CN106513975A - 一种接触面无延展的金属焊合方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种接触面无延展、焊合前后工件的外观形状和尺寸无宏观变化的金属焊合方法。本发明以两个回转体工件作为加工对象，将两个同种或异种金属的回转体工件内外嵌套形成动配合。采用约束体对加工对象进行全封闭约束，沿回转体轴向施加压力，在两回转体内部形成较高的静水压力而不发生宏观尺度的形状和尺寸变化。对其中一个或两个约束体、或工件提供动力矩，使内外约束体由此获得等大而反向的扭矩，使其绕约束体与回转体工件共有的中心轴发生相对转动；工件发生圆周方向的剪切变形，最终实现两个回转体工件沿其接触面的焊合。

Description

一种接触面无延展的金属焊合方法

技术领域

本发明涉及一种新的接触面无延展的金属焊合方法，该方法可应用于两种及两种以上金属(含合金)之间的焊合，工件的外观尺寸、工件间接触面的形状、长度在加工过程中不发生宏观变化。属于材料加工领域。

背景技术

焊接是一种古老而又新兴的加工技术，早在3000年前中国古代就已经出现铜-金、铅-锡焊接的应用，通过加热或加压，或者两者并用来达到不同金属间的冶金结合。

传统的熔焊和钎焊都是将工件局部或工件表面的钎料加热熔化，加工过程中的高温使焊缝存在热影响区和残余应力，焊接后的结构中存在显著的组织不均匀，造成焊缝的综合性能低于母材，从而对焊合后工件整体的力学性能产生影响。

为了消除焊缝热影响区的问题，通过对工件施加压力完成固-固焊合的方法逐渐得到了重视。这类焊合方法主要有主要依赖于高温扩散作用的扩散焊接、依靠爆炸生产的瞬间高压作用的爆炸焊接，和以焊合界面一侧或两侧工件局部和整体宏观塑性变形为特征的冷压焊、摩擦焊、搅拌摩擦焊、塑性加工复合(轧制复合、挤压复合、拉拔复合等)等。

扩散焊接是利用高温和压力的双重作用，促进金属间界面形成冶金结合。此工艺对待焊表面质量要求高，并且固态扩散的动力学过程缓慢，焊接时间长。扩散焊接所需要的高温扩散条件，对工件的组织性能会造成严重影响，从而使其适用范围受到影响。

爆炸焊接是一种有效的固-固焊合方法，而且能较为有效地解决难互溶体系或者不互溶体系金属间焊接的问题。但焊合界面会出现碳迁移，降低了焊合效果和界面的力学性能，同时操作过程涉及爆炸等高危作业，对工作环境有特殊要求，限制了其应用。

冷压焊是一种典型的固-固焊合方法。在冷压焊过程中，工件接触面附近的金属发生塑性变形，焊合工件在垂直于焊合接触面的方向上发生显著的宏观运动和变形，并在焊合接触面处形成宏观尺度的飞边，工件原有的外观尺寸发生显著的变化。对于Ag-Ni等难互溶体系金属而言，冷压焊的界面是由机械咬合和冶金结合共同组成的，焊合质量和可靠性受到一定影响。冷压焊主要用于线材和箔材的焊合。

摩擦焊在焊合过程中，工件会在接触面垂直方向上出现塑性变形并产生飞边，同时对于非圆形界面的工件焊合较为困难，适用范围有一定局限性。搅拌摩擦焊在待焊工件连接界面产生大量的摩擦热，接触面产生金属的塑性软化区，所以经过搅拌摩擦焊加工的工件在焊缝处仍存在热影响区。

以挤压复合、轧制复合为代表的塑性加工复合是制备金属层状复合材料的典型方法，也是较为常用的固-固焊合方法。

挤压复合法是将外层环套金属和内层芯棒金属的待复合表面清理干净，然后组装成挤压坯，在适当的温度、挤压速度及挤压比参数下挤压成型。在较高压力作用下，金属表面紧密接触，界面处氧化膜破碎，金属原子生扩散并产生复合。适合生产各种管材和棒材，但是在加工过程中工件宏观尺寸发生巨大变化，无法进行零件级别工件进行加工[AhmedN.Extrusion of copper clad aluminum wire[J].Journal of Mechanical,1978,2:19-32.]。

轧制复合法包括冷轧和热轧两种方式。将两种或者多种金属材料在经过表面处理之后，利用轧制过程中产生的高压及变形热(热轧则需要额外对试样加热)，使接触界面实现复合的一种加工工艺。轧制复合法主要用于生产复合板材，在轧制过程中，待复合界面在巨大压力作用下发生塑性变形，材料的宏观形状发生了明显的变化[Kim IK,HongSI.Effect of heat treatment on the bending behavior of tri-layered Cu/Al/Cucomposite plates.Mater Des 2013；47:590–8.]。

综上所述，与传统的熔焊接相比，固-固焊合的方法无需焊丝等消耗，对保护气氛要求低，在室温或低于金属熔点的温度下即可完成接触面冶金结合。但是，除了扩散焊、爆炸焊和搅拌摩擦焊外，现有的固-固焊都会显著改变焊接工件的宏观尺寸，因此只能进行“材料级”的焊接，焊接完成后的材料需要进一步机加工和热处理等工序来获得所需的零件。而扩散焊需要特殊的高温条件、而爆炸焊又涉及爆炸等高危作业、搅拌摩擦焊在焊缝和基材间造成严重的组织和性能不均匀，使其应用受到限制。如何在保证工件原有外形尺寸不变的同时，使焊合界面具有良好的性能，从而实现零件间的直接焊合，是现有工艺需要改善的方面。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宏观上接触面无延展、焊合前后工件的外观形状和尺寸无宏观变化的金属焊合方法。

实现本发明目的提供技术方案如下：

接触面无延展的金属焊合方法，包括：

预加工步骤：提供一外回转体工件，对其表面进行表面处理；另提供相应的内回转体工件，对其表面进行表面处理；

紧固步骤：对内、外回转体工件嵌套形成动配合，令多个刚性约束体对内、外回转体工件进行全封闭约束，使两回转体工件出现接触面；

焊合步骤：沿着工件的轴向施加压力，使得内、外回转体工件接触界面附近产生压力；对其中一个或两个刚性约束体、或工件提供动力矩，使其绕刚性约束体与回转体工件共有的中心轴，刚性约束体与内、外回转体工件接触面摩擦力的作用，使内、外回转体工件发生相应的相对转动，接触面处发生圆周方向的剪切塑性变形，随着转动角度的增加，应变量增加，逐渐实现两回转体工件接触面的冶金结合直至完全焊合。

上述焊合方法中，内、外回转体工件可以为同种材料或异种材料。

上述焊合方法中，内、外回转体工件为等高或非等高。

紧固步骤，采用全封闭约束中，嵌套后的内、外内回转体其内外均采用刚性约束体固定，若内回转体工件设置为实心结构，则可替代全封闭约束中用于内部约束的刚性约束体。

在焊合步骤中，需要轴向施加0.2～30GPa静水压力，

另外，在焊合步骤中，转动速率为0.2～60rpm。

本发明与现有技术相比，其显著特点：

1、在工件焊合前后，工件的外观形状和尺寸无宏观变化，不产生无用的飞边，结合面的长度在宏观上也不发生变化，可实现“零件级”的工件焊合，省去后续的机加工处理。

2、此方法无需其他辅助消耗材料，并且加工过程中无需保护气体，单纯利用金属发生的剪切变形，即可使界面表面硬质氧化层的破碎，露出内层新鲜未被氧化的金属，在界面处形成冶金结合。

3、此方法在室温或远低于母材熔点的温度下即可完成焊合过程，可对难互溶或不互溶的金属进行焊合。界面附近不存在热影响区，所以工件整体的性能不因界面的存在而受到影响，也无需后续退火消除结合面的残余应力。

附图说明

图1为内、外回转体工件紧密嵌套后的纵剖面图。1,3,5,7为内回转体工件，2,4,6,8为外回转体工件，内回转体工件可为3空心工件，也可为1,5,7实心工件。内回转体工件为实心工件时，可以代替内约束体传递扭矩。内、外回转体可等高也可不等高。

图2为两回转体工件紧密嵌套后接触面附近材料的横剖面图，其中9为内回转体工件，10为外回转体工件，在内外约束体等大反向的扭矩作用下，使它们绕共有的中心轴发生相对转动，工件界面处材料收到沿圆周切线方向的剪切力，金属间接触面开始发生冶金结合。

图3为用刚性约束体对内、外圆柱形回转体工件进行全封闭约束的示意图，其中11为内回转体工件，12为外回转体工件，13为内约束体，14为外回转体，15为端部压环，11、12与13、14两(内、外)约束体之间为动配合。

图4为转动90°后，未完全焊合时沿接触面撕开后表面扫描电镜形貌，其中(a)为接触面表面的整体形貌图；(b)为局部放大形貌图，反应了接触面处形成的弯折的表面形貌。

图5为接触面产生弯折示意图，A、B分别表示待焊合的两种金属，abcd表示一段接触面及其两侧附近的材料，此时bc段的材料既受到与接触面平行的摩擦力作用，又受一个顺时针方向的扭矩作用。随着变形的进行，bc段的材料在剪切力和扭矩作用下弯折程度会不断加大，在两金属的结合界面微观尺度上出现了结合界面长度和面积不断增加的现象，有利于不同金属间界面的冶金结合。

图6为4N铝套纯铜环组合工件结合界面附近电子扫描图像；其中(a)待观察的结合界面选取方法，(b)、(c)、(d)为横截面上不同区域内复合界面的扫描电镜图片。

图7为铜铝复合界面附近能谱分析线图。

图8为5N套4N纯铝环组合工件结合界面附近电子扫描图像；其中(a)待观察的结合界面选取方法，(b)为转动90°后4N、5N纯铝环接触面的电子扫描图像；(c)为转动180°后4N、5N纯铝环接触面的电子扫描图像；(d)为转动360°后4N、5N纯铝环接触面的电子扫描图像。

图9(a)、(b)为接触面附近的透射电镜图像，图中虚线表示4N和5N铝的结合界面,16为接触面形成的弯折。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明做进一步详述：

在本发明中，两个回转体工件内外嵌套形成动配合，如图1中所示的几种嵌套方式，其中1、3、5、7为外回转体工件，2、4、6、8为内回转体工件，内回转体工件可为实心工件也可以为空心工件。

采用刚性约束体对内、外回转体工件进行全封闭约束。沿着加工对象的轴向施加压力，使得内、外回转体接触界面附近产生0.2～30GPa的静水压力。在约束体作用下，此压力不会使工件产生宏观塑性变形，只是在工件之间的接触面、工件与约束体之间的接触面上产生正压力，从而帮助产生阻碍沿接触面发生相对滑动的摩擦力。

对其中一个或两个约束体、或工件提供动力矩，内、外约束体由此获得等大且反向的扭矩，并使其绕约束体与回转体工件的共有中心轴发生相对转动，转动速度为0.2～60rpm。

内、外回转体工件紧紧贴靠在一起，由于界面正压力和摩擦力的作用阻碍其沿接触面的相对滑动，两回转体接触面处的材料发生圆周方向的剪切塑性变形。随着转动角度的增加，应变量增加，逐渐实现两回转体工件接触面的冶金结合。

实施例1

以纯铜和纯铝圆环作为原材料。

采用纯铜圆环(纯度99.98％wt.)作为内回转体工件，高度10.0mm，外径为24.1mm，内径为22.0mm；4N纯铝圆环(纯度99.99％wt.)作为外回转体工件，高度10mm，外径为26.0mm，内径为24.0mm。工件的内外表面进行简单的表面处理后，将纯铜环嵌套到4N纯铝环内，内外嵌套后形成的组合环套作为本发明实施例的待加工工件。采用芯棒、外套和两个端部的压环作为刚性约束体分别约束该的组合环套工件的内壁、外壁和两端，从而形成为对该组合环套工件的封闭约束(图2)。

对组合环套工件的环形端面沿轴向施加2000MPa的压力。与此同时，固定芯棒，对外套约束体提供一个动力矩，使它绕共有的中心轴转动，平均应变速率为0.2s^-1，组合环套工件在其接触面处产生圆周方向的剪切变形。

在内、外约束体经过一定角度的相对转动后，内、外回转体工件接触面附近的材料在高静水压力下紧紧贴合并发生一定量的剪切塑性变形。剪切变形破坏回转体工件接触面处金属表面氧化层，使接触面两侧露出的新鲜金属表面互相接触，在变形过程中，接触面处的金属出现大量的弯折起伏，由于接触面处材料微观上的凹凸起伏(图4)，在上述高静水压力下的圆周剪切变形过程中，产生剪切弯曲，材料在剪切力和扭矩作用下弯折程度会不断加大，从而在微观上实现接触面长度的增大。由于接触面这种微观上的长度增加，造成接触面处表面硬质氧化层的破碎，而露出内层新鲜未被氧化的金属，促进冶金结合的发生。

所以宏观上，金属工件间的接触面长度并没有发生变化，且没有飞边流出，金属工件的宏观尺寸保持不变。但在微观上，接触面处金属形成弯折，增大接触面面积，接触界面的长度增加，保证了金属间接触面形成良好的冶金结合。

外套约束体转动角度为360°时，两工件接触面及其附近区域的电子扫描图像如图6所示，此时金属间界面清晰，没有明显缝隙，可以判断此时两种金属已经形成了较好的复合界面。通过能谱实验对铜-铝界面处进行测试，结果如图7所示。可以看出在界面处铜原子核铝原子都发生了扩散，铜-铝原子间形成金属键，因此我们可以判断出此时铜铝复合界面已经形成了冶金结合界面。

实施例2

以不同纯度的纯铝为原材料。

采用4N纯铝圆环(纯度99.99％wt.)作为内回转体工件，高度10.0mm，外径为24.1mm，内径为22.0mm；5N纯铝圆环(纯度99.999％wt.)作为外回转体工件，高度10mm，外径为26.0mm，内径为24.0mm。工件的内外表面进行简单的表面处理后，将4N纯铝环嵌套到5N纯铝环内，内外嵌套后形成的组合环套作为本发明实施例的待加工工件，如图8a所示。采用芯棒、外套和两个端部压环作为刚性约束体分别约束该的组合环套工件的内壁、外壁和两端，从而形成为对该组合环套工件的封闭约束。对组合环套工件的环形端面沿轴向施加2000MPa的压力。与此同时，固定芯棒，对外套约束体提供一个动力矩，使它绕共有的中心轴转动，平均应变速率为0.2s^-1，组合环套工件在其接触面处产生圆周方向的剪切变形。外套约束体转动角度为90°时，两工件接触面及其附近区域的电子扫描图像如图8b所示，两个铝管之间的界面仍然清晰连续，表明此时界面仍未实现良好结合。外套约束体转动角度为180°时，界面不连续，仅断续可见，如图8c所示。当转动角度增加到360°时，已完全分辨不出界面的存在，如图8d所示。通过高分辨透射电镜观察可以确定两金属工件已经形成原子尺度的冶金结合，如图9所示。

焊合界面的剪切强度的可以用来衡量界面结合的质量。表1给出了外套约束体转动不同角度时两个铝管之间界面的剪切强度。通过与单层5N铝管经过同样加工后的抗剪切强度对比发现，外套约束体转动角度为180°时,4N/5N复合界面的抗剪切强度与母材的剪切强度基本持平。

表1界面剪切强度(MPa)

Claims (6)

1.一种接触面无延展的金属焊合方法，其特征在于，包括：

预加工步骤：提供一外回转体工件，对其表面进行表面处理；另提供相应的内回转体工件，对其表面进行表面处理；

紧固步骤：对内、外回转体工件嵌套形成动配合，令多个刚性约束体对内、外回转体工件进行全封闭约束，使两回转体工件出现接触面；

焊合步骤：沿着工件的轴向施加压力，使得内、外回转体工件接触界面附近产生压力；对其中一个或两个刚性约束体、或工件提供动力矩，使其绕刚性约束体与回转体工件共有的中心轴，刚性约束体与内、外回转体工件接触面摩擦力的作用，使内、外回转体工件发生相应的相对转动，接触面处发生圆周方向的剪切塑性变形，随着转动角度的增加，应变量增加，逐渐实现两回转体工件接触面的冶金结合直至完全焊合。

2.根据权利要求1所述的接触面无延展的金属焊合方法，其特征在于，所述的内、外回转体工件为同种材料或异种材料。

3.根据权利要求1所述的接触面无延展的金属焊合方法，其特征在于，所述的内、外回转体工件为等高或非等高。

4.根据权利要求1所述的接触面无延展的金属焊合方法，其特征在于，所述的内回转体工件设置为实心结构，替代全封闭约束中用于内部约束的刚性约束体。

5.根据权利要求1所述的接触面无延展的金属焊合方法，其特征在于，所述的焊合步骤中，轴向施加0.2～30GPa静水压力。

6.根据权利要求1所述的接触面无延展的金属焊合方法，其特征在于，所述的焊合步骤中转动速率为0.2～60rpm。