現(xiàn)代材料加工方法先進(jìn)連接技術(shù)課件

先進(jìn)連接技術(shù)§10.1概述

焊接是指通過適當(dāng)?shù)氖侄问箖蓚€(gè)分離的固態(tài)物體產(chǎn)生原子（分子）間結(jié)合而成為一體的連接方法。

廣義上實(shí)現(xiàn)材料連接有多種方法，如機(jī)械連接、化學(xué)連接(膠接)、冶金連接等。

機(jī)械連接是通過宏觀的結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)性實(shí)現(xiàn)材料和構(gòu)件之間的連接，這種連接是暫時(shí)的、可拆卸的，承載能力和剛度一般較低。

化學(xué)連接主要是通過膠黏劑與被粘物間形成化學(xué)鍵和界面吸附實(shí)現(xiàn)連接，連接強(qiáng)度低，且服役環(huán)境和溫度存在局限性。先進(jìn)連接技術(shù)1

冶金連接是指借助物理冶金或化學(xué)冶金方法，通過材料間的熔合、物質(zhì)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(qiáng)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(dāng)。冶金連接是材料連接的主要方法，應(yīng)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(shù)的歷史可以追溯到數(shù)千年以前，但現(xiàn)代材料連接技術(shù)的形成主要以19世紀(jì)末電阻焊的發(fā)明(1886)和金屬極電弧的發(fā)現(xiàn)(1892)為標(biāo)志，真正的快速發(fā)展則更是20世紀(jì)30、40年代以后的事。

冶金連接是指借助物理冶金或化學(xué)冶金方法，通過材料2

科學(xué)上的發(fā)現(xiàn)、新材料的發(fā)展和工業(yè)新技術(shù)的要求始終從不同角度推動(dòng)著材料連接技術(shù)的發(fā)展，例如，電弧的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)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(yīng)用促進(jìn)了擴(kuò)散連接技術(shù)的發(fā)展；高密度微電子組裝技術(shù)的要求推動(dòng)了微連接技術(shù)的進(jìn)步等等。經(jīng)過一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，材料連接技術(shù)已經(jīng)成為材料加工、成形的主要技術(shù)和工業(yè)制造技術(shù)的重要組成部分，應(yīng)用領(lǐng)域遍及機(jī)械制造、船舶工程、石油化工、航空航天、電子技術(shù)、建筑、橋梁、能源等國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防工業(yè)各部門，在航空航天、電子技術(shù)和船舶等領(lǐng)域甚至成為部門發(fā)展的最關(guān)鍵技術(shù)。

科學(xué)上的發(fā)現(xiàn)、新材料的發(fā)展和工業(yè)新技術(shù)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(jī)理(母材和填充材料的狀態(tài))可以將連接技術(shù)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(shí)現(xiàn)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(jī)4

固相焊是通過連接材料在固態(tài)條件下的物質(zhì)遷移或塑性變形實(shí)現(xiàn)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(zhì)遷移或塑性5

釬焊是利用低熔點(diǎn)液態(tài)合金(釬料)對(duì)母材的潤(rùn)濕和毛細(xì)填縫而實(shí)現(xiàn)連接的一類連接方法。

釬焊是利用低熔點(diǎn)液態(tài)合金(釬料)對(duì)母材的潤(rùn)濕和毛6這些連接方法各有優(yōu)點(diǎn)和局限性，適合于不同的材料和結(jié)構(gòu)。本章簡(jiǎn)要介紹幾種先進(jìn)的材料連接技術(shù)：激光焊、電子束焊和攪拌摩擦焊。這些連接方法各有優(yōu)點(diǎn)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(zhì)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?！す饩哂衅胀ü庠此鶡o(wú)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(yáng)光亮8個(gè)數(shù)量級(jí)，而高功率釹玻璃激光比太陽(yáng)光亮16個(gè)數(shù)量級(jí)。▲激光接近理想平行光，發(fā)散角很小，且單色性好，頻率單一，經(jīng)透鏡聚焦后可以獲得很小的光斑(最小光斑直徑可達(dá)激光波長(zhǎng)量級(jí))。高亮度基礎(chǔ)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(dá)104～105W／cm2或更高?！?0.2激光焊接加工8激光的高能量密度特點(diǎn)奠定了其在材料加工領(lǐng)域巨大的應(yīng)用價(jià)值。自從1960年美國(guó)研究成功世界上第一個(gè)紅寶石激光器，尤其是加世紀(jì)70年代大功率CO2激光器出現(xiàn)以來，激光在材料加工領(lǐng)域的應(yīng)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(shù)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(jiǎn)要介紹激光的基本原理及其在材料加工中的應(yīng)用。

激光的高能量密度特點(diǎn)奠定了其在材料加工領(lǐng)域巨大的91.激光產(chǎn)生的基本原理簡(jiǎn)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(zhì)(激光物質(zhì))的受激輻射而獲得的，這一點(diǎn)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(gè)物理過程：受激輻射和粒子集居數(shù)反轉(zhuǎn)。1.激光產(chǎn)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(tǒng)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(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)(亦稱能級(jí))。在這些穩(wěn)定狀態(tài)，原子中的電子做加速運(yùn)動(dòng)，但并不輻射電磁能。一個(gè)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(dāng)原子在這些躍遷過程中所吸收或釋放的能量為光能時(shí)，這些躍遷過程被統(tǒng)稱為輻射躍遷。輻射躍遷時(shí)，光的頻率和躍遷能級(jí)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(jí)；h為普朗克常數(shù)，其值為6.626×16-34J·s。根據(jù)具體機(jī)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(tǒng)都有從高能量狀態(tài)回復(fù)到低能量狀態(tài)的趨勢(shì)。如果高能級(jí)E2上的原子自發(fā)地回復(fù)到低能級(jí)E1上，且同時(shí)釋放一個(gè)=(E2－E1)／h的光子，則稱這個(gè)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(lì)也可以從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)并同時(shí)按普朗克公式=(E2－E1)／h釋放一個(gè)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(jí)躍遷到高能級(jí)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(zhì)和效應(yīng)均存在差異。自發(fā)輻射是一個(gè)純自發(fā)的過程，一個(gè)處于高能級(jí)的粒子系統(tǒng)若發(fā)生自發(fā)輻射，每個(gè)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(chǎn)生的，一個(gè)處于高能級(jí)的粒子系統(tǒng)若發(fā)生受激輻射，每個(gè)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(yīng)相當(dāng)于外來光線的放大。顯然，受激輻射是激光產(chǎn)生的最重要的物理基礎(chǔ)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(gè)物理過程同時(shí)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(shù)反轉(zhuǎn)眾所周知，一種信號(hào)可以通過一定的機(jī)制被放大。但無(wú)論信號(hào)如何被放大，能量總是守恒的。粒子系統(tǒng)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(jī)制是要使粒子系統(tǒng)對(duì)外來光束有放大作用(產(chǎn)生激光)，外界必須通過某種途徑對(duì)粒子系統(tǒng)提供能量，使粒子系統(tǒng)處于高能量狀態(tài)。

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

外來光線入射這種粒子系統(tǒng)時(shí)，受激吸收的粒子數(shù)將大于受激輻射的粒子數(shù)，系統(tǒng)吸收外來光子使自身能量提高，因此，光對(duì)這種系統(tǒng)作用時(shí)只會(huì)被減弱，而不可能被放大。

在平衡條件下，任何粒子系統(tǒng)(原子、分子等)在17要使粒子系統(tǒng)對(duì)外來光有放大作用，必須使系統(tǒng)的受激輻射粒子數(shù)大于受激吸收粒子數(shù)。即外界必須通過一定的機(jī)制對(duì)系統(tǒng)提供能量，使系統(tǒng)處于高能量狀態(tài)——高能級(jí)上的粒子數(shù)(N2)多于低能級(jí)上的粒子數(shù)(N1)，這種現(xiàn)象稱為粒子集居數(shù)反轉(zhuǎn)(簡(jiǎn)稱粒子數(shù)反轉(zhuǎn))，而處于高能量狀態(tài)且具有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)特征的介質(zhì)稱為激活(態(tài))物質(zhì)（激活介質(zhì)）。

當(dāng)光在激活介質(zhì)中傳播時(shí)，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(tǒng)中同一時(shí)間內(nèi)受激輻射的粒子數(shù)要大于受激吸收的粒子數(shù)，受激輻射占主導(dǎo)地位，外來光線將被放大。要使粒子系統(tǒng)對(duì)外來光有放大作用，必須使系統(tǒng)的受激18

獲得激活介質(zhì)的方法很多，如光泵浦、氣體放電激勵(lì)(電激勵(lì))、電子束激勵(lì)，氣體動(dòng)力激勵(lì)、化學(xué)反應(yīng)激勵(lì)等，其中光泵浦和電激勵(lì)最為常用。

光泵浦是用光照射粒子系統(tǒng)(介質(zhì))，利用粒子的受激吸收使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)，如紅寶石的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)就是通過氙燈照射來實(shí)現(xiàn)的。

電激勵(lì)是在兩極間施加直流高電壓，通過兩極間氣體介質(zhì)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。如CO2氣體即是通過氣體放電激勵(lì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。獲得激活介質(zhì)的方法很多，如光泵浦、氣體放電激勵(lì)19(3)激光的形成從激光工作介質(zhì)受到外部能量激勵(lì)開始，激光器的工作原理可簡(jiǎn)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(zhì)在工作前處于平衡狀態(tài)，粒子在能級(jí)上的分布滿足波耳茲曼分布，低能級(jí)(E1)上的粒子數(shù)多于高能級(jí)(E2)上的粒子數(shù)。激光器開始工作時(shí)，激光工作介質(zhì)首先受到外部能量的激勵(lì)，粒子吸收能量從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，當(dāng)高能級(jí)(E2)上的粒子數(shù)(N2)多于低能級(jí)(E1)上的粒子數(shù)(N1)時(shí)，系統(tǒng)形成粒子集居數(shù)反轉(zhuǎn)。

如圖10-6所示，激光工作介質(zhì)在工作前處于平21由于高能級(jí)的粒子總是試圖向低能級(jí)躍遷，而且每個(gè)粒子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷(自發(fā)輻射)時(shí)都發(fā)出一個(gè)光子(其頻率滿足普朗克公式)，這些自發(fā)輻射產(chǎn)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(chǎn)生受激輻射的粒子數(shù)多于受激吸收的粒子數(shù)，因而總的效果是光被放大。一個(gè)光子激勵(lì)一個(gè)高能級(jí)(E2)上的粒子發(fā)生受激輻射，產(chǎn)生一個(gè)和激勵(lì)光子完全相同的光子，這兩個(gè)光子又將作為激勵(lì)光子激勵(lì)另外兩個(gè)高能級(jí)上的粒子發(fā)生受激輻射，產(chǎn)生兩個(gè)完全相同的光子，如此往復(fù)，光得到雪崩式放大而迅速增強(qiáng)。

由于高能級(jí)的粒子總是試圖向低能級(jí)躍遷，而且每22如果再在粒子系統(tǒng)兩端放置兩塊反射鏡，則構(gòu)成光學(xué)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(gè)鏡面之間來回反射而得以振蕩放大，其他方向的光經(jīng)有限次反射后將逸出腔外而消失。如果諧振腔的一側(cè)是一個(gè)半反射鏡，當(dāng)光達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)將有部分激光透過半反射鏡輸出腔外。在激光產(chǎn)生的過程中，隨著諧振腔內(nèi)光子強(qiáng)度的增加，腔內(nèi)受激輻射越來越強(qiáng)，高能級(jí)(E2)上的粒子數(shù)減少，低能級(jí)(E1)上的粒子數(shù)增加，當(dāng)光子強(qiáng)度達(dá)到某一值后，高能級(jí)與低能級(jí)上的粒子數(shù)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，通過外部能量激勵(lì)或受激吸收從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)上的粒子數(shù)與經(jīng)受激輻射或自發(fā)輻射從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)的粒子數(shù)相等，光子強(qiáng)度不再增加，輸出穩(wěn)定的激光。如果再在粒子系統(tǒng)兩端放置兩塊反射鏡，則構(gòu)成光232.激光器與光學(xué)系統(tǒng)典型的激光焊接與加工系統(tǒng)主要由激光器、光學(xué)系統(tǒng)、工裝系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成，如圖10-7所示。這里簡(jiǎn)要介紹激光器和光學(xué)系統(tǒng)。2.激光器與光學(xué)系統(tǒng)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(yīng)用最廣泛的一種激光器。其工作物質(zhì)主要是CO2氣體，添加一定量的N2和He。CO2是產(chǎn)生激光的粒子系統(tǒng)，N2和He具有增加CO2激勵(lì)效應(yīng)及氣體介質(zhì)與熱交換器之間的導(dǎo)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(zhì)、光學(xué)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(yīng)用的CO2激光器可按結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種CO2氣體激光器。結(jié)構(gòu)主體(放電管)由石英玻璃管制成，管內(nèi)充以CO2、N2和He混合氣體，放電管是封閉的，使管內(nèi)的氣體與外界隔離(故稱為封離式CO2激光器)。激光器工作時(shí)，在電極間加上直流高壓，通過混合氣體的輝光放電激勵(lì)CO2分子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)并形成激光，見圖10-8(a)。熱加工中應(yīng)用的CO2激光器可按結(jié)構(gòu)分為三種形26這類激光器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，輸出光束質(zhì)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(lián)或并聯(lián)結(jié)構(gòu)。整個(gè)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(xiàn)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)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(dòng)式和慢速軸向流動(dòng)式，前者氣體流速為200～300m/s，最高可達(dá)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(duì)封離式激光器受工作氣體溫升的限制，輸出功率小的缺點(diǎn)，軸流式CO2激光器中增加了可使氣體循環(huán)流動(dòng)的風(fēng)管，且在風(fēng)管內(nèi)設(shè)置有冷卻器。激光器工作時(shí)，工作氣體在風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下在諧振腔中循環(huán)流動(dòng)，經(jīng)過冷卻器時(shí)教強(qiáng)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(diǎn)是電光效率高。系統(tǒng)單位長(zhǎng)度放電區(qū)域上獲得的激光輸出功率大(快速軸流式可達(dá)500～2000W／m，慢速軸流式為80W／m)，廣泛應(yīng)用于激光焊接與切割。針對(duì)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(jié)構(gòu)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(dòng)，溫度低，電光效率高，激光輸出功率可達(dá)10kW／m。橫流式CO2激光器的缺點(diǎn)是很難聚焦到直徑很小的光斑，限制了其在切割和焊接領(lǐng)域的應(yīng)用，但在激光表面改性領(lǐng)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(jié)構(gòu)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(zhì)的固體激光器，主要由激光工作物質(zhì)(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(zhì)提供激勵(lì)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(zhǎng)為1.06m，為CO2激光波長(zhǎng)的十分之一，有利于聚焦和光纖傳輸，便于實(shí)現(xiàn)技術(shù)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(zhuǎn)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(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)是指導(dǎo)光和聚焦系統(tǒng)。為了對(duì)試樣或材料進(jìn)行加工必須將激光導(dǎo)引到所需的位置，并根據(jù)要求進(jìn)行聚焦。工業(yè)上常用的導(dǎo)光系統(tǒng)主要有兩種。

YAG激光波長(zhǎng)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(dǎo)引到所需的加工位置，再經(jīng)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(dǎo)纖維進(jìn)行光的傳輸，但目前僅限于波長(zhǎng)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(dǎo)引到所需位置。有利于技術(shù)的柔性化，因而在激光加工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。光導(dǎo)纖維的一個(gè)局限性是激光束可以聚焦的最小光斑直徑有限，因而在應(yīng)用上受到一定的限制。

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

激光照射到物質(zhì)表面時(shí)，一部分被反射，另一部分透射，還有一部分被吸收；對(duì)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(zhì)的相互作用將全部轉(zhuǎn)換為熱能，其物理過程可以簡(jiǎn)單地描述為：物質(zhì)中的電子首先吸收光子將光能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，然后通過振動(dòng)將能量傳遞給離子導(dǎo)致物質(zhì)溫度升高，光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋Ｓ捎谶@一過程的物理本質(zhì)所決定，整個(gè)過程將在10-9s內(nèi)的瞬間完成，而且僅發(fā)生在物質(zhì)表面非常小的尺寸范圍內(nèi)。3.激光焊接及應(yīng)用35以金屬材料為例，當(dāng)強(qiáng)度為J0的激光照射在金屬表面時(shí)，金屬內(nèi)光強(qiáng)的變化可以用下式來描述：

J=J0(1-})exp(-a)式中，

為金屬內(nèi)距表面的距離(m)；a為吸收系數(shù)(m-1)；為反射率；J為金屬內(nèi)距表面處的激光強(qiáng)度(W／cm2)；J0為金屬表面的激光強(qiáng)度(W／cm2)。由于金屬的吸收系數(shù)約為107～108／m，因此，在距離表面0.1～0.01m處，激光強(qiáng)度已減弱為金屬表面吸收光強(qiáng)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(nèi)將有63.2％的光能被吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽@正是激光表面改性的物理基礎(chǔ)。以金屬材料為例，當(dāng)強(qiáng)度為J0的激光照射在金屬36

材料對(duì)激光的吸收主要與激光的波長(zhǎng)、功率密度、材料的性質(zhì)、表面狀況及溫度等因素有關(guān)。◆一般來說，激光功率密度越大，材料對(duì)激光的吸收率越大。

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

◆對(duì)同一種波長(zhǎng)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(wú)氧化膜等。研究表明表面氧化膜可以提高材料對(duì)激光的吸收率；材料表面越粗糙，對(duì)激光的吸收率越高。材料對(duì)激光的吸收主要與激光的波長(zhǎng)、功率密度、37

激光焊是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種焊接新技術(shù)。簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)連接的一種焊接方法。根據(jù)激光器輸出能量的方式，激光焊可分為脈沖激光點(diǎn)焊和連續(xù)激光焊(包括高頻脈沖連續(xù)激光焊)；根據(jù)激光聚焦后焦點(diǎn)上功率密度的不同而導(dǎo)致的焊縫成形機(jī)理和特點(diǎn)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(shí)，激光光斑功率密度不太高(≤105W／cm2)，金屬熔池溫度相對(duì)較低(低于金屬沸點(diǎn))，焊接時(shí)金屬不氣化，焊接熔池的形狀主要受金屬內(nèi)部熱傳導(dǎo)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(shí)，激39當(dāng)激光斑點(diǎn)功率密度較高(≥106W／cm2)時(shí)，金屬在激光的照射下被迅速加熱熔化并達(dá)到沸點(diǎn)，一部分金屬被氣化。金屬蒸氣離開熔池時(shí)對(duì)液態(tài)金屬產(chǎn)生一個(gè)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(chǎn)生的附加壓力越大，凹坑的深度越大；當(dāng)激光的功率密度足夠大時(shí)，激光束將直接射入坑底而在焊件中形成一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的小孔(此時(shí)也可稱為“深熔焊”)，如圖10-11(b)所示。

當(dāng)激光斑點(diǎn)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(gè)板厚形成所謂“小孔焊”，如圖10-11(c)所示。小孔焊時(shí)小孔隨著激光一起運(yùn)動(dòng)，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(gè)412）特點(diǎn)

與其他焊接方法相比，激光焊具有如下特點(diǎn)：

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(xì)晶組織；④焊接熱影響區(qū)范圍小，焊接殘余應(yīng)力和變形??；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(fù)合材料、有機(jī)玻璃)等；⑥可進(jìn)行“小孔焊”，實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形。與電子束焊相比，激光焊的優(yōu)點(diǎn)是不需要真空。不產(chǎn)生X射線，且被焊材料可以不導(dǎo)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(diǎn)42(2)激光焊接工藝及參數(shù)

●這里主要介紹連續(xù)CO2激光焊工藝參數(shù)。A

激光功率(P)焊接時(shí)激光器的輸出功率對(duì)焊接熔深有直接影響，可以用如下經(jīng)驗(yàn)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(shù)，其取值通常在0.7～1.0之間。很明顯，焊接條件確定時(shí)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(guān)系，見圖10-12。(2)激光焊接工藝及參數(shù)h∝43

B

焊接速度(v)當(dāng)其他條件確定時(shí)，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(guān)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(shù)(≤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(dāng)焊接速度過低時(shí)，不但焊接熔深不再增加，反而將導(dǎo)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(wú)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?yàn)楦叩哪芰棵芏瓤梢詼p小熱影響區(qū)、降低焊接變形及應(yīng)力，提高焊接質(zhì)量。在激光焊接中，高的能量密度(≥106W／cm2)是保證實(shí)現(xiàn)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(duì)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(diǎn)之間的距離。被焊件表面在焦點(diǎn)以內(nèi)時(shí)為負(fù)離焦，在焦點(diǎn)以外時(shí)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(duì)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(duì)焊接熔深的影響。一定的負(fù)離焦量有利于獲得大的焊接熔深，當(dāng)∣△f∣增大到一定值時(shí)，熔深有一個(gè)跳躍式變化過程，表明焊接模式從小孔焊向傳熱熔化焊轉(zhuǎn)變。

圖10-15是304不銹鋼激光焊接離焦量(△47

E保護(hù)氣體激光焊接過程中的保護(hù)氣氛主要有兩個(gè)作用：其一是保護(hù)焊縫金屬不受有害氣體的侵?jǐn)_、防止氧化；其二是抑制焊接過程中產(chǎn)生的“等離子云”。所謂等離子云是高功率密度激光焊接時(shí)，被加熱汽化的金屬蒸氣在激光的照射激勵(lì)下發(fā)生離解而形成的由自由運(yùn)動(dòng)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(huì)引起光的吸收和散射，改變光束的焦點(diǎn)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(hù)氣體48向焊接熔池噴吹保護(hù)氣氛可以從兩個(gè)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(dòng)的保護(hù)氣氛可以促進(jìn)金屬蒸氣和等離子云從焊接區(qū)散逸。不同的保護(hù)氣氛具有不同的保護(hù)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(hù)氣氛可以從兩個(gè)方面抑制等離子49圖10-16給出了保護(hù)氣氛對(duì)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(hù)氣對(duì)等離子云的抑制作用最強(qiáng)，焊接時(shí)熔池最深。圖10-16給出了保護(hù)氣氛對(duì)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(shí)際中最常用的接頭形式還是對(duì)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(zhì)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(zhì)量，焊前必須確保被焊件裝配52(3)激光焊接的應(yīng)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(xì)晶組織，且焊縫窄、焊接熱影響區(qū)小，焊接變形和應(yīng)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(shí)的焊接性要好。但對(duì)含碳量較高的鋼，激光焊接時(shí)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(shù)材料之間才能進(jìn)行，如圖10-18所示。(3)激光焊接的應(yīng)用53現(xiàn)代材料加工方法先進(jìn)連接技術(shù)課件54激光焊接在機(jī)械、汽車、電子、鋼鐵、航空航天、輕工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在汽車工業(yè)領(lǐng)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(chǎn)品質(zhì)量，如圖10-19所示。激光焊接在機(jī)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(jī)械制造中的典型應(yīng)用，具有變形小、精度高、接頭剪切強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，焊后可直接裝配使用。激光焊在航空航天領(lǐng)域還被用于發(fā)動(dòng)機(jī)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(shù)激光的微區(qū)、快速加熱特點(diǎn)使其在材料加工領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，材料的激光加工技術(shù)已成為近年來材料加工領(lǐng)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(shí)間，調(diào)節(jié)這兩個(gè)參數(shù)就可以獲得不同的能量條件和材料響應(yīng)，從而對(duì)材料進(jìn)行各種加工和處理。目前，國(guó)內(nèi)外已發(fā)展了多種激光表面改性與加工技術(shù)，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(shù)57§10.3電子束焊接陰極發(fā)射、經(jīng)高壓加速、磁透鏡聚焦而獲得的電子束流與激光束統(tǒng)稱為高能束。電子束作為材料加工的能源具有如下特點(diǎn)：

①功率密度高。如電子束焊接時(shí)。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(dá)106W／cm2以上。②快速、精確的可控性。作為物質(zhì)基本粒子的電子具有極小的質(zhì)量(9.1×1031kg)和一定的負(fù)電荷(1.6×10C)，荷質(zhì)比高達(dá)1.76×1011C／kg，通過電場(chǎng)或磁場(chǎng)可以方便、快速而精確地對(duì)電子束進(jìn)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(jì)50年代，是由德國(guó)人K.H.Steigerwald和英國(guó)人J.A.Stohr幾乎在同時(shí)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(jié)構(gòu)。雖然近年來又發(fā)展了一些新的電子束材料加工技術(shù)，如電子束表面淬火、電子束表面合會(huì)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(yīng)用還是在焊接方面。電子束用于焊接可以追溯到加世紀(jì)50年代，是由591．電子束焊接原理與特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)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(tǒng)稱為高能束焊接。電子束焊接的最大特點(diǎn)是存在“小孔效應(yīng)”，小孔效應(yīng)的形成是一個(gè)復(fù)雜的高溫流體動(dòng)力學(xué)過程。從陰極發(fā)射的電子在數(shù)十到數(shù)百千伏的加速電壓作用下被加速到0.3~0.7倍的光速，經(jīng)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(diǎn)60焊接時(shí)電子束轟擊金屬表面，電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，金屬被迅速加熱熔化并達(dá)到沸點(diǎn)，一部分金屬被氣化金屬蒸氣離開熔池時(shí)對(duì)液態(tài)金屬產(chǎn)生一個(gè)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(dòng)，小孔也隨著電子束一起運(yùn)動(dòng)，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(shí)電子束轟擊金屬表面，電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)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(diǎn)：

①電子束穿透能力強(qiáng)，焊縫深寬比大。電子束焊接深寬比可達(dá)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(shí)焊接速度可達(dá)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(zhǎng)大，獲得細(xì)晶組織，且合金元素?zé)龘p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，焊接變形小；

⑤真空條件下焊接對(duì)焊縫有很好的保護(hù)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(diǎn)使其在工業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣泛的應(yīng)用，尤其在焊接航空航天用先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料(如高溫合金、鈦合金、復(fù)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(duì)熔池有很好的保護(hù)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(zhì)量要求較高的構(gòu)件。

電子束焊接的上述特點(diǎn)使其在工業(yè)生產(chǎn)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(jìn)行的，生產(chǎn)效率高，適合于批量大的零件的焊接和在生產(chǎn)線上使用。●非真空電子束焊接非真空電子束焊接時(shí)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(chǎn)品，生產(chǎn)效率高，但電子束散射嚴(yán)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(tǒng)電子束焊接系統(tǒng)主要由電子槍、真空系統(tǒng)、工作倉(cāng)(真空室)、高壓電源及控制系統(tǒng)等幾部分組成，下面分別簡(jiǎn)要介紹。（1）電子搶電子槍是電子束焊接系統(tǒng)的核心部分，是產(chǎn)生和控制電子束的電子光學(xué)系統(tǒng)。電子槍有二極電子槍與三極電子槍之分，現(xiàn)代電子束焊機(jī)多采用三極電子槍。2．電子束焊接系統(tǒng)65圖10-22為三極電子槍典型結(jié)構(gòu)示意圖，主要由陰極、陽(yáng)極、偏壓電極、聚焦線圈和偏轉(zhuǎn)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(qiáng)且不易“中毒”的材料構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖，主要66工作時(shí)陰極處于高的負(fù)電位，它與接地的陽(yáng)極之間形成電子束的加速電場(chǎng)。偏壓電極相對(duì)于陰極呈負(fù)電位，通過調(diào)節(jié)該負(fù)電位的大小和改變偏壓電極的形狀和位置可以調(diào)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(shí)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(tǒng)也同時(shí)構(gòu)成一個(gè)靜電透鏡，它使陰極發(fā)射出來的電子匯聚在陽(yáng)極附近形成交叉點(diǎn)。電子束穿過陽(yáng)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(diǎn)。偏轉(zhuǎn)線圈的作用是使電子束做重復(fù)性擺動(dòng)或偏移。工作時(shí)陰極處于高的負(fù)電位，它與接地的陽(yáng)極之間形67對(duì)于大功率電子槍(≥30kW)可能設(shè)有兩個(gè)聚焦線圈并在電子束通道上設(shè)置有小孔徑光闌，以減少金屬蒸氣和離子對(duì)電子槍工作穩(wěn)定性的影響，同時(shí)。雙聚焦還增加了調(diào)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(diào)節(jié)聚焦或改變束流時(shí)電子束將發(fā)生偏移，因此，電子槍上一般還裝有機(jī)械式或電磁式的合軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。對(duì)于大功率電子槍(≥30kW)可能設(shè)有兩個(gè)聚68(2)工作倉(cāng)電子束焊接系統(tǒng)的工作倉(cāng)主要由真空室和工裝臺(tái)(具)組成。真空室一般采用帶有加強(qiáng)筋的低碳鋼薄板結(jié)構(gòu)，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(chǎng)對(duì)電子束的干擾。工裝臺(tái)(具)的作用是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)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(zhǔn)確、焊接速度的穩(wěn)定。因此，工裝臺(tái)(具)不僅要能對(duì)焊接件進(jìn)行定位，而且還要能夠使其做所需要的各種移動(dòng)，包括水平方向的直線運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)等。(2)工作倉(cāng)69

(3)真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)的作用是使電子槍室和工作倉(cāng)獲得真空，主要是由機(jī)械泵和擴(kuò)散泵組成。抽真空時(shí)先用機(jī)械泵(一般為羅茨泵)將電子槍室和工作倉(cāng)從大氣壓抽到1.3~0.13Pa，然后再以機(jī)械泵配合擴(kuò)散泵將真空進(jìn)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(tǒng)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(nèi)有高壓變壓器，其初級(jí)連接在三相380V主電路上，次級(jí)接整流器。(3)真空系統(tǒng)703．電子束焊接工藝及應(yīng)用電子束焊接工藝參數(shù)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(shù)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(shí)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(yīng)用71

加速電壓(Ub)增加焊接熔深增大。在保持其他參數(shù)不變的條件下，焊縫深寬比與加速電壓成正比。在實(shí)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(diào)整時(shí)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(dāng)其他參數(shù)固定時(shí)，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(shí)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(jīng)常調(diào)整。在其他參數(shù)確定時(shí)，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(guān)，因此，焊接速度還對(duì)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?fàn)顟B(tài)對(duì)焊縫形狀也有很大影響，焊接時(shí)聚焦電流Ic主要用于調(diào)節(jié)被焊件與焦點(diǎn)的相對(duì)位置。電子束的聚焦位置有上焦點(diǎn)、下焦點(diǎn)和表面焦點(diǎn)三種，需要根據(jù)焊接材料、焊接厚度、焊縫間隙和其他焊接參數(shù)確定。當(dāng)焊接厚度大于10mm時(shí)，通常采用下焦點(diǎn)(焦點(diǎn)處于焊件表面之下)，且焦點(diǎn)在焊接熔深的30％處；當(dāng)焊接厚度大于50mm時(shí)，焦點(diǎn)在焊接熔深的50％～75％之間為宜。

電子束聚焦?fàn)顟B(tài)對(duì)焊縫形狀也有很大影響，焊接時(shí)聚73一般金屬材料都可以用電子束進(jìn)行焊接。電子束焊與激光焊均屬高能束焊接，特點(diǎn)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(xì)晶組織，且焊縫窄、焊接熱影響區(qū)小，焊接變形和應(yīng)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(shí)的焊接性要好。一般金屬材料都可以用電子束進(jìn)行焊接。電子束焊74由于電子束穿透能力強(qiáng)，焊縫深寬比大，因此在航空航天、核能等領(lǐng)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(yīng)堆大型線圈隔板、大型傳動(dòng)齒輪、飛機(jī)起落架、機(jī)翼大梁、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子等，涉及的材料主要有鈦合金、高強(qiáng)鋼、高溫合金、不銹鋼、復(fù)合材料等。電子束焊對(duì)金屬間化合物材料的連接也具有重要的應(yīng)用價(jià)值，應(yīng)用電子束焊接已經(jīng)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(qiáng)，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(jiǎn)稱FSW)是英國(guó)劍橋焊接研究所TWI(Theweldinginstitute)開發(fā)的一種材料連接新技術(shù)，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(shù)。由于在連接結(jié)構(gòu)方面突破了傳統(tǒng)摩擦焊的局限性，因此，攪拌摩擦焊自產(chǎn)生以來受到了廣泛的關(guān)注，獲得了迅速的應(yīng)用。攪拌摩擦焊是由摩擦焊派生、發(fā)展起來的，本質(zhì)上屬于固相連接的范疇。§10.4攪拌摩擦焊761.攪拌摩擦焊原理和特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)連接的。1.攪拌摩擦焊原理和特點(diǎn)77●原理高速旋轉(zhuǎn)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(dòng)，另一方面隨著攪拌頭向前移動(dòng)，不斷向攪拌頭后方流動(dòng)填充攪拌頭移出的空間而形成致密的焊縫?！裨?8①可實(shí)現(xiàn)板材對(duì)接，突破了傳統(tǒng)摩擦焊的局限性

傳統(tǒng)摩擦焊是利用被焊工件端面相對(duì)運(yùn)動(dòng)、摩擦所產(chǎn)生的熱使端部達(dá)到熱塑性狀態(tài)，然后迅速頂鍛而實(shí)現(xiàn)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(fù)合材料、陶瓷材料及塑料。由于摩擦焊生產(chǎn)率高、質(zhì)量好，在制造業(yè)中獲得了廣泛的工程應(yīng)用。但摩擦焊在連接結(jié)構(gòu)方面存在局限性，連接的對(duì)象主要是回轉(zhuǎn)型零件。

攪拌摩擦焊不是依靠焊件間的相對(duì)摩擦來進(jìn)行焊接，可以實(shí)現(xiàn)板材對(duì)接，從根本上突破了傳統(tǒng)的摩擦焊只能焊接軸類構(gòu)件的局限性，擴(kuò)大了摩擦焊的應(yīng)用范圍。①可實(shí)現(xiàn)板材對(duì)接，突破了傳統(tǒng)摩擦焊的局限性79②焊接接頭缺陷少、性能好采用傳統(tǒng)的熔化焊接方法焊接鋁合金，尤其是硬鋁合金時(shí)，即使采用很好的變極性焊接設(shè)備，也仍然容易產(chǎn)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(shí)熔池凝固過程中產(chǎn)生裂縫、氣孔等缺陷，焊縫晶粒細(xì)小、組織均勻、性能好，為凝固裂縫敏感材料(例如焊接高強(qiáng)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(qiáng)度鋁合金時(shí)，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(shí)不易產(chǎn)生與金屬熔化有關(guān)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(qiáng)化鋁合金。同時(shí)攪拌摩擦焊接時(shí)的溫度相對(duì)較低，因此焊接后結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力或變形也較熔化焊小得多。④焊接殘余應(yīng)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(yīng)力小，可實(shí)現(xiàn)可控精度連接。

⑤便于機(jī)械化自動(dòng)化理論上攪拌摩擦焊可用于全位置焊接，裝配要求低，對(duì)焊接操作要求低，焊接質(zhì)量穩(wěn)定性好，重復(fù)性高，并適合于自動(dòng)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(wú)需填充材料，也不用保護(hù)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(duì)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(wú)污染、無(wú)煙塵、無(wú)弧光、無(wú)輻射的清潔、安全的焊接方法。當(dāng)然，攪拌摩擦焊在焊接材料和結(jié)構(gòu)方面仍然存在一些局限性。目前，攪拌摩擦焊主要應(yīng)用于焊接鋁合金、塑料等熔點(diǎn)比較低的材料，熔點(diǎn)較高的材料的攪拌摩擦焊接技術(shù)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?cái)嚢枘Σ梁甘且粋€(gè)復(fù)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(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(guān)鍵。摩擦棒的結(jié)構(gòu)決定了加熱、塑性流動(dòng)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(qiáng)度；摩擦棒的材料決定了摩擦加熱的速率、摩擦棒的強(qiáng)度和焊接溫度。

2．影響攪拌摩擦焊的工藝因素83●結(jié)構(gòu)從文獻(xiàn)上看，國(guó)外采用的摩擦棒是標(biāo)準(zhǔn)英制螺紋，但很多文獻(xiàn)提出了具有特殊結(jié)構(gòu)的摩擦棒，而且出于技術(shù)保密的原因，迄今為止未見詳細(xì)報(bào)道?！癫牧夏Σ涟舻牟牧贤ǔ２捎煤辖鸸ぞ咪摗嚢桀^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(dá)到或超過熔點(diǎn)，不利于焊接強(qiáng)度的提高，甚至?xí)?dǎo)致焊縫表面的不平整。軸肩的材料可以采用中碳鋼。

●結(jié)構(gòu)84（2）攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度根據(jù)攪拌摩擦焊?jìng)鳠岱治?，通過旋轉(zhuǎn)攪拌頭與被焊材料的摩擦所產(chǎn)生的熱源強(qiáng)度q為式中q——熱源強(qiáng)度，W／m2；

——旋轉(zhuǎn)角速度，rad／min；

P——軸肩與工件之間的壓力，Pa：

——摩擦系數(shù)；

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(zhuǎn)速度，rad／min。（2）攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度85從上式可知，轉(zhuǎn)速是影響攪拌摩擦焊熱源的主要因素之一。當(dāng)攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度較低時(shí)，摩擦熱不夠，不足以形成熱塑性流動(dòng)層，在焊縫中容易形成孔洞。隨著轉(zhuǎn)速的提高，摩擦熱增大，熱塑性流動(dòng)層由上而下逐漸增大，焊縫中的孔洞逐漸減小；當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到一定值時(shí)，孔洞消失，形成致密的焊縫。但轉(zhuǎn)速過高時(shí)，會(huì)使摩擦棒周圍以及軸肩下面的材料溫度達(dá)到或超過熔點(diǎn)，無(wú)法形成固相連接。根據(jù)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(zhuǎn)速度在200～2000r／min之間。

從上式可知，轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)及其他參數(shù)確定后，熱源強(qiáng)度就是一定的，焊接線能量與焊接速度成反比。當(dāng)焊接速度過小時(shí)，攪拌頭所產(chǎn)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(diǎn)，使金屬因過熱而出現(xiàn)疏松，產(chǎn)生液化裂紋，同時(shí)，焊縫表面不平整。當(dāng)焊接速度過大時(shí)，攪拌摩擦焊所產(chǎn)生的熱量不足以使攪拌頭周圍的金屬達(dá)到塑化狀態(tài)，不能形成良好的焊縫，焊縫內(nèi)部易出現(xiàn)孔洞。根據(jù)攪拌摩擦焊所采用的攪拌頭、板厚、所焊材料及旋轉(zhuǎn)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(duì)焊縫的成形也有較大的影響。當(dāng)壓緊力不足時(shí)，表面熱塑性金屬“上浮”，溢出焊接表面，焊縫底部在冷卻后會(huì)由于金屬的“上浮”而形成孔洞。當(dāng)壓緊力過大時(shí)，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(xiàn)象，使焊縫表面出現(xiàn)飛邊、毛刺等缺陷。（4）壓緊力883．?dāng)嚢枘Σ梁傅膽?yīng)用由于攪拌摩擦焊具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，自問世以來獲得了迅速的推廣和應(yīng)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(qiáng)鋁合金板材。經(jīng)過多年的研究，已經(jīng)可以用該方法焊接厚度達(dá)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．?dāng)嚢枘Σ梁傅膽?yīng)用89對(duì)大量的鋁與鋁合金的焊接的工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐已經(jīng)證明，攪拌摩擦焊是經(jīng)濟(jì)、可靠的焊接方法，已經(jīng)成功的進(jìn)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(jié)構(gòu)也從最簡(jiǎn)單的對(duì)接接頭發(fā)展到幾乎所有的接頭形式，如圖10-28所示。對(duì)大量的鋁與鋁合金的焊接的工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐已經(jīng)證90目前，攪拌摩擦焊技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用主要集中在船舶制造、海洋工業(yè)和宇航工業(yè)等領(lǐng)域。在挪威，已用該技術(shù)焊接了長(zhǎng)達(dá)20m的快艇鋁合金結(jié)構(gòu)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(shù)的商業(yè)應(yīng)用主要集中在船舶91在美國(guó)洛克希德·馬丁航空航天公司用該技術(shù)焊接了儲(chǔ)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(shù)焊接了大型圓筒形容器。在電機(jī)制造業(yè)中也可利用攪拌摩擦焊接銅籠轉(zhuǎn)子、磁極鐵心(見圖10-30、圖10-31)。

在美國(guó)洛克希德·馬丁航空航天公司用該技術(shù)焊接92利用攪拌摩擦焊可以制備飛機(jī)蒙皮、中心翼盒上蓋板、飛機(jī)起落架的傳動(dòng)支撐門、飛機(jī)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(jī)蒙皮、中心翼盒上蓋93攪拌摩擦焊接技術(shù)在鐵路運(yùn)輸、公路運(yùn)輸、建筑工業(yè)、電器行業(yè)、飲料行業(yè)、武器裝備等領(lǐng)域均有巨大的應(yīng)用潛力。隨著航空航天等工業(yè)領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅苜|(zhì)量比要求的提高，鋁材、鎂合金等低熔點(diǎn)合金的應(yīng)用將越來越廣泛，必然為攪拌摩擦焊接技術(shù)提供更多的應(yīng)用市場(chǎng)。表10-3列出了攪拌摩擦焊的應(yīng)用。攪拌摩擦焊接技術(shù)在鐵路運(yùn)輸、公路運(yùn)輸、建筑工94現(xiàn)代材料加工方法先進(jìn)連接技術(shù)課件95隨著對(duì)攪拌摩擦焊技術(shù)研究工作的深入，尤其是通過對(duì)攪拌頭材料的研究，使攪拌摩擦焊能夠適應(yīng)不同性質(zhì)材料的焊接，還可能使攪拌摩擦焊應(yīng)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(fù)責(zé)的攪拌摩擦焊接技術(shù)應(yīng)用研究項(xiàng)目“宇航工業(yè)近期商業(yè)目標(biāo)技術(shù)應(yīng)用(簡(jiǎn)稱TAN-GO)”的研究?jī)?nèi)容。此項(xiàng)目將歷時(shí)4年，研究經(jīng)費(fèi)預(yù)算為8800萬(wàn)歐元，由12個(gè)國(guó)家34個(gè)合作伙伴參加。主要研究對(duì)象為金屬材料機(jī)身、復(fù)合材料機(jī)身、中心翼箱、側(cè)部翼箱。隨著對(duì)攪拌摩擦焊技術(shù)研究工作的深入，尤其是通96現(xiàn)代材料加工方法先進(jìn)連接技術(shù)課件97先進(jìn)連接技術(shù)§10.1概述

焊接是指通過適當(dāng)?shù)氖侄问箖蓚€(gè)分離的固態(tài)物體產(chǎn)生原子（分子）間結(jié)合而成為一體的連接方法。

廣義上實(shí)現(xiàn)材料連接有多種方法，如機(jī)械連接、化學(xué)連接(膠接)、冶金連接等。

機(jī)械連接是通過宏觀的結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)性實(shí)現(xiàn)材料和構(gòu)件之間的連接，這種連接是暫時(shí)的、可拆卸的，承載能力和剛度一般較低。

化學(xué)連接主要是通過膠黏劑與被粘物間形成化學(xué)鍵和界面吸附實(shí)現(xiàn)連接，連接強(qiáng)度低，且服役環(huán)境和溫度存在局限性。先進(jìn)連接技術(shù)98

冶金連接是指借助物理冶金或化學(xué)冶金方法，通過材料間的熔合、物質(zhì)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(qiáng)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(dāng)。冶金連接是材料連接的主要方法，應(yīng)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(shù)的歷史可以追溯到數(shù)千年以前，但現(xiàn)代材料連接技術(shù)的形成主要以19世紀(jì)末電阻焊的發(fā)明(1886)和金屬極電弧的發(fā)現(xiàn)(1892)為標(biāo)志，真正的快速發(fā)展則更是20世紀(jì)30、40年代以后的事。

冶金連接是指借助物理冶金或化學(xué)冶金方法，通過材料99

科學(xué)上的發(fā)現(xiàn)、新材料的發(fā)展和工業(yè)新技術(shù)的要求始終從不同角度推動(dòng)著材料連接技術(shù)的發(fā)展，例如，電弧的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)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(yīng)用促進(jìn)了擴(kuò)散連接技術(shù)的發(fā)展；高密度微電子組裝技術(shù)的要求推動(dòng)了微連接技術(shù)的進(jìn)步等等。經(jīng)過一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，材料連接技術(shù)已經(jīng)成為材料加工、成形的主要技術(shù)和工業(yè)制造技術(shù)的重要組成部分，應(yīng)用領(lǐng)域遍及機(jī)械制造、船舶工程、石油化工、航空航天、電子技術(shù)、建筑、橋梁、能源等國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防工業(yè)各部門，在航空航天、電子技術(shù)和船舶等領(lǐng)域甚至成為部門發(fā)展的最關(guān)鍵技術(shù)。

科學(xué)上的發(fā)現(xiàn)、新材料的發(fā)展和工業(yè)新技術(shù)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(jī)理(母材和填充材料的狀態(tài))可以將連接技術(shù)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(shí)現(xiàn)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(jī)101

固相焊是通過連接材料在固態(tài)條件下的物質(zhì)遷移或塑性變形實(shí)現(xiàn)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(zhì)遷移或塑性102

釬焊是利用低熔點(diǎn)液態(tài)合金(釬料)對(duì)母材的潤(rùn)濕和毛細(xì)填縫而實(shí)現(xiàn)連接的一類連接方法。

釬焊是利用低熔點(diǎn)液態(tài)合金(釬料)對(duì)母材的潤(rùn)濕和毛103這些連接方法各有優(yōu)點(diǎn)和局限性，適合于不同的材料和結(jié)構(gòu)。本章簡(jiǎn)要介紹幾種先進(jìn)的材料連接技術(shù)：激光焊、電子束焊和攪拌摩擦焊。這些連接方法各有優(yōu)點(diǎn)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(zhì)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(wú)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(yáng)光亮8個(gè)數(shù)量級(jí)，而高功率釹玻璃激光比太陽(yáng)光亮16個(gè)數(shù)量級(jí)?！す饨咏硐肫叫泄猓l(fā)散角很小，且單色性好，頻率單一，經(jīng)透鏡聚焦后可以獲得很小的光斑(最小光斑直徑可達(dá)激光波長(zhǎng)量級(jí))。高亮度基礎(chǔ)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(dá)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(diǎn)奠定了其在材料加工領(lǐng)域巨大的應(yīng)用價(jià)值。自從1960年美國(guó)研究成功世界上第一個(gè)紅寶石激光器，尤其是加世紀(jì)70年代大功率CO2激光器出現(xiàn)以來，激光在材料加工領(lǐng)域的應(yīng)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(shù)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(jiǎn)要介紹激光的基本原理及其在材料加工中的應(yīng)用。

激光的高能量密度特點(diǎn)奠定了其在材料加工領(lǐng)域巨大的1061.激光產(chǎn)生的基本原理簡(jiǎn)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(zhì)(激光物質(zhì))的受激輻射而獲得的，這一點(diǎn)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(gè)物理過程：受激輻射和粒子集居數(shù)反轉(zhuǎn)。1.激光產(chǎn)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(tǒng)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(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)(亦稱能級(jí))。在這些穩(wěn)定狀態(tài)，原子中的電子做加速運(yùn)動(dòng)，但并不輻射電磁能。一個(gè)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(dāng)原子在這些躍遷過程中所吸收或釋放的能量為光能時(shí)，這些躍遷過程被統(tǒng)稱為輻射躍遷。輻射躍遷時(shí)，光的頻率和躍遷能級(jí)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(jí)；h為普朗克常數(shù)，其值為6.626×16-34J·s。根據(jù)具體機(jī)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(tǒng)都有從高能量狀態(tài)回復(fù)到低能量狀態(tài)的趨勢(shì)。如果高能級(jí)E2上的原子自發(fā)地回復(fù)到低能級(jí)E1上，且同時(shí)釋放一個(gè)=(E2－E1)／h的光子，則稱這個(gè)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(lì)也可以從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)并同時(shí)按普朗克公式=(E2－E1)／h釋放一個(gè)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(jí)躍遷到高能級(jí)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(zhì)和效應(yīng)均存在差異。自發(fā)輻射是一個(gè)純自發(fā)的過程，一個(gè)處于高能級(jí)的粒子系統(tǒng)若發(fā)生自發(fā)輻射，每個(gè)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(chǎn)生的，一個(gè)處于高能級(jí)的粒子系統(tǒng)若發(fā)生受激輻射，每個(gè)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(yīng)相當(dāng)于外來光線的放大。顯然，受激輻射是激光產(chǎn)生的最重要的物理基礎(chǔ)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(gè)物理過程同時(shí)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(shù)反轉(zhuǎn)眾所周知，一種信號(hào)可以通過一定的機(jī)制被放大。但無(wú)論信號(hào)如何被放大，能量總是守恒的。粒子系統(tǒng)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(jī)制是要使粒子系統(tǒng)對(duì)外來光束有放大作用(產(chǎn)生激光)，外界必須通過某種途徑對(duì)粒子系統(tǒng)提供能量，使粒子系統(tǒng)處于高能量狀態(tài)。

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

外來光線入射這種粒子系統(tǒng)時(shí)，受激吸收的粒子數(shù)將大于受激輻射的粒子數(shù)，系統(tǒng)吸收外來光子使自身能量提高，因此，光對(duì)這種系統(tǒng)作用時(shí)只會(huì)被減弱，而不可能被放大。

在平衡條件下，任何粒子系統(tǒng)(原子、分子等)在114要使粒子系統(tǒng)對(duì)外來光有放大作用，必須使系統(tǒng)的受激輻射粒子數(shù)大于受激吸收粒子數(shù)。即外界必須通過一定的機(jī)制對(duì)系統(tǒng)提供能量，使系統(tǒng)處于高能量狀態(tài)——高能級(jí)上的粒子數(shù)(N2)多于低能級(jí)上的粒子數(shù)(N1)，這種現(xiàn)象稱為粒子集居數(shù)反轉(zhuǎn)(簡(jiǎn)稱粒子數(shù)反轉(zhuǎn))，而處于高能量狀態(tài)且具有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)特征的介質(zhì)稱為激活(態(tài))物質(zhì)（激活介質(zhì)）。

當(dāng)光在激活介質(zhì)中傳播時(shí)，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(tǒng)中同一時(shí)間內(nèi)受激輻射的粒子數(shù)要大于受激吸收的粒子數(shù)，受激輻射占主導(dǎo)地位，外來光線將被放大。要使粒子系統(tǒng)對(duì)外來光有放大作用，必須使系統(tǒng)的受激115

獲得激活介質(zhì)的方法很多，如光泵浦、氣體放電激勵(lì)(電激勵(lì))、電子束激勵(lì)，氣體動(dòng)力激勵(lì)、化學(xué)反應(yīng)激勵(lì)等，其中光泵浦和電激勵(lì)最為常用。

光泵浦是用光照射粒子系統(tǒng)(介質(zhì))，利用粒子的受激吸收使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)，如紅寶石的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)就是通過氙燈照射來實(shí)現(xiàn)的。

電激勵(lì)是在兩極間施加直流高電壓，通過兩極間氣體介質(zhì)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。如CO2氣體即是通過氣體放電激勵(lì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。獲得激活介質(zhì)的方法很多，如光泵浦、氣體放電激勵(lì)116(3)激光的形成從激光工作介質(zhì)受到外部能量激勵(lì)開始，激光器的工作原理可簡(jiǎn)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(zhì)在工作前處于平衡狀態(tài)，粒子在能級(jí)上的分布滿足波耳茲曼分布，低能級(jí)(E1)上的粒子數(shù)多于高能級(jí)(E2)上的粒子數(shù)。激光器開始工作時(shí)，激光工作介質(zhì)首先受到外部能量的激勵(lì)，粒子吸收能量從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，當(dāng)高能級(jí)(E2)上的粒子數(shù)(N2)多于低能級(jí)(E1)上的粒子數(shù)(N1)時(shí)，系統(tǒng)形成粒子集居數(shù)反轉(zhuǎn)。

如圖10-6所示，激光工作介質(zhì)在工作前處于平118由于高能級(jí)的粒子總是試圖向低能級(jí)躍遷，而且每個(gè)粒子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷(自發(fā)輻射)時(shí)都發(fā)出一個(gè)光子(其頻率滿足普朗克公式)，這些自發(fā)輻射產(chǎn)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(chǎn)生受激輻射的粒子數(shù)多于受激吸收的粒子數(shù)，因而總的效果是光被放大。一個(gè)光子激勵(lì)一個(gè)高能級(jí)(E2)上的粒子發(fā)生受激輻射，產(chǎn)生一個(gè)和激勵(lì)光子完全相同的光子，這兩個(gè)光子又將作為激勵(lì)光子激勵(lì)另外兩個(gè)高能級(jí)上的粒子發(fā)生受激輻射，產(chǎn)生兩個(gè)完全相同的光子，如此往復(fù)，光得到雪崩式放大而迅速增強(qiáng)。

由于高能級(jí)的粒子總是試圖向低能級(jí)躍遷，而且每119如果再在粒子系統(tǒng)兩端放置兩塊反射鏡，則構(gòu)成光學(xué)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(gè)鏡面之間來回反射而得以振蕩放大，其他方向的光經(jīng)有限次反射后將逸出腔外而消失。如果諧振腔的一側(cè)是一個(gè)半反射鏡，當(dāng)光達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)將有部分激光透過半反射鏡輸出腔外。在激光產(chǎn)生的過程中，隨著諧振腔內(nèi)光子強(qiáng)度的增加，腔內(nèi)受激輻射越來越強(qiáng)，高能級(jí)(E2)上的粒子數(shù)減少，低能級(jí)(E1)上的粒子數(shù)增加，當(dāng)光子強(qiáng)度達(dá)到某一值后，高能級(jí)與低能級(jí)上的粒子數(shù)達(dá)到動(dòng)