現代材料加工方法先進連接技術課件

先進連接技術§10.1概述

焊接是指通過適當的手段使兩個分離的固態(tài)物體產生原子（分子）間結合而成為一體的連接方法。

廣義上實現材料連接有多種方法，如機械連接、化學連接(膠接)、冶金連接等。

機械連接是通過宏觀的結構關聯性實現材料和構件之間的連接，這種連接是暫時的、可拆卸的，承載能力和剛度一般較低。

化學連接主要是通過膠黏劑與被粘物間形成化學鍵和界面吸附實現連接，連接強度低，且服役環(huán)境和溫度存在局限性。先進連接技術1

冶金連接是指借助物理冶金或化學冶金方法，通過材料間的熔合、物質遷移和塑性變形等而形成的材料在原子間距水平上的連接，連接強度高、剛度大，且服役環(huán)境和溫度可以與被連接材料(母材)相當。冶金連接是材料連接的主要方法，應用最為廣泛，通常材料加工中所討論的“材料連接”均是指冶金連接。

材料連接技術的歷史可以追溯到數千年以前，但現代材料連接技術的形成主要以19世紀末電阻焊的發(fā)明(1886)和金屬極電弧的發(fā)現(1892)為標志，真正的快速發(fā)展則更是20世紀30、40年代以后的事。

冶金連接是指借助物理冶金或化學冶金方法，通過材料2

科學上的發(fā)現、新材料的發(fā)展和工業(yè)新技術的要求始終從不同角度推動著材料連接技術的發(fā)展，例如，電弧的發(fā)現導致電弧焊的發(fā)明，電子束、等離子束和激光的相繼問世形成了高能束焊接；高溫合金和陶瓷材料的應用促進了擴散連接技術的發(fā)展；高密度微電子組裝技術的要求推動了微連接技術的進步等等。經過一個多世紀的發(fā)展，材料連接技術已經成為材料加工、成形的主要技術和工業(yè)制造技術的重要組成部分，應用領域遍及機械制造、船舶工程、石油化工、航空航天、電子技術、建筑、橋梁、能源等國民經濟和國防工業(yè)各部門，在航空航天、電子技術和船舶等領域甚至成為部門發(fā)展的最關鍵技術。

科學上的發(fā)現、新材料的發(fā)展和工業(yè)新技術的要求始終3材料連接方法眾多，僅常用的就有近30種。按照連接機理(母材和填充材料的狀態(tài))可以將連接技術分為熔化焊，固相焊和釬焊三大類。

熔化焊是指通過母材和填充材料的熔合實現連接的一類連接方法。材料連接方法眾多，僅常用的就有近30種。按照連接機4

固相焊是通過連接材料在固態(tài)條件下的物質遷移或塑性變形實現連接的一類連接方法。

固相焊是通過連接材料在固態(tài)條件下的物質遷移或塑性5

釬焊是利用低熔點液態(tài)合金(釬料)對母材的潤濕和毛細填縫而實現連接的一類連接方法。

釬焊是利用低熔點液態(tài)合金(釬料)對母材的潤濕和毛6這些連接方法各有優(yōu)點和局限性，適合于不同的材料和結構。本章簡要介紹幾種先進的材料連接技術：激光焊、電子束焊和攪拌摩擦焊。這些連接方法各有優(yōu)點和局限性，適合于不同的材料和7§10.2激光焊接加工

激光和普通光在本質上并沒有區(qū)別，也是電磁波，具有渡粒二象性。

但激光又是一種全新的光源，具有其他光源所不具備的一些特性。▲激光具有普通光源所無法比擬的高亮度，是世界上最亮的光。例如，CO2激光的亮度比太陽光亮8個數量級，而高功率釹玻璃激光比太陽光亮16個數量級?！す饨咏硐肫叫泄?，發(fā)散角很小，且單色性好，頻率單一，經透鏡聚焦后可以獲得很小的光斑(最小光斑直徑可達激光波長量級)。高亮度基礎上的理想聚焦使得激光成為一種高功率密度能源，功率密度可達104～105W／cm2或更高。§10.2激光焊接加工8激光的高能量密度特點奠定了其在材料加工領域巨大的應用價值。自從1960年美國研究成功世界上第一個紅寶石激光器，尤其是加世紀70年代大功率CO2激光器出現以來，激光在材料加工領域的應用也取得了迅猛的發(fā)展。目前，已成功開發(fā)的激光加工技術主要有：激光焊接、激光切割、激光打孔、激光表面改性、激光熔覆、激光快速成形等。本節(jié)簡要介紹激光的基本原理及其在材料加工中的應用。

激光的高能量密度特點奠定了其在材料加工領域巨大的91.激光產生的基本原理簡單地說激光是一種高亮度、高方向性、高單色性和高相干性的光，它是通過一定物質(激光物質)的受激輻射而獲得的，這一點通過激光的英文名Laser—lightamplificationstimulatedemissionofradiation(光的受激輻射放大)也可以看出。激光的獲得依賴于兩個物理過程：受激輻射和粒子集居數反轉。1.激光產生的基本原理10（1）受激輻射按照玻爾的氫原子理論，原子系統只能具有一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)，這些能量狀態(tài)稱為原子系統的穩(wěn)定狀態(tài)(亦稱能級)。在這些穩(wěn)定狀態(tài)，原子中的電子做加速運動，但并不輻射電磁能。一個原子既可以從外界吸收能量(激發(fā))從低能狀態(tài)躍遷到高能狀態(tài)，也可以向外界釋放能量從高能狀態(tài)躍遷到低能狀態(tài)。當原子在這些躍遷過程中所吸收或釋放的能量為光能時，這些躍遷過程被統稱為輻射躍遷。輻射躍遷時，光的頻率和躍遷能級之間滿足普朗克公式：

h=E2－E1式中，為吸收或釋放的光子頻率；E1、E2為能級；h為普朗克常數，其值為6.626×16-34J·s。根據具體機制，輻射躍遷又分為自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收。（1）受激輻射11●自發(fā)輻射任何系統都有從高能量狀態(tài)回復到低能量狀態(tài)的趨勢。如果高能級E2上的原子自發(fā)地回復到低能級E1上，且同時釋放一個=(E2－E1)／h的光子，則稱這個過程為光的自發(fā)輻射，如圖10-2所示?！褡园l(fā)輻射12●受激輻射處于高能量狀態(tài)的原子除自發(fā)輻射外，受外來光子的激勵也可以從高能級躍遷到低能級并同時按普朗克公式=(E2－E1)／h釋放一個和外來光子完全相同的光子，這一過程稱為受激輻射，如圖10-3所示。

●受激輻射13●受激吸收與受激輻射相反，處于低能狀態(tài)的原子吸收=(E2－E1)／h的光子從低能級躍遷到高能級的過程稱為受激吸收，如圖10-4所示。

●受激吸收14

受激輻射和自發(fā)輻射雖然都釋放光子，但兩種過程的物理本質和效應均存在差異。自發(fā)輻射是一個純自發(fā)的過程，一個處于高能級的粒子系統若發(fā)生自發(fā)輻射，每個原子所釋放的光子雖然都滿足普朗克公式，但這些光子的相位、方向和偏振都不相同。受激輻射是受激產生的，一個處于高能級的粒子系統若發(fā)生受激輻射，每個原子所釋放的光子不僅滿足普朗克公式，而且這些光子的頻率、相位、方向和偏振都與外來光子相同，其效應相當于外來光線的放大。顯然，受激輻射是激光產生的最重要的物理基礎之一。激光形成過程中受激吸收、自發(fā)輻射和受激輻射等幾個物理過程同時存在，而且缺一不可。受激輻射和自發(fā)輻射雖然都釋放光子，但兩種過程15（2）粒子集居數反轉眾所周知，一種信號可以通過一定的機制被放大。但無論信號如何被放大，能量總是守恒的。粒子系統的受激輻射可以將同一種光放大，這種放大也需要提供能量。具體的機制是要使粒子系統對外來光束有放大作用(產生激光)，外界必須通過某種途徑對粒子系統提供能量，使粒子系統處于高能量狀態(tài)。

（2）粒子集居數反轉16在平衡條件下，任何粒子系統(原子、分子等)在各能級的分布滿足玻耳茲曼公式，能級的能量越高，所擁有的粒子數越少，即低能級上的粒子數N1大于高能級上的粒子數N2。

外來光線入射這種粒子系統時，受激吸收的粒子數將大于受激輻射的粒子數，系統吸收外來光子使自身能量提高，因此，光對這種系統作用時只會被減弱，而不可能被放大。

在平衡條件下，任何粒子系統(原子、分子等)在17要使粒子系統對外來光有放大作用，必須使系統的受激輻射粒子數大于受激吸收粒子數。即外界必須通過一定的機制對系統提供能量，使系統處于高能量狀態(tài)——高能級上的粒子數(N2)多于低能級上的粒子數(N1)，這種現象稱為粒子集居數反轉(簡稱粒子數反轉)，而處于高能量狀態(tài)且具有粒子數反轉特征的介質稱為激活(態(tài))物質（激活介質）。

當光在激活介質中傳播時，一方面，低能態(tài)的粒子要吸收光子發(fā)生受激吸收；另一方面，高能態(tài)的粒子要發(fā)生受激輻射回到低能態(tài)。但在這種系統中同一時間內受激輻射的粒子數要大于受激吸收的粒子數，受激輻射占主導地位，外來光線將被放大。要使粒子系統對外來光有放大作用，必須使系統的受激18

獲得激活介質的方法很多，如光泵浦、氣體放電激勵(電激勵)、電子束激勵，氣體動力激勵、化學反應激勵等，其中光泵浦和電激勵最為常用。

光泵浦是用光照射粒子系統(介質)，利用粒子的受激吸收使系統實現粒子數的反轉，如紅寶石的粒子數反轉就是通過氙燈照射來實現的。

電激勵是在兩極間施加直流高電壓，通過兩極間氣體介質輝光放電過程中電子、離子及分子間的碰撞，以及粒子間的共振交換能量，使低能態(tài)粒子躍遷到高能態(tài)而實現系統的粒子數反轉。如CO2氣體即是通過氣體放電激勵實現粒子數反轉。獲得激活介質的方法很多，如光泵浦、氣體放電激勵19(3)激光的形成從激光工作介質受到外部能量激勵開始，激光器的工作原理可簡單地歸納為如圖10-5所示。(3)激光的形成20如圖10-6所示，激光工作介質在工作前處于平衡狀態(tài)，粒子在能級上的分布滿足波耳茲曼分布，低能級(E1)上的粒子數多于高能級(E2)上的粒子數。激光器開始工作時，激光工作介質首先受到外部能量的激勵，粒子吸收能量從低能級躍遷到高能級，當高能級(E2)上的粒子數(N2)多于低能級(E1)上的粒子數(N1)時，系統形成粒子集居數反轉。

如圖10-6所示，激光工作介質在工作前處于平21由于高能級的粒子總是試圖向低能級躍遷，而且每個粒子從高能級向低能級躍遷(自發(fā)輻射)時都發(fā)出一個光子(其頻率滿足普朗克公式)，這些自發(fā)輻射產生的光子作為外來光子將激發(fā)其他粒子發(fā)生受激輻射和受激吸收。但因N2>N1，產生受激輻射的粒子數多于受激吸收的粒子數，因而總的效果是光被放大。一個光子激勵一個高能級(E2)上的粒子發(fā)生受激輻射，產生一個和激勵光子完全相同的光子，這兩個光子又將作為激勵光子激勵另外兩個高能級上的粒子發(fā)生受激輻射，產生兩個完全相同的光子，如此往復，光得到雪崩式放大而迅速增強。

由于高能級的粒子總是試圖向低能級躍遷，而且每22如果再在粒子系統兩端放置兩塊反射鏡，則構成光學諧振腔。很明顯，只有平行于諧振腔光軸方向的光才能在兩個鏡面之間來回反射而得以振蕩放大，其他方向的光經有限次反射后將逸出腔外而消失。如果諧振腔的一側是一個半反射鏡，當光達到一定強度時將有部分激光透過半反射鏡輸出腔外。在激光產生的過程中，隨著諧振腔內光子強度的增加，腔內受激輻射越來越強，高能級(E2)上的粒子數減少，低能級(E1)上的粒子數增加，當光子強度達到某一值后，高能級與低能級上的粒子數達到動態(tài)平衡，通過外部能量激勵或受激吸收從低能級躍遷到高能級上的粒子數與經受激輻射或自發(fā)輻射從高能級躍遷到低能級的粒子數相等，光子強度不再增加，輸出穩(wěn)定的激光。如果再在粒子系統兩端放置兩塊反射鏡，則構成光232.激光器與光學系統典型的激光焊接與加工系統主要由激光器、光學系統、工裝系統和控制系統等組成，如圖10-7所示。這里簡要介紹激光器和光學系統。2.激光器與光學系統24(1)激光器用于材料焊接與加工的激光器主要有CO2氣體激光器和摻釹釔鋁石榴石(YAG)固體激光器。ACO2氣體激光器CO2激光器是目前工業(yè)應用最廣泛的一種激光器。其工作物質主要是CO2氣體，添加一定量的N2和He。CO2是產生激光的粒子系統，N2和He具有增加CO2激勵效應及氣體介質與熱交換器之間的導熱、提高激光器輸出功率和效率的作用。CO2氣體激光器主要由激光工作物質、光學諧振腔、熱交換器、真空泵等幾部分組成。(1)激光器25熱加工中應用的CO2激光器可按結構分為三種形式：封離式或半封離式、軸流式和橫流式。

封離式CO2激光器是結構最簡單的一種CO2氣體激光器。結構主體(放電管)由石英玻璃管制成，管內充以CO2、N2和He混合氣體，放電管是封閉的，使管內的氣體與外界隔離(故稱為封離式CO2激光器)。激光器工作時，在電極間加上直流高壓，通過混合氣體的輝光放電激勵CO2分子從低能級躍遷到高能級并形成激光，見圖10-8(a)。熱加工中應用的CO2激光器可按結構分為三種形26這類激光器的特點是結構簡單、維護方便，輸出光束質量好。由于受工作氣體溫升的影響，輸出功率較小，一般為50～70W/m。為了增加功率輸出，常采用多管串聯或并聯結構。整個激光器功率通常在1kW以下。另外，這類激光器的工作氣體還存在“老化”現象，一旦工作氣體“老化”，則激光器不能正常工作。為解決這一問題，可在放電管上開孔，將“老化”的氣體抽出換以新的工作氣體。這種可定期更換工作氣體的激光器稱為半封離式CO2激光器。

這類激光器的特點是結構簡單、維護方便，輸出光27

軸流式CO2激光器也稱為縱流式CO2激光器，依工作氣體的流速又可分為快速軸向流動式和慢速軸向流動式，前者氣體流速為200～300m/s，最高可達500m／s；后者氣流速度較慢，通常為0.1～1.00m／s。見圖10-8(b)。

軸流式CO2激光器也稱為縱流式CO2激光器，28針對封離式激光器受工作氣體溫升的限制，輸出功率小的缺點，軸流式CO2激光器中增加了可使氣體循環(huán)流動的風管，且在風管內設置有冷卻器。激光器工作時，工作氣體在風機驅動下在諧振腔中循環(huán)流動，經過冷卻器時教強制冷卻，從而保證在高能量輸入密度條件下氣體溫度不致明顯升高，且工作過程中還可以不斷向激光器更換氣體。因此，與封離式CO2激光器相比，軸流式CO2激光器的最大特點是電光效率高。系統單位長度放電區(qū)域上獲得的激光輸出功率大(快速軸流式可達500～2000W／m，慢速軸流式為80W／m)，廣泛應用于激光焊接與切割。針對封離式激光器受工作氣體溫升的限制，輸出功29

橫流式CO2激光器的基本單位及結構與軸流式激光器相似，但工作氣體在諧振腔中沿垂直于光軸方向流動，溫度低，電光效率高，激光輸出功率可達10kW／m。橫流式CO2激光器的缺點是很難聚焦到直徑很小的光斑，限制了其在切割和焊接領域的應用，但在激光表面改性領域反而可以收到理想的效果。橫流式CO2激光器的基本單位及結構與軸流式激30BYAG激光器YAG激光器是一種以摻釹的釔鋁石榴石為工作物質的固體激光器，主要由激光工作物質(YAG)、諧振腔、泵燈、聚光器等組成，如圖10-9所示。其中泵燈為工作物質提供激勵光能，一般為惰性氣體放電燈，常使用脈沖氙燈。

BYAG激光器31YAG激光波長為1.06m，為CO2激光波長的十分之一，有利于聚焦和光纖傳輸，便于實現技術柔性化，且與金屬的耦合效率高，加工性能好。但YAG激光器采用光作為泵浦源，能量轉換效率低。目前焊接用YAG激光器平均輸出功率為0.3～3kW。(2)光學系統光學系統是指導光和聚焦系統。為了對試樣或材料進行加工必須將激光導引到所需的位置，并根據要求進行聚焦。工業(yè)上常用的導光系統主要有兩種。

YAG激光波長為1.06m，為CO2激光波32一種是由一系列反射鏡和聚焦鏡組成，通過反射鏡改變光的方向，將激光導引到所需的加工位置，再經聚焦鏡將光束聚焦成所需要的光斑直徑。其中聚焦方式又有透射式聚焦和反射式聚焦兩種，如圖10-10所示。

一種是由一系列反射鏡和聚焦鏡組成，通過反射鏡33另一種是采用光導纖維進行光的傳輸，但目前僅限于波長為1.06m的YAG固體激光器。由于光纖傳輸可以方便地將激光導引到所需位置。有利于技術的柔性化，因而在激光加工領域得到廣泛應用。光導纖維的一個局限性是激光束可以聚焦的最小光斑直徑有限，因而在應用上受到一定的限制。

另一種是采用光導纖維進行光的傳輸，但目前僅限343.激光焊接及應用(1)激光焊接原理及特點1）原理

激光照射到物質表面時，一部分被反射，另一部分透射，還有一部分被吸收；對于不透明的材料，除一部分被反射外，其余部分將全部被吸收。被吸收的激光通過與物質的相互作用將全部轉換為熱能，其物理過程可以簡單地描述為：物質中的電子首先吸收光子將光能轉變?yōu)閯幽埽缓笸ㄟ^振動將能量傳遞給離子導致物質溫度升高，光能轉變?yōu)闊崮?。由于這一過程的物理本質所決定，整個過程將在10-9s內的瞬間完成，而且僅發(fā)生在物質表面非常小的尺寸范圍內。3.激光焊接及應用35以金屬材料為例，當強度為J0的激光照射在金屬表面時，金屬內光強的變化可以用下式來描述：

J=J0(1-})exp(-a)式中，

為金屬內距表面的距離(m)；a為吸收系數(m-1)；為反射率；J為金屬內距表面處的激光強度(W／cm2)；J0為金屬表面的激光強度(W／cm2)。由于金屬的吸收系數約為107～108／m，因此，在距離表面0.1～0.01m處，激光強度已減弱為金屬表面吸收光強的1／e，通常將這一距離稱為吸收距離。很顯然，在吸收距離內將有63.2％的光能被吸收轉變?yōu)闊崮?，這正是激光表面改性的物理基礎。以金屬材料為例，當強度為J0的激光照射在金屬36

材料對激光的吸收主要與激光的波長、功率密度、材料的性質、表面狀況及溫度等因素有關?！粢话銇碚f，激光功率密度越大，材料對激光的吸收率越大。

◆對同一種材料和表面狀況，激光波長越長，反射率越高，吸收率越低；隨溫度上升，吸收率增高。

◆對同一種波長的激光，材料的電阻率越大，吸收率越高。

◆

材料表面狀況通常是指表面粗糙度及表面有無氧化膜等。研究表明表面氧化膜可以提高材料對激光的吸收率；材料表面越粗糙，對激光的吸收率越高。材料對激光的吸收主要與激光的波長、功率密度、37

激光焊是20世紀70年代發(fā)展起來的一種焊接新技術。簡單地說，激光焊接是利用激光束作為熱源，將被焊材料熔合而實現連接的一種焊接方法。根據激光器輸出能量的方式，激光焊可分為脈沖激光點焊和連續(xù)激光焊(包括高頻脈沖連續(xù)激光焊)；根據激光聚焦后焦點上功率密度的不同而導致的焊縫成形機理和特點的差異，激光焊又可分為熔化焊和小孔焊。

38如圖10-11(a)所示，激光熔化焊時，激光光斑功率密度不太高(≤105W／cm2)，金屬熔池溫度相對較低(低于金屬沸點)，焊接時金屬不氣化，焊接熔池的形狀主要受金屬內部熱傳導所控制，熔深輪廓為近似球形。這種傳熱熔化焊過程類似于非熔化極電弧焊。如圖10-11(a)所示，激光熔化焊時，激39當激光斑點功率密度較高(≥106W／cm2)時，金屬在激光的照射下被迅速加熱熔化并達到沸點，一部分金屬被氣化。金屬蒸氣離開熔池時對液態(tài)金屬產生一個附加壓力，使熔池金屬向下凹陷形成凹坑，凹坑的深度取決于該附加壓力與液態(tài)金屬的壓力和表面張力之間的平衡。功率密度越高，熔池金屬氣化越快，產生的附加壓力越大，凹坑的深度越大；當激光的功率密度足夠大時，激光束將直接射入坑底而在焊件中形成一個細長的小孔(此時也可稱為“深熔焊”)，如圖10-11(b)所示。

當激光斑點功率密度較高(≥106W／cm2)40在一定的光斑功率密度條件下激光束甚至穿透整個板厚形成所謂“小孔焊”，如圖10-11(c)所示。小孔焊時小孔隨著激光一起運動，金屬在小孔前方熔化，繞過小孔流向后方使小孔不斷鎖閉并凝固形成焊縫。

在一定的光斑功率密度條件下激光束甚至穿透整個412）特點

與其他焊接方法相比，激光焊具有如下特點：

①能量密度高(≥105W／cm2)，是目前所有焊接方法中能量密度最大的焊接方法：

②加熱范圍小(≤1mm)，在同等功率和焊接厚度條件下，焊接速度大；③焊縫金屬冷速大，容易得到細晶組織；④焊接熱影響區(qū)范圍小，焊接殘余應力和變形小；⑤可以焊接一般焊接方法難以焊接的材料，如難熔金屬及合金、非金屬材料(陶瓷及其復合材料、有機玻璃)等；⑥可進行“小孔焊”，實現單面焊雙面成形。與電子束焊相比，激光焊的優(yōu)點是不需要真空。不產生X射線，且被焊材料可以不導電。不足之處是焊接厚度比電子束焊小，焊接一些高反射率的金屬還比較困難。2）特點42(2)激光焊接工藝及參數

●這里主要介紹連續(xù)CO2激光焊工藝參數。A

激光功率(P)焊接時激光器的輸出功率對焊接熔深有直接影響，可以用如下經驗公式近似描述：

h∝P

k

式中，h為焊接熔深(mm)；P為激光輸出功率(kW)；k為常數，其取值通常在0.7～1.0之間。很明顯，焊接條件確定時激光功率與焊接線能量成正比，因此激光輸出功率與焊接熔深近似成線性關系，見圖10-12。(2)激光焊接工藝及參數h∝43

B

焊接速度(v)當其他條件確定時，隨焊接速度提高，焊接線能量下降，焊接熔深減小，如圖10-13所示。通常，焊接速度與熔深之間存在下列近似關系：h∝1/vr式中，h為焊接熔深(mm)；v為焊接速度(mm／s)；r為常數(≤1)。研究還表明，焊接熔深并不總是隨焊接速度的降低而增加。當焊接速度過低時，不但焊接熔深不再增加，反而將導致熔寬增大。B焊接速度(v)h∝44C光斑直徑(d)

光斑直徑是指照射到被焊件表面的光斑尺寸。無論什么熔焊方法，通常都希望焊接能源具有盡可能高的能量密度，因為高的能量密度可以減小熱影響區(qū)、降低焊接變形及應力，提高焊接質量。在激光焊接中，高的能量密度(≥106W／cm2)是保證實現小孔焊的前提。由于光斑功率密度等于激光束的功率與光斑面積之比，因此，可以通過兩條途徑來提高光斑的功率密度：一是提高激光器的輸出功率，二是縮小光斑直徑。顯然，前者與功率密度成正比，后者的平方與功率密度成反比，縮小光斑直徑對提高功率密度更有效。C光斑直徑(d)45D離焦量(△f)

離焦量是指被焊件表面與激光焦點之間的距離。被焊件表面在焦點以內時為負離焦，在焦點以外時為正離焦，如圖10-14所示。

離焦量不僅影響被焊件表面光斑的大小，而且影響光束的入射方向，因而對焊接熔深和焊縫形狀有較大影響。D離焦量(△f)離焦量不僅影46圖10-15是304不銹鋼激光焊接離焦量(△f)對焊接熔深的影響。一定的負離焦量有利于獲得大的焊接熔深，當∣△f∣增大到一定值時，熔深有一個跳躍式變化過程，表明焊接模式從小孔焊向傳熱熔化焊轉變。

圖10-15是304不銹鋼激光焊接離焦量(△47

E保護氣體激光焊接過程中的保護氣氛主要有兩個作用：其一是保護焊縫金屬不受有害氣體的侵擾、防止氧化；其二是抑制焊接過程中產生的“等離子云”。所謂等離子云是高功率密度激光焊接時，被加熱汽化的金屬蒸氣在激光的照射激勵下發(fā)生離解而形成的由自由運動的電子、帶正電的離子和中性原子所組成的等離子體。這種等離子云通常位于焊接熔池的上方，會引起光的吸收和散射，改變光束的焦點位置，降低激光的功率密度，從而使焊接熔深變小、熔寬增大，甚至形成“圖釘”狀焊縫。

E保護氣體48向焊接熔池噴吹保護氣氛可以從兩個方面抑制等離子云的形成：(a)等離子云的形成原因之一是金屬蒸氣的電離能低，向焊接區(qū)噴吹電離能高的氣體有利于抑制等離子云的形成；(b)流動的保護氣氛可以促進金屬蒸氣和等離子云從焊接區(qū)散逸。不同的保護氣氛具有不同的保護和抑制等離子云的效果，因而所得到的熔深也不同。

向焊接熔池噴吹保護氣氛可以從兩個方面抑制等離子49圖10-16給出了保護氣氛對熔深的影響。由于氦氣最輕而且電離能最高，因而使用氦氣作為保護氣對等離子云的抑制作用最強，焊接時熔池最深。圖10-16給出了保護氣氛對熔深的影響。50常見的CO2連續(xù)激光焊接接頭形式如圖10-17所示。實際中最常用的接頭形式還是對接接頭。

●CO2連續(xù)激光焊接接頭形式：常見的CO2連續(xù)激光焊接接頭形式如圖10-1751為了獲得好的焊接質量，焊前必須確保被焊件裝配良好。各類接頭的裝配要求如表10-1所示。為了獲得好的焊接質量，焊前必須確保被焊件裝配52(3)激光焊接的應用如上所述，由于激光焊接能量密度高，焊接速度快。焊縫金屬冷速快，容易得到細晶組織，且焊縫窄、焊接熱影響區(qū)小，焊接變形和應力小，因此，一般金屬材料的激光焊接接頭都具有良好的抗熱裂和冷裂能力，焊接性比采用普通電弧焊時的焊接性要好。但對含碳量較高的鋼，激光焊接時焊縫和熱影響區(qū)容易得到淬硬組織，也有可能形成冷裂紋。異種材料的激光焊接只在少數材料之間才能進行，如圖10-18所示。(3)激光焊接的應用53現代材料加工方法先進連接技術課件54激光焊接在機械、汽車、電子、鋼鐵、航空航天、輕工等領域應用廣泛。在汽車工業(yè)領域，用激光焊拼焊沖壓成型板料毛坯可大幅度降低制造成本、提高產品質量，如圖10-19所示。激光焊接在機械、汽車、電子、鋼鐵、航空航天、55在鋼鐵行業(yè)，激光焊被用于焊接硅鋼板(0.2～0.7mm)、冷軋低碳鋼板(0.4～2.3mm)等。組合齒輪(塔形齒輪)的焊接是激光焊接在機械制造中的典型應用，具有變形小、精度高、接頭剪切強度大、生產效率高等特點，焊后可直接裝配使用。激光焊在航空航天領域還被用于發(fā)動機燃燒室的焊接。在鋼鐵行業(yè)，激光焊被用于焊接硅鋼板(0.2～564.其他激光加工技術激光的微區(qū)、快速加熱特點使其在材料加工領域具有重要的應用價值，材料的激光加工技術已成為近年來材料加工領域最活躍的研究方向之一。激光與材料的相互作用取決于激光的功率密度和照射時間，調節(jié)這兩個參數就可以獲得不同的能量條件和材料響應，從而對材料進行各種加工和處理。目前，國內外已發(fā)展了多種激光表面改性與加工技術，如激光表面淬火、激光表面非晶化、激光表面合金化、激光熔覆、激光氣相沉積和激光快速成形等。4.其他激光加工技術57§10.3電子束焊接陰極發(fā)射、經高壓加速、磁透鏡聚焦而獲得的電子束流與激光束統稱為高能束。電子束作為材料加工的能源具有如下特點：

①功率密度高。如電子束焊接時。通常加速電壓范圍為30～150kV，束流為20～1000mA，電子束的柬斑直徑為0.1～1.0mm，電子束的功率密度可達106W／cm2以上。②快速、精確的可控性。作為物質基本粒子的電子具有極小的質量(9.1×1031kg)和一定的負電荷(1.6×10C)，荷質比高達1.76×1011C／kg，通過電場或磁場可以方便、快速而精確地對電子束進行控制。③有效功率大，與激光相比更易被固體金屬吸收。§10.3電子束焊接58電子束用于焊接可以追溯到加世紀50年代，是由德國人K.H.Steigerwald和英國人J.A.Stohr幾乎在同時期發(fā)明的，主要是用于一些重要的、用其他方法難以焊接的材料和結構。雖然近年來又發(fā)展了一些新的電子束材料加工技術，如電子束表面淬火、電子束表面合會化、電子束熔覆、電子束物理氣相沉積等，但電子束最重要的工業(yè)應用還是在焊接方面。電子束用于焊接可以追溯到加世紀50年代，是由591．電子束焊接原理與特點電子束焊是利用聚焦后的電子束流加熱、熔合被焊金屬(母材)而實現連接的一種焊接方法，在焊接方法的分類中通常將電子束焊接和激光焊接統稱為高能束焊接。電子束焊接的最大特點是存在“小孔效應”，小孔效應的形成是一個復雜的高溫流體動力學過程。從陰極發(fā)射的電子在數十到數百千伏的加速電壓作用下被加速到0.3~0.7倍的光速，經聚焦后形成高功率密度的電子束流。1．電子束焊接原理與特點60焊接時電子束轟擊金屬表面，電子的動能轉變?yōu)闊崮埽饘俦谎杆偌訜崛刍⑦_到沸點，一部分金屬被氣化金屬蒸氣離開熔池時對液態(tài)金屬產生一個附加壓力，在電子束的束流壓力和金屬蒸氣的附加壓力的共同作用下，熔化的金屬被排開，電子束可以繼續(xù)轟擊底部的固態(tài)金屬，被焊金屬中很快形成小孔。小孔的深度取決于電子束的束流壓力和金屬蒸氣附加壓力與液態(tài)金屬的壓力和表面張力之間的平衡。功率密度越高，小孔的深度越大。隨著電子束在工件上移動，小孔也隨著電子束一起運動，液態(tài)金屬繞過小孔流向熔池后部使小孔不斷鎖閉并凝固形成焊縫，如圖10-21所示。焊接時電子束轟擊金屬表面，電子的動能轉變?yōu)闊?1由于電子束能量密度高，因此，與一般電弧焊相比電子束焊接具有如下特點：

①電子束穿透能力強，焊縫深寬比大。電子束焊接深寬比可達60：1，一次可焊透300mm不銹鋼板；

②焊接速度快。如焊接125mm鋁板時焊接速度可達400mm/min，是氬弧焊的40倍；

③焊縫性能好。焊縫冷速高，可避免晶粒長大，獲得細晶組織，且合金元素燒損少，焊縫抗腐蝕性能好；

④焊接變形小。焊接熱輸入小，熱影響區(qū)小，焊接變形??；

⑤真空條件下焊接對焊縫有很好的保護作用，有利于焊接鈦及鈦合金等活性材料，也有利于獲得良好的焊縫成形。由于電子束能量密度高，因此，與一般電弧焊相比62電子束焊接的上述特點使其在工業(yè)生產中獲得了廣泛的應用，尤其在焊接航空航天用先進結構材料(如高溫合金、鈦合金、復合材料及金屬間化合物等方面)具有重要的地位。按照被焊件所處的環(huán)境條件，電子束焊可分為三種：高真空電子束焊、低真空電子束焊和非真空電子束焊。●高真空電子束焊高真空電子束焊是指被焊件環(huán)境真空為10-4~10-1Pa的電子束焊接，由于高真空對熔池有很好的保護作用，并防止合金元素的燒損，因此可焊接活性金屬、難熔金屬和質量要求較高的構件。

電子束焊接的上述特點使其在工業(yè)生產中獲得了廣63●低真空電子束焊接低真空電子束焊接是在10-1~10Pa的真空條件下進行的，生產效率高，適合于批量大的零件的焊接和在生產線上使用?！穹钦婵针娮邮附臃钦婵针娮邮附訒r被焊件處在非真空環(huán)境(電子束仍在真空條件下獲得)，可以焊接大型產品，生產效率高，但電子束散射嚴重，功率密度低，焊接熔深和深寬比均較小。

●低真空電子束焊接642．電子束焊接系統電子束焊接系統主要由電子槍、真空系統、工作倉(真空室)、高壓電源及控制系統等幾部分組成，下面分別簡要介紹。（1）電子搶電子槍是電子束焊接系統的核心部分，是產生和控制電子束的電子光學系統。電子槍有二極電子槍與三極電子槍之分，現代電子束焊機多采用三極電子槍。2．電子束焊接系統65圖10-22為三極電子槍典型結構示意圖，主要由陰極、陽極、偏壓電極、聚焦線圈和偏轉線圈等組成。陰極為電子發(fā)射極，通常由熱電子發(fā)射能力強且不易“中毒”的材料構成，常用的材料有鎢、鉭、六硼化鑭(LaB6)等。圖10-22為三極電子槍典型結構示意圖，主要66工作時陰極處于高的負電位，它與接地的陽極之間形成電子束的加速電場。偏壓電極相對于陰極呈負電位，通過調節(jié)該負電位的大小和改變偏壓電極的形狀和位置可以調節(jié)電子束流的大小并改變電子束的形狀。聚焦線圈俗稱電磁透鏡，主要是利用電子切割磁力線時所受到的洛侖茲力來使電子束聚焦。通常電子槍的電極系統也同時構成一個靜電透鏡，它使陰極發(fā)射出來的電子匯聚在陽極附近形成交叉點。電子束穿過陽極后又逐漸發(fā)散，然后通過電磁透鏡(聚焦線圈)使其再一次匯聚在待焊件表面形成斑點。偏轉線圈的作用是使電子束做重復性擺動或偏移。工作時陰極處于高的負電位，它與接地的陽極之間形67對于大功率電子槍(≥30kW)可能設有兩個聚焦線圈并在電子束通道上設置有小孔徑光闌，以減少金屬蒸氣和離子對電子槍工作穩(wěn)定性的影響，同時。雙聚焦還增加了調節(jié)電子束形狀的可能性。電子槍的靜電透鏡和電磁透鏡各部件必須保持同軸，否則電子束軌跡將發(fā)生畸變，在調節(jié)聚焦或改變束流時電子束將發(fā)生偏移，因此，電子槍上一般還裝有機械式或電磁式的合軸調節(jié)機構。對于大功率電子槍(≥30kW)可能設有兩個聚68(2)工作倉電子束焊接系統的工作倉主要由真空室和工裝臺(具)組成。真空室一般采用帶有加強筋的低碳鋼薄板結構，主要有如下幾方面功能和要求：

①獲得所需要的真空度。

②防止X射線泄漏。

③屏蔽外部磁場對電子束的干擾。工裝臺(具)的作用是為了實現對確定的位置和形狀的焊接，并在焊接過程中保持焊接位置的準確、焊接速度的穩(wěn)定。因此，工裝臺(具)不僅要能對焊接件進行定位，而且還要能夠使其做所需要的各種移動，包括水平方向的直線運動和轉動等。(2)工作倉69

(3)真空系統真空系統的作用是使電子槍室和工作倉獲得真空，主要是由機械泵和擴散泵組成。抽真空時先用機械泵(一般為羅茨泵)將電子槍室和工作倉從大氣壓抽到1.3~0.13Pa，然后再以機械泵配合擴散泵將真空進一步提高到1.3×10-3Pa甚至于1.3×10-4Pa。(4)高壓電源及控制系統高壓電源為電子槍提供加速電壓、控制電壓及陰極加熱電流。高壓電源內有高壓變壓器，其初級連接在三相380V主電路上，次級接整流器。(3)真空系統703．電子束焊接工藝及應用電子束焊接工藝參數主要有加速電壓、電子束電流、焊接速度和聚焦電流等，這些參數將影響焊接線能量和能量密度，因而影響焊接成形，電子束焊接時線能量可用下式來估算：

q=60UbIb／v

式中q——焊接線能量，J／cm；

Ub——加速電壓，V；Ib——電子束流，A；

v——焊接速度，cm／min。3．電子束焊接工藝及應用71

加速電壓(Ub)增加焊接熔深增大。在保持其他參數不變的條件下，焊縫深寬比與加速電壓成正比。在實際焊接過程中，加速電壓一般是比較固定的，只有在焊接厚度和工作距離(電子槍與焊件表面的距離)需要做較大的調整時才改變加速電壓。

電子束電流(Ib)與加速電壓一起決定電子束的功率。當其他參數固定時，隨電子束流增加，焊接線能量增大，焊縫熔深和熔寬均增大。在實際焊接過程中，隨著焊接材料、尺寸和成形要求的變化，電子束流需要經常調整。在其他參數確定時，焊接線能量與焊接速度(v)成反比。焊接速度增加，焊縫熔深和熔寬均減小。由于焊縫冷卻速度與焊接速度有關，因此，焊接速度還對焊接熔池凝固行為和縫組織有一定影響。

加速電壓(Ub)增加焊接熔深增大。在保持其72電子束聚焦狀態(tài)對焊縫形狀也有很大影響，焊接時聚焦電流Ic主要用于調節(jié)被焊件與焦點的相對位置。電子束的聚焦位置有上焦點、下焦點和表面焦點三種，需要根據焊接材料、焊接厚度、焊縫間隙和其他焊接參數確定。當焊接厚度大于10mm時，通常采用下焦點(焦點處于焊件表面之下)，且焦點在焊接熔深的30％處；當焊接厚度大于50mm時，焦點在焊接熔深的50％～75％之間為宜。

電子束聚焦狀態(tài)對焊縫形狀也有很大影響，焊接時聚73一般金屬材料都可以用電子束進行焊接。電子束焊與激光焊均屬高能束焊接，特點相似，主要是能量密度高，焊接速度快，焊縫金屬冷速快，容易得到細晶組織，且焊縫窄、焊接熱影響區(qū)小，焊接變形和應力小等。一般金屬材料的電子束焊接性與激光焊相似，接頭都具有良好的抗熱裂和冷裂能力，焊接性比采用普通電弧焊時的焊接性要好。一般金屬材料都可以用電子束進行焊接。電子束焊74由于電子束穿透能力強，焊縫深寬比大，因此在航空航天、核能等領域重要的大厚件焊接方面電子束焊接具有不可替代的地位，如核反應堆大型線圈隔板、大型傳動齒輪、飛機起落架、機翼大梁、發(fā)動機轉子等，涉及的材料主要有鈦合金、高強鋼、高溫合金、不銹鋼、復合材料等。電子束焊對金屬間化合物材料的連接也具有重要的應用價值，應用電子束焊接已經成功地焊接了鎳-鋁、鈦-鋁和鐵-鋁等金屬間化合物材料。

由于電子束穿透能力強，焊縫深寬比大，因此在航75§10.4攪拌摩擦焊攪拌摩擦焊(frictionstirwelding，簡稱FSW)是英國劍橋焊接研究所TWI(Theweldinginstitute)開發(fā)的一種材料連接新技術，1991年10月，劍橋焊接研究所首次提出攪拌摩擦焊的專利技術。由于在連接結構方面突破了傳統摩擦焊的局限性，因此，攪拌摩擦焊自產生以來受到了廣泛的關注，獲得了迅速的應用。攪拌摩擦焊是由摩擦焊派生、發(fā)展起來的，本質上屬于固相連接的范疇?！?0.4攪拌摩擦焊761.攪拌摩擦焊原理和特點如圖10-24和圖10-25所示，攪拌摩擦焊是利用一種非耗損的攪拌頭在待焊界面攪拌摩擦而實現連接的。1.攪拌摩擦焊原理和特點77●原理高速旋轉的攪拌頭和封肩與金屬的摩擦生熱使金屬處于塑性狀態(tài)，在攪拌頭的作用下被封肩封閉的塑性金屬一方面上下循環(huán)流動，另一方面隨著攪拌頭向前移動，不斷向攪拌頭后方流動填充攪拌頭移出的空間而形成致密的焊縫?！裨?8①可實現板材對接，突破了傳統摩擦焊的局限性

傳統摩擦焊是利用被焊工件端面相對運動、摩擦所產生的熱使端部達到熱塑性狀態(tài)，然后迅速頂鍛而實現焊接的一種方法?？梢苑奖愕剡B接同種或異種材料，包括金屬、部分金屬基復合材料、陶瓷材料及塑料。由于摩擦焊生產率高、質量好，在制造業(yè)中獲得了廣泛的工程應用。但摩擦焊在連接結構方面存在局限性，連接的對象主要是回轉型零件。

攪拌摩擦焊不是依靠焊件間的相對摩擦來進行焊接，可以實現板材對接，從根本上突破了傳統的摩擦焊只能焊接軸類構件的局限性，擴大了摩擦焊的應用范圍。①可實現板材對接，突破了傳統摩擦焊的局限性79②焊接接頭缺陷少、性能好采用傳統的熔化焊接方法焊接鋁合金，尤其是硬鋁合金時，即使采用很好的變極性焊接設備，也仍然容易產生焊接裂紋等焊接缺陷。攪拌摩擦焊焊縫是在塑性狀態(tài)下受擠壓完成的，屬于固相焊，避免了熔焊時熔池凝固過程中產生裂縫、氣孔等缺陷，焊縫晶粒細小、組織均勻、性能好，為凝固裂縫敏感材料(例如焊接高強鋁合金)的焊接提供了新的途徑。例如，采用攪拌摩擦焊接6016-T6高強度鋁合金時，焊縫中心的最高溫度僅450℃左右，低于其熔化溫度，因此焊接時不易產生與金屬熔化有關的焊接缺陷。

②焊接接頭缺陷少、性能好80

③焊接熱影響區(qū)組織變化小攪拌摩擦焊加熱溫度低，熱影響區(qū)范圍小、溫度低，組織變化小(如亞穩(wěn)相能保持基本不變)，有利于焊接熱處理強化鋁合金。同時攪拌摩擦焊接時的溫度相對較低，因此焊接后結構的殘余應力或變形也較熔化焊小得多。④焊接殘余應力和變形小攪拌摩擦焊加熱溫度低，且焊件有剛性固定，因此焊件不易變形、殘余應力小，可實現可控精度連接。

⑤便于機械化自動化理論上攪拌摩擦焊可用于全位置焊接，裝配要求低，對焊接操作要求低，焊接質量穩(wěn)定性好，重復性高，并適合于自動化焊接。③焊接熱影響區(qū)組織變化小81

⑥低成本攪拌摩擦焊接過程中惟一消耗的是焊接摩擦棒(攪拌頭)，無需填充材料，也不用保護氣體；厚焊接件不用坡口加工；焊接鋁材工件不用去氧化膜，只需用溶劑擦去油污即可；對接允許留一定間隙，不苛求裝配精度。

⑦安全攪拌摩擦焊是一種無污染、無煙塵、無弧光、無輻射的清潔、安全的焊接方法。當然，攪拌摩擦焊在焊接材料和結構方面仍然存在一些局限性。目前，攪拌摩擦焊主要應用于焊接鋁合金、塑料等熔點比較低的材料，熔點較高的材料的攪拌摩擦焊接技術尚在研究開發(fā)中。⑥低成本822．影響攪拌摩擦焊的工藝因素攪拌摩擦焊是一個復雜的工藝過程，影響攪拌摩擦焊的主要因素有攪拌頭的材料和結構、旋轉速度、焊接速度、攪拌頭軸肩、被焊材料的種類等。（1）

攪拌頭的材料和結構攪拌摩擦焊所使用的攪拌頭由軸肩和摩擦棒組成。攪拌頭是攪拌摩擦焊接過程中的關鍵。摩擦棒的結構決定了加熱、塑性流動和塑化材料被頂鍛的模式；摩擦棒的尺寸和軸肩的大小及形狀決定了焊縫的尺寸、焊接速度和接頭的強度；摩擦棒的材料決定了摩擦加熱的速率、摩擦棒的強度和焊接溫度。

2．影響攪拌摩擦焊的工藝因素83●結構從文獻上看，國外采用的摩擦棒是標準英制螺紋，但很多文獻提出了具有特殊結構的摩擦棒，而且出于技術保密的原因，迄今為止未見詳細報道?！癫牧夏Σ涟舻牟牧贤ǔ２捎煤辖鸸ぞ咪?。攪拌頭軸肩的直徑通常是摩擦棒直徑的3倍左右，軸肩直徑過小，摩擦熱不足以塑化材料，軸肩直徑過大，可能使軸肩下面的被焊材料達到或超過熔點，不利于焊接強度的提高，甚至會導致焊縫表面的不平整。軸肩的材料可以采用中碳鋼。

●結構84（2）攪拌頭旋轉速度根據攪拌摩擦焊傳熱分析，通過旋轉攪拌頭與被焊材料的摩擦所產生的熱源強度q為式中q——熱源強度，W／m2；

——旋轉角速度，rad／min；

P——軸肩與工件之間的壓力，Pa：

——摩擦系數；

R——軸肩的直徑，m；r——攪拌頭中心到軸肩的距離(r≤R)，m；由上式得：式中n——攪拌頭旋轉速度，rad／min。（2）攪拌頭旋轉速度85從上式可知，轉速是影響攪拌摩擦焊熱源的主要因素之一。當攪拌頭的旋轉速度較低時，摩擦熱不夠，不足以形成熱塑性流動層，在焊縫中容易形成孔洞。隨著轉速的提高，摩擦熱增大，熱塑性流動層由上而下逐漸增大，焊縫中的孔洞逐漸減小；當轉速上升到一定值時，孔洞消失，形成致密的焊縫。但轉速過高時，會使摩擦棒周圍以及軸肩下面的材料溫度達到或超過熔點，無法形成固相連接。根據攪拌摩擦焊所采用的攪拌頭、板厚、所焊材料及焊接速度的不同，旋轉速度在200～2000r／min之間。

從上式可知，轉速是影響攪拌摩擦焊熱源的主要86（3）焊接速度在攪拌摩擦焊接過程中，攪拌頭的結構及其他參數確定后，熱源強度就是一定的，焊接線能量與焊接速度成反比。當焊接速度過小時，攪拌頭所產生的熱量使焊接溫度過高，焊接區(qū)金屬溫度將接近金屬熔點，使金屬因過熱而出現疏松，產生液化裂紋，同時，焊縫表面不平整。當焊接速度過大時，攪拌摩擦焊所產生的熱量不足以使攪拌頭周圍的金屬達到塑化狀態(tài)，不能形成良好的焊縫，焊縫內部易出現孔洞。根據攪拌摩擦焊所采用的攪拌頭、板厚、所焊材料及旋轉速度的不同，焊接速度一般為1~2.5mm/s。（3）焊接速度87（4）壓緊力攪拌頭與被焊工件表面之間的接觸狀態(tài)對焊縫的成形也有較大的影響。當壓緊力不足時，表面熱塑性金屬“上浮”，溢出焊接表面，焊縫底部在冷卻后會由于金屬的“上浮”而形成孔洞。當壓緊力過大時，軸肩與焊件表面摩擦力增大，摩擦熱將使軸肩發(fā)生“粘頭”現象，使焊縫表面出現飛邊、毛刺等缺陷。（4）壓緊力883．攪拌摩擦焊的應用由于攪拌摩擦焊具有獨特的優(yōu)點，自問世以來獲得了迅速的推廣和應用。攪拌摩擦焊首先用于焊接鋁與鉛等異種金屬并獲得成功，之后很快被用來焊接高強鋁合金板材。經過多年的研究，已經可以用該方法焊接厚度達75mm的鋁合金板材，圖10-26為典型的焊接接頭，圖10-27為用摩擦焊拼焊的鋁合金板。

3．攪拌摩擦焊的應用89對大量的鋁與鋁合金的焊接的工業(yè)生產實踐已經證明，攪拌摩擦焊是經濟、可靠的焊接方法，已經成功的進行了包括2000系列(Al-Cu)、5000系列(Al-Mg)、6000系列(Al-Mg-Si)、7000系列(AI-Mg-Si)、8000系列(Al-Li)等鋁合金的焊接，焊接速度從最初的5mm／min提高到1200mm/min，連接結構也從最簡單的對接接頭發(fā)展到幾乎所有的接頭形式，如圖10-28所示。對大量的鋁與鋁合金的焊接的工業(yè)生產實踐已經證90目前，攪拌摩擦焊技術的商業(yè)應用主要集中在船舶制造、海洋工業(yè)和宇航工業(yè)等領域。在挪威，已用該技術焊接了長達20m的快艇鋁合金結構件，并制造了鋁合金輪轂，如圖10-29所示。

目前，攪拌摩擦焊技術的商業(yè)應用主要集中在船舶91在美國洛克希德·馬丁航空航天公司用該技術焊接了儲存液態(tài)氧的低溫容器；在馬歇爾航天飛行中心，也已用該技術焊接了大型圓筒形容器。在電機制造業(yè)中也可利用攪拌摩擦焊接銅籠轉子、磁極鐵心(見圖10-30、圖10-31)。

在美國洛克希德·馬丁航空航天公司用該技術焊接92利用攪拌摩擦焊可以制備飛機蒙皮、中心翼盒上蓋板、飛機起落架的傳動支撐門、飛機方向舵翼板、地板等，如圖10-32～圖10-36所示。

利用攪拌摩擦焊可以制備飛機蒙皮、中心翼盒上蓋93攪拌摩擦焊接技術在鐵路運輸、公路運輸、建筑工業(yè)、電器行業(yè)、飲料行業(yè)、武器裝備等領域均有巨大的應用潛力。隨著航空航天等工業(yè)領域對材料性能質量比要求的提高，鋁材、鎂合金等低熔點合金的應用將越來越廣泛，必然為攪拌摩擦焊接技術提供更多的應用市場。表10-3列出了攪拌摩擦焊的應用。攪拌摩擦焊接技術在鐵路運輸、公路運輸、建筑工94現代材料加工方法先進連接技術課件95隨著對攪拌摩擦焊技術研究工作的深入，尤其是通過對攪拌頭材料的研究，使攪拌摩擦焊能夠適應不同性質材料的焊接，還可能使攪拌摩擦焊應用于銅合金、鎂合金、鋼和鈦合金等其他材料的焊接。圖10-37是由空中客車工業(yè)公司負責的攪拌摩擦焊接技術應用研究項目“宇航工業(yè)近期商業(yè)目標技術應用(簡稱TAN-GO)”的研究內容。此項目將歷時4年，研究經費預算為8800萬歐元，由12個國家34個合作伙伴參加。主要研究對象為金屬材料機身、復合材料機身、中心翼箱、側部翼箱。隨著對攪拌摩擦焊技術研究工作的深入，尤其是通96現代材料加工方法先進連接技術課件97先進連接技術§10.1概述

焊接是指通過適當的手段使兩個分離的固態(tài)物體產生原子（分子）間結合而成為一體的連接方法。

廣義上實現材料連接有多種方法，如機械連接、化學連接(膠接)、冶金連接等。

機械連接是通過宏觀的結構關聯性實現材料和構件之間的連接，這種連接是暫時的、可拆卸的，承載能力和剛度一般較低。

化學連接主要是通過膠黏劑與被粘物間形成化學鍵和界面吸附實現連接，連接強度低，且服役環(huán)境和溫度存在局限性。先進連接技術98

冶金連接是指借助物理冶金或化學冶金方法，通過材料間的熔合、物質遷移和塑性變形等而形成的材料在原子間距水平上的連接，連接強度高、剛度大，且服役環(huán)境和溫度可以與被連接材料(母材)相當。冶金連接是材料連接的主要方法，應用最為廣泛，通常材料加工中所討論的“材料連接”均是指冶金連接。

材料連接技術的歷史可以追溯到數千年以前，但現代材料連接技術的形成主要以19世紀末電阻焊的發(fā)明(1886)和金屬極電弧的發(fā)現(1892)為標志，真正的快速發(fā)展則更是20世紀30、40年代以后的事。

冶金連接是指借助物理冶金或化學冶金方法，通過材料99

科學上的發(fā)現、新材料的發(fā)展和工業(yè)新技術的要求始終從不同角度推動著材料連接技術的發(fā)展，例如，電弧的發(fā)現導致電弧焊的發(fā)明，電子束、等離子束和激光的相繼問世形成了高能束焊接；高溫合金和陶瓷材料的應用促進了擴散連接技術的發(fā)展；高密度微電子組裝技術的要求推動了微連接技術的進步等等。經過一個多世紀的發(fā)展，材料連接技術已經成為材料加工、成形的主要技術和工業(yè)制造技術的重要組成部分，應用領域遍及機械制造、船舶工程、石油化工、航空航天、電子技術、建筑、橋梁、能源等國民經濟和國防工業(yè)各部門，在航空航天、電子技術和船舶等領域甚至成為部門發(fā)展的最關鍵技術。

科學上的發(fā)現、新材料的發(fā)展和工業(yè)新技術的要求始終100材料連接方法眾多，僅常用的就有近30種。按照連接機理(母材和填充材料的狀態(tài))可以將連接技術分為熔化焊，固相焊和釬焊三大類。

熔化焊是指通過母材和填充材料的熔合實現連接的一類連接方法。材料連接方法眾多，僅常用的就有近30種。按照連接機101

固相焊是通過連接材料在固態(tài)條件下的物質遷移或塑性變形實現連接的一類連接方法。

固相焊是通過連接材料在固態(tài)條件下的物質遷移或塑性102

釬焊是利用低熔點液態(tài)合金(釬料)對母材的潤濕和毛細填縫而實現連接的一類連接方法。

釬焊是利用低熔點液態(tài)合金(釬料)對母材的潤濕和毛103這些連接方法各有優(yōu)點和局限性，適合于不同的材料和結構。本章簡要介紹幾種先進的材料連接技術：激光焊、電子束焊和攪拌摩擦焊。這些連接方法各有優(yōu)點和局限性，適合于不同的材料和104§10.2激光焊接加工

激光和普通光在本質上并沒有區(qū)別，也是電磁波，具有渡粒二象性。

但激光又是一種全新的光源，具有其他光源所不具備的一些特性。▲激光具有普通光源所無法比擬的高亮度，是世界上最亮的光。例如，CO2激光的亮度比太陽光亮8個數量級，而高功率釹玻璃激光比太陽光亮16個數量級?！す饨咏硐肫叫泄?，發(fā)散角很小，且單色性好，頻率單一，經透鏡聚焦后可以獲得很小的光斑(最小光斑直徑可達激光波長量級)。高亮度基礎上的理想聚焦使得激光成為一種高功率密度能源，功率密度可達104～105W／cm2或更高?！?0.2激光焊接加工105激光的高能量密度特點奠定了其在材料加工領域巨大的應用價值。自從1960年美國研究成功世界上第一個紅寶石激光器，尤其是加世紀70年代大功率CO2激光器出現以來，激光在材料加工領域的應用也取得了迅猛的發(fā)展。目前，已成功開發(fā)的激光加工技術主要有：激光焊接、激光切割、激光打孔、激光表面改性、激光熔覆、激光快速成形等。本節(jié)簡要介紹激光的基本原理及其在材料加工中的應用。

激光的高能量密度特點奠定了其在材料加工領域巨大的1061.激光產生的基本原理簡單地說激光是一種高亮度、高方向性、高單色性和高相干性的光，它是通過一定物質(激光物質)的受激輻射而獲得的，這一點通過激光的英文名Laser—lightamplificationstimulatedemissionofradiation(光的受激輻射放大)也可以看出。激光的獲得依賴于兩個物理過程：受激輻射和粒子集居數反轉。1.激光產生的基本原理107（1）受激輻射按照玻爾的氫原子理論，原子系統只能具有一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)，這些能量狀態(tài)稱為原子系統的穩(wěn)定狀態(tài)(亦稱能級)。在這些穩(wěn)定狀態(tài)，原子中的電子做加速運動，但并不輻射電磁能。一個原子既可以從外界吸收能量(激發(fā))從低能狀態(tài)躍遷到高能狀態(tài)，也可以向外界釋放能量從高能狀態(tài)躍遷到低能狀態(tài)。當原子在這些躍遷過程中所吸收或釋放的能量為光能時，這些躍遷過程被統稱為輻射躍遷。輻射躍遷時，光的頻率和躍遷能級之間滿足普朗克公式：

h=E2－E1式中，為吸收或釋放的光子頻率；E1、E2為能級；h為普朗克常數，其值為6.626×16-34J·s。根據具體機制，輻射躍遷又分為自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收。（1）受激輻射108●自發(fā)輻射任何系統都有從高能量狀態(tài)回復到低能量狀態(tài)的趨勢。如果高能級E2上的原子自發(fā)地回復到低能級E1上，且同時釋放一個=(E2－E1)／h的光子，則稱這個過程為光的自發(fā)輻射，如圖10-2所示?！褡园l(fā)輻射109●受激輻射處于高能量狀態(tài)的原子除自發(fā)輻射外，受外來光子的激勵也可以從高能級躍遷到低能級并同時按普朗克公式=(E2－E1)／h釋放一個和外來光子完全相同的光子，這一過程稱為受激輻射，如圖10-3所示。

●受激輻射110●受激吸收與受激輻射相反，處于低能狀態(tài)的原子吸收=(E2－E1)／h的光子從低能級躍遷到高能級的過程稱為受激吸收，如圖10-4所示。

●受激吸收111

受激輻射和自發(fā)輻射雖然都釋放光子，但兩種過程的物理本質和效應均存在差異。自發(fā)輻射是一個純自發(fā)的過程，一個處于高能級的粒子系統若發(fā)生自發(fā)輻射，每個原子所釋放的光子雖然都滿足普朗克公式，但這些光子的相位、方向和偏振都不相同。受激輻射是受激產生的，一個處于高能級的粒子系統若發(fā)生受激輻射，每個原子所釋放的光子不僅滿足普朗克公式，而且這些光子的頻率、相位、方向和偏振都與外來光子相同，其效應相當于外來光線的放大。顯然，受激輻射是激光產生的最重要的物理基礎之一。激光形成過程中受激吸收、自發(fā)輻射和受激輻射等幾個物理過程同時存在，而且缺一不可。受激輻射和自發(fā)輻射雖然都釋放光子，但兩種過程112（2）粒子集居數反轉眾所周知，一種信號可以通過一定的機制被放大。但無論信號如何被放大，能量總是守恒的。粒子系統的受激輻射可以將同一種光放大，這種放大也需要提供能量。具體的機制是要使粒子系統對外來光束有放大作用(產生激光)，外界必須通過某種途徑對粒子系統提供能量，使粒子系統處于高能量狀態(tài)。

（2）粒子集居數反轉113在平衡條件下，任何粒子系統(原子、分子等)在各能級的分布滿足玻耳茲曼公式，能級的能量越高，所擁有的粒子數越少，即低能級上的粒子數N1大于高能級上的粒子數N2。

外來光線入射這種粒子系統時，受激吸收的粒子數將大于受激輻射的粒子數，系統吸收外來光子使自身能量提高，因此，光對這種系統作用時只會被減弱，而不可能被放大。

在平衡條件下，任何粒子系統(原子、分子等)在114要使粒子系統對外來光有放大作用，必須使系統的受激輻射粒子數大于受激吸收粒子數。即外界必須通過一定的機制對系統提供能量，使系統處于高能量狀態(tài)——高能級上的粒子數(N2)多于低能級上的粒子數(N1)，這種現象稱為粒子集居數反轉(簡稱粒子數反轉)，而處于高能量狀態(tài)且具有粒子數反轉特征的介質稱為激活(態(tài))物質（激活介質）。

當光在激活介質中傳播時，一方面，低能態(tài)的粒子要吸收光子發(fā)生受激吸收；另一方面，高能態(tài)的粒子要發(fā)生受激輻射回到低能態(tài)。但在這種系統中同一時間內受激輻射的粒子數要大于受激吸收的粒子數，受激輻射占主導地位，外來光線將被放大。要使粒子系統對外來光有放大作用，必須使系統的受激115

獲得激活介質的方法很多，如光泵浦、氣體放電激勵(電激勵)、電子束激勵，氣體動力激勵、化學反應激勵等，其中光泵浦和電激勵最為常用。

光泵浦是用光照射粒子系統(介質)，利用粒子的受激吸收使系統實現粒子數的反轉，如紅寶石的粒子數反轉就是通過氙燈照射來實現的。

電激勵是在兩極間施加直流高電壓，通過兩極間氣體介質輝光放電過程中電子、離子及分子間的碰撞，以及粒子間的共振交換能量，使低能態(tài)粒子躍遷到高能態(tài)而實現系統的粒子數反轉。如CO2氣體即是通過氣體放電激勵實現粒子數反轉。獲得激活介質的方法很多，如光泵浦、氣體放電激勵116(3)激光的形成從激光工作介質受到外部能量激勵開始，激光器的工作原理可簡單地歸納為如圖10-5所示。(3)激光的形成117如圖10-6所示，激光工作介質在工作前處于平衡狀態(tài)，粒子在能級上的分布滿足波耳茲曼分布，低能級(E1)上的粒子數多于高能級(E2)上的粒子數。激光器開始工作時，激光工作介質首先受到外部能量的激勵，粒子吸收能量從低能級躍遷到高能級，當高能級(E2)上的粒子數(N2)多于低能級(E1)上的粒子數(N1)時，系統形成粒子集居數反轉。

如圖10-6所示，激光工作介質在工作前處于平118由于高能級的粒子總是試圖向低能級躍遷，而且每個粒子從高能級向低能級躍遷(自發(fā)輻射)時都發(fā)出一個光子(其頻率滿足普朗克公式)，這些自發(fā)輻射產生的光子作為外來光子將激發(fā)其他粒子發(fā)生受激輻射和受激吸收。但因N2>N1，產生受激輻射的粒子數多于受激吸收的粒子數，因而總的效果是光被放大。一個光子激勵一個高能級(E2)上的粒子發(fā)生受激輻射，產生一個和激勵光子完全相同的光子，這兩個光子又將作為激勵光子激勵另外兩個高能級上的粒子發(fā)生受激輻射，產生兩個完全相同的光子，如此往復，光得到雪崩式放大而迅速增強。

由于高能級的粒子總是試圖向低能級躍遷，而且每119如果再在粒子系統兩端放置兩塊反射鏡，則構成光學諧振腔。很明顯，只有平行于諧振腔光軸方向的光才能在兩個鏡面之間來回反射而得以振蕩放大，其他方向的光經有限次反射后將逸出腔外而消失。如果諧振腔的一側是一個半反射鏡，當光達到一定強度時將有部分激光透過半反射鏡輸出腔外。在激光產生的過程中，隨著諧振腔內光子強度的增加，腔內受激輻射越來越強，高能級(E2)上的粒子數減少，低能級(E1)上的粒子數增加，當光子強度達到某一值后，高能級與低能級上的粒子數達到動