特种焊

特种焊主讲——张立峰机电工程系张立峰特种焊课程安排1本课程根据教学大纲计划安排28学时，讲授28学时2本课程为考查课，成绩采用平时（20%）+期末考核（80%）进行综合评定；3教材：选用张柯柯、涂益民主编，哈尔滨工业大学出版社出版的《特种先进连接方法》。参考书《先进连接法》，李志远主编，机械工业出版社，2004个人简介张立峰，男，50岁，机电工程系焊接教研室教师，教授级高级工程师。先后主讲《钎焊》，《特种焊》，《金属工艺学》，《企业生产管理》，《营销管理》，《焊接结构》，《技术经济学》等课程。电话：[phone]邮箱:[e-mail]机电工程系张立峰特种焊第一次课程（2H）•课程开设的意义1社会市场经济的需要；2个人职业经历的需要；3缩短适应工作能力的需要。•前言1特种焊是相对于传统焊接工艺而言；2为适应新材料、新工艺发展起来的；3主要应用于现代高新技术产业；4以高能束、固态连接和微连接为特征。机电工程系张立峰特种焊第一章激光焊•激光焊的特点1焊缝晶粒极细，具有良好的综合力学性能；2有净化作用，焊缝金属纯净，抗气孔及裂纹能力强；3焊道窄，深宽比大，热影响区小，变形小；4生产率高，可精确控制，易自动化；5可实现异种金属或非对称接头的焊接；机电工程系张立峰特种焊6焊到性好。除上述优点外，激光焊还有如下缺点：1焊前准备要求高，特别是焊缝加工精度要求高；2设备昂贵，一次性投资大；3目前只适合于薄板焊接，最大焊接厚度只能达到5毫米左右。机电工程系张立峰特种焊激光的产生及其物理特征•本质上是一种电磁波，具有波粒二象性,是电磁波，又是光子流•1860年麦克斯韦（C.Maxwell)提出光是电磁波的理论。激光在传播时表现出波动性(横波)，如光的干涉、衍射、偏振、反射、折射。•1900年,普朗克（Max.Planck)提出了辐射的量子论，1905年，爱因斯坦（Albert.Einstein)将量子论用于光电效应之中，提出光子理论。激光与物质作用时表现出粒子性，如光的发射、吸收、色散、散射。机电工程系张立峰特种焊•激光的波长范围在红外线与γ射线之间；•工业应用激光一般在近红外波段。•原子能级定义：原子系统所具有的一系列不连续的能量状态原子系统能量＝电子动能＋电子与原子核之间的势能基态：原子处于最低能级时的状态。激发态：处于其他任何高于基态能级时的状态。机电工程系张立峰特种焊8————————13.53ev1------------------------0ev2------------------------10.15ev4------------------------12.11ev_____________原子能级定义：原子系统所具有的一系列不连续的能量状态原子系统能量＝电子动能＋电子与原子核之间的势能;基态：原子处于最低能级时的状态;激发态：处于其他高于基态能级时的状态.机电工程系张立峰特种焊跃迁•原子从一种能级状态改变到另一种能级状态–辐射跃迁：吸收或辐射光子而产生的能级改变，满足普朗克公式:∆E=hν–无辐射跃迁：改变能级并不吸收或辐射光子，粒子系统与能量交换以其他的方式进行，如粒子运动的动能、振动能等。–分子、离子同样存在一系列不连续的能级，也能产生幅射跃迁机电工程系张立峰特种焊自发辐射–处于高能级的粒子自发的跃迁到低能级上来，并且在跃迁过程中发出一个光子。特点：–纯自发过程–辐射出的光子频率满足普朗克公式–不同粒子跃迁时各自独立，光子互不相关–自发辐射几率A21：•只与原子本身性质相关•与外界辐射无关机电工程系张立峰特种焊受激辐射•处于高能级E2的粒子受到频率v=(E2-E1)/h的外来光子的激励，从E2跃迁到E1上去,并发出一个和外来光子完全想同的光子。特点(与自发辐射比较)：–外来光子激励，自发产生–产生的光子和外来光子完全一样，方向、频率、相位和偏振等–光的放大效果–受激辐射几率W21：机电工程系张立峰特种焊自发辐射、受激吸收和受激辐射示意图机电工程系张立峰特种焊激光的产生过程1.工作物质被激励到非平衡态(亚稳态、粒子数反转)；2.少量自发辐射产生（亚稳态E2-E1）3.自发辐射光子引发受激吸收和受激辐射，但受激辐射出的光子多于受激吸收的光子，光得到放大；4.受激辐射的光子引发新的受激辐射，雪崩放大；5.谐振腔的选择和抑制；6.达到一定程度后，形成稳定的输出。机电工程系张立峰特种焊激光束的物理特征激光束除具有普通光所具有的反射、折射、干涉、衍射、偏振等性质外。由于非自发受激辐射，所以具有高度相干性。1高强度；2高方向性；3单色性；4高相干性；高方向性决定了激光传播很远仍有很高的强度。机电工程系张立峰特种焊激光焊的基本原理利用光学系统将激光聚焦后照射到被焊材料表面，利用材料吸收光能转换的热能加热、熔化、冷却结晶后形成焊接接头的过程。机电工程系张立峰特种焊热加工:激光被加工材料吸收,并转化为热能；不同的功率密度,材料表面引起不同变化:温度升高、熔化、气化、形成小孔和等离子体；材料表面的状态和变化有极大的影响对激光的吸收。激光与材料的相互作用机电工程系张立峰特种焊作用过程•本质:反射、透射和吸收本质上是光波电磁场与与材料相互作用的结果•反射和透射：带点粒子随电矢量步调振动形成振荡电偶极子辐射出相干次电磁波，形成反射和透射•吸收：某些粒子获得过量能量(自由电子和束缚电子)时间和空间上的均布能量在各质点间均布(大量的碰撞和中间状态)•光热转换时间极短：10－9s。机电工程系张立峰特种焊金属对激光的吸收•大量的自由电子，强烈的次波•强烈的反射和微弱的吸收•穿透深度10nm（0.25um~10.6um）•与吸收相关的因素–波长、材料性质、温度、表面状况、偏振等•可见光及附近区域：不同材料的反射率呈现较为复杂的变化，0.4~1.0um，A较高•红外：A与λ－1/2成正比–大部分金属对10.6um的激光强烈反射–对1.06um段的激光反射较弱机电工程系张立峰特种焊温度•不同波段，吸收率与温度呈现不同的变化趋势•λ1um，吸收率与温度关系复杂，总的来说变化较小•λ2um时：2/12020)]1([2.11:)1(rTArrT电阻率的温度系数机电工程系张立峰特种焊表面状况•有无氧化膜–氧化膜越厚，A越高•粗糙度–表面粗糙度高，吸收率高•涂层–加上高吸收率涂层（机械和化学方法）激光功率密度机电工程系张立峰特种焊室温下各种金属在几种特定激光波长下的吸收率机电工程系张立峰特种焊激光焊接机理•传热焊(熔化焊)–条件：功率密度小（105w/cm2），金属表面未形成气化，横流、多阶模–过程：表面光热表面温度升高并熔化通过热传导扩大熔化区–特点：•熔深浅、轮廓近似球形•激光大部分被反射、吸收小•薄小零件的焊接•焊接速度慢机电工程系张立峰特种焊典型热传导焊缝(Al)机电工程系张立峰特种焊激光焊接机理激光深熔焊条件：功率密度足够大(106w/cm2)•过程：表面光热极短时间内熔化汽化(10-8~10-6)金属蒸汽逸出形成反压凹坑吸收进一步加强蒸汽压进一步增强，进一步加深加宽小凹坑力平衡后形成稳定小孔•小孔的移动形成焊缝•金属蒸汽等离子体和小孔的形成机电工程系张立峰特种焊深熔焊机电工程系张立峰特种焊小孔效应1激光通过小孔直接深入材料内部；2壁聚焦效应；3小孔运动形成焊缝；4小孔的尺寸决定焊缝形貌；5小孔的稳定性直接决定熔池与焊接过程的稳定性。机电工程系张立峰特种焊激光致等离子体•等离子体的形成过程–等离子体：第四态，自由电子、带电粒子、中性原子–形成过程：金属加热气化、金属蒸汽少量自由电子通过逆韧致辐射吸收激光被加速高速电子与蒸汽分子碰撞电子雪崩式增加，形成等离子体•一般为金属蒸汽的等离子体，而非辅助气体。机电工程系张立峰特种焊二次加热的几种渠道等离子体行为：吸收、散射、改变焦点位置、二次加热•等离子体与工件接触的热传导•辐射出易为金属吸收的短波长光波•材料蒸汽在等离子体压力下返回凝聚于金属表面，甚至小孔内部机电工程系张立峰特种焊功率密度不同时等离子体对能量传输的影响•106w/cm2左右:稀薄的等离子体积聚于工件表面,有助于工件吸收激光,30~50%•106~107w/cm2:产生周期振荡的等离子体吸收波•高于107w/cm2：周围气体可能被击穿，形成激光维持的爆发波，完全持续阻断激光传输•扩大热作用区域机电工程系张立峰特种焊机电工程系张立峰特种焊净化效应•效果:焊缝中有害杂质元素和夹杂物减少•原因:非金属和加杂对激光的吸收率远大于金属•前提：良好保护壁聚焦效应机电工程系张立峰特种焊1.3激光焊设备1.3.1激光焊设备组成激光器：关键部件，输出激光；光学系统：传输、变向和聚焦；加工机：工件与激光的相对运动及精度；辐射、工艺参数传感器，工艺介质输送系统，控制系统，调整、对中小型激光器等。1.3.2激光器气体激光器机电工程系张立峰特种焊各类激光器简介各类激光器简介激光器运行状态泵浦方式工作物质连续脉冲电泵浦光泵浦化学能核能气体固体液体半导体机电工程系张立峰特种焊气体激光器•气体为工作物质•气体可以是纯气体、混合气体、分子气体、离子气体以及金属蒸汽等•多数采用高压放电方式泵浦•He-Ne激光器是最早出现的气体激光器•氩离子激光器•二氧化碳激光器、•氦-镉激光器•铜蒸气激光器机电工程系张立峰特种焊准分子激光器•工作物质由惰性气体（Ne,Kr,Ar等）和卤族元素（F,Cl,Br等）组成，激发后形成两种元素的化合物而发出激光。•这类激光器于70年代中期问世•主要用于材料加工、医疗、照相印刷等，这类激光器在军事领域有良好的应用前景，曾被定为美国“星球大战计划”的候选高能激光武器机电工程系张立峰特种焊激光种类激光特性ArFKrFXeClXeF波长（纳米）193249308350脉冲能量（毫焦）400550200275脉冲重复率（赫）90100160100平均功率（瓦）30453020脉冲宽度（纳秒）1012815机电工程系张立峰特种焊液体激光器•最常用的液体激光器是以有机溶液为工作物质的染料激光器。•1966年，IBM公司的科学家PeterSolokin和JohnLankard发现了有机燃料溶液产生激光的关键机制•最主要特点是工作波长可以调谐，应用于要求窄带可调谐或超快光脉冲的场合，如同位素分离光谱学、半导体以及其他固体材料激发动态力学特性的研究，还可用于医学领域的恶性肿瘤治疗。机电工程系张立峰特种焊固体激光器•固态基质中掺入少量激活元素为工作物质•红宝石激光器是最早发明的激光器•YAG激光器是目前应用的最广泛的固体激光器之一，•主要用于各种材料的加工，在医学和军事上也有较好的应用机电工程系张立峰特种焊固体可调谐激光器•特殊的固体激光器，输出波长在一定范围内可调•最早的固体可调谐激光器由贝尔实验室的Johnson及其合作者与1963年发明，所用的工作物质为掺镍氟化镁。•1979年Walling发明的翠绿宝石激光器是一种早期有较高实用价值的装置，主要用于肿瘤去除•1982年Moulton发明的掺钛蓝宝石激光器在军事应用领域有较好应用前景。机电工程系张立峰特种焊化学激光器•特殊的气体激光器,分子跃迁方式工作•其泵浦源为化学反应所释放的能量。•脉冲化学激光器于1965年问世，连续器件于四年后问世。•典型波长:近红外到中红外谱区。•最主要的有氟化氢（HF）和氟化氘（DF）两种装置。前者在2.6~3.3微米之间输出15条以上的谱线,后者约有25条谱线处于3.5~4.2微米之间。•可以获得非常高的连续功率输出-数兆瓦，其潜在的军事应用很快引起人们的的兴趣。机电工程系张立峰特种焊二极管泵浦固体激光器•以半导体激光二极管为泵浦源的固体激光器•最大优点是可以得到非常高的能量转换效率和好的光束质量，是当前固体领域重点研究方向机电工程系张立峰特种焊自由电子激光器•被电场加速的高能电子通过极性交替变换的磁场结构时发生振荡并产生激光辐射•辐射的波长可以从远紫外到毫米波段自由调谐•目前仍处于研究和发展阶段•在生物医学和光