先进连接技术.docVIP

10 先进连接技术 10.1概述 广义上实现材料连接有多种方法，如机械连接、化学连接(胶接)、冶金连接等。机械连接是通过宏观的结构关联性实现材料和构件之间的连接，这种连接是暂时的、可拆卸的，承载能力和刚度一般较低；化学连接主要是通过胶黏剂与被粘物间形成化学键和界面吸附实现连接，连接强度低，且服役环境和温度存在局限性；冶金连接是指借助物理冶金或化学冶金方法，通过材料间的熔合、物质迁移和塑性变形等而形成的材料在原子间距水平上的连接，连接强度高、刚度大，且服役环境和温度可以与被连接材料(母材)相当。冶金连接是材料连接的主要方法，应用最为广泛，通常材料加工中所讨论的“材料连接”均是指冶金连接。 材料连接技术的历史可以追溯到数千年以前，但现代材料连接技术的形成主要以19世纪末电阻焊的发明(1886)和金属极电弧的发现(1892)为标志，真正的快速发展则更是20世纪30、40年代以后的事。科学上的发现、新材料的发展和工业新技术的要求始终从不同角度推动着材料连接技术的发展，例如，电弧的发现导致电弧焊的发明，电子束、等离子束和激光的相继问世形成了高能束焊接；高温合金和陶瓷材料的应用促进了扩散连接技术的发展；高密度微电子组装技术的要求推动了微连接技术的进步等等。经过一个多世纪的发展，材料连接技术已经成为材料加工、成形的主要技术和工业制造技术的重要组成部分，应用领域遍及机械制造、船舶工程、石油化工、航空航天、电子技术、建筑、桥梁、能源等国民经济和国防工业各部门，在航空航天、电子技术和船舶等领域甚至成为部门发展的最关键技术。 材料连接方法众多，仅常用的就有近30种。按照连接机理(母材和填充材料的状态)可以将连接技术分为熔化焊，固相焊和钎焊三大类，如图10-1所示。熔化焊是指通过母材和填充材料的熔合实现连接的一类连接方法，包括电弧焊、电子束焊和激光焊等；固相焊是通过连接材料在固态条件下的物质迁移或塑性变形实现连接的一类连接方法，主要有扩散焊、摩擦焊、爆炸焊等；钎焊是利用低熔点液态合金(钎料)对母材的润湿和毛细填缝而实现连接的一类连接方法。这些连接方法各有优点和局限性，适合于不同的材料和结构。 本章简要介绍几种先进的材料连接技术：激光焊、电子束焊和搅拌摩擦焊。 10.2激光焊接加工 激光和普通光在本质上并没有区别，也是电磁波，具有渡粒二象性。但激光又是一种全新的光源，具有其他光源所不具备的一些特性。首先，激光具有普通光源所无法比拟的高亮度，是世界上最亮的光。例如，CO2激光的亮度比太阳光亮8个数量级，而高功率钕玻璃激光比太阳光亮16个数量级。其次，激光接近理想平行光，发散角很小，且单色性好，频率单一，经透镜聚焦后可以获得很小的光斑(最小光斑直径可达激光波长量级)。高亮度基础上的理想聚焦使得激光成为一种高功率密度能源，功率密度可达104～105w／cm2或更高。 激光的高能量密度特点奠定了其在材料加工领域巨大的应用价值。自从1960年美国研究成功世界上第一个红宝石激光器，尤其是加世纪70年代大功率CO2激光器出现以来，激光在材料加工领域的应用也取得了迅猛的发展。目前，已成功开发的激光加工技术主要有：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。本节简要介绍激光的基本原理及其在材料加工中的应用。 10．2．1激光产生的基本原理 简单地说激光是一种高亮度、高方向性、高单色性和高相干性的光，它是通过一定物质(激光物质)的受激辐射而获得的，这一点通过激光的英文名Laser—light amplification stimulated emission of radiation(光的受激辐射放大)也可以看出。激光的获得依赖于两个物理过程：受激辐射和粒子集居数反转。 10.2.1.1受激辐射 按照玻尔的氢原子理论，原子系统只能具有一系列不连续的能量状态，这些能量状态称为原子系统的稳定状态(亦称能级)。在这些稳定状态，原子中的电子做加速运动，但并不辐射电磁能。一个原子既可以从外界吸收能量(激发)从低能状态跃迁到高能状态，也可以向外界释放能量从高能状态跃迁到低能状态。当原子在这些跃迁过程中所吸收或释放的能量为光能时，这些跃迁过程被统称为辐射跃迁。辐射跃迁时，光的频率和跃迁能级之间满足普朗克公式： hv=E2－E1 式中，v为吸收或释放的光子频率；E1、E2为能级；h为普朗克常数，其值为6.626×16-34J·s。根据具体机制，辐射跃迁又分为自发辐射、受激辐射和受激吸收。 众所周知，任何系统都有从高能量状态回复到低能量状态的趋势。如果高能级E2上的原子自发地回复到低能级E1上，且同时释放一个v=( E2－E1)／h的光子，则称这个过程为光的自发辐射，如图10－2所示。 处于高能量状态的原子除自发辐射外，受外来光于的激励也可