本發明涉及一種新的接觸面無延展的金屬焊合方法，該方法可應用于兩種及兩種以上金屬(含合金)之間的焊合，工件的外觀尺寸、工件間接觸面的形狀、長度在加工過程中不發生宏觀變化。屬于材料加工領域。

背景技術：

焊接是一種古老而又新興的加工技術，早在3000年前中國古代就已經出現銅-金、鉛-錫焊接的應用，通過加熱或加壓，或者兩者并用來達到不同金屬間的冶金結合。

傳統的熔焊和釬焊都是將工件局部或工件表面的釬料加熱熔化，加工過程中的高溫使焊縫存在熱影響區和殘余應力，焊接后的結構中存在顯著的組織不均勻，造成焊縫的綜合性能低于母材，從而對焊合后工件整體的力學性能產生影響。

為了消除焊縫熱影響區的問題，通過對工件施加壓力完成固-固焊合的方法逐漸得到了重視。這類焊合方法主要有主要依賴于高溫擴散作用的擴散焊接、依靠爆炸生產的瞬間高壓作用的爆炸焊接，和以焊合界面一側或兩側工件局部和整體宏觀塑性變形為特征的冷壓焊、摩擦焊、攪拌摩擦焊、塑性加工復合(軋制復合、擠壓復合、拉拔復合等)等。

擴散焊接是利用高溫和壓力的雙重作用，促進金屬間界面形成冶金結合。此工藝對待焊表面質量要求高，并且固態擴散的動力學過程緩慢，焊接時間長。擴散焊接所需要的高溫擴散條件，對工件的組織性能會造成嚴重影響，從而使其適用范圍受到影響。

爆炸焊接是一種有效的固-固焊合方法，而且能較為有效地解決難互溶體系或者不互溶體系金屬間焊接的問題。但焊合界面會出現碳遷移，降低了焊合效果和界面的力學性能，同時操作過程涉及爆炸等高危作業，對工作環境有特殊要求，限制了其應用。

冷壓焊是一種典型的固-固焊合方法。在冷壓焊過程中，工件接觸面附近的金屬發生塑性變形，焊合工件在垂直于焊合接觸面的方向上發生顯著的宏觀運動和變形，并在焊合接觸面處形成宏觀尺度的飛邊，工件原有的外觀尺寸發生顯著的變化。對于Ag-Ni等難互溶體系金屬而言，冷壓焊的界面是由機械咬合和冶金結合共同組成的，焊合質量和可靠性受到一定影響。冷壓焊主要用于線材和箔材的焊合。

摩擦焊在焊合過程中，工件會在接觸面垂直方向上出現塑性變形并產生飛邊，同時對于非圓形界面的工件焊合較為困難，適用范圍有一定局限性。攪拌摩擦焊在待焊工件連接界面產生大量的摩擦熱，接觸面產生金屬的塑性軟化區，所以經過攪拌摩擦焊加工的工件在焊縫處仍存在熱影響區。

以擠壓復合、軋制復合為代表的塑性加工復合是制備金屬層狀復合材料的典型方法，也是較為常用的固-固焊合方法。

擠壓復合法是將外層環套金屬和內層芯棒金屬的待復合表面清理干凈，然后組裝成擠壓坯，在適當的溫度、擠壓速度及擠壓比參數下擠壓成型。在較高壓力作用下，金屬表面緊密接觸，界面處氧化膜破碎，金屬原子生擴散并產生復合。適合生產各種管材和棒材，但是在加工過程中工件宏觀尺寸發生巨大變化，無法進行零件級別工件進行加工[Ahmed N.Extrusion of copper clad aluminum wire[J].Journal of Mechanical,1978,2:19-32.]。

軋制復合法包括冷軋和熱軋兩種方式。將兩種或者多種金屬材料在經過表面處理之后，利用軋制過程中產生的高壓及變形熱(熱軋則需要額外對試樣加熱)，使接觸界面實現復合的一種加工工藝。軋制復合法主要用于生產復合板材，在軋制過程中，待復合界面在巨大壓力作用下發生塑性變形，材料的宏觀形狀發生了明顯的變化[Kim IK,Hong SI.Effect of heat treatment on the bending behavior of tri-layered Cu/Al/Cu composite plates.Mater Des 2013；47:590–8.]。

綜上所述，與傳統的熔焊接相比，固-固焊合的方法無需焊絲等消耗，對保護氣氛要求低，在室溫或低于金屬熔點的溫度下即可完成接觸面冶金結合。但是，除了擴散焊、爆炸焊和攪拌摩擦焊外，現有的固-固焊都會顯著改變焊接工件的宏觀尺寸，因此只能進行“材料級”的焊接，焊接完成后的材料需要進一步機加工和熱處理等工序來獲得所需的零件。而擴散焊需要特殊的高溫條件、而爆炸焊又涉及爆炸等高危作業、攪拌摩擦焊在焊縫和基材間造成嚴重的組織和性能不均勻，使其應用受到限制。如何在保證工件原有外形尺寸不變的同時，使焊合界面具有良好的性能，從而實現零件間的直接焊合，是現有工藝需要改善的方面。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種宏觀上接觸面無延展、焊合前后工件的外觀形狀和尺寸無宏觀變化的金屬焊合方法。

實現本發明目的提供技術方案如下：

接觸面無延展的金屬焊合方法，包括：

預加工步驟：提供一外回轉體工件，對其表面進行表面處理；另提供相應的內回轉體工件，對其表面進行表面處理；

緊固步驟：對內、外回轉體工件嵌套形成動配合，令多個剛性約束體對內、外回轉體工件進行全封閉約束，使兩回轉體工件出現接觸面；

焊合步驟：沿著工件的軸向施加壓力，使得內、外回轉體工件接觸界面附近產生壓力；對其中一個或兩個剛性約束體、或工件提供動力矩，使其繞剛性約束體與回轉體工件共有的中心軸，剛性約束體與內、外回轉體工件接觸面摩擦力的作用，使內、外回轉體工件發生相應的相對轉動，接觸面處發生圓周方向的剪切塑性變形，隨著轉動角度的增加，應變量增加，逐漸實現兩回轉體工件接觸面的冶金結合直至完全焊合。

上述焊合方法中，內、外回轉體工件可以為同種材料或異種材料。

上述焊合方法中，內、外回轉體工件為等高或非等高。

緊固步驟，采用全封閉約束中，嵌套后的內、外內回轉體其內外均采用剛性約束體固定，若內回轉體工件設置為實心結構，則可替代全封閉約束中用于內部約束的剛性約束體。

在焊合步驟中，需要軸向施加0.2～30GPa靜水壓力，

另外，在焊合步驟中，轉動速率為0.2～60rpm。

本發明與現有技術相比，其顯著特點：

1、在工件焊合前后，工件的外觀形狀和尺寸無宏觀變化，不產生無用的飛邊，結合面的長度在宏觀上也不發生變化，可實現“零件級”的工件焊合，省去后續的機加工處理。

2、此方法無需其他輔助消耗材料，并且加工過程中無需保護氣體，單純利用金屬發生的剪切變形，即可使界面表面硬質氧化層的破碎，露出內層新鮮未被氧化的金屬，在界面處形成冶金結合。

3、此方法在室溫或遠低于母材熔點的溫度下即可完成焊合過程，可對難互溶或不互溶的金屬進行焊合。界面附近不存在熱影響區，所以工件整體的性能不因界面的存在而受到影響，也無需后續退火消除結合面的殘余應力。

附圖說明

圖1為內、外回轉體工件緊密嵌套后的縱剖面圖。1,3,5,7為內回轉體工件，2,4,6,8為外回轉體工件，內回轉體工件可為3空心工件，也可為1,5,7實心工件。內回轉體工件為實心工件時，可以代替內約束體傳遞扭矩。內、外回轉體可等高也可不等高。

圖2為兩回轉體工件緊密嵌套后接觸面附近材料的橫剖面圖，其中9為內回轉體工件，10為外回轉體工件，在內外約束體等大反向的扭矩作用下，使它們繞共有的中心軸發生相對轉動，工件界面處材料收到沿圓周切線方向的剪切力，金屬間接觸面開始發生冶金結合。

圖3為用剛性約束體對內、外圓柱形回轉體工件進行全封閉約束的示意圖，其中11為內回轉體工件，12為外回轉體工件，13為內約束體，14為外回轉體，15為端部壓環，11、12與13、14兩(內、外)約束體之間為動配合。

圖4為轉動90°后，未完全焊合時沿接觸面撕開后表面掃描電鏡形貌，其中(a)為接觸面表面的整體形貌圖；(b)為局部放大形貌圖，反應了接觸面處形成的彎折的表面形貌。

圖5為接觸面產生彎折示意圖，A、B分別表示待焊合的兩種金屬，abcd表示一段接觸面及其兩側附近的材料，此時bc段的材料既受到與接觸面平行的摩擦力作用，又受一個順時針方向的扭矩作用。隨著變形的進行，bc段的材料在剪切力和扭矩作用下彎折程度會不斷加大，在兩金屬的結合界面微觀尺度上出現了結合界面長度和面積不斷增加的現象，有利于不同金屬間界面的冶金結合。

圖6為4N鋁套純銅環組合工件結合界面附近電子掃描圖像；其中(a)待觀察的結合界面選取方法，(b)、(c)、(d)為橫截面上不同區域內復合界面的掃描電鏡圖片。

圖7為銅鋁復合界面附近能譜分析線圖。

圖8為5N套4N純鋁環組合工件結合界面附近電子掃描圖像；其中(a)待觀察的結合界面選取方法，(b)為轉動90°后4N、5N純鋁環接觸面的電子掃描圖像；(c)為轉動180°后4N、5N純鋁環接觸面的電子掃描圖像；(d)為轉動360°后4N、5N純鋁環接觸面的電子掃描圖像。

圖9(a)、(b)為接觸面附近的透射電鏡圖像，圖中虛線表示4N和5N鋁的結合界面,16為接觸面形成的彎折。

具體實施方式

下面結合實施例及附圖對本發明做進一步詳述：

在本發明中，兩個回轉體工件內外嵌套形成動配合，如圖1中所示的幾種嵌套方式，其中1、3、5、7為外回轉體工件，2、4、6、8為內回轉體工件，內回轉體工件可為實心工件也可以為空心工件。

采用剛性約束體對內、外回轉體工件進行全封閉約束。沿著加工對象的軸向施加壓力，使得內、外回轉體接觸界面附近產生0.2～30GPa的靜水壓力。在約束體作用下，此壓力不會使工件產生宏觀塑性變形，只是在工件之間的接觸面、工件與約束體之間的接觸面上產生正壓力，從而幫助產生阻礙沿接觸面發生相對滑動的摩擦力。

對其中一個或兩個約束體、或工件提供動力矩，內、外約束體由此獲得等大且反向的扭矩，并使其繞約束體與回轉體工件的共有中心軸發生相對轉動，轉動速度為0.2～60rpm。

內、外回轉體工件緊緊貼靠在一起，由于界面正壓力和摩擦力的作用阻礙其沿接觸面的相對滑動，兩回轉體接觸面處的材料發生圓周方向的剪切塑性變形。隨著轉動角度的增加，應變量增加，逐漸實現兩回轉體工件接觸面的冶金結合。

實施例1

以純銅和純鋁圓環作為原材料。

采用純銅圓環(純度99.98％wt.)作為內回轉體工件，高度10.0mm，外徑為24.1mm，內徑為22.0mm；4N純鋁圓環(純度99.99％wt.)作為外回轉體工件，高度10mm，外徑為26.0mm，內徑為24.0mm。工件的內外表面進行簡單的表面處理后，將純銅環嵌套到4N純鋁環內，內外嵌套后形成的組合環套作為本發明實施例的待加工工件。采用芯棒、外套和兩個端部的壓環作為剛性約束體分別約束該的組合環套工件的內壁、外壁和兩端，從而形成為對該組合環套工件的封閉約束(圖2)。

對組合環套工件的環形端面沿軸向施加2000MPa的壓力。與此同時，固定芯棒，對外套約束體提供一個動力矩，使它繞共有的中心軸轉動，平均應變速率為0.2s^-1，組合環套工件在其接觸面處產生圓周方向的剪切變形。

在內、外約束體經過一定角度的相對轉動后，內、外回轉體工件接觸面附近的材料在高靜水壓力下緊緊貼合并發生一定量的剪切塑性變形。剪切變形破壞回轉體工件接觸面處金屬表面氧化層，使接觸面兩側露出的新鮮金屬表面互相接觸，在變形過程中，接觸面處的金屬出現大量的彎折起伏，由于接觸面處材料微觀上的凹凸起伏(圖4)，在上述高靜水壓力下的圓周剪切變形過程中，產生剪切彎曲，材料在剪切力和扭矩作用下彎折程度會不斷加大，從而在微觀上實現接觸面長度的增大。由于接觸面這種微觀上的長度增加，造成接觸面處表面硬質氧化層的破碎，而露出內層新鮮未被氧化的金屬，促進冶金結合的發生。

所以宏觀上，金屬工件間的接觸面長度并沒有發生變化，且沒有飛邊流出，金屬工件的宏觀尺寸保持不變。但在微觀上，接觸面處金屬形成彎折，增大接觸面面積，接觸界面的長度增加，保證了金屬間接觸面形成良好的冶金結合。

外套約束體轉動角度為360°時，兩工件接觸面及其附近區域的電子掃描圖像如圖6所示，此時金屬間界面清晰，沒有明顯縫隙，可以判斷此時兩種金屬已經形成了較好的復合界面。通過能譜實驗對銅-鋁界面處進行測試，結果如圖7所示。可以看出在界面處銅原子核鋁原子都發生了擴散，銅-鋁原子間形成金屬鍵，因此我們可以判斷出此時銅鋁復合界面已經形成了冶金結合界面。

實施例2

以不同純度的純鋁為原材料。

采用4N純鋁圓環(純度99.99％wt.)作為內回轉體工件，高度10.0mm，外徑為24.1mm，內徑為22.0mm；5N純鋁圓環(純度99.999％wt.)作為外回轉體工件，高度10mm，外徑為26.0mm，內徑為24.0mm。工件的內外表面進行簡單的表面處理后，將4N純鋁環嵌套到5N純鋁環內，內外嵌套后形成的組合環套作為本發明實施例的待加工工件，如圖8a所示。采用芯棒、外套和兩個端部壓環作為剛性約束體分別約束該的組合環套工件的內壁、外壁和兩端，從而形成為對該組合環套工件的封閉約束。對組合環套工件的環形端面沿軸向施加2000MPa的壓力。與此同時，固定芯棒，對外套約束體提供一個動力矩，使它繞共有的中心軸轉動，平均應變速率為0.2s^-1，組合環套工件在其接觸面處產生圓周方向的剪切變形。外套約束體轉動角度為90°時，兩工件接觸面及其附近區域的電子掃描圖像如圖8b所示，兩個鋁管之間的界面仍然清晰連續，表明此時界面仍未實現良好結合。外套約束體轉動角度為180°時，界面不連續，僅斷續可見，如圖8c所示。當轉動角度增加到360°時，已完全分辨不出界面的存在，如圖8d所示。通過高分辨透射電鏡觀察可以確定兩金屬工件已經形成原子尺度的冶金結合，如圖9所示。

焊合界面的剪切強度的可以用來衡量界面結合的質量。表1給出了外套約束體轉動不同角度時兩個鋁管之間界面的剪切強度。通過與單層5N鋁管經過同樣加工后的抗剪切強度對比發現，外套約束體轉動角度為180°時,4N/5N復合界面的抗剪切強度與母材的剪切強度基本持平。

表1界面剪切強度(MPa)