天津大学材控专业材料现代成型技术复习重点

1、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。）第一章激光焊接与切割1焊接分为：熔焊，压焊，钎焊三大类2激光是利用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、方 向性强、亮度咼的光束。3原子具有一系列的不连续的E1、E2、E3En等能量状态，称为原子的稳定 状态。这些不连续的能量值，通常称为.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。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，而激 发后原子所处的状态

2、称为激发态。5*自发跃迁的两种能量释放方式：.无辐射跃迁（热形式），自发辐射跃迁（光 的形式）6* .受激辐射相当于加强了外来激励光，即具有光放大作用，因此受激辐射是E2 激光产生的主要物理基础.*W*vw-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 了形成激光的重要条件。8 *粒子数反转分布：理解着记忆亚稳能级。亚稳态能级的存在，提供图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

3、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）*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（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（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

4、用。只有沿着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 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，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12 *固体激光器的工作物质：分为 基质和激活物质两部分；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C产AI2

5、O3?三三掺钕钇铝石榴石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 。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、 碘钨灯、连续发光的氙灯。小功率时，用碘钨灯;大功率时，用氪灯14 * 大题温度淬火E3咧-E泵hv受hvi1 VWV*激发态无辐射跃迁 E亚稳态 灰辐射-E温度低时不明显厶匕曰.I'无辐射跃迁C3+能量晶晶格振动 基态

6、无辐射跃迁温度高时 几率增大振动加剧粒子数反转分布难度增大，激励阈值提高E2时hvizaaEi自发辐射跃迁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，把部分能量传给晶格,变成晶格的振动能，而Cr3+ 返回E1。在温度较低时，晶格的振动较弱，Cr3+和晶格的作用不显著，所以无 辐射跃迁可以忽略。而当温

7、度升高时，晶格振动加剧，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 * 大题热透镜效应钕玻璃的导热性比较低（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，这样就是光偏离了棒的 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

8、大，甚至使棒损坏。这种现象成为 “热透镜效应”。16*气体激光器分为三类：原子激光器:分子激光器: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18*二氧化碳谐振腔：二氧化碳气体激光器的 谐振腔多采用平凹腔，一般总以 凹面镜 作为全反射镜，而以平面镜作输出端反射镜。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 20*目前大功率二氧化碳激光器一般用 砷化傢做镜片。如右图所示，通过 电极放电，高速电子与二氧化碳分子碰撞，把CO2分 子激发到高能级001上，然后 在001和100能级之间实现激 光作用的分子数反转的条件。但是,纯CO2激光器的功率很 低，必须

9、加入N2 （氮）和He（氦）才能提高输出功率和效率。21*考大题：二氧化碳激光器工作原理加入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 N2分子与CO2碰撞时就共振转移，把能量交给CO2,使CO2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。当有外界电子激励并 在谐振腔内振荡时，便会输出激光。22* 考大题CO2激光器的能量转换效率高的原因： 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

10、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，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 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 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）氮气和二氧化碳混合，输出功率 提

11、高一倍2）在N2+ CO2的激光器中加入大量的 氦，会使激光输出功率提高约510倍 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4）在N2 + CO2+ He的激光器中加入氙后，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24*温度对CO2激光器的影响如果丕对管壁或管内气体采取 冷却措施,则器件的输出功率会很快下降，甚至停 止输出。其原因如下：（1） C02激光器在工作过程中容易发热，气体发热将会严重破坏分子数反转 的 建立。（2）气体温度升高以后，放大系数降低，当放大系数小于谐振腔的损失，激光 器停止工作。（3）气体发热，还会引起C02分

12、子分解，从而降低C02分子的浓度。25*激光焊接分类：按激光器的运转方式来分：脉冲激光焊接，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，深穿入焊。26*重点考大题深穿入熔化焊原理:升咼到沸点，使金属熔化和汽化：黴光激光光斑上的功率密度足够大时（106W/cm2）;金属在激光的照射下被迅速加 热，其表面温度在极短的时间内（10-8-10-6S） 当金属汽化时，所产生的金属蒸气以一定的 速度离开熔池，金属蒸气的逸出对熔化的液 态金属产生一个附加压力，使熔池金属表面 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

13、液态金属使小坑进一步加深，另一方面，向坑外飞出的 蒸气 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，小孔不再继续加深,形成一个深度稳 定的孔而进行焊接，因此称之为激光深熔焊。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来决 定激光的功率密度，脉冲宽度和波形。29*脉冲能量和脉冲宽度的关系：P=E / tP是激光功率（W）, E是脉冲能量（J）, t是脉冲宽度（s）30*大多数金属在

14、激光开始照射时，能将激光束的大部分能量反射回去，所以焊接过程开始的瞬间，就相应地需要较高功率的光束。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。31*离焦量又叫入焦量，用厶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。焊接较厚的板时，采用适当的负离焦量可以获得最大的熔深 焊接薄材料时，宜采用正离焦32*激光填丝焊接与非填丝焊接相比，具有如下优点：解决了对工件加工

15、装配要求严格的问题；（2）可实现较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_。33* 大题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TIG或MIG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 的重要原因是焊接过程中产生的 等离子体 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,电子密度显著降低，等离子体云得到稀释，对激光 的消耗减小，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，使接口开始被激光照射时的 温度升高，也使激光 的

16、吸收率进一步提高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,可缓和对接口 精度的要求，减少错位和焊接不连续现象；6）而且温度梯度较小，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。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。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 *概念激光熔覆：亦称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，并利用高能密度的 激光束使之与基材表面薄层 一起熔凝的方法，在基层表面形成与其为 冶金结合的添料熔覆层。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*激光焊的焊缝特点：1）激光深熔焊的热输入量是是电弧焊的1/3 1/10,所以激光焊凝固很快。特别 是在焊缝的下部，因为狭窄而且散热情况良好，故有很高的冷却速度，使焊缝内 部产生细化的等轴晶。2）从纵剖面来看，由于熔池中熔化金属从前沿向后部流动的周期性变化，使焊 缝形成层状组织。3）由于周期变化的频率很高，所以 层间距离很小，这些因素和激光的净化作用 相同，都有利于提高焊缝的力学性能和抗裂性。37激光焊虽然有较高的焊接速度，但是它的热裂纹敏感性却低于TIG焊。这是因为激