预热电源停止工作，电弧螺柱焊机开始工作，螺柱端头在待焊位置引弧、燃弧，随后电弧螺柱焊机停止工作，摩擦焊机工作给予螺柱旋压力，摩擦头给予切向力使其进行对焊，冷却凝固，随后对焊接接头进行焊后热处理。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：1、电弧的引入可以加热焊件；去除焊件端面上的脏物和不平，降低端面焊前准备、形成液体金属层，为摩擦及顶锻时排除氧化物和过热金属提供了有利条件；而且烧掉焊件端面上的脏物和不平；保护作用以及形成液体金属层，有效解决由热传导不均匀性引起的接头未熔合、夹渣等焊接缺陷，焊接质量明显提高；2、接头强度和接头融合率很高；3、由于采用摩擦焊可以将金属氧化物挤出；压力冷却结晶；切向力使位错能增加材料性能较好；4、不需要采用特殊的保护方式，电弧的引入起到自保护的作用，可以获得无夹杂、无氧化的焊接接头。5、引入电弧后温度梯度显著改变，引起金属间氧化物显著减少，大大提高了接头质量；并且由于电弧引入大大降低了摩擦焊机的功率。本发明可用于异种材料金属螺柱焊接。

附图说明

图1是本发明的流程图；图2、图3、图4、图5是本发明的电弧与摩擦复合螺柱焊接方法步骤示意图；图6是本发明的电弧与摩擦复合螺柱焊接过程中电弧电流、摩擦搅拌头转速以及接头距离随时间变化的示意图。

具体实施方式

本发明是一种金属电弧-摩擦复合螺柱摩擦焊方法，其步骤为：采用预热电源对待焊位置进预热，预热2min焊件达到400℃之后，预热电源停止工作，电弧螺柱焊机开始工作，螺柱端头在待焊位置引弧、燃弧，随后电弧螺柱焊机停止工作，摩擦焊机工作给予螺柱旋压力，摩擦头给予切向力使其进行对焊，冷却凝固，随后对焊接接头进行焊后热处理。

在初始状态，焊枪上设置的螺柱处于提升状态，此时将电弧下降至焊接位置，此时螺柱枪仍处于提升状态，通过电弧加热焊件的端面并使端面金属熔化电弧加热400℃后，螺柱焊枪下降焊接位置进行引弧焊接，电弧产生于螺柱和钢板工件之间使界面部位发生局部熔化，处于焊接状态保持中，随后螺柱焊枪将螺柱向下推进，螺柱焊接过程结束，螺柱工件基体进行局部挤压，电弧电压下降，电弧熄灭，螺柱与基板之间的开展摩擦旋转和加压等作用力，进一步加大轴向方向的热塑形变形，完成摩擦阶段的螺柱焊。最后对焊接接头进行热处理，避免局部温度下降过快引起接头质量下降，保证获得优良的焊接接头，整个焊接过程结束。在该技术方案中，电弧热源是主要的加热热源，预热和热处理都有改善温度场、降低应力避免产生缺陷的功能，两液相在较高的温度梯度和过热状态下摩擦焊旋转加压保证了挤出金属氧化物、冷却结晶得到成形美观性能优异的接头。

本发明是金属电弧-摩擦复合螺柱摩擦焊方法，其具体步骤为：

（1）螺柱焊枪下降到待焊工件的焊接区域，引燃电弧；

（2）螺柱焊接过程中，焊件预热到400℃后，停止电弧工作，引入摩擦焊工艺进行焊接；

（3）通过电弧加热焊件的端面并使端面金属熔化，直至焊件端部达620℃时，螺柱与基板之间施加摩擦旋转和加压等作用力，晶粒向同一方向偏转，进一步加大轴向方向的热塑形变形，完成摩擦阶段的螺柱焊；

（4）螺柱焊枪上升到距离焊件超出10cm位置，然后对焊接螺柱接头区域进行后热处理，整个焊接过程结束。

以上所述的金属电弧-摩擦复合螺柱摩擦焊方法，利用电弧对焊件进行自保护。

以上所述的金属电弧-摩擦复合螺柱摩擦焊方法，其特征在于由电弧和摩擦焊机提供能量。

下面以实施例来详细描述本发明电弧与摩擦复合螺柱焊接方法及其装置。

实施例：如图1和图2、图3、图4、图5所示，以直径28mm的铝螺柱及20mm的钢板进行电弧与摩擦复合螺柱焊为例，将直径为26mm，长度为68mm的铝螺柱预先装夹在螺柱焊枪上，用预热电源对螺柱进行预热，然后电弧对待焊区域进行加热，加热时间由系统控制10s，加热功率600w，工件表面加热温度为350℃-400℃，加热完毕后电压下降，电弧熄灭，随后螺柱与基板之间的开展摩擦旋转和加压等作用力，进一步加大轴向方向变形，完成摩擦阶段的螺柱焊，焊接电流为2100a，焊接时间1200ms。焊接完成后，螺柱焊枪上升，对焊接接头进行退火处理，采用功率600w，加热30s。退火完毕后，整个焊接过程结束。

本发明用于中厚板高拘束度和高碳当量接头因快速加热和高速冷却产生的脆性组织及可能的冷裂纹缺陷，得到了高质量的金属材料连接并且减少了焊接过程中产生的金属间化合物和氧化膜的缺陷。

技术特征：

技术总结
一种金属电弧‑摩擦复合螺柱摩擦焊方法，其步骤为：采用预热电源对待焊位置进预热，预热2min焊件达到400℃之后，预热电源停止工作，电弧螺柱焊机开始工作，螺柱端头在待焊位置引弧、燃弧，随后电弧螺柱焊机停止工作，摩擦焊机工作给予螺柱旋压力，摩擦头给予切向力使其进行对焊，冷却凝固，随后对焊接接头进行焊后热处理。

技术研发人员：张昌青;王维杰;金鑫;刘雄波;吕广明;杨黎东;靳少龙
受保护的技术使用者：兰州理工大学
技术研发日：2017.03.15
技术公布日：2017.08.18