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1、先进连接技术 10.1 概述焊接是指通过适当的手段使两个分离的固态物体产生原子（分子）间结合而成为一体的连接方法。广义上实现材料连接有多种方法，如机械连接、化学连接(胶接)、冶金连接等。机械连接是通过宏观的结构关联性实现材料和构件之间的连接，这种连接是暂时的、可拆卸的，承载能力和刚度一般较低。化学连接主要是通过胶黏剂与被粘物间形成化学键和界面吸附实现连接，连接强度低，且服役环境和温度存在局限性。,冶金连接是指借助物理冶金或化学冶金方法，通过材料间的熔合、物质迁移和塑性变形等而形成的材料在原子间距水平上的连接，连接强度高、刚度大，且服役环境和温度可以与被连接材料(母材)相当。冶金连接是材料连接的
2、主要方法，应用最为广泛，通常材料加工中所讨论的“材料连接”均是指冶金连接。材料连接技术的历史可以追溯到数千年以前，但现代材料连接技术的形成主要以19世纪末电阻焊的发明(1886)和金属极电弧的发现(1892)为标志，真正的快速发展则更是20世纪30、40年代以后的事。,科学上的发现、新材料的发展和工业新技术的要求始终从不同角度推动着材料连接技术的发展，例如，电弧的发现导致电弧焊的发明，电子束、等离子束和激光的相继问世形成了高能束焊接；高温合金和陶瓷材料的应用促进了扩散连接技术的发展；高密度微电子组装技术的要求推动了微连接技术的进步等等。经过一个多世纪的发展，材料连接技术已经成为材料加工、成形的
3、主要技术和工业制造技术的重要组成部分，应用领域遍及机械制造、船舶工程、石油化工、航空航天、电子技术、建筑、桥梁、能源等国民经济和国防工业各部门，在航空航天、电子技术和船舶等领域甚至成为部门发展的最关键技术。,材料连接方法众多，仅常用的就有近30种。按照连接机理(母材和填充材料的状态)可以将连接技术分为熔化焊，固相焊和钎焊三大类。 熔化焊是指通过母材和填充材料的熔合实现连接的一类连接方法。,固相焊是通过连接材料在固态条件下的物质迁移或塑性变形实现连接的一类连接方法。,钎焊是利用低熔点液态合金(钎料)对母材的润湿和毛细填缝而实现连接的一类连接方法。,这些连接方法各有优点和局限性，适合于不同的材料和
4、结构。本章简要介绍几种先进的材料连接技术：激光焊、电子束焊和搅拌摩擦焊。,10.2 激光焊接加工激光和普通光在本质上并没有区别，也是电磁波，具有渡粒二象性。但激光又是一种全新的光源，具有其他光源所不具备的一些特性。 激光具有普通光源所无法比拟的高亮度，是世界上最亮的光。例如，CO2激光的亮度比太阳光亮8个数量级，而高功率钕玻璃激光比太阳光亮16个数量级。 激光接近理想平行光，发散角很小，且单色性好，频率单一，经透镜聚焦后可以获得很小的光斑(最小光斑直径可达激光波长量级)。高亮度基础上的理想聚焦使得激光成为一种高功率密度能源，功率密度可达104105Wcm2或更高。,激光的高能量密度特点奠定了其
5、在材料加工领域巨大的应用价值。自从1960年美国研究成功世界上第一个红宝石激光器，尤其是加世纪70年代大功率CO2激光器出现以来，激光在材料加工领域的应用也取得了迅猛的发展。目前，已成功开发的激光加工技术主要有：激光焊接、激光切割、激光打孔、激光表面改性、激光熔覆、激光快速成形等。本节简要介绍激光的基本原理及其在材料加工中的应用。,1. 激光产生的基本原理简单地说激光是一种高亮度、高方向性、高单色性和高相干性的光，它是通过一定物质(激光物质)的受激辐射而获得的，这一点通过激光的英文名Laserlight amplification stimulated emission of radiatio
6、n(光的受激辐射放大)也可以看出。激光的获得依赖于两个物理过程：受激辐射和粒子集居数反转。,（1）受激辐射按照玻尔的氢原子理论，原子系统只能具有一系列不连续的能量状态，这些能量状态称为原子系统的稳定状态(亦称能级)。在这些稳定状态，原子中的电子做加速运动，但并不辐射电磁能。一个原子既可以从外界吸收能量(激发)从低能状态跃迁到高能状态，也可以向外界释放能量从高能状态跃迁到低能状态。当原子在这些跃迁过程中所吸收或释放的能量为光能时，这些跃迁过程被统称为辐射跃迁。辐射跃迁时，光的频率和跃迁能级之间满足普朗克公式：h=E2E1 式中，为吸收或释放的光子频率；E1、E2为能级；h为普朗克常数，其值为6.
7、62616-34Js。根据具体机制，辐射跃迁又分为自发辐射、受激辐射和受激吸收。, 自发辐射任何系统都有从高能量状态回复到低能量状态的趋势。如果高能级E2上的原子自发地回复到低能级E1上，且同时释放一个=( E2E1)h的光子，则称这个过程为光的自发辐射，如图10-2所示。, 受激辐射处于高能量状态的原子除自发辐射外，受外来光子的激励也可以从高能级跃迁到低能级并同时按普朗克公式=( E2E1)h 释放一个和外来光子完全相同的光子，这一过程称为受激辐射，如图10-3所示。, 受激吸收与受激辐射相反，处于低能状态的原子吸收=( E2E1)h的光子从低能级跃迁到高能级的过程称为受激吸收，如图10-4
8、所示。,受激辐射和自发辐射虽然都释放光子，但两种过程的物理本质和效应均存在差异。自发辐射是一个纯自发的过程，一个处于高能级的粒子系统若发生自发辐射，每个原子所释放的光子虽然都满足普朗克公式，但这些光子的相位、方向和偏振都不相同。受激辐射是受激产生的，一个处于高能级的粒子系统若发生受激辐射，每个原子所释放的光子不仅满足普朗克公式，而且这些光子的频率、相位、方向和偏振都与外来光子相同，其效应相当于外来光线的放大。显然，受激辐射是激光产生的最重要的物理基础之一。激光形成过程中受激吸收、自发辐射和受激辐射等几个物理过程同时存在，而且缺一不可。,（2）粒子集居数反转众所周知，一种信号可以通过一定的机制被
9、放大。但无论信号如何被放大，能量总是守恒的。粒子系统的受激辐射可以将同一种光放大，这种放大也需要提供能量。具体的机制是要使粒子系统对外来光束有放大作用(产生激光)，外界必须通过某种途径对粒子系统提供能量，使粒子系统处于高能量状态。,在平衡条件下，任何粒子系统(原子、分子等)在各能级的分布满足玻耳兹曼公式，能级的能量越高，所拥有的粒子数越少，即低能级上的粒子数N1大于高能级上的粒子数N2。外来光线入射这种粒子系统时，受激吸收的粒子数将大于受激辐射的粒子数，系统吸收外来光子使自身能量提高，因此，光对这种系统作用时只会被减弱，而不可能被放大。,要使粒子系统对外来光有放大作用，必须使系统的受激辐射粒子
10、数大于受激吸收粒子数。即外界必须通过一定的机制对系统提供能量，使系统处于高能量状态高能级上的粒子数(N2)多于低能级上的粒子数(N1)，这种现象称为粒子集居数反转(简称粒子数反转)，而处于高能量状态且具有粒子数反转特征的介质称为激活(态)物质（激活介质）。 当光在激活介质中传播时，一方面，低能态的粒子要吸收光子发生受激吸收；另一方面，高能态的粒子要发生受激辐射回到低能态。但在这种系统中同一时间内受激辐射的粒子数要大于受激吸收的粒子数，受激辐射占主导地位，外来光线将被放大。,获得激活介质的方法很多，如光泵浦、气体放电激励(电激励)、电子束激励，气体动力激励、化学反应激励等，其中光泵浦和电激励最为
11、常用。光泵浦是用光照射粒子系统(介质)，利用粒子的受激吸收使系统实现粒子数的反转，如红宝石的粒子数反转就是通过氙灯照射来实现的。电激励是在两极间施加直流高电压，通过两极间气体介质辉光放电过程中电子、离子及分子间的碰撞，以及粒子间的共振交换能量，使低能态粒子跃迁到高能态而实现系统的粒子数反转。如CO2气体即是通过气体放电激励实现粒子数反转。,(3) 激光的形成从激光工作介质受到外部能量激励开始，激光器的工作原理可简单地归纳为如图10-5所示。,如图10-6所示，激光工作介质在工作前处于平衡状态，粒子在能级上的分布满足波耳兹曼分布，低能级(E1)上的粒子数多于高能级(E2)上的粒子数。激光器开始工
12、作时，激光工作介质首先受到外部能量的激励，粒子吸收能量从低能级跃迁到高能级，当高能级(E2)上的粒子数(N2)多于低能级(E1)上的粒子数(N1)时，系统形成粒子集居数反转。,由于高能级的粒子总是试图向低能级跃迁，而且每个粒子从高能级向低能级跃迁(自发辐射)时都发出一个光子(其频率满足普朗克公式)，这些自发辐射产生的光子作为外来光子将激发其他粒子发生受激辐射和受激吸收。但因N2N1，产生受激辐射的粒子数多于受激吸收的粒子数，因而总的效果是光被放大。一个光子激励一个高能级(E2)上的粒子发生受激辐射，产生一个和激励光子完全相同的光子，这两个光子又将作为激励光子激励另外两个高能级上的粒子发生受激辐
13、射，产生两个完全相同的光子，如此往复，光得到雪崩式放大而迅速增强。,如果再在粒子系统两端放置两块反射镜，则构成光学谐振腔。很明显，只有平行于谐振腔光轴方向的光才能在两个镜面之间来回反射而得以振荡放大，其他方向的光经有限次反射后将逸出腔外而消失。如果谐振腔的一侧是一个半反射镜，当光达到一定强度时将有部分激光透过半反射镜输出腔外。在激光产生的过程中，随着谐振腔内光子强度的增加，腔内受激辐射越来越强，高能级(E2)上的粒子数减少，低能级(E1)上的粒子数增加，当光子强度达到某一值后，高能级与低能级上的粒子数达到动态平衡，通过外部能量激励或受激吸收从低能级跃迁到高能级上的粒子数与经受激辐射或自发辐射从
14、高能级跃迁到低能级的粒子数相等，光子强度不再增加，输出稳定的激光。,2. 激光器与光学系统典型的激光焊接与加工系统主要由激光器、光学系统、工装系统和控制系统等组成，如图10-7所示。这里简要介绍激光器和光学系统。,(1) 激光器用于材料焊接与加工的激光器主要有CO2气体激光器和掺钕钇铝石榴石(YAG)固体激光器。A CO2气体激光器CO2激光器是目前工业应用最广泛的一种激光器。其工作物质主要是CO2气体，添加一定量的N2和He。CO2是产生激光的粒子系统，N2和He具有增加CO2激励效应及气体介质与热交换器之间的导热、提高激光器输出功率和效率的作用。CO2气体激光器主要由激光工作物质、光学谐振
15、腔、热交换器、真空泵等几部分组成。,热加工中应用的CO2激光器可按结构分为三种形式：封离式或半封离式、轴流式和横流式。封离式CO2激光器是结构最简单的一种CO2气体激光器。结构主体(放电管)由石英玻璃管制成，管内充以CO2、N2和He混合气体，放电管是封闭的，使管内的气体与外界隔离(故称为封离式CO2激光器)。激光器工作时，在电极间加上直流高压，通过混合气体的辉光放电激励CO2分子从低能级跃迁到高能级并形成激光，见图10-8(a)。,这类激光器的特点是结构简单、维护方便，输出光束质量好。由于受工作气体温升的影响，输出功率较小，一般为5070W/m。为了增加功率输出，常采用多管串联或并联结构。整
16、个激光器功率通常在1kW以下。另外，这类激光器的工作气体还存在“老化”现象，一旦工作气体“老化”，则激光器不能正常工作。为解决这一问题，可在放电管上开孔，将“老化”的气体抽出换以新的工作气体。这种可定期更换工作气体的激光器称为半封离式CO2激光器。,轴流式CO2激光器也称为纵流式CO2激光器，依工作气体的流速又可分为快速轴向流动式和慢速轴向流动式，前者气体流速为200300m/s，最高可达500ms；后者气流速度较慢，通常为0.11.00ms。见图10-8(b)。,针对封离式激光器受工作气体温升的限制，输出功率小的缺点，轴流式CO2激光器中增加了可使气体循环流动的风管，且在风管内设置有冷却器。激光器工作时，工作气体在风机驱动下在谐振腔中循环流动，经过冷却器时教强制冷却，从而保证在高能量输入密度条件下气体温度不致明显升高，且工作过程中还可以不断向激光器更换气体。因此，与封离式CO2激光器相比，轴流式CO2激光器的最大特点是电光效率高。系统单位长度放电区域上获得的激光输出功率大(快速轴流式可达5002000Wm，慢速轴流式为80Wm)，广泛应用于激光焊接与切割。,
