常州工程职院现代连接技术课件01激光焊

现代连接技术激光焊绪论一、现代连接技术及其在现代工业中的作用材料在现代科学技术中的地位：材料作为21世纪的支柱越来越受到世界各国的高度重视，它与计算机技术、信息技术、生物技术和航空航天技术一起作为影响人类未来的五大高新技术而得到各国的优先发展，许多新材料（或称先进材料）应用而生。材料的连接技术：材料的连接技术，特别是焊接技术是材料制成零部件和结构时的一种必不可少的重要加工手段。因此，在先进材料的应用中也必然会遇到连接问题。先进材料对焊接技术的要求：先进材料的特殊组织结构和特殊性能往往是在极端条件下，综合利用了各有关学科中的最新成就，通过高技术获得的，因此其焊接性通常很差。一般的焊接方法己不适应先进材料的连接，在焊接过程中很难使焊接接头部位保持其原有的特殊组织结构特殊性能，甚至无法实现连接。为满足先进材料连接的要求，必须研究和开发一些相应的特殊连接方法（先进连接技术）。新材料的出现对焊接技术提出了新的课题，成为焊接技术发展的重要推动力。许多新材料，如耐热合金、钛合金、陶瓷等的连接。特别是异种材料之间的连接，采用通常的焊接方法己经无法完成，固态连接的优越性日益显现，扩散焊与摩擦焊己成为焊接界关注的热点之一。近年来，扩散焊中合金超塑成形扩散连接技术在飞机上钛合金蜂窝结构的成功运用，金属与陶瓷己经能够进行扩散连接，摩擦焊已在焊接发动机转子部件上得到认可，线性摩擦焊、搅拌摩擦焊等新技术的应用，解决了某些用熔焊方法无法焊接的材料连接问题，固态连接是21世纪将有重大发展的连接技术。二、课程内容本课程主要讲授与先进材料研究、开发密切相关的激光焊、电子束焊、摩擦焊、扩散焊、爆炸焊等先进的现代连接技术。包括：1、各种连接方法的原理、焊接过程本质及焊接工艺参数对焊接质量的影响。2、各种连接方法的工艺特点及适用范围。第一章激光焊及其他激光加工方法激光焊是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。激光焊作为现代高新科技的产物，同时又成为现代工业发展必不可少的手段。随着航空航天、汽车、微电子、轻工业、医疗及核工业等的迅猛发展，产品零件结构形状越来越复杂，对材料性能要求越来越高，对加工精度和表面完整性的要求也越来越高，人们对加工方法的生产效率、工作环境的要求也越来越高，传统的焊接方法难以满足要求，以激光束为代表的高能束流焊接方法，日益得到广泛应用。激光焊接具有高能量密度、可聚焦、深穿透、高效率、高精度、适应性强等优点而受到各发达国家的重视，并己应用于航空航天、汽车制造、电子轻工等领域。1．1激光的产生与激光束一、激光的产生原理1、概念：激光是利用原子（或分子）受激辐射的原理，使工作物质受激而产生的一种单色性高、方向性强以及亮度高的光束。激光技术是二十世纪六十年代初科学研究的最新产物。2、原子结构与受激辐射1）原子结构：2）自发辐射：原子自发地由高能级向低能级的跃迁称为自发跃迁。若在此过程中能量以光的形式释放出来，就称为自发辐射。自发辐射时每个光子的频率都满足普朗克公式：hv=E2-E13）受激吸收处于较低能级E1的粒子由于吸收能量为hv=E2-E1的外来光子而从E1跃迁到较高能级E2上去，就称为光的受激吸收受激吸收不仅与粒子系统本身有关，而且与外来光子有关，外来光子越多，受激吸收越多。4）受激辐射光的受激辐射是受激吸收的逆过程。如果处于较高能级E2上的粒子受到频率为v=（E2-E1）/h的外来光子激励，便从E2跃迁到较低能级E1上，并且发出一个和外来激励光子完全相同的光子，就称之为光的受激辐射5）粒子数反转要使受激辐射超过吸收，必须使系统处于高能态的粒子数（N2）多于低能态的粒子数(N1)，即N2N1。这种分布称为粒子集居数反转(简称粒子数反转)。经过粒子数反转后的介质称为激活介质。通常将激活介质称做激光工作物质；将光通过介质后得到加强的效果称为增益。6）激活介质概念：经过粒子数反转后的介质。特征：a、介质必须处于外界能源激励的非平衡状态下；b、介质能级系统的较高能级中必须有亚稳态能级存在，以便实现粒子数反转；C、激活介质一定是增益介质。7）形成粒子数反转的方法光泵浦：是用光照射激励工作物质，利用粒子系统的受激吸收使较低能级上的粒子跃迁到较高能级上形成粒子数反转，如红宝石的粒子数反转是依靠氙灯照射实现的。气体放电的激励；电子束激励；气体动力激励；化学反应激励；核泵等。最常见的是光泵浦和电激励。3、激光的产生过程1）结构固体激光器的工作过程：是利用高压脉冲（几万伏）使氙灯点燃发光，光一部分照射到工作物质上，另一部分经聚光器的一次或多次反射再会聚到工作物质上。会聚到工作物质上的光能一部分被工作物质吸收，把低能级的粒子激发到高能级，使工作物质处于粒子数反转。在谐振腔的作用下当输入能量足够大时，放大作用超过损耗，就可以产生振荡，输出激光。CO2气体激光器的工作过程CO2激光器是目前工业应用中数量最大、应用最广泛的一种激光器。原理：通过电极放电，高速电子与CO2分子碰撞，把CO2分子激发到高能级，使CO2处于分子数反转状态，在谐振腔的作用下，产生振荡，输出激光。CO2激光器工作气体的主要成分是CO2、N2和He。CO2分子是产生激光的粒子；N2气分子的作用是与CO2分子共振交换能量，使CO2分子激励，增加激光较高能级上的CO2分子数，同时它还有抽空激光较低能级的作用，即加速CO2分子的弛豫过程；He气：起冷却内腔，抽空激光较低能级的粒子，降低工作气体温度。2）、激光的产生原理谐振腔及其作用所谓谐振腔就是在工作物质的两端面上直接蒸镀上多层介质膜作为反射镜，或在工作物质两端的前面装两块反射镜所组成。在两块反射镜中：一块对光束是全反射的；另一块是可部分透过的。光束在两块反射镜之间来回反射加强激发并多次经过工作物质而形成振荡。使沿轴向的光子与亚稳态上的激发粒子作甩，发生受激辐射，使光得到进一步放大（加强），并在装有部分透过反射镜的一端输出。二、激光的特性激光是一种崭新的光源，它除了与其他光源一样是一种电磁波外，还具有其他光源所不具备的特性：1、方向性强，发散角小：用于对准、干涉测量、传真；2、单色性高：激光是目前最纯的光。光的单色性用光的波长范围的宽窄来衡量，通常把光的波长范围定义为光的谱线宽度，谱线宽度越小，光的单色性越高。激光出现以前，单色性最好的光源是同位素氪86(Kr86)，它的谱线宽度约为千分之五埃，比氦氖激光谱线宽度大十万倍。3、亮度高，能量高度集中：最大可达lO10W/cm2。三、激光的模式激光是一种电磁波，它在谐振腔内振荡并形成稳定分布后，也只能以一些分立的本征态出现。存在于谐振腔中的这些分立的本征态就称做腔模。而腔中激光的每一个分立的本征态就是一个模式。每个模式都有一对应的特定频率和特定空间场强的分布。1、CO2激光器的模式纵模：描述激光频率特性和对应的一个光束场强在光轴方向(即纵向)的分布称为激光的纵模，它与激光加工的关系很小。横模：描述其场强横向(即光轴横截面)分布特性的叫激光的横模，它在激光热加工中有着重要意义。横模常用TEMmn表示，其中m和n均为小正整数。横模TEM00称为激光的基模，其激光能量最集中，其余低阶模的激光能量有些分散，但仍很集中，这正是激光焊和切割所需要的。激光的模式与mn值激光的模式与功率密度的分布2、YAG激光器的模式YAG激光器光能的空间分布更复杂，不能用简单的数学公式描述。经过选模，YAG等固体激光器也可在接近基模或低阶模下运行，不过此时其输出功率将显著下降。1．2激光加工设备激光加工设备主要由激光器、导光系统、控制系统、工件装夹及运动系统、光学元件的冷却系统、光学系统的保护装置、过程与质量的监控系统、工件上下料装置、安全装置等外围设备组成。一、激光器的组成与分类1、激光器的组成：1）激光工作物质：它必须是一个具有若干能级的粒子系统并具备亚稳态能级，使粒子数反转和受激辐射成为可能。已发现几百种。2）激励源(泵浦源)：由它给激光物质提供能量。3）谐振腔：机制是给受激辐射提供振荡空间和稳定输出的正反馈，并限制光束的方间和频率。4）电源5）控制和冷却系统6）聚光器(固体激光器特有的)使光泵浦的光能最大限度地照射到激光工作物质上，提高泵浦光的利用率。2、激光器的分类按工作物质分：固体激光器：红宝石激光器、掺钕钇石榴石激光器（简称YAG）等。气体激光器：CO2激光器、氦氖激光器等。液体激光器半导体激光器按用途分：脉冲激光器重复频率激光器连续激光器巨型脉冲激光器按形成机理分：分子激光器原子激光器离子激光器焊接用激光器：YAG激光器CO2激光器3、YAG激光器平均输出功率为0.3~3kW，最大功率可达4kW。工作状态：可在连续、脉冲或Q-开关状态下工作。特点：1）输出激光的波长为1.06μm，是CO2激光波长的1/10。波长较短有利于激光的聚焦和光纤传输，也有利于金属表面的吸收。2）器件总效率约为2%~3%。3）泵浦灯使用寿命较短。不同输出方式YAG激光器的特点输出方式平均功率/kw峰值功率/kw脉冲持续时间脉冲重复频率脉冲能量/J连续0.3~4----脉冲≈4≈500.2~20ms1~500HZ≈100Q—开关≈4≈100＜1μs≈100kHZ10-34、CO2激光器CO2激光器具有如下特点：1）输出功率范围大。数毫瓦~几百千瓦。2）能量转换功率大大高于固体激光器，理论转换功率为40%，3）CO2激光波长为10.6μm，属于红外光，它可在空气中传播很远而衰减很小。热加工中应用的几种CO2激光器a、封离式CO2激光器结构原理封离式CO2激光器的放电管由石英玻璃制成。谐振腔一般采用平凹腔，全反射镜是一块球面镜，由玻璃制成，表面镀金，使反射率达98%以上。另一块是部分反射镜(平面)，作激光器的输出窗口，由砷化嫁(GaAs)制成。谐振腔的两块镜片常用环氧树脂粘在放电管两端，使放电管内的工作气体与外界隔绝，所以称为封离式CO2激光器，其结构特点是工作气体不能更换。特点结构简单，制造方便，成本低；输出光束质量好，容易获得基模；运行时无噪声，操作简单，维护容易；但输出功率小，一般在lkW以下；每米放电长度上仅能获得50W左右的激光输出功率，b、横流式CO2激光器结构原理激光器工作时，工作气体由风机驱动在风管内流动，流速可达60~100m/s，管板电极组成了激光器的辉光放电区，当工作气体流过放电区时，CO2分子被激发，然后流过由全反射镜和输出窗口组成的谐振腔，产生受激辐射发出激光。由于输出的激光束、放电方向以及放电区内气流的方向三者之间互相垂直，所以称为横流式CO2激光器。特点输出功率大，现在最大连续输出功率已达几十千瓦。占地面积较小(与封离式比)；输出激光模式一般为高阶模或环形光束。C、快速轴向流动式CO2激光器结构原理工作气体在罗茨泵的驱动下流过放电管受到激励，并产生激光。工作时真空系统不断抽出一部分气体，同时又从补充气源不断注入新的工作气体(换气速度100~200L/min，气体流速一般为200~300m/s，最高流速可达500m/s))，以维持气体成分不变。由于谐振腔内的工作气体、放电方向和激光输出方向一致，故称为快速轴向流动式CO2激光器。特点最大特点是单位长度放电区域上获得的激光输出功率大，一般大于500W/m，因此体积大大缩小，可用做激光焊接机器人；它的另一特点是输出光束质量好，以低阶或基模输出；可以脉冲方式工作，脉冲频率可达数十千赫。d、慢速轴向流动式CO2激光器结构原理慢速轴向流动式与快速轴向流动式相似不过与快速轴向流动式相比，其抽出和补充的气体都少得多，所以单位时间内消耗的新气体大大减少；单位长度的放电区域上仅可获得80W/m左右的输出功率。二、激光焊接设备主要由激光器、光束检测仪、焊接过程监测系统、导光及聚焦系统、工作台和计算机等组成。1、光束检测仪光束检测仪的作用：监测激光器的输出能量或功率；测量光束横截面上的能量分布状况；判断激光器的模式