天津大學(xué)2018級材控專業(yè)材料現(xiàn)代成型技術(shù)復(fù)習(xí)重點(diǎn)

1、材料現(xiàn)代成型技術(shù)復(fù)習(xí)重點(diǎn)by楊雪君注：本資料根據(jù)老師所劃重點(diǎn)整理，下劃線部分為有可能考的填空題，*號部分重點(diǎn)記憶，僅供參考！ ！老師給的重點(diǎn)太多了。無語。0 0 0 ）第一章激光焊接與切割1焊接分為：熔焊，壓焊，釬焊 三大類2激光是利用原子受激輻射的原理，使工作物質(zhì)受激而產(chǎn)生的一種 單色性高、方 向性強(qiáng)、亮度咼的光束。3原子具有一系列的不連續(xù)的E1、E2、E3En等能量狀態(tài)，稱為 原子的穩(wěn)定 狀態(tài)。這些不連續(xù)的能量值，通常稱為 原子的能級。4原子總是使自己的能量狀態(tài)處于最低值，即為 基態(tài)。如果要使這些粒子產(chǎn)生輻 射作用，首先就得把處于基態(tài)的粒子躍遷到高能級去，這一過程稱為 激發(fā)，而 激發(fā)后原子

2、所處的狀態(tài)稱為激發(fā)態(tài)。5*自發(fā)躍遷的兩種能量釋放方式： 無輻射躍遷 熱形式），自發(fā)輻射躍遷 光的形式）6*受激輻射相當(dāng)于加強(qiáng)了外來激勵光，即具有光放大作用，因此 受激輻射是 激光產(chǎn)生的主要物理基礎(chǔ).*vw-自發(fā)輻射受激輻射7*原子被激發(fā)到高能級的某一能級后能不能產(chǎn)生受激輻射躍遷，要取決于其 在各個能級的壽命。這種壽命很長的能級稱為亞穩(wěn)能級。亞穩(wěn)態(tài)能級的存在, 提供了形成激光的重要條件。8 *粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布：理解著記憶圖1-8三能級粒子數(shù)反轉(zhuǎn)A）能級E3- E2形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)B）能級E2-E1形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)9 *諧振腔概念：諧振腔就是在工作物質(zhì)的兩端面上直接蒸鍍上多層介質(zhì)膜作為反射鏡，或在工 作

3、物質(zhì)兩端的前面裝兩塊反射鏡所組成。在兩塊反射鏡中，一塊對光束是全反 射的，另一塊是可部分透過的。光束在兩塊反射鏡之間來回反射、加強(qiáng)激發(fā)并 多次經(jīng)過工作物質(zhì)而形成振蕩。使沿軸向的光子與亞穩(wěn)態(tài)上的激發(fā)粒子作用， 發(fā)生受激輻射，使光得到進(jìn)一步放大 加強(qiáng)），并在裝有部分透過反射鏡的一端 輸出。10大題）*論述激光的產(chǎn)生原理：a）激光工作物質(zhì)中的原子都處在 低能級 用圓點(diǎn)表示）。b）用特定的方法激勵這些原子 用箭號表示），絕大部分原子被激發(fā)到高能級 ，實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 用圓圈表示）。c）處在高能級上的原子，必有少數(shù)開始自發(fā)輻射，這些自發(fā)輻射的光子在前進(jìn) 中將引起受激輻射，不過不沿工作物質(zhì)軸向的受激輻

4、射光很快失去作用。只有 沿著軸線方向的受激輻射 才能得到顯著的加強(qiáng)。d 這時的光還很弱，處于高能級上 的原子數(shù)還很多。這樣在工作物 質(zhì)的兩端加兩塊平行的 反射鏡 使構(gòu)成諧振腔），使已經(jīng)得到初 步放大的受激輻射的光能在被激 活的工作物質(zhì)內(nèi)部來回反射 振 蕩），使光進(jìn)一步放大。e受激發(fā)射光經(jīng)過振蕩達(dá)到最強(qiáng)，其中一部分從部分透過的反射鏡上輸出成為激光束，一部分反射回工作物質(zhì)內(nèi)繼續(xù)放大。11 *固體激光器的基本結(jié)構(gòu)： 工作物質(zhì)，激勵源，諧振腔12 *固體激光器的工作物質(zhì)：分為 基質(zhì)和激活物質(zhì)兩部分:激活物質(zhì)是發(fā)光的，基質(zhì)是鑲嵌激活物質(zhì)的固體激光器激活物質(zhì)基質(zhì)幾能級系統(tǒng)釹玻璃Nd'+釹離子玻璃四

5、紅寶石Cr3+AI2O3 ?-三摻釹釔鋁石榴石Nd3+釹離子YAG釔鋁石榴石）四各固體激光器原理了解一下，詳見PPT在通常情況下釹離子差不多全部都在基態(tài)，低能態(tài)上幾乎沒有粒子，因此光泵 只要往能級E4上激發(fā)少量粒子，就能實(shí)現(xiàn)E3與E2間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。亦即是說 四 能級系統(tǒng)獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)比三能級系統(tǒng)容易得多。izg賊密羽妊13*在連續(xù)固體激光器 即Nd3+YAG激光器）中，用作連續(xù)光源的有 氪燈、 碘鎢燈、連續(xù)發(fā)光的氙燈。小功率時，用 碘鎢燈;大功率時，用氪燈14 * 大題溫度淬火激發(fā)態(tài)無輻射躍遷E亞穩(wěn)態(tài)I_ 泵hVl=E -E諭-受激輻射ww* I hviI WW*eJ宀2 hvi=p -E溫

6、度低時不明顯ew*厶匕卓丨無輻射躍遷33+能量晶4晶格振動 - 基態(tài)無輻射躍遷溫度高時 幾率增大振動加劇E2icoEi自發(fā)輻射躍遷粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布難度增大，激勵閾值提高紅寶石是個三能級結(jié)構(gòu)，當(dāng)處于基態(tài)的Cr3+被 激勵，躍遷到E3能級上 去后，會發(fā)生無輻射躍 迂到E2能級上，E2是個 亞穩(wěn)能級，壽命較長， 因此在E2上可以積聚大 量的鉻離子，當(dāng)光泵強(qiáng) 度足夠時，就可以在E2 和E1之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反 轉(zhuǎn)分布。鉻離子在E2上積聚的同時，在E2和E1之間也有無輻射躍遷。它是E2上的Cr3+ 通過和晶格相互作用，把部分能量傳給晶格，變成晶格的振動能，而Cr3+返回 E1。在溫度較低時，晶格的振動較弱，C

7、r3+和晶格的作用不顯著，所以無輻射 躍遷可以忽略。而當(dāng) 溫度升高時，晶格振動加劇，能級E2上的Cr3+和晶格的相 互作用增強(qiáng)了，無輻射躍遷幾率也就大了，這就意味著實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布不容易了，激勵閾值也提高了，嚴(yán)重時還會使已有的激光輸出終止。這就是溫度 淬火。15 * 大題熱透鏡效應(yīng)釹玻璃的導(dǎo)熱性比較低 釹玻璃的導(dǎo)熱性比晶體低10-100倍），所以每次使用氙燈照射釹玻璃，即每次激勵時產(chǎn)生的熱量不能及時傳 走，其結(jié)果是釹玻璃棒的溫度升高。中心處的溫度高于邊緣，棒中心的折射率 比邊緣大，中心比邊緣的幾何路程也大，光通過釹玻璃棒，相當(dāng)于通過了一個 凸透鏡，這樣就是光偏離了棒的軸線 方向，在諧振腔內(nèi)來

8、回反射時，必然會使 損耗增加，閾值提高，效率下降，發(fā)散角增大，甚至使棒損壞。這種現(xiàn)象成為 熱透鏡效應(yīng)”。16*氣體激光器分為三類：原子激光器；分子激光器；離子激光器17*二氧化碳激光器：放電管，諧振腔，激勵電源，冷卻系統(tǒng)18*二氧化碳諧振腔：二氧化碳?xì)怏w激光器的諧振腔多采用平凹腔，一般總以凹面鏡作為全反射鏡，而以平面鏡作輸出端反射鏡。19*對于全反射鏡，不用多層介質(zhì)膜而用 金屬膜，如金膜、銀膜和鋁膜。20*目前大功率二氧化碳激光器一般用 砷化傢做鏡片。21*考大題：二氧化碳激光器工作原理如右圖所示，通過 電極放電，高速 電子與二氧化碳分子碰撞，把C02分子激發(fā)到高能級001上，然后在001和1

9、00能級之間 實(shí)現(xiàn)激光作用的分子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件。但是,純CO2激光器的功率很低，必須加入N2氮）和Hev氦）才能提高輸出功率和效率。加入N2時，N2的第一能級與二氧化碳的001能級的能量幾乎相等,符合共振條件，即兩氣體易于在碰撞時交換能量。放電時，電子與N2分子碰撞，把N2分子激發(fā)到第一能級，然后處于 激發(fā)態(tài)的N 2分子與CO2碰撞時就共振轉(zhuǎn)移，把能量交給CO2，使 CO2激發(fā)到001能級 上去。上述過程就可以實(shí)現(xiàn)在 高低能級間分子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。當(dāng)有外界電子激勵 并在諧振腔內(nèi)振蕩時，便會輸出激光。22* 考大題CO2激光器的能量轉(zhuǎn)換效率高的原因： 理解記吧1）激光工作能級壽命比較長，有利于粒子數(shù)反

10、轉(zhuǎn)的積累2） CO2激光器是用電能激發(fā)的，具有一定能量的電子與處于基態(tài)的 CO2分子發(fā) 生非彈性碰撞后，CO2分子直接被電子激發(fā)到E4能級上去，這種 電子與分子碰 撞的幾率比原子或離子的碰撞幾率要大幾百倍以至幾千倍。3）在CO2混合氣體放電過程中，部分CO2分子被離解成CO和氧原子，它們再 復(fù)合時能形成處于E4能級的CO2分子。此外，電子碰撞CO分子的幾率也很大， CO分子被電子激發(fā)后，與基態(tài)的CO2分子碰撞通過能量轉(zhuǎn)移 也能將基態(tài)CO2分 子激發(fā)到E4能級上去。CO2分子的電離能比較小，利用這一激發(fā)過程對形成 CO 2分子粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 時有很大作用的。23*填空吧輔助氣體對二氧化碳激光器輸出功

11、率的影響1）氮?dú)夂投趸蓟旌希敵龉β?提高一倍2）在N2+ C02的激光器中加入大量的 氦，會使激光輸出功率提高約510倍 氦的作用是抽空低能級3）水蒸氣的主要作用是 抽空低能級4）在N2+ C02 + He的激光器中加入 氙后，可使輸出功率提高2530%,能量 轉(zhuǎn)化率提高1015%。氙氣的作用是降低放電管的電子溫度24*溫度對CO2激光器的影響如果丕對管壁或管內(nèi)氣體采取 冷卻措施，則器件的輸出功率會很快下降，甚至 停止輸出。其原因如下：<1） CO2激光器在工作過程中容易發(fā)熱， 氣體發(fā)熱將會嚴(yán)重破壞分子數(shù)反轉(zhuǎn) 的 建立。<2）氣體溫度升高以后,放大系數(shù)降低，當(dāng)放大系數(shù)小于諧振

12、腔的損失，激光 器停止工作。<3）氣體發(fā)熱，還會引起CO2分子分解，從而降低CO2分子的濃度。25*激光焊接分類：按激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)方式來分：脈沖激光焊接，連續(xù)激光焊接。每類激光焊接按激光聚焦后光斑上功率密度的不同：傳熱熔化焊接，深穿入焊O;金屬在激光的照射下被迅速加建孔熔池畔離子怵母材凝曲令屬小孔不再繼續(xù)加深，形成一個深26*重點(diǎn)考大題深穿入熔化焊原理: 激光光斑上的 功率密度足夠大 時V106W/cm2 熱，其表面溫度在極短的時間內(nèi)<10-8-10- 6s）升高到沸點(diǎn)，使金屬熔化和汽化： 當(dāng)金屬汽化時，所產(chǎn)生的金屬蒸氣以一定的 速度離開熔池，金屬蒸氣的逸出對熔化的液 態(tài)金屬產(chǎn)生一個

13、附加壓力，使熔池金屬表面 向下凹陷，在激光光斑下產(chǎn)生一個小凹坑 當(dāng)光束在小孔底部繼續(xù)加熱汽化時，所產(chǎn)生 的金屬蒸氣一方面壓迫坑底的液態(tài)金屬使小 坑進(jìn)一步加深，另一方面，向坑外飛出的 蒸 氣將熔化的金屬擠向熔池四周。這個過程連 續(xù)進(jìn)行下去，便在液態(tài)金屬中形成一個 細(xì)長 的孔洞。當(dāng)光束能量所產(chǎn)生的金屬蒸氣的反 沖壓力與液態(tài)金屬的表面張力和重力平衡后， 度穩(wěn)定的孔而進(jìn)行焊接，因此稱之為激光深熔焊。小題*脈沖激光焊特點(diǎn)：脈沖激光焊與點(diǎn)焊類似，脈沖激光焊加熱斑點(diǎn)很小28*脈沖激光焊的焊接工藝一般根據(jù)金屬的性能，需要的熔深和焊接方式來決 定激光的功率密度，脈沖寬度和波形。29*脈沖能量和脈沖寬度的關(guān)系：P

14、=E / tP是激光功率（W, E是脈沖能量J）, 是脈沖寬度s）30*大多數(shù)金屬在激光開始照射時，能將激光束的大部分能量反射回去，所以焊接過程開始的瞬間，就相應(yīng)地需要 較高功率的光束。當(dāng)金屬表面開始熔化和 氣化后，其反射率即將迅速降低，調(diào)用 小功率。31*離焦量又叫入焦量，用 F表示。是指焊件表面到聚焦激光束最小光斑 （焦點(diǎn) 的距離。激光束通過透鏡聚 焦后，有一個最小光斑直徑，如果焊件表面與之重合，則F=0:如果焊件表面在它下面，則 F0，稱為正離焦量；如果焊件表面在它上面，則F 0，稱為負(fù)離焦量。焊接較厚的板時，采用適當(dāng)?shù)呢?fù)離焦量可以獲得最大的熔深。焊接薄材料時，宜采用正離焦32*激光填絲

15、焊接與非填絲焊接相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1解決了對工件加工 裝配要求嚴(yán)格 的問題。（2可實(shí)現(xiàn)較小功率焊接較厚較大零件。（3通過調(diào)節(jié)填絲成分，可控制焊縫區(qū)域組織性能。33* 大題鋁合金為什么采用激光電弧復(fù)合焊接1）含義：這種復(fù)合焊接主要指 激光與TIG或MIG電弧復(fù)合焊接。在這種工藝中 ，激光和電弧相互作用、取長補(bǔ)短。2）激光焊接存在問題：能量利用率低的重要原因是焊接過程中產(chǎn)生的等離子體 云對激光的吸收和散射，且等離子體對激光的吸收與正負(fù)離子密度的乘積成正比3）如果在激光束附近 外加電弧，電子密度顯著降低，等離子體云得到 稀釋，對激光 的消耗減小，工件對激光的吸收率提高4） 電弧對焊接母材 接口進(jìn)

16、行預(yù)熱，使接口開始被激光照射時的 溫度升高，也使激 光的吸收率進(jìn)一步提高5）激光與電弧復(fù)合焊接時因?yàn)殡娀〉臒嶙饔梅秶?、熱影響區(qū)較大，可緩和對接 口精度的要求減少錯位和焊接不連續(xù)現(xiàn)象。6）而且溫度梯度較小冷卻、凝固過程較緩慢有利于氣體的排除降低內(nèi)應(yīng)力減 少或消除氣孔和裂紋。7）因?yàn)殡娀『附尤菀资褂锰砑觿┛梢蕴畛溟g隙采用激光電弧復(fù)合焊接的方法 能減少或消除焊縫的凹陷。激光電弧復(fù)合焊接優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn): a能源利用率高；b、焊接速度快；c、焊縫熔深大；d、焊接變形小；e、熱影響區(qū)窄34*概念激光熔覆:亦稱激光包覆或激光熔敷，是一種新的表面改性技術(shù)。它通過在 基材表面添加 熔覆材料，并利用高能密度的 激光束

17、使之與基材表面薄層一起 熔凝的方法，在 基層表面形成與其為冶金結(jié)合的添料熔覆層。35*激光切割分類：汽化切割；熔化切割；氧化熔化切割；控制斷裂切割36*激光焊的焊縫特點(diǎn)：1）激光深熔焊的熱輸入量是是電弧焊的1/31/10,所以激光焊凝固很快。特別是在焊縫的下部，因?yàn)楠M窄而且散熱情況良好，故有很高的冷卻速度，使 焊縫內(nèi)部產(chǎn)生細(xì)化的等軸晶。2） 從縱剖面來看，因?yàn)槿鄢刂腥刍饘購那把叵蚝蟛苛鲃拥闹芷谛宰兓购?縫形成層狀組織。3） 因?yàn)橹芷谧兓念l率很高，所以 層間距離很小，這些因素和激光的凈化作用 相同，都有利于 提高焊縫的力學(xué)性能和抗裂性。37激光焊雖然有較高的焊接速度，但是它的熱裂紋敏感性卻低于TIG焊。這是因?yàn)榧す夂负缚p組織晶粒較細(xì)，可以有效的防止熱裂紋的產(chǎn)生?？迹?