CN103753029B - 一种摩擦清理均化下的电弧金属螺柱焊接方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种摩擦清理均化下的电弧金属螺柱焊接方法及装置，本发明是将金属螺柱的端面与金属基板的表面经摩擦清理预先处理、转轴动弧均化加热、摩擦界面清理均化和顶锻流塑变形结合，而制得性能优良的金属螺柱焊接接头成品。本发明可实现厚大金属板材与中大直径金属螺柱的焊接，适用于钢、镍、铜、钛、铝或镁金属螺柱与同种或异种金属材料基板之间的焊接，特别适用于脆性、难焊导体材料金属螺柱以及大直径、高碳当量钢金属螺柱的焊接。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属螺柱焊接方法，特别是涉及一种摩擦清理均化下的电弧金属螺柱焊接方法及装置。
背景技术
金属螺柱焊是指一种将金属螺柱或类似的金属柱状物及其他紧固件焊接在金属工件上的方法。金属螺柱焊作为一种简便、高速、低耗、低污染的先进焊接技术，广泛适用于车辆、造船、锅炉、钢结构、建筑、电子、仪表、医疗器械等领域。按实现金属螺柱焊的热源分类，金属螺柱焊可分为电阻焊、摩擦焊、爆炸焊及电弧焊等焊接方法。按实现金属螺柱焊的电源分类，电弧螺柱焊可分为稳定电弧螺柱焊（电弧螺柱焊）、不稳定电弧螺柱焊（电容放电螺柱焊或电容储能螺柱焊）和短周期螺柱焊。其中，电容放电螺柱焊的特点是利用电容充电储存能量，焊接时放电形成能量脉冲，加热焊接部位且加压焊接；电弧螺柱焊是目前采用最为广泛的一种焊接方法，特点是在杆状或其他类似的金属紧固件与板材之间形成的电弧压力的焊接方法；短周期螺柱焊是将焊接电流经过波形控制的电弧螺柱焊。但这些螺柱焊接方法可焊金属螺柱的直径小，且为防止热量集中而引起变色、变形和烧穿，要求焊接时间短，但熔深浅，焊接接头的可靠性降低。
随着现代工业的快速发展，金属螺柱使用越来越普遍，在许多应用领域，单一热源的螺柱焊已经无法满足焊接的需要，因此，复合热源螺柱焊接方法应运而生。现有金属螺柱焊复合热源的方式主要有感应与电弧复合热源、感应与摩擦复合热源、摩擦与摩擦复合热源、电阻与摩擦复合等。其中：感应与电弧复合热源螺柱焊可利用感应加热装置对接头焊前预热、焊接、焊后退火一体化协调处理，以减小拘束度和预防冷裂纹发生，但焊接界面容易生成大面积的金属间化合物，接头韧性不足，与电弧螺柱焊一样也容易发生缩颈、飞边、熔合不良、焊偏等缺陷。感应与摩擦复合热源螺柱焊是一种利用感应加热对工件加热从而降低所需摩擦产热的焊接方法，该方法在保留固相焊接接头优点的同时解决了单一摩擦螺柱焊接系统在焊接螺柱时产热不足的难题，但由于感应加热的区域较大，热影响区很大，而降低了工件的焊接性能。摩擦与摩擦复合热源是一种利用外环进行摩擦预热，内环螺柱摩擦进行焊接的方法，该方法在保留固相焊接接头优点的同时解决了单一摩擦螺柱焊接系统在焊接螺柱时产热不足的难题，但该装置复杂，热源利用率低。电阻与摩擦复合热源是一种利用电阻热和摩擦热共同对接头加热而实现焊接的方法，该方法虽然可以降低摩擦压力、降低主轴功率，但是该方法不能解决大直径螺柱和厚大工件的焊接。
欧洲专利局EP1595635A1公开了一种电弧螺柱焊接方法，虽然该方法实施简单，能够解决小直径带锥尖角金属螺柱的焊接问题，但单一电弧热源加热，电弧加热范围有限，对于平头螺柱引弧点不易控制，空心螺柱不能起弧，因此对于大直径或平头金属螺柱端部加热不均，螺柱根部易发生熔合不良等缺陷，所以该方法无法解决中大直径或平头或空心金属螺柱与金属厚板的焊接需求；并且对于脆性异种材料的焊接，容易产生金属间化合物等脆性相，严重影响接头质量，因此无法解决脆性异种材料的焊接问题。电弧螺柱焊接方法在螺柱端面与板面间产生了熔化，并不能完全挤出熔化金属，若是异种材料形成脆性金属间化合物，极易裂开，难于实现如铝螺柱-钢板等异种材料的螺柱焊接。
美国专利US2006086707A1公开了一种电弧复合搅拌摩擦焊接方法，该方法只能实现板与板的对接焊接，无法实现螺柱焊的接头形式；且所用的电弧热源与摩擦热源为独立的热源，电弧只能置于搅拌头之前或之后，无法同时加热焊接区域，因此对于要求所用热源必须加热螺柱端部与对应板材位置的螺柱焊不适用；该方法以摩擦热源为主，搅拌头只是加热工具，为第三体摩擦，搅拌头本身不参与连接，不是接头的组成部分，而螺柱焊中螺柱参与连接，实则为本体摩擦，因此搅拌摩擦焊与螺柱焊的原理不同，搅拌摩擦焊无法应用于螺柱端面与板的焊接。
中国专利200710092974.7公开了一种导电-搅拌摩擦复合热源焊接方法和设备，虽然该方法能够将搅拌摩擦焊的适用范围扩大到黑色金属、高温合金等结构材料的焊接，但只能实现对接接头的焊接，无法实现螺柱焊的接头形式；该方法以摩擦热源为主，搅拌头只是加热工具，为第三体摩擦，搅拌头本身不参与连接，不是接头的组成部分，而螺柱焊中螺柱参与连接，为本体摩擦，因此搅拌摩擦焊与螺柱焊的原理不同，搅拌摩擦焊无法应用于螺柱焊，更无法实现大直径、脆性难焊导电材料金属螺柱的焊接。该方法若电阻加热过强，搅拌头强度降低，将造成搅拌头的损伤，因此电阻热只能作为补充和辅助热源，对接焊接头只能以搅拌摩擦产热为主体，搅拌头完全不同于螺柱焊中的螺柱。
如何克服现有技术的不足已成为当今金属螺柱焊接技术领域亟待解决的重点难题之一。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足而提供一种摩擦清理均化下的电弧金属螺柱焊接方法及装置，本发明可实现厚大金属板材与中大直径金属螺柱的焊接，适用于钢、镍、铜、钛、铝或镁金属螺柱与同种或异种金属材料基板之间的焊接，特别适用于脆性、难焊导体材料金属螺柱以及大直径、高碳当量钢金属螺柱的焊接。
根据本发明提出的一种摩擦清理均化下的电弧金属螺柱焊接方法，其特征在于将金属螺柱的端面与金属基板的表面经摩擦清理预先处理、转轴动弧均化加热、摩擦界面清理均化和顶锻流塑变形结合，而制得性能优良的金属螺柱焊接接头成品，具体步骤如下：
步骤一，摩擦清理预先处理：启动金属螺柱轴向位移装置和电动机，金属螺柱的转速为300～3000r/min，使金属螺柱在金属螺柱轴向位移装置和电动机的共同作用下沿轴向运动与金属基板的表面接触，同时施加压力5～30MPa，使金属螺柱的端面与金属基板的表面产生直接摩擦，摩擦1～3s后，清除金属螺柱的端面与金属基板的表面氧化物、油污等杂质，同时使金属螺柱的端面与金属基板的表面产生引弧毛刺；
步骤二，转轴动弧均化加热：在步骤一的基础上，开启保护气，开启电弧电源，控制电弧电源的电流为600～3000A，将旋转中的金属螺柱抬起1.5～7mm，在金属螺柱的端面与金属基板的表面之间引燃电弧并形成转轴动弧，金属螺柱的端面与金属基板的表面被均匀加热、升温，形成两个局部高温区，电弧加热时间700～1500ms，使金属螺柱的端面与金属基板表面产生均匀熔化层；
步骤三，摩擦界面清理均化：在步骤二的基础上，关闭电弧电源、熄弧，将旋转的金属螺柱下压至基板表面，摩擦压力5～30MPa、摩擦时间1～2s，挤出熔化层中的杂质、氧化物和液态金属，使金属螺柱的端面与金属基板的表面形成半固态接触界面；
步骤四，顶锻流塑变形结合：制动电动机停止金属螺柱旋转，同时加压顶锻，顶锻力10～100MPa、顶锻力维持1～3s，使金属螺柱的端面与金属基板的表面流塑变形实现冶金结合，从而得到金属螺柱焊接接头成品。
本发明提出的基于实现上述一种摩擦清理均化下的电弧金属螺柱焊接方法的装置，它包括金属螺柱和金属基板，该金属基板固定在外部工作台上，其特征在于还包括带集电环的电弧加载装置、金属螺柱夹头、电动机、金属螺柱轴向位移装置、电弧电源和保护气罩和保护气喷管，其中：金属螺柱夹头安装在电动机主轴上，金属螺柱夹头夹持金属螺柱的后部，带集电环的电弧加载装置安装在金属螺柱的中部，金属螺柱轴向位移装置控制电动机主轴，保护气罩置于金属螺柱与金属基板焊接部位，保护气喷管的头部设置在保护气罩中，电弧电源的正极与金属基板连接，电弧电源的负极与带集电环的电弧加载装置连接。
本发明与现有技术相比其显著优点在于：第一，通过摩擦清理预先处理，实现了摩擦界面的清洁化，为形成良好的接头提供重要的前提条件；第二，通过转轴动弧实现了金属螺柱端面与金属板材对应部位的均化加热，从而避免了一般电弧螺柱焊易发生缩颈、飞边、熔合不良、焊偏等问题；第三，通过摩擦界面清理均化，保证了接头界面在结合之前的清洁化，并且形成了半固态接触界面；第四，通过顶锻流塑变形结合，实现了介于熔化焊与摩擦焊之间的优良接头，避免了电弧螺柱焊中的各种缺陷，而且具有固相接头的优点；第五，本发明的电弧与摩擦复合热源具有改善焊接区域的温度场、降低应力、预热、后热和缓冷的显著特点，克服了传统的电弧焊只能焊接小直径金属螺柱以及传统摩擦焊热源的不足，它可实现金属螺柱与金属板材基体的冶金结合，能够焊接厚大尺寸金属板材，金属板厚范围3-80mm、最大可达120mm；第六，本发明焊接金属螺柱的直径跨度大，金属螺柱直径范围6-30mm、最大可达40mm；第七，本发明焊接质量明显提高，接头强度可达金属螺柱母材强度的100%，接头内熔合率100%；第八，本发明虽然以电弧为主热源、摩擦为辅助热源，但是电弧热产生的熔融金属经旋转摩擦后被挤出，最终接头为介于，具有固相连接的优点；第九，本发明中保护气为N2、CO2、Ar等，根据不同的材料选择不同的保护气；第十，本发明焊接过程可实现自动化操作，焊接效率明显提高。本发明适用于钢、镍、铜、钛、铝或镁金属螺柱与同种或异种金属材料基板之间的焊接，特别适用于脆性、难焊导体材料金属螺柱以及大直径、高碳当量钢金属螺柱的焊接。
附图说明
图1为本发明提出的一种摩擦清理均化下的电弧金属螺柱焊接方法的流程示意图。
图2为本发明提出的一种摩擦清理均化下的电弧金属螺柱焊接装置的结构示意图。
图3为本发明提出的金属螺柱的形状示意图。
图4为本发明提出的带集电环的电弧加载装置的结构示意图。
图5为本发明提出的一种摩擦清理均化下的电弧金属螺柱焊接方法的步骤与时间的对应关系。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。
结合图1和图2，发明提出的一种摩擦清理均化下的电弧金属螺柱焊接方法，是将金属螺柱的端面与金属基板的表面经摩擦清理预先处理、转轴动弧均化加热、摩擦界面清理均化和顶锻流塑变形结合步骤，而制得性能优良的金属螺柱焊接接头成品，具体步骤如下：
步骤一，摩擦清理预先处理：启动金属螺柱轴向位移装置（6）和电动机（5），金属螺柱（1）的转速为300～3000r/min，使金属螺柱（1）在金属螺柱轴向位移装置（6）和电动机（5）的共同作用下沿轴向运动与金属基板（2）的表面接触，同时施加压力5～30MPa，使金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）的表面产生直接摩擦，摩擦1～3s后，清除金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）的表面氧化物、油污等杂质，同时使金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）的表面产生引弧毛刺；
步骤二，转轴动弧均化加热：在步骤一的基础上，开启保护气，开启电弧电源（7），控制电弧电源（7）的电流为600～3000A，将旋转中的金属螺柱（1）抬起1.5～7mm，在金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）的表面之间引燃电弧并形成转轴动弧，金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）的表面被均匀加热、升温，形成两个局部高温区，电弧加热时间700～1500ms，使金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）表面产生均匀熔化层；其中，保护气为N2、CO2或Ar。
步骤三，摩擦界面清理均化：在步骤二的基础上，关闭电弧电源（7）、熄弧，将旋转的金属螺柱（1）下压至基板表面，摩擦压力5～30MPa、摩擦时间1～2s，挤出熔化层中的杂质、氧化物和液态金属，使金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）的表面形成半固态接触界面；
步骤四，顶锻流塑变形结合：制动电动机（5）停止金属螺柱（1）旋转，同时加压顶锻，顶锻力10～100MPa、顶锻力维持1～3s，使金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）的表面流塑变形实现冶金结合，从而得到金属螺柱焊接接头成品。
结合图2，本发明提出的基于实现上述一种摩擦清理均化下的电弧金属螺柱焊接方法的装置，它包括金属螺柱（1）和金属基板（2），该金属基板（2）固定在外部工作台上，其特征在于还包括带集电环的电弧加载装置（3）、金属螺柱夹头（4）、电动机（5）、金属螺柱轴向位移装置（6）、电弧电源（7）和保护气罩（8）和保护气喷管（9），其中：金属螺柱夹头（4）安装在电动机（5）主轴上，金属螺柱夹头（4）夹持金属螺柱（1）的后部，带集电环电弧加载装置（3）安装在金属螺柱（1）的中部，金属螺柱轴向位移装置（6）控制电动机（5）主轴，保护气罩（8）置于金属螺柱（1）与金属基板（2）焊接部位，保护气喷管（9）的头部设置在保护气罩（8）中，电弧电源（7）的正极与金属基板（2）连接，电弧电源（7）的负极与带集电环的电弧加载装置（3）连接。
结合图3和图4，本发明装置的进一步优选方案是：本发明的金属螺柱（1）与金属基板（2）为同种金属或异种金属；金属螺柱（1）为如图3-1所示的锥形实心金属螺柱或如图3-2所示的锥形空心金属螺柱或如图3-3所示的空心金属螺柱或如图3-4所示的实心金属螺柱；带集电环的电弧加载装置（3）如图4所示，它包括集电环内环和集电环外环，在集电环内环与集电环外环之间并联设置两个轴承，在两轴承之间设置电刷，该带集电环的电弧加载装置（3）采用VSR-P型号为佳；在焊接过程中，集电环外环静止，集电环内环夹持金属螺柱（1）并相对于集电环外环旋转，将电弧电源电信号接在集电环外环上，然后通过电刷加载在集电环内环及金属螺柱（1）上，由此将摩擦热源和电弧热源均加载在金属螺柱（1）上，使两种热源融合为一体，成为同体热源。
结合图5，进一步说明本发明的方法所涉及的步骤与时间的对应关系：在初始时刻，金属螺柱（1）在电动机（5）的作用下开始旋转，t1时刻转速达到预定的转速如图5-1所示；此时，金属螺柱（1）在金属螺柱轴向位移装置（6）的作用下向下运动，在t2时刻金属螺柱（1）与工件（2）接触如见图5-4所示；通过金属螺柱轴向位移装置（6）在金属螺柱（1）与工件（2）之间施加预定的摩擦压力，金属螺柱（1）与工件（2）之间进行摩擦清理预先处理至t3时刻如图5-3所示；金属螺柱（1）在金属螺柱轴向位移装置（6）的作用下向上抬起，t4时刻达到预定的距离如图5-4所示；开启电弧电源（7），引燃转轴动弧对金属螺柱（1）与工件（2）均化加热，直到t5时关闭电弧电源（7），电弧熄灭如图5-2所示；金属螺柱（1）在金属螺柱轴向位移装置（6）的作用下向下运动，t6时刻金属螺柱（1）与工件（2）接触（见图5-4）；通过金属螺柱轴向位移装置（6）在金属螺柱（1）与工件（2）之间施加预定的摩擦压力，金属螺柱（1）与工件（2）之间进行摩擦界面清理均化，清理界面的杂质、氧化物和液态金属，形成半固态接触界面如图5-3所示；t7时刻金属螺柱（1）在电动机（5）的制动下停止旋转如图5-1所示；金属螺柱（1）在金属螺柱轴向位移装置（6）的作用下施加预定顶锻力，实现顶锻流塑变形结合，顶锻力维持到t8时卸载如图5-3所示，完成整个焊接过程。
以下结合图1-5，进一步说明本发明的具体实施例。
实施例1，以焊接直径为6mm、长80mm的30CrNi3MoV实心金属螺柱，以及板厚3mm的30CrNi3MoV的焊接接头成品为例，保护气为CO2，气流量17L/min：
步骤一，摩擦清理预先处理：启动金属螺柱轴向位移装置（6）和电动机（5），金属螺柱（1）的转速为3000r/min，使金属螺柱（1）在金属螺柱轴向位移装置（6）和电动机（5）的共同作用下沿轴向运动与金属基板（2）的表面接触，同时施加压力5MPa，使金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）的表面产生直接摩擦，摩擦1s后，清除金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）的表面氧化物、油污等杂质，同时使金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）的表面产生引弧毛刺；
步骤二，转轴动弧均化加热：在步骤一的基础上，开启CO2保护气，开启电弧电源（7），控制电弧电源（7）的电流为600A，将旋转中的金属螺柱（1）抬起1.5mm，在金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）的表面之间引燃电弧并形成转轴动弧，金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）的表面被均匀加热、升温，形成两个局部高温区，电弧加热时间700ms，使金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）表面产生均匀熔化层；
步骤三，摩擦界面清理均化：在步骤二的基础上，关闭电弧电源（7）、熄弧，将旋转的金属螺柱（1）下压至基板表面，摩擦压力5MPa、摩擦时间1s，挤出熔化层中的杂质、氧化物和液态金属，使金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）的表面形成半固态接触界面；
步骤四，顶锻流塑变形结合：制动电动机（5）停止金属螺柱（1）旋转，同时加压顶锻，顶锻力10MPa、顶锻力维持1s，使金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）的表面流塑变形实现冶金结合，从而得到金属螺柱焊接接头成品。
实施例2，以焊接直径为20mm、长80mm的30CrNi3MoV锥形金属螺柱，以及板厚40mm的6061铝合金的焊接接头成品为例，保护气为Ar，气流量16L/min：
步骤一，摩擦清理预先处理：启动金属螺柱轴向位移装置（6）和电动机（5），金属螺柱（1）的转速为2000r/min，使金属螺柱（1）在金属螺柱轴向位移装置（6）和电动机（5）的共同作用下沿轴向运动与金属基板（2）的表面接触，同时施加压力18MPa，使金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）的表面产生直接摩擦，摩擦2s后，清除金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）的表面氧化物、油污等杂质，同时使金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）的表面产生引弧毛刺；
步骤二，转轴动弧均化加热：在步骤一的基础上，开启Ar保护气，开启电弧电源（7），控制电弧电源（7）的电流为2000A，将旋转中的金属螺柱（1）抬起3mm，在金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）的表面之间引燃电弧并形成转轴动弧，金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）的表面被均匀加热、升温，形成两个局部高温区，电弧加热时间1000ms，使金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）表面产生均匀熔化层；
步骤三，摩擦界面清理均化：在步骤二的基础上，关闭电弧电源（7）、熄弧，将旋转的金属螺柱（1）下压至基板表面，摩擦压力18MPa、摩擦时间1.5s，挤出熔化层中的杂质、氧化物和液态金属，使金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）的表面形成半固态接触界面；
步骤四，顶锻流塑变形结合：制动电动机（5）停止金属螺柱（1）旋转，同时加压顶锻，顶锻力50MPa、顶锻力维持2s，使金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）的表面流塑变形实现冶金结合，从而得到金属螺柱焊接接头成品。
实施例3，以焊接直径为30mm、内孔径为12mm，长80mm的6061铝合金空心金属螺柱，以及板厚80mm的6061铝合金的焊接接头成品为例，保护气为Ar，气流量18L/min：
步骤一，摩擦清理预先处理：启动金属螺柱轴向位移装置（6）和电动机（5），金属螺柱（1）的转速为300r/min，使金属螺柱（1）在金属螺柱轴向位移装置（6）和电动机（5）的共同作用下沿轴向运动与金属基板（2）的表面接触，同时施加压力30MPa，使金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）的表面产生直接摩擦，摩擦3s后，清除金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）的表面氧化物、油污等杂质，同时使金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）的表面产生引弧毛刺；
步骤二，转轴动弧均化加热：在步骤一的基础上，开启Ar保护气，开启电弧电源（7），控制电弧电源（7）的电流为3000A，将旋转中的金属螺柱（1）抬起7mm，在金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）的表面之间引燃电弧并形成转轴动弧，金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）的表面被均匀加热、升温，形成两个局部高温区，电弧加热时间1500ms，使金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）表面产生均匀熔化层；
步骤三，摩擦界面清理均化：在步骤二的基础上，关闭电弧电源（7）、熄弧，将旋转的金属螺柱（1）下压至基板表面，摩擦压力30MPa、摩擦时间2s，挤出熔化层中的杂质、氧化物和液态金属，使金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）的表面形成半固态接触界面；
步骤四，顶锻流塑变形结合：制动电动机（5）停止金属螺柱（1）旋转，同时加压顶锻，顶锻力100MPa、顶锻力维持3s，使金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）的表面流塑变形实现冶金结合，从而得到金属螺柱焊接接头成品。
实施例4，以焊接直径为40mm、内孔径为15mm，长80mm的6061铝合金锥形空心金属螺柱，以及板厚120mm的纯铜的焊接接头成品为例，保护气为N2，气流量17L/min：
步骤一，摩擦清理预先处理：启动金属螺柱轴向位移装置（6）和电动机（5），金属螺柱（1）的转速为500r/min，使金属螺柱（1）在金属螺柱轴向位移装置（6）和电动机（5）的共同作用下沿轴向运动与金属基板（2）的表面接触，同时施加压力25MPa，使金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）的表面产生直接摩擦，摩擦3s后，清除金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）的表面氧化物、油污等杂质，同时使金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）的表面产生引弧毛刺；
步骤二，转轴动弧均化加热：在步骤一的基础上，开启N2保护气，开启电弧电源（7），控制电弧电源（7）的电流为3000A，将旋转中的金属螺柱（1）抬起6mm，在金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）的表面之间引燃电弧并形成转轴动弧，金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）的表面被均匀加热、升温，形成两个局部高温区，电弧加热时间1500ms，使金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）表面产生均匀熔化层；
步骤三，摩擦界面清理均化：在步骤二的基础上，关闭电弧电源（7）、熄弧，将旋转的金属螺柱（1）下压至基板表面，摩擦压力25MPa、摩擦时间2s，挤出熔化层中的杂质、氧化物和液态金属，使金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）的表面形成半固态接触界面；
步骤四，顶锻流塑变形结合：制动电动机（5）停止金属螺柱（1）旋转，同时加压顶锻，顶锻力90MPa、顶锻力维持3s，使金属螺柱（1）的端面与金属基板（2）的表面流塑变形实现冶金结合，从而得到金属螺柱焊接接头成品。
本发明中凡未作说明的技术手段均为本领域技术人员所公知的现有技术。
本发明经反复试验验证，取得了满意的应用效果。
Claims (6)
1.一种摩擦清理均化下的电弧金属螺柱焊接方法，其特征在于将金属螺柱(1)的端面与金属基板(2)的表面经摩擦清理预先处理、转轴动弧均化加热、摩擦界面清理均化和顶锻流塑变形结合，而制得性能优良的金属螺柱焊接接头成品，具体步骤如下：
步骤一，摩擦清理预先处理：启动金属螺柱轴向位移装置(6)和电动机(5)，金属螺柱(1)的转速为300～3000r/min，使金属螺柱(1)在金属螺柱轴向位移装置(6)和电动机(5)的共同作用下沿轴向运动与金属基板(2)的表面接触，同时施加压力5～30MPa，使金属螺柱(1)的端面与金属基板(2)的表面产生直接摩擦，摩擦1～3s后，清除金属螺柱(1)的端面与金属基板(2)的表面氧化物、油污等杂质，同时使金属螺柱(1)的端面与金属基板(2)的表面产生引弧毛刺；
步骤二，转轴动弧均化加热：在步骤一的基础上，开启保护气，开启电弧电源(7)，控制电弧电源(7)的电流为600～3000A，将旋转中的金属螺柱(1)抬起1.5～7mm，在金属螺柱(1)的端面与金属基板(2)的表面之间引燃电弧并形成转轴动弧，金属螺柱(1)的端面与金属基板(2)的表面被均匀加热、升温，形成两个局部高温区，电弧加热时间700～1500ms，使金属螺柱(1)的端面与金属基板(2)表面产生均匀熔化层；
步骤三，摩擦界面清理均化：在步骤二的基础上，关闭电弧电源(7)、熄弧，将旋转的金属螺柱(1)下压至基板表面，摩擦压力5～30MPa、摩擦时间1～2s，挤出熔化层中的杂质、氧化物和液态金属，使金属螺柱(1)的端面与金属基板(2)的表面形成半固态接触界面；
步骤四，顶锻流塑变形结合：制动电动机(5)停止金属螺柱(1)旋转，同时加压顶锻，顶锻力10～100MPa、顶锻力维持1～3s，使金属螺柱(1)的端面与金属基板(2)的表面流塑变形实现冶金结合，从而得到金属螺柱焊接接头成品。
2.根据权利要求1所述的摩擦清理均化下的电弧金属螺柱焊接方法，其特征在于步骤二所述的保护气为N2、CO2或Ar。
3.基于实现如权利要求1所述的一种摩擦清理均化下的电弧金属螺柱焊接方法的装置，它包括金属螺柱(1)和金属基板(2)，该金属基板(2)固定在外部工作台上，其特征在于还包括带集电环的电弧加载装置(3)、金属螺柱夹头(4)、电动机(5)、金属螺柱轴向位移装置(6)、电弧电源(7)和保护气罩(8)和保护气喷管(9)，其中：金属螺柱夹头(4)安装在电动机(5)的主轴上，金属螺柱夹头(4)夹持金属螺柱(1)的后部，带集电环的电弧加载装置(3)安装在金属螺柱(1)的中部，金属螺柱轴向位移装置(6)控制电动机(5)主轴，保护气罩(8)置于金属螺柱(1)与金属基板(2)焊接部位，保护气喷管(9)的头部设置在保护气罩(8)中，电弧电源(7)的正极与金属基板(2)连接，电弧电源(7)的负极与带集电环的电弧加载装置(3)连接。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于金属螺柱(1)与金属基板(2)为同种金属或异种金属。
5.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于金属螺柱(1)为空心金属螺柱或实心金属螺柱；其中：所述实心金属螺柱包括锥形实心金属螺柱、所述空心金属螺柱包括锥形空心金属螺柱。
6.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于带集电环的电弧加载装置(3)包括集电环内环和集电环外环，在集电环内环与集电环外环之间并联设置两个轴承，在两轴承之间设置电刷。
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