天津大学2010级材控专业材料现代成型技术复习重点

材料现代成型技术复习重点材料现代成型技术复习重点 -by 杨雪君 注：本资料根据老师所划重点整理，下划线部分为有可能考的填空题，*号部 分重点记忆，仅供参考！（老师给的重点太多了。 。 。 。 。无语。 。 。 。 。 。 。 。） 第一章第一章 激光焊接与切割激光焊接与切割 1 焊接分为：熔焊，压焊，钎焊熔焊，压焊，钎焊三大类 2 激光是利用原子受激辐射原子受激辐射的原理，使工作物质受激而产生的一种单色性高、单色性高、 方向性强、亮度高方向性强、亮度高的光束。 3 原子具有一系列的不连续的 E1、E2、E3En 等能量状态，称为原子的稳原子的稳 定状态定状态。这些不连续的能量值，通常称为原子的能级原子的能级。 4 原子总是使自己的能量状态处于最低值，即为基态基态。如果要使这些粒子产生 辐射作用，首先就得把处于基态的粒子跃迁到高能级去，这一过程称为激发激发， 而激发后原子所处的状态称为激发态激发态。 5*自发跃迁的两种能量释放方式：无辐射跃迁无辐射跃迁（热形式） ，自发辐射跃迁自发辐射跃迁 （光的形式） 6*受激辐射受激辐射相当于加强了外来激励光，即具有光放大作用，因此受激辐射受激辐射是是 激光产生的主要物理基础 7*原子被激发到高能级的某一能级后能不能产生受激辐射跃迁，要取决于其 在各个能级的寿命。这种寿命很长的能级称为亚稳能级亚稳能级。亚稳态能级的存在， 提供了形成激光的重要条件。 8 *粒子数反转分布：理解着记忆 图 1-8 三能级粒子数反转 A）能级 E3- E2 形成粒子数反转 B）能级 E2-E1 形成粒子数反转 9 *谐振腔概念： 谐振腔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用，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。 10（大题）（大题） *论述激光的产生原理： a）激光工作物质中的原子都处在低能级低能级（用圆点表示） 。 b）用特定的方法激励这些原子（用箭号表示） ，绝大部分原子被激发到高能级， 实现了粒子数反转分布粒子数反转分布（用圆圈表示） 。 c）处在高能级上的原子，必有少数开始自发辐射，这些自发辐射的光子在前进 中将引起受激辐射，不过不沿工作物质轴向的受激辐射光很快失去作用。只有 沿着轴线方向的受激辐射轴线方向的受激辐射才能得到显著的加强。 d) 这时的光还很弱，处于高能 级上的原子数还很多。这样在工 作物质的两端加两块平行的反射反射 镜（使构成谐振腔）镜（使构成谐振腔） ，使已经得 到初步放大的受激辐射的光能在 被激活的工作物质内部来回反射 （振荡） ，使光进一步放大。 e) 受激发射光经过振荡达到最强， 其中一部分从部分透过的反射镜上输出成为激光束激光束，一部分反射回工作物质内 继续放大。 11 *固体激光器的基本结构：工作物质，激励源，谐振腔工作物质，激励源，谐振腔 12 *固体激光器的工作物质：分为基质基质和激活物质激活物质两部分； 激活物质是发光的，基质是镶嵌激活物质的。 固体激光器激活物质基质几能级系统 钕玻璃Nd3+ 钕离子 玻璃四 红宝石Cr3+ Al2O3 ？三 掺钕钇铝石榴石Nd3+ 钕离子YAG（钇铝石榴石） 四 各固体激光器原理了解一下，详见 PPT 在通常情况下钕离子差不多全部都在基态，低能态上几乎没有粒子，因此光泵 只要往能级 E4 上激发少量粒子，就能实现 E3 与 E2 间的粒子数反转。亦即是 说四能级系统获得粒子数反转比三能级系统容易得多四能级系统获得粒子数反转比三能级系统容易得多。 13*在连续固体激光器（即 Nd3+YAG 激光器）中，用作连续光源的有氪灯、氪灯、 碘钨灯、连续发光的氙灯碘钨灯、连续发光的氙灯。小小功率时，用碘钨碘钨灯；大大功率时，用氪氪灯 14 *大题大题温度淬火 红宝石是个三能级结构， 当处于基态的 Cr3+被激 励，跃迁到 E3 能级上 去后，会发生无辐射跃 迁到 E2 能级上，E2 是 个亚稳能级，寿命较长， 因此在 E2 上可以积聚 大量的铬离子，当光泵 强度足够时，就可以在 E2 和 E1 之间实现粒子 数反转分布。 铬离子在 E2 上积聚的同时，在 E2 和 E1 之间也有无辐射跃迁。它是 E2 上的 Cr3+通过和晶格相互作用通过和晶格相互作用，把部分能量传给晶格，变成晶格的振动能晶格的振动能，而 Cr3+返回 E1。在温度较低温度较低时，晶格的振动较弱振动较弱，Cr3+和晶格的作用不显著，所 以无辐射跃迁可以忽略。而当温度升高温度升高时，晶格振动加剧振动加剧，能级 E2 上的 Cr3+ 和晶格的相互作用增强了，无辐射跃迁几率也就大了，这就意味着实现粒子数实现粒子数 反转分布不容易了反转分布不容易了，激励阈值也提高了，严重时还会使已有的激光输出终止。 这就是温度淬火。 15 *大题大题热透镜效应 钕玻璃的导热性比较低导热性比较低（钕玻璃的导热性比晶体低 10-100 倍） ，所以每次使用 氙灯照射钕玻璃，即每次激励时产生的热量不能及时传走，其结果是钕玻璃棒钕玻璃棒 的温度升高的温度升高。中心处的温度高于边缘，棒中心的折射率比边缘大，中心比边缘 的几何路程也大，光通过钕玻璃棒，相当于通过了一个凸透镜凸透镜，这样就是光偏偏 离了棒的轴线离了棒的轴线方向，在谐振腔内来回反射时，必然会使损耗增加，阈值提高， 效率下降，发散角增大，甚至使棒损坏。这种现象成为“热透镜效应热透镜效应” 。 16*气体激光器分为三类 ：原子原子激光器；分子分子激光器；离子离子激光器 17*二氧化碳激光器：放电管，谐振腔，激励电源，冷却系统放电管，谐振腔，激励电源，冷却系统 18*二氧化碳谐振腔：二氧化碳气体激光器的谐振腔多采用谐振腔多采用平凹腔平凹腔，一般总 以凹面镜凹面镜作为全反射镜全反射镜，而以平面镜平面镜作输出端反射镜输出端反射镜。 19*对于全反射镜，不用多层介质膜而用金属膜，如金膜、银膜和铝膜金属膜，如金膜、银膜和铝膜。 20*目前大功率二氧化碳激光器一般用砷化镓砷化镓做镜片。 21*考大题：二氧化碳激光器工作原理 如右图所示，通过电极放电电极放电，高 速电子与电子与 二氧化碳分子碰撞二氧化碳分子碰撞，把 CO2 分子 激发到高能级激发到高能级 001 上，然后在 001 和 100 能级之间实现激光作 用的分子数反转分子数反转的条件。 但是, 纯 CO2 激光器的功率很低， 必须加入 N2 （氮）和（氮）和 He（氦）（氦）才能提高输出功率和效率。加入 N2 时，N2 的第一能级与二氧化碳 的 001 能级的能量几乎相等, 符合共振条件，即两气体易于在碰撞时交换能量。 放电时，电子与 N2 分子碰撞，把 N2 分子激发到第一能级，然后处于激发态的激发态的 N2 分子与分子与 CO2 碰撞时就共振转移碰撞时就共振转移，把能量交给 CO2，使 CO2 激发激发到 001 能 级 上去。上述过程就可以实现在高低能级间分子数反转分布高低能级间分子数反转分布。当有外界电子激励电子激励 并在谐振腔内振荡谐振腔内振荡时，便会输出激光。 22*考大题考大题 CO2 激光器的能量转换效率高的原因：理解记吧理解记吧 1）激光工作能级寿命比较长，有利于粒子数反转的积累 2）CO2 激光器是用电能激发的，具有一定能量的电子与处于基态的 CO2 分子 发生非弹性碰撞后，CO2 分子直接被电子激发到 E4 能级上去，这种电子与分电子与分 子碰撞的几率子碰撞的几率比原子或离子的碰撞几率要大几百倍以至几千倍。 3）在 CO2 混合气体放电过程中，部分 CO2 分子被离解成 CO 和氧原子和氧原子，它们 再复合时能形成处于 E4 能级的 CO2 分子。此外，电子碰撞 CO 分子的几率也 很大，CO 分子被电子激发后，与基态的 CO2 分子碰撞通过能量转移碰撞通过能量转移也能将基 态 CO2 分子激发到 E4 能级上去。CO2 分子的电离能比较小，利用这一激发过 程对形成 CO2 分子粒子数反转分子粒子数反转时有很大作用的。 23*填空吧辅助气体对二氧化碳激光器输出功率的影响 1）氮气氮气和二氧化碳混合，输出功率提高一倍提高一倍 2）在 N2CO2 的激光器中加入大量的氦氦，会使激光输出功率提高约 510 倍倍 氦的作用是抽空低能级氦的作用是抽空低能级 3）水蒸气的主要作用是抽空低能级抽空低能级 4）在 N2CO2He 的激光器中加入氙氙后，可使输出功率提高 2530，能量 转化率提高 1015。氙气的作用是降低放电管的电子温度氙气的作用是降低放电管的电子温度 24*温度对 CO2 激光器的影响 如果不不对管壁或管内气体采取冷却冷却措施，则器件的输出功率会很快下降输出功率会很快下降，甚至 停止输出。其原因如下： （1）CO2 激光器在工作过程中容易发热，气体发热气体发热将会严重破坏分子数反转破坏分子数反转 的建立。 （2）气体温度升高温度升高以后，放大系数降低放大系数降低，当放大系数小于谐振腔的损失，激光 器停止停止工作。 （3）气体发热，还会引起 CO2 分子分解分子分解，从而降低 CO2 分子的浓度浓度。 25*激光焊接分类： 按激光器的运转方式来分：脉冲激光焊接脉冲激光焊接，连续激光焊接连续激光焊接。 每类激光焊接按激光聚焦后光斑上功率密度的不同：传热熔化焊接传热熔化焊接，深穿入焊深穿入焊。 26*重点考大题 深穿入熔化焊原理深穿入熔化焊原理： 激光光斑上的功率密度足够大功率密度足够大时（106W/cm2） ；金属在激光的照射下被迅速迅速 加热加热，其表面温度在极短的时间内（10-8-10-6s）升高到沸点，使金属熔化和汽金属熔化和汽 化化； 当金属汽化金属汽化时，所产生的金属蒸气以一定的 速度离开熔池离开熔池，金属蒸气的逸出对熔化的液 态金属产生一个附加压力附加压力，使熔池金属表面表面 向下凹陷向下凹陷，在激光光斑下产生一个小凹坑。 当光束在小孔底部继续加热汽化时，所产生 的金属蒸气一方面压迫坑底的液态金属使小小 坑进一步加深坑进一步加深，另一方面，向坑外飞出的蒸蒸 气将熔化的金属挤向熔池四周气将熔化的金属挤向熔池四周。这个过程连 续进行下去，便在液态金属中形成一个细长细长 的孔洞的孔洞。当光束能量所产生的金属蒸气的反 冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后平衡后，小孔不再继续加深，形成一个深深 度稳定的孔而进行焊接度稳定的孔而进行焊接，因此称之为激光深熔焊激光深熔焊。 27 小题*脉冲激光焊特点：脉冲激光焊与点焊类似，脉冲激光焊加热斑点很 小 28*脉冲激光焊的焊接工艺一般根据金属的性能，需要的熔深和焊接方式金属的性能，需要的熔深和焊接方式来决 定激光的功率密度，脉冲宽度和波形功率密度，脉冲宽度和波形。 29*脉冲能量和脉冲宽度的关系：P=E / P 是激光功率 (W), E 是脉冲能量（J） ，是脉冲宽度（s） 30*大多数金属在激光开始照射时，能将激光束的大部分能量反射回去反射回去，所以 焊接过程开始的瞬间开始的瞬间，就相应地需要较高功率的光束较高功率的光束。当金属表面开始熔化和 气化后，其反射率即将迅速降低，调用小功率小功率。 31*离焦量又叫入焦量，用F 表示。是指焊件表面到聚焦激光束最小光斑 (焦点)的距离。激光束通过透镜聚焦后，有一个最小光斑直径，如果焊件表面 与之重合，则F = 0；如果焊件表面在它下面，则F 0，称为正离焦量；如 果焊件表面在它上面，则F 0，称为负离焦量。 焊接较厚的板厚的板时，采用适当的负离焦量负离焦量可以获得最大的熔深。 焊接薄材料薄材料时，宜采用正离焦正离焦 32*激光填丝焊接与非填丝焊接相比,具有如下优点: (1)解决了对工件加工装配要求严格装配要求严格的问题; (2)可实现较小功率焊接较厚小功率焊接较厚较大零件; (3)通过调节填丝成分, 可控制焊缝区域组织性能控制焊缝区域组织性能。 33*大题大题铝合金为什么采用激光电弧复合焊接铝合金为什么采用激光电弧复合焊接 1）含义：这种复合焊接主要指激光与激光与 TIG 或或 MIG 电弧电弧复合焊接。在这种工艺 中,激光和电弧相互作用、取长补短。 2）激光焊接存在问题：能量利用率低能量利用率低的重要原因是焊接过程中产生的等离子体等离子体 云对激光的吸收和散射云对激光的吸收和散射,且等离子体对激光的吸收与正负离子密度的乘积成正比 3）如果在激光束附近外加电弧外加电弧,电子密度显著降低,等离子体云得到稀释稀释,对激光 的消耗减小,工件对激光的吸收率提高工件对激光的吸收率提高 4）电弧对焊接母材接口进行预热接口进行预热,使接口开始被激光照射时的温度升高温度升高,也使激 光的吸收率吸收率进一步提高提高 5）激光与电弧复合焊接时,由于电弧的热作用范围、热影响区较大热作用范围、热影响区较大,可缓和对接 口精度的要求,减少错位和焊接不连续现象减少错位和焊接不连续现象; 6）而且温度梯度较小温度梯度较小,冷却、凝固过程较缓慢,有利于气体的排除,降低内应力,减 少或消除气孔和裂纹消除气孔和裂纹。 7）由于电弧焊接容易使用添加剂,可以填充间隙,采用激光电弧复合焊接的方法 能减少或消除焊缝的凹陷减少或消除焊缝的凹陷。 激光电弧复合焊接优点：优点： a、能源利用率高； b、焊接速度快； c、焊缝熔深大； d、焊接变形小； e、热影响区窄 34 *概念概念激光熔覆: 亦称激光包覆或激光熔敷激光包覆或激光熔敷，是一种新的表面改性技术。 它通过在基材表面添加熔覆材料基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束激光束使之与基材表面薄 层一起熔凝熔凝的方法，在基层表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层冶金结合的添料熔覆层。 35*激光切割分类：汽化切割；熔化切割；氧化熔化切割；控制断裂切割 36*激光焊