CN101472701A - 焊接/接合前高压/高速焊接或接合第一和第二金属工件的方法、及由该方法制成的制造品 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于形成冶金结合的方法。使第一金属工件(10)和一个或更多个第二金属工件(15)相互靠近，从而使第一金属工件(10)的第一部位(12)与所述一个或更多个第二金属工件(15)的第二部位(17)呈大致叠置关系。在所述第一部位(12)和所述第二部位(17)之间设置合适的材料(99)，所述材料(99)呈颗粒或箔片形式。通过合适的高压接合处理(95)和高速接合处理中的任一种将所述第一工件(10)的包括所述第一部位(12)的至少第一部分压向所述一个或更多个第二金属工件(15)的包括所述第二部位(17)的第二部分，从而致使所述第一金属工件(10)和所述一个或更多个第二金属工件(15)相互接合或焊接而在它们之间形成冶金结合。

Description

焊接/接合前高压/高速焊接或接合第一和第二金属工件的方法、及由该方法制成的制造品
技术领域
本发明涉及基于向正在焊接或接合的工件施加压力和/或速度的焊接和接合处理。
背景技术
存在多种用于接合/焊接工件以例如在工件之间形成互锁或冶金结合的接合/焊接处理。
这些处理中的一类提供固态冶金结合，即不将工件加热到其熔点或者不添加钎料，这至少包括以下公知处理：
(i)磁脉冲成形(PMF)；
(ii)爆炸焊(EW)；
(iii)摩擦焊(FW)；
(iv)超声波焊(USW)；
(v)扩散焊(DFW)；
(vi)冷焊(CW)；
(vii)气压焊(PGW)；
(viii)锻焊(FOW)。
磁脉冲成形(PMF)是通过脉冲磁场使金属工件或其一部分快速运动而致使工件变形的处理。PMF处理的一个优点是该处理中的比热最小因而不会或几乎不会加热工件，这里将该处理称为“冷焊”或“焊接”。此外，该处理没有会留下工具痕的缺点，而在其他技术中会留下工具痕。
PMF处理使用电容器组、成形线圈，而且通常还使用磁场造型器以产生强磁场。通过使储存在电容器组中的电能极快地排放到成形线圈中而产生PMF处理所需的极强磁场。工件中感生的最终涡电流在工件与成形线圈之间产生磁排斥，并且由于成形线圈被牢固地支撑在其位置处，因而该排斥致使工件变形。
当工件表面在斥力的作用下运动时，其从磁场吸收能量。为将大部分可用能量用于进行成形并降低由于能量透入工件材料(这因电阻加热而浪费能量)而引起的能量损失，使成形磁脉冲非常短。在大多数PMF应用中，脉冲持续时间在大约10微秒至大约250微秒之间(放电电流的第一波持续时间)。
转让给本受让人的US 5,824,998公开了将第一金属工件的至少一部分接合或焊接至一个或更多个第二金属工件的至少一部分的方法，该方法包括借助脉冲磁力引起第一工件的所述部分运动，从而冲击第二工件的所述部分，该运动给第一工件的所述至少一部分赋予动能，从而致使这两个所述至少一部分彼此接合或焊接。
US 5,442,846公开了通过桥接套筒接合外径至少为12英寸的钢管的相邻两段，通过借助短收缩脉冲进行磁成形而使该套筒收缩至两个管段。
爆炸焊(EW)是这样一种固态焊接处理，在该处理中，通过因受控爆破高速冲击工件而在两个工件之间形成焊缝。这两个工件布置成在二者之间具有间距，用炸药在一端处将两个工件冲击在一起从而在此形成接触，接触点因爆破力而横过工件快速运动，直至两个工件被完全焊接。
摩擦焊(FW)是这样一种固态处理，在该处理中，使第一工件在与第二工件接触的同时相对于第二工件转动或平移，二者之间产生的摩擦提供结合能量。
超声波焊(USW)是这样一种固态焊接处理，其中在高压下使第一工件压靠第二工件，在二者之间的接触区域引起高频振动，从而提供结合能量。
扩散焊(DFW)是这样一种固态焊接处理，其中在高温(不过低于工件的熔融温度)高压下使第一工件压靠第二工件，工件在宏观上不产生明显变形或者相对运动。
冷焊(CW)是这样一种固态焊接处理，其中在室温下以高压使第一工件压靠第二工件，工件在焊缝处明显变形。
气压焊(PGW)或者热气压焊是这样一种固态焊接处理，其中在高温高压下使第一工件压靠第二工件，工件在宏观上产生明显变形。
锻焊(FOW)或冲击焊是这样一种固态焊接处理，其中在将第一工件和第二工件加热到焊接温度后，使第一工件抵靠第二工件经受高冲击作用，工件在接触面处明显变形。
发明内容
为了便于更好地理解本发明，本文将不时使用以下术语：
第一工件——金属物体，该金属物体具有利用合适的力(例如脉冲磁力)快速运动的至少一部分，因而该至少一部分与第二工件(参见下文)接合或焊接在一起。
第二工件——接合或焊接至第一工件的至少一部分的金属物体。
加工——作为在第一工件的表面或其一部分上进行作业的结果的处理。根据本发明，除了致使第一工件的形状发生变化之外，所述加工还会使第一工件或一部分接合或焊接至第二工件或其一部分。
接合——加工工件从而使其与第二工件非常紧密的接触。所述接合例如可以是这样一种作用，其中基本管状的工件抵靠该工件内部的金属柱状物体收缩，从而非常强力地且基本上永久地迫使这两个物体的相对表面彼此抵靠。接合的目的例如可以是确保这两个物体之间的紧密电连接，即电阻最小。
焊接——以使第一工件和第二工件的两个相对表面彼此成为一体的方式成形第一工件。在焊接中，这两个表面实际上熔融或熔化至彼此内，之后固化在一起而成为一体。
冶金结合——由于金属原子的原子团靠向一起时价电子波动功能的空间延伸增大而引起的将金属保持在一起的主要结合。
固态结合——通过在基本上低于两个工件中至少一个的熔点的温度下不添加钎料而在这两个工件之间产生聚结的焊接处理而形成的结合。
在以下带编号的段落中限定本发明的一些实施方式。
1.一种用于在第一金属工件与一个或更多个第二金属工件之间形成冶金结合的方法，该方法包括：
(a)使所述第一金属工件和所述一个或更多个第二金属工件相互靠近，从而使所述第一金属工件的第一部位与所述一个或更多个第二金属工件的第二部位呈大致叠置关系；
(b)在所述第一部位和所述第二部位之间设置合适的材料，所述材料呈颗粒或箔片形式；以及
(c)通过合适的高压接合处理和高速接合处理中的任一种将所述第一工件的包括所述第一部位的至少第一部分压向所述一个或更多个第二金属工件的包括所述第二部位的第二部分，从而致使所述第一金属工件和所述一个或更多个第二金属工件相互接合或焊接而在它们之间形成冶金结合。
2、根据实施方式1的方法，其中所述合适的高压接合处理和高速接合处理中的任一种包括以在其间具有所述材料的所述第一部位和所述第二部位之间产生接触锋(contact front)的方式迫使所述第一部位和所述第二部位以形成冶金结合的方式相互接触，所述接触锋在其中所述第一部位和所述第二部位的相向部分已通过所述处理而结合的至少一个冶金结合部位与其中所述第一部位和所述第二部位之间的相向部分将通过所述处理而结合的至少一个未结合部位之间限定轨迹，其中所述接触锋在所述第一部位和所述第二部位之间快速传播。
3、根据实施方式2所述的方法，其中在所述接触锋处，所述第一部位和所述第二部位在所述接触锋处以预定锐角相遇。
4、根据实施方式2或3所述的方法，其中所述接触锋以3×103米/秒以上的速度传播。
5、根据实施方式2至4中任一实施方式所述的方法，其中所述接触锋以约600米/秒以上的速度传播。
6、根据实施方式2至5中任一实施方式所述的方法，其中所述接触锋以足以在所述未结合部位中在所述第一部位和所述第二部位的所述相向部分之间形成等离子体的速度传播。
7、根据实施方式6所述的方法，其中所述等离子体包括至少所述材料的由于正传播的所述接触锋而被加热成等离子体形式的部分。
8、根据实施方式2至7中任一实施方式所述的方法，其中所述处理为磁脉冲成形处理，即PMF处理。
9、根据实施方式8所述的方法，其中在步骤(c)中，所述PMF处理包括通过在线圈中通脉冲电流而感生脉冲磁力，该脉冲磁力为这样的力，即：使所述第一部分以所述第一工件的初始动能冲击所述第二部分上，在冲击之前，所述初始动能大于或等于冲击之后所述第一工件的塑性变形能与所述第二工件的弹性变形能的组合，从而所述一个或更多个第二金属工件相互接合或焊接。
10、根据实施方式2至7中任一实施方式所述的方法，其中所述处理为爆炸焊处理。
11、根据实施方式2至7中任一实施方式所述的方法，其中所述处理为摩擦焊处理。
12、根据实施方式2至7中任一实施方式所述的方法，其中所述处理为超声波焊处理。
13、根据实施方式2至7中任一实施方式所述的方法，其中所述处理为扩散焊处理。
14、根据实施方式2至7中任一实施方式所述的方法，其中所述处理为冷焊处理。
15、根据实施方式2至7中任一实施方式所述的方法，其中所述处理为气压焊处理。
16、根据实施方式2至7中任一实施方式所述的方法，其中所述处理为锻焊处理。
17、根据实施方式1至16中任一实施方式所述的方法，其中在所述步骤(b)中，所述颗粒被施加至所述第一部位和所述第二部位中的至少一个部位上。
18、根据实施方式17所述的方法，其中在步骤(a)之前执行步骤(b)。
19、根据实施方式1至18中任一实施方式所述的方法，其中所述颗粒被施加至所述第一部位的第一表面和所述第二部位的第二表面中的至少一个表面上。
20、根据实施方式19所述的方法，其中通过用包括所述金属粉末的乳化液喷射或涂布至所述第一表面和所述第二表面中的至少一个表面上而将所述颗粒施加在所述第一表面和所述第二表面中的该至少一个表面上。
21、根据实施方式20所述的方法，其中所述乳化液包括悬浮在合适气体或液体中的颗粒。
22、根据实施方式19所述的方法，其中通过在所述第一表面和所述第二表面中的至少一个表面与所述颗粒之间产生静电吸引力而将所述颗粒施加到所述第一表面和所述第二表面中的该至少一个表面上。
23、根据实施方式19所述的方法，其中所述颗粒是金属的并被磁化，所述第一部位和所述第二部位中的至少一个部位可被磁化，并且通以适当电流以在所述金属粉末附近磁化该至少一个部位，从而致使所述粉末被磁性吸引到所述第一部位和所述第二部位中的至少一个部位上。
24、根据实施方式1至23中任一实施方式所述的方法，其中所述第一部位和所述第二部位中的至少一个部位包括构造成至少在步骤(c)之前保持所述颗粒的表面特征。
25、根据实施方式24所述的方法，其中所述表面特征包括凹坑、凹痕、沟槽等中的任一种。
26、根据实施方式1至25中任一实施方式所述的方法，其中所述颗粒中的至少一部分由与所述第一部位和所述第二部位中的至少一个部位相同的金属制成。
27、根据实施方式1至26中任一实施方式所述的方法，其中所述颗粒中的至少一部分由与所述第一部位和所述第二部位相同的金属制成。
28、根据实施方式1至27中任一实施方式所述的方法，其中所述颗粒包括一种或多种与构成所述第一部位和所述第二部位的一种或多种金属不同的金属。
29、根据实施方式1至28中任一实施方式所述的方法，其中所述颗粒的有效直径或特征尺寸在约1×10-6m至约200×10-6m的范围内。
30、根据实施方式1至28中任一实施方式所述的方法，其中所述颗粒的有效直径或特征尺寸在约5×10-6m至约50×10-6m的范围内。
31、根据实施方式1至28中任一实施方式所述的方法，其中所述颗粒的有效直径或特征尺寸为约10-9m的量级。
32、根据实施方式1至31中任一实施方式所述的方法，其中所述颗粒包括从以下选择的至少一种金属或合金：铝、铁或钢、铜、镁、铋、锂、镍、锌、镁、银、金、钛、锡。
33、根据实施方式1至32中任一实施方式所述的方法，其中所述颗粒包括从以下选择的至少一种陶瓷：氧化镁、氧化铝。
34、根据实施方式1至28中任一实施方式所述的方法，其中所述箔片包括厚度介于约1×10-6m至约200×10-6m之间的金属箔片。
35、根据实施方式1至28中任一实施方式所述的方法，其中所述箔片包括厚度介于约5×10-6m至约50×10-6m之间的金属箔片。
36、一种制造品，该制造品包括根据实施方式1至35中任一实施方式的方法焊接到一个或多个第二金属工件上的第一金属工件。
在根据本发明某些方面的高压/高速接合或焊接中，在实施该处理之前在第一工件和第二工件之间设置间隙。接着，该处理以在其间具有所述材料的所述第一部位和所述第二部位之间产生接触锋的方式迫使所述第一部位和所述第二部位以形成冶金结合的方式相互接触，从而使工件的仍未结合的接触表面之间形成一角度，例如α。
所述接触锋在其中所述第一部位和所述第二部位的相向部分已通过所述处理而结合的至少一个冶金结合部位与其中所述第一部位和所述第二部位之间的相向部分将要通过所述处理而结合的至少一个未结合部位之间限定运动轨迹或者分离线。所述接触锋在所述第一部位和所述第二部位之间快速传播，直至整个第一部位结合至第二部位。
接触点的传播速度Vc.p.可通过以下关系式与两个工件之间的冲击速度Vr相关：
Vc.p.＝Vr/tan(角度α)    (1)
冲击速度可由以下关系式给出：
Vr＝[2×p×h/(γ×Δ)]0.5        (2)
其中：
h为工件之间的间隙
1为待焊接在一起的工件长度
p为高脉冲压力(即，磁压力)
γ为材料的比重
Δ为正在压力感生力作用下而变形的工件的厚度
将(1)和(2)相结合可得到Vc.p的以下关系式：
Vc.p.＝1×[2×p/(Δ×γ×h)]0.5       (3)
关系式(3)表明，若要减小Vc.p.，可以如何改变其中的不同参数。
例如，对于相同压力可使用较小的间隙，或者对于相同间隙和长度可需要较小压力。
假如根据本发明的颗粒或箔片能够使Vc.p.减小，则允许使用比不利用颗粒或箔片的情况下更低的压力和/或更小的间隙。类似地，对于相同间隙和/或压力，可提供较长的焊接长度。
以上关系式经必要修改还可应用于本发明中所用的其他固态焊接处理，在这些焊接处理中提供力从而经必要修改在两个工件之间形成正在传播的焊接锋或者接触点。
根据本发明的某些实施方式，通过在产生感应力之前在两个工件之间添加所述材料，可减小用于第一工件和第二工件的任何给定组合的间隙的尺寸和该感应力的大小。
在不受理论限制的情况下，通常在施加力时在两个工件之间产生等离子体。突然向工件之间的空气或气体施加高温高压时由于空气或气体试图快速从该空间排出而形成等离子体，随着接触锋的传播，等离子体基本上对工件的相向和/或紧密配合表面进行清洁并为其赋能，从而能形成冶金结合而在接触锋下游将二者接合在一起。在工件之间添加粉末能够更容易地形成等离子体，从而减小间隙尺寸和/或所需施加的力的大小。
因而，所述颗粒可用于增大待焊接在一起的表面之间的等离子体波的热量，从而提高该处的局部温度并增强所产生的焊缝。
根据本发明的其他方面，使已根据本发明在其间设置颗粒或箔片的两个工件抵接接触，接着施加连续的高压或冲击压力，并且颗粒和/或箔片的存在也增强了焊接处理。
附图说明
以下将参照附图仅以非限制性实施例方式描述优选实施方式，以理解本发明并清楚其可如何在实践中实施，在附图中：
图1示意性示出根据本发明的一个方面将同心工件焊接在一起；
图2是在将线缆的一端插入线缆终端衔套的内腔中之后由线缆和线缆终端衔套构成的组件的立体图；
图3是图2的组件的上部的局部剖视图；
图4是通过图3中的线3-3的剖面图；
图5是在线缆终端衔套的筒状部收缩并在线缆和线缆终端衔套之间形成牢固接头之后的组件的上部的局部剖视图；
图6是通过图5中的线5-5的剖面图；
图7A和图7B表示根据本发明一个实施方式使两个电极相互接合的方式的示意图；
图8A、8B和8C表示根据本发明一个实施方式使两个超导线缆相互接合的方式的示意图；
图9A、9B、9C和9D表示根据本发明另一个实施方式用于接合两个超导线缆的示意图；
图10A、10B和10C表示根据本发明一个实施方式制造接地线缆的方式的剖视示意图；
图11A和图11B表示根据本发明制造超导线缆的方式的剖视示意图；
图12表示用于焊接两个平面金属物体的设备；
图13是通过图12中的线16-16的剖面图；
图14A和图14B是其中将最初为平面的金属工件PMF焊接到筒状金属工件上的实施方式；
图15A和图15B表示其中将最初为平面的金属工件PMF焊接到棱柱状金属工件上的另一个实施方式；
图16示意性示出根据本发明另一个方面将工件焊接在一起；
图17示意性示出根据本发明再一个方面将工件焊接在一起；
图18示意性示出根据本发明再一个方面将工件焊接在一起；
图19示意性示出根据本发明再一个方面将工件焊接在一起。
具体实施方式
参照图1，示出了根据本发明的接合两个工件的方式。在该实施例中，第一工件呈柱状元件10的形式，其至少第一部位12与呈棒15形式的第二工件的第二部位17呈同心且叠置的关系。在利用用于施加合适的接合或焊接力的任何合适技术使第一部位和第二部位受到该合适的接合力或焊接力之前，第一部位与第二部位分开小的间隙18。在所述实施方式中，所述接合力为脉冲磁力。
转让给本受让人且其内容已整体并入本文的US 5,824,998公开了一种用于利用磁脉冲力接合或焊接两个工件的设备和方法。尽管如将在本文进一步描述的，上述专利中所公开的方法和设备可用于提供所需的PMF力，但是本发明并不局限于此，而是可采用任何合适的PMF技术。
根据本发明，在通过PMF力将第一部位和第二部位压在一起之前，在该间隙18中设置一些合适的颗粒99。
根据本发明，颗粒99可包括任何合适形状和尺寸的颗粒。通常，这些颗粒为大致球状，但是也可用任何其他规则或不规则形状代替，例如某些颗粒可具有股状形式等，并且颗粒的形状可因颗粒而异。
颗粒99的大小也可大致均匀，或者也可因颗粒而异。颗粒大小可表示为其公知形状的独特尺寸。例如，对于大致球状颗粒，大小可用直径表示。特别是对于形状不规则的颗粒来说，可方便地以有效直径表示颗粒大小，有效直径可以定义成体积与所述颗粒相同的球状颗粒的直径。这种颗粒的实际直径或有效直径可例如在约1×10-6m或约5×10-6m至约50×10-6m或约200×10-6m的范围内，或者可甚至小于1×10-6m，在某些情况下为10-9m量级。
小颗粒通常可能优于大颗粒，因为小颗粒具有更大的表面能，从而产生等离子体需要的能量更少。然而，颗粒的最佳大小可能是颗粒材料的可燃性的函数。例如，对于镁、铝或镍来说，可使用相对较大的颗粒来提供与使用相对较小的钢颗粒所获得的相同的效果。
颗粒99可由任何合适的金属或陶瓷制成，并且根据本发明的一个方面，这些颗粒无粘性，即不包括粘性材料。接合或焊接两个工件所用的颗粒99可都包括相同金属或其他材料，或者可包括不同金属、陶瓷或其他合适颗粒的混合物，例如一部分颗粒由同一金属制成，而其他颗粒由不同金属、陶瓷、塑料或其他材料制成。任选金属颗粒99中的至少一部分可由与第一工件10和第二工件15之一或二者相同的金属制成，或者至少由与第一部位12和第二部位17之一或二者相同的金属制成。
例如，颗粒99可由以下任一种金属或这些金属的合金制成：铝、锌、镁、铁或钢、铜、镁、铋、锂、镍、银、金、钛、锡；或者可由陶瓷或金属氧化物制成，例如氧化铝或氧化镁；或者可由塑料制成，或者实际上由任何合适的材料，特别是可形成等离子体的材料制成。
根据图1所示的实施方式，方便地将颗粒99仅施加至第二部位17。颗粒99可以以多种不同的方式施加。例如，在图1所示的实施方式中，棒15的第二部位17可浸入容纳有大量所述颗粒的容器中，这些颗粒可具有例如金属粉末外观，某些颗粒可粘到第二部位17的表面上。
可选的是，颗粒99可悬浮在流体介质中而形成乳化液。所述流体介质可以为气体或液体，例如酒精或乙醚，并且所述乳化液被喷射或涂布到第二部位17的表面上。例如，所述颗粒可包括混合在丙酮中的银基粉末，当乳化液施加到工件的部分上时丙酮蒸发。
可使这些颗粒通过合适的剂量计以提供所需的颗粒稠度或浓度。任选的是，可在棒17上感生电势，同时颗粒也充有相反电势，从而便于颗粒99附着到第二部位17的表面。还可利用该电吸引技术(经必要修改)将金属颗粒99直接施加到第二部位17上，而不需使用乳化液。
可选的是，当由合适金属制成时，颗粒99可被磁化，并且在棒15由可磁化的金属制成时通过适当地使其永久或暂时磁化，可将被磁化的颗粒吸引并保留在第二部位17的表面上直至施加PMF处理。
优选的是，施加一薄层颗粒99，它们大致均匀地分布在第二部位17上。这些颗粒可形成为均匀或不均匀地覆盖第二部位17的整个表面的颗粒层，并且可平均为一个颗粒厚，或者可包括大于一个颗粒厚度的平均厚度，例如颗粒厚度的两倍、三倍、四倍、五倍或更多倍。可选的是，颗粒可以散布在凹处或者在由无颗粒的区域分开的颗粒岛中，或者呈环绕无颗粒的多个相邻区域的网状形式。
尽管如此，根据本发明，金属颗粒99可改为与以上针对第二部位17所述相似的方式(经必要修改)仅仅施加至第一部位12，或者施加至第一部位12和第二部位17二者上。
一旦已将颗粒99施加到第二部位17上，就可对这两个工件10、15施加PMF处理。
例如以与其内容整体并入本文的US 5,824,998中所述类似的方式，将适当地同轴对准的两个工件10、15放置在合适的PMF线圈95的内腔96中，可借此施加合适的PMF力。在施加PMF力之后，第一部分18压靠第二部分17，其间夹有一层金属颗粒99。在不受理论约束的情况下，认为当PMF力足够大，从而能将两个工件焊接或压接在一起时，金属颗粒99有利于第一部分18和第二部分17的两个相向表面的焊接和熔接。通常，线圈96的宽度决定了通过线圈96放电时工件的被加工长度。
可以理解，在图1中所示的实施方式中，棒15可替换为管；这样，可以理解，可按以上针对图1的布置所述类似的方式(经必要修改)在任何期望长度上将任何期望长度的两个管焊接在一起。
还可以理解，根据本发明的其他方面，经必要修改，由除脉冲磁力以外的其他手段提供接合力，从而在其间设有颗粒99的两个工件10、15之间形成固态焊接。
例如，根据本发明的另一个方面，适当时经必要修改，可通过爆炸焊处理提供接合力，或者事实上通过任何其他处理提供接合力，例如：摩擦焊(FW)、超声波焊(USW)、扩散焊(DFW)、冷焊(CW)、气压焊(PGW)、锻焊(FOW)。
因而，在相应的爆炸焊处理中，在第一部位12的外侧设置合适的炸药盘而不是线圈95，并且以受控方式将其引爆，使得第一部位12的图1中所示的左侧首先压靠第二部位17，从而在这两个工件之间的周向区域形成焊接接触。随着爆炸的进行，接触区域沿朝该图右侧的方向在这两个工件之间行进，直至在第一部位12和第二部位17之间形成固态结合。
现在参照图2至图6，这些图示出了根据本发明将线缆接合至线缆终端衔套的方式。线缆终端衔套22包括用于附接至另一主体的附接基部24以及具有内腔26的大致管状部25。线缆28包括多个均具有大致柱状截面的导电纤维30。
如在图2至图4中可见，通过将线缆28的端部32插入线缆终端衔套22的内腔26中而组合线缆28和线缆终端衔套22。筒状部25的原始半径为r01，线缆的原始半径为r02。
然后，以与针对图1的实施方式所述类似的方式，经必要修改，在端部32上施加颗粒99形成的合适涂层。然而，可将颗粒涂布在各纤维30的外表面上，使得在以与针对图1的实施方式所述类似的方式(经必要修改)通过磁脉冲形成处理、爆炸焊处理、或者根据本发明的任何其它合适的高压或高速焊接或接合处理向筒状部25施加适当的力时，筒状部25收缩。如图5中所示，筒状部25的内表面与线缆28的端部32焊接在一起，从而内腔26中的纤维30也互相焊接在一起，该处的颗粒可促进该焊接。可选的是，可将颗粒仅涂布在纤维束外表面的面向内腔26的内表面的大致面向外的部分上。在这种情况下，在施力时，颗粒通常有利于纤维和衔套22之间的焊接。
在该实施方式以及经必要修改的其他实施方式中，所述纤维可任选地经过一对对向旋转的刷之间，这对刷局部浸在包括颗粒的糊或乳化液中，从而将(糊或乳化液中的)颗粒刷到纤维上。
在任何情况下，作为所述收缩的结果(如图6所示)，纤维30被压缩成六角形，并且借助于颗粒的存在而有可能聚结成熔接柱，所述颗粒在纤维30自身之间而且在纤维与筒状部25之间形成冶金结合。收缩后，筒状部25的半径为r1，线缆的半径为r2。收缩之后，收缩后的筒状部25的壁有些增厚。
在典型线缆中，纤维可例如填充其内部空间的约65％。在完全压缩后，纤维变成六角形，纤维与颗粒一起可基本上完全填充线缆的内部空间。
发明人已经确定，通过在纤维之间和/或颗粒与筒状部之间提供颗粒，可根据向筒状部25提供的力的能量水平而在纤维和筒状部之间获得完全冶金焊接、半焊接或者压接。纤维和筒状部之间的接头或焊缝的质量越好，线缆/线缆终端衔套的机械整体性就越好，因而其抗热冲击性就越好。
图7A和图7B示出根据本发明一个实施方式接合细长金属物体的两个端部的方式。细长物体72的端部70和细长物体73的端部71被切割或斜切，从而产生与主体的纵向轴线成较钝角的两个互补的倾斜表面74、75。例如，以与针对图1的实施方式所述类似的方式(经必要修改)，向这两个表面74、75中的至少一个施加合适的颗粒99。将两个物体72、73放置成使其斜切或切割端部70、71相互接触，且使他们的轴线略微相互偏离，斜切或切割端部70、71中的一个或二者上包括金属粉末。接着，伴随着如图7A中的箭头示意性示出的那样施加强脉冲磁力或其他合适接合力，两个端部70和71相互冲击而被焊接在一起，即相互成一体。
图8A至图8C示出根据本发明一个实施方式接合两个超导线缆的端部的方式。两个超导线缆76和77(仅示出了其端部)均包括由第一金属合金形成的金属基块78和由第二金属合金制成的细丝79。为具有适当的电气连接，必须将两个端部接合在一起从而使细丝共同延长。为此，以与图7A和图7B中棒的情况类似的方式对角切割两线缆的端部76和77，但这一次将金属颗粒99施加到其中一个或两个倾斜表面上。这可通过多种方式做到。例如，可将分别由所述第一金属合金和所述第二金属合金制成的两种不同的金属颗粒有选择地施加到其中一个或两个倾斜表面上，使得将第二金属合金颗粒施加在与细丝79的切割端对应的斜面区域，而将第一金属合金颗粒施加在与金属基块对应的斜面区域。
使端部76和77在筒状工件82的内腔80内相互接触(图8B)，内腔80的内表面在附图标记81处预先涂布有颗粒99。接着，通过施加在图8B中由箭头示意性示出的脉冲磁力或其他合适的接合力，使筒状工件82收缩到超导线缆上，从而如图8C所示在两个线缆之间获得牢固接合。
图9A至图9D中示出了根据本发明另一实施方式接合两个超导线缆的方式。如图9B中可见，线缆86和87的相应端面84和85被钻出多个钻孔88，每个钻孔对应于超导线缆的细丝89。提供包括与钻孔88对应的突出部92的接合件90，并且任选的是，可将金属颗粒99施加到突出部92或钻孔88中的任一个或二者上，并且/或者可施加到基块表面的相应连接表面。如图9C所示，使接合件90与超导线缆的两端组合，然后将筒体94置于该组件上，在筒体94的内侧以及/或者线缆86、87和接合件90的待由筒体94覆盖的部分的外侧施加有金属颗粒98的涂层。接着，如图9C中的箭头示意性地示出的那样施加合适的PMF力或者其他高压或高速感应力，因而使筒体94收缩到线缆上，从而如图9D所示获得牢固的接合。
图10A至图10C示出了根据本发明一个实施方式制备接地线缆或导线的方式。图10A中示出的导体100包括由一种合金(例如，铁)制成的芯102以及由另一种合金(例如，铜)制成的包层104。可由关于图1所述的那样经必要修改制备导体100。在该导体上放置由诸如聚乙烯、陶瓷材料等绝缘材料制成的筒体或封套106，该筒体或封套被金属(例如铜)筒体108覆盖，如图10B所示。根据本发明，在筒体108和封套106之间施加合适的颗粒99。随着如图10B中的箭头示意性示出的那样施加磁力或根据本发明的其他合适的力，金属筒体108收缩，这又使得绝缘体106收缩，从而获得图10C所示的紧密结构。
现在参照图11A至11B，图11A至11B示出了根据本发明一个实施方式制造超导线缆的方式的示意图。由一种合金(例如，铜)制成的纵向基块110包括多个纵向钻孔112，由另一种合金制成的细丝114被引入各个钻孔中，如图11A所示。钻孔112的内表面和细丝114(单独或成束)之一或者细丝和钻孔二者都以与以上针对其他实施方式所述类似的方式(经必要修改)涂布有合适颗粒99。根据本发明，随着如图11A中的箭头所示的那样施加脉冲磁力或其他合适的力，整个线缆收缩，因而各个钻孔的壁与细丝至少部分地经由金属颗粒接合，从而如图11B所示产生几乎无孔隙空间的超导线缆。
图12中以立体图且在图13中以截面图示出了用于焊接两个平面金属工件的设备(在图12中，为了容易示出去除了线圈的支撑结构)。为了接合两个平面工件，使用基本为平面的线圈。图12中所示的平面线圈150具有与第一工件152的待与第二工件154接合的区域的形状和尺寸基本相同的整体形状和尺寸，在工件152、154之间施加颗粒99。如图13中可见，线圈绕线156由借助于锚固件160锚固到工作台上的支撑壁158保持在适当位置。在线圈150中通脉冲电流时，平面工件152会快速向下运动，并且若其例如以约300米/秒或约200米/秒以上的速度足够快地冲击工件154，则这两个金属工件就会焊接在一起。为此，从这些图中的箭头所示的方向施加磁力。
现在参照图14A和图14B，图14A和图14B示意性示出了将平面工件162焊接到筒状物体164(以截面示出)上，其中，在施加合适的PMF力或者其他合适的接合/焊接力之前，根据本发明，在工件162和物体164的一个或两个相向表面上施加颗粒99。类似地，图15A和图15B示出了将平面工件162’焊接到截面为矩形的棱柱状物体164’上，其中在施加合适的PMF力或者其他合适的接合力之前，根据本发明在工件162’和物体164’的一个或两个相向表面上施加颗粒99。类似地，可经必要修改而将平面工件焊接到球状或其他立体工件上。
参照图16，示出了根据本发明另一个方面的基于摩擦焊的焊接处理。第一工件201借助于夹具203而基本保持静止，并且第二工件202沿箭头A压靠第一工件201，并绕轴线204转动和/或平移，从而在这两个工件之间在其相向表面205、206处产生摩擦力。在启动摩擦焊处理之前，可根据本发明在表面205、206中的一个或二者上施加一层所述颗粒99。可选的是，第二工件可以被夹持成不动，而第一工件转动和/或平移以在包括颗粒的相向工件表面之间产生摩擦力。可选的是，第一工件和第二工件都可相对于彼此转动和/或平移，从而在包括颗粒的相向工件表面之间产生摩擦力。
在不受理论约束的情况下，工件201、202之间的摩擦力可致使颗粒99中的至少一部分燃烧或形成等离子体，这又会有助于表面205、206之间的固态焊接。
参照图17，示出了根据本发明另一个方面的基于超声波焊的焊接处理。第一工件211被保持在砧213上，第二工件212被附连在簧片的超声焊极前端219处，簧片夹持到质量体218上。使第二工件212沿箭头A压靠第一工件211，从而使相向表面215、216相接触。超声换能器217经由合适的楔向簧片219提供高频振动能量，该能量被传递至工件212、211。在启动超声焊处理之前，并且实际上在使工件211、212在一起之前，可根据本发明在表面215、216中的一个或二者上施加一层所述颗粒99。此外或者可选的是，可向第一工件施加振动能量。
在不受理论约束的情况下，工件211、212之间的振动能量可致使颗粒99中的至少一部分燃烧或形成等离子体，这又会有助于表面215、216之间的固态焊接。
参照图18，示出了根据本发明另一个方面的基于扩散焊或压接的焊接处理。第一工件221借助于夹具223基本保持静止，并且在预定压力和温度下通过适当的压力使第二工件212沿箭头A压靠第一工件211，从而在这两个工件之间在其相应的相向表面225、226处提供扩散焊或压接。在启动扩散焊处理之前，根据本发明，可在表面225、226中的一个或二者上施加一层所述颗粒99。可选的是，第二工件可以被夹持成不动，并通过压力挤压第一工件。可选的是，可通过的相反的压力一起挤压第一工件和第二工件。
在不受理论约束的情况下，工件221、222之间的压力感生力可致使颗粒99中的至少一部分燃烧或形成等离子体，这又会有助于表面225、226之间的固态焊接。
图18中所示的处理也可以以与针对扩散焊所述类似的方式(经必要修改)提供气压焊或压接，主要区别在于所施加的温度和压力足以分别产生气压焊或压接，而不是扩散焊。
图18中所示的处理也可以以与针对扩散焊所述类似的方式(经必要修改)提供冷焊，主要区别在于温度保持在室温下，所施加的压力足以产生冷焊，而不是扩散焊。
参照图19，示出了根据本发明另一个方面的基于锻焊或压接的焊接处理。第一工件231借助于夹具233基本保持静止，第二工件232压靠第一工件231并保持在夹具237上。根据本发明，可在表面235、236中的一个或二者上施加一层所述颗粒99。冲击锤238向夹具237施加冲击作用，从而在这两个工件之间分别在其相向表面235、236处提供锻焊。可选的是，第二工件可以被夹持成不动，锤对第一工件施力。可选的是，可沿相反方向向第一工件和第二工件施加联动冲击。
在不受理论约束的情况下，工件231、232之间的冲击力可致使颗粒99中的至少一部分燃烧或形成等离子体，这又会有助于表面235、236之间的固态焊接。
根据本发明的再一个方面，可以以与参照图1至图19所公开的使用颗粒类似的方式(经必要修改)，在实施本发明方法之前使用箔片或层压片代替第一工件和第二工件的相向表面之间的一层所述颗粒。
所述箔片的厚度例如在约1×10-6m或约5×10-6m至约50×10-6m或约200×10-6m的范围内，或者更大，并且所述箔片可由以下任一种金属或合金制成：铝、锌、镁、铁或钢、铜、镁、铋、锂、镍、银、金、钛、锡。
根据本发明的再一个方面，可以以与参照图1至图19所公开的使用颗粒类似的方式(经必要修改)，在实施本发明方法之前与颗粒一起使用箔片或层压片代替第一工件和第二工件的相向表面之间的一层所述颗粒。
在所附的方法权利要求中，用于表示权利要求步骤的字母符号和罗马数字仅为了方便而提供，并不暗含执行这些步骤的任何具体顺序。
最后，应指出，所附权利要求通篇所用的词语“包括”应当解释为“包含但不限于”。
尽管已示出并公开了根据本发明的示例性实施方式，但是应当理解，在不背离本发明精神的情况下可做出各种修改。

Claims (31)

1、一种在第一金属工件和一个或更多个第二金属工件之间形成冶金结合的方法，该方法包括：
(a)使所述第一金属工件和所述一个或更多个第二金属工件相互靠近，从而使所述第一金属工件的第一部位与所述一个或更多个第二金属工件的第二部位呈大致叠置关系；
(b)在所述第一部位和所述第二部位之间设置合适的材料，所述材料呈颗粒或箔片形式；以及
(c)通过合适的高压接合处理和高速接合处理中的任一种将所述第一工件的包括所述第一部位的至少第一部分压向所述一个或更多个第二金属工件的包括所述第二部位的第二部分，从而致使所述第一金属工件和所述一个或更多个第二金属工件相互接合或焊接而在它们之间形成冶金结合。
2、根据权利要求1所述的方法，其中所述合适的高压接合处理和高速接合处理中的任一种包括以在其间具有所述材料的所述第一部位和所述第二部位之间产生接触锋的方式迫使所述第一部位和所述第二部位以形成冶金结合的方式相互接触，所述接触锋在其中所述第一部位和所述第二部位的相向部分已通过所述处理而结合的至少一个冶金结合部位与其中所述第一部位和所述第二部位之间的相向部分将要通过所述处理而结合的至少一个未结合部位之间限定轨迹，其中所述接触锋在所述第一部位和所述第二部位之间快速传播。
3、根据权利要求2所述的方法，其中在所述接触锋处，所述第一部位和所述第二部位在所述接触锋处以预定锐角相遇。
4、根据权利要求2所述的方法，其中所述接触锋以约3×103米/秒以上的速度传播。
5、根据权利要求2所述的方法，其中所述接触锋以约600米/秒以上的速度传播。
6、根据权利要求2所述的方法，其中所述接触锋以足以在所述未结合部位中在所述第一部位和所述第二部位的所述相向部分之间形成等离子体的速度传播。
7、根据权利要求6所述的方法，其中所述等离子体包括至少所述材料的由于正传播的所述接触锋而被加热成等离子体形式的部分。
8、根据权利要求2所述的方法，其中所述处理为磁脉冲成形处理，即PMF处理。
9、根据权利要求8所述的方法，其中在步骤(c)中，所述PMF处理包括通过在线圈中通脉冲电流而感生脉冲磁力，该脉冲磁力为这样的力，即：使所述第一部分以所述第一工件的初始动能冲击在所述第二部分，在冲击之前，所述初始动能大于或等于冲击之后所述第一工件的塑性变形能与所述第二工件的弹性变形能的组合，从而所述一个或更多个第二金属工件相互接合或焊接。
10、根据权利要求2所述的方法，其中所述处理为爆炸焊处理。
11、根据权利要求2所述的方法，其中所述处理为以下处理中的任一种：摩擦焊处理、超声波焊处理、扩散焊处理、冷焊处理、气压焊处理以及锻焊处理。
12、根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(b)中，所述颗粒被施加至所述第一部位和所述第二部位中的至少一个部位上。
13、根据权利要求12所述的方法，其中在步骤(a)之前执行步骤(b)。
14、根据权利要求12所述的方法，其中所述颗粒被施加至所述第一部位的第一表面和所述第二部位的第二表面中的至少一个表面上。
15、根据权利要求14所述的方法，其中通过用包括所述金属粉末的乳化液喷射或涂布至所述第一表面和所述第二表面中的至少一个表面上而将所述颗粒施加在所述第一表面和所述第二表面中的该至少一个表面上。
16、根据权利要求15所述的方法，其中所述乳化液包括悬浮在合适的气体或液体中的颗粒。
17、根据权利要求14所述的方法，其中通过在所述第一表面和所述第二表面中的至少一个表面与所述颗粒之间产生静电吸引力而将所述颗粒施加到所述第一表面和所述第二表面中的该至少一个表面上。
18、根据权利要求14所述的方法，其中所述颗粒是金属的并被磁化，所述第一部位和所述第二部位中的至少一个部位可被磁化，并且通以适当电流以在所述金属粉末附近磁化该至少一个部位，从而致使所述粉末被磁性吸引到所述第一部位和所述第二部位中的至少一个部位上。
19、根据权利要求1所述的方法，其中所述第一部位和所述第二部位中的至少一个部位包括构造成至少在步骤(c)之前保持所述颗粒的表面特征。
20、根据权利要求19所述的方法，其中所述表面特征包括凹坑、凹痕、沟槽等中的任一种。
21、根据权利要求1所述的方法，其中所述颗粒中的至少一部分由与所述第一部位和所述第二部位中的至少一个部位相同的金属制成。
22、根据权利要求1所述的方法，其中所述颗粒中的至少一部分由与所述第一部位和所述第二部位相同的金属制成。
23、根据权利要求1所述的方法，其中所述颗粒包括一种或多种与构成所述第一部位和所述第二部位的一种或多种金属不同的金属。
24、根据权利要求1所述的方法，其中所述颗粒的有效直径或特征尺寸在约1×10-6m至约200×10-6m的范围内。
25、根据权利要求1所述的方法，其中所述颗粒的有效直径或特征尺寸在约5×10-6m至约50×10-6m的范围内。
26、根据权利要求1所述的方法，其中所述颗粒的有效直径或特征尺寸为约10-9m的量级。
27、根据权利要求1所述的方法，其中所述颗粒包括从以下选择的至少一种金属或合金：铝、铁或钢、铜、镁、铋、锂、镍、锌、镁、银、金、钛、锡。
28、根据权利要求1所述的方法，其中所述颗粒包括从以下选择的至少一种陶瓷：氧化镁、氧化铝。
29、根据权利要求1所述的方法，其中所述箔片包括厚度介于约1×10-6m至约200×10-6m之间的金属箔片。
30、根据权利要求1所述的方法，其中所述箔片包括厚度介于约5×10-6m至约50×10-6m之间的金属箔片。
31、一种制造品，该制造品包括根据权利要求1的方法焊接到一个或多个第二金属工件上的第一金属工件。
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