钢螺柱-铝板异种材料摩擦螺柱焊接研究(2)
铝及铝合金具有较高的比强度和比刚度，密度小，加工性能好，耐腐蚀性能好，在低温下能保持良好的力学性能，价格便宜，是工业中应用最广泛的有色金属结构材料，已大量应用在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中[1,2]。随着科学技术的快速发展，有关铝及铝合金的应用、研究越来越广泛，以铝代替其他材料的倾向非常明显。
铝及铝合金是重要的结构材料，在应用过程中常常需要与其他材料进行连接。常见的连接方法分为可拆连接和不可拆连接，其中，可拆连接主要是指螺栓连接，不可拆连接主要是指铆钉连接、黏接和焊接。对于很多铝及铝合金结构而言，若是具有螺栓、螺柱等紧固件结构，用于固定内饰、线路就会变得很方便。为此，需要解决的问题就转化为铝及铝合金与螺柱等紧固件的连接。使用螺柱焊代替铆接、钻孔、手工电弧焊、电阻焊和钎焊等螺柱连接工艺，具有高效、低成本、可靠、简单、产品结构美观等诸多优点[3]。
铝合金硬度较低不耐磨，目前铝螺柱焊于铝及铝合金结构时，通过给螺柱上套钢套解决这个问题。如果能用钢螺柱代替铝螺柱，就可以简化工艺，提高效率。因此，研究钢螺柱-铝板异种金属摩擦螺柱焊很有意义。
1.2 螺柱焊研究现状
1.2.1 电弧螺柱焊原理
螺柱焊的主要热源是电弧，电弧是一种气体放电现象，会产生强光和热量，具有低压、大电流的特点。在焊接过程中，螺柱和待焊的工件表面被电弧加热熔化，然后快速的挤压在一起冷却、凝固，形成焊缝。依据螺柱焊设备中以不同的方式提供能量，电弧螺柱焊可以分为拉弧式电弧螺柱焊和储能式电弧螺柱焊，这两种螺柱焊接方法都是采用直流电源产生电弧[6,7]。
对于拉弧式电弧螺柱焊，是利用晶闸管等整流器件对电网电压进行整流，来获得所需的焊接能量。储能式电弧螺柱焊的电源是低压储能装置，它的电弧是电容快速放电产生的[8]。
拉弧式电弧螺柱焊焊接开始时，待焊工件和螺柱通电，短暂接触后快速拉开，在两者之间形成电弧，待工件和螺柱加热到一定温度后，在外力作用下，螺柱进入工件表面的熔池经快速挤压形成焊接接头。储能式电弧螺柱焊引燃电弧时依靠的是大场强击穿气体间隙，引起大量带电粒子的定向运动，在焊接电压和焊接电流的作用下文持焊接电弧的燃烧，而不需要待焊工件和螺柱接触。储能式电弧螺柱焊的工艺参数主要有充电电压、放电电流、放电时间。
图1.1所示为螺柱焊焊接过程，见下图。
(a)准备阶段 （b)拉弧阶段
（c)焊接阶段 （d)预锻阶段
图1.1 摩擦螺柱焊焊接过程
1.2.2 螺柱焊的特点
螺柱焊在瞬间完成，节省时间，提高了工作效率；标准螺柱的成本很低，用螺柱焊代替所需结构和板材连接，可以节省钻孔、铆接、拧螺纹等工序，具有良好的经济性；螺柱焊的操作简单，工人只需经过短暂培训就可以操作。
1.2.3 电弧螺柱焊的缺点
依据焊接所需时间的不同，拉弧式电弧螺柱焊又可以分为标准和短周期两种模式。标准拉弧式电弧螺柱焊的焊接时间一般是0.2~2s，储能式电弧螺柱焊的焊接时间一般是1~10ms。标准式电弧螺柱焊与储能式电弧螺柱焊相比，螺柱和工件的熔化量更多，熔深较深，螺柱所承受的力也大得多，接头强度较高，对待焊工件的表面要求较低，主要应用于建筑、造船、桥梁和重型机械的生产中。储能式电弧螺柱焊主要应用在薄板的螺柱焊中，它的不足是焊接过程不能控制，工件与螺柱的接触面积未经过燃烧清理，有杂质存在，易氧化，工件与螺柱等紧固件之间未能充分熔化和熔合，因此焊接的牢固不够，耐久性差[9]。