初中孩子厌学怎么办

脉 冲 激 光 焊 接 参 数 研 究 曹明翠 郑启光 孙书华 华中工 学院激光研 究所 提要 讨论 了脉冲激光微型焊接 中, 对于激光的脉冲形状、 激光脉冲宽度、 激光 通量密度等的选择 , 并给出了实验结果。 艺二 “ 乞 , 叼该卿。。夕 、 。 昆。 , 、 吐 , , 义 坛 被金属 一 、 激 光 波 形 激光波形在脉冲激光微型焊接中是一个 重要问题 , 特别是对于厚度为 毫米左右 的薄片焊接更为重要。 因为当激光入射到金 属面时 , 金属表面要将 多 的激光能 量反射而损耗掉。 为了减少这部分能量的损 耗 , 有的采用在金属表面涂一层对激光吸收 率很强的粉末 。 有的采用在高反射率金属表 面复盖一层低反射率的金属薄层。 根据我们 的大量实验研究 , 认为采用适当的激光波形 是减少金属表面反射损耗 , 避免后期蒸发的 一种重要方法。 假定在工件上光斑的功率密度分布为高 斯函数 表面时 , 激光被反射而损耗一部分。 表面吸收的热通量密度应为 二 , 一 一 , 。。 一勒一 、 , , 、 一 , 一厂 扩 一 一纂 其中 为光斑中心在金属表面上产生的热 通量密 度 , 。 一 一 几 。 为金属 表 面 的反射率 , 它随金属表面温度的升高而减少。 大部分金属在激光作用的初始时刻反射率为 外。 当温度升高到沸点时 , 反射率就 降低到 界 左右。 故 也是温度的函数。 假定光斑处被金属吸收的热通量密度是 不变的 , 在金属表面光斑 中心处温度和热通 量密度的关系可对整个脉宽 二 积分〔 」, 得到 尹 一 尸。。 子 。 堵 丁 汀 , 、 , 、 、 , 、 , , 一 、 , ‘ , 二。 一 。 环尸 熟 甲 了。 刀尤址 甲心廷阴叨竿搜度 一 一 不甲 , 、 乞 砰 为工件上的光斑半径 。 激光作用 于 金 属 是金属热扩散率。 为了使金属表面在接近 沸点之内传递能量 , 激光参数之间必须满足 收稿 日期 。 年 月 日。 下列关系 , , 。 , , 〕 。 产尸 月 ” 。 呀 一几厂一 一 一一王矛一 考虑焊接时需要光斑能量分布 较 均 匀 , 要求有适当的离焦量的特点 , 在实际计算时 , 。 只考虑其平均热通量密度 万。。 在焊接中 对于脉宽稍短 , 光斑稍大 , 热扩散率稍低的金 属 , 若满足下列条件 丁 , 簇 , 则高斯热源的温度分布模型与均匀热源的温 度分布模型基本一致 , 故公式 可按均匀热 源的温度分布而简化为 。 。 二 万 , 警 、 卫节 一 了 — 多勺 刀 。 一了 仕 派 , 万尹。 少 当从‘、 式 中 、 万、 都决定于金属特性和温度 金属和温度确定后 , 式右边为常数 , 式可见 , 单次脉冲激光焊接中热通量密度 只的七 米倒娜丫翎 。 启 二 毫舀 图 金属铜在室温下热通量密 度和脉宽的关系 随脉宽成平方根关系减少。 图 为铜在常温 下 , 金属表面维持于沸点之内时 , 热通量密度 随脉宽变化的曲线。 在一个脉冲激光作用时间内, 金属表面 的温度要从室温升高到接近于沸点 , 处子固 态到液态的瞬时变化 中。 从表 可 以 看 出 , 当金属的温度升高时 , 金属的比热变化是不 大的 , 而热传导率却随着温度的升高而减少 , 特别是当金属从固态转变为液态时 , 其热传 导率几乎减少了一半。 根据公式 “ 一 万 可 知 , 液态的热扩散率也几乎为固态的一半左 右。 即公式 匀 中的金属特性因子 。 随着焊 点处金属表面温度的升高 而 降低。 由 于 。 与 是开方根关系 , 所以当金属 熔 化 时 , 值几乎减少到固态时的 倍。 因此在脉宽 选定后 , 为了使金属表面控制在沸点之内 , 热 通量密度不应 以恒定值输入 , 而应 以衰减波 形式输入。 表面熔化后输入的热通量密度应 为固态时输入之值的 倍左右。 激光脉冲作用时间内, 金属反射率的变 化如图 所示〔幻 。 其反射率是时 间 的 函 数 , 故 由公式 可得 。 名 〔 一 才 〕 。 才 尸。 才 一 。 才 〔 一 云 〕 图 中曲线 和 分别是铜和钢在一个脉冲 激光作用时间内相对反射率的变化。 激光开 始作用的瞬间 , 反射率很高 , 当焊点的温度 上升到熔点的一段时间内, 反射率迅速下降 图中 段 。 焊点处于熔化状态 , 反射率稳 定于某一值 图中 段 随着熔化层加厚 , 表 一 , 牢狙一 一‘ 全一一 一 一 里止一 一止兰一一 势 传 导 率 比 热 热 传 导 率 比 热 一 些兰度 一竺乡 二⋯竺卫 一 一竺燮兰二卫呈生竺二竺互竺上 “ · 匕。“‘ 夕 ‘ ‘ 名 夕 。 , 了 吞 “ 夕 · · ’ , 澎 门‘, “ 一 · 。 · 忍艺 ’ · “ 。 · ’ ’ · ’ 。 · ‘ 汤 。 · , · 之〕 ” ·‘。‘ “ · ‘ 一 · 了。努 。 〕注 , ‘吕。〔, 。 仁’少 , , ‘吕 “ 。· 住 “ 夕 · “ 铝铜错锡钦锌 相、 钦之类 , 反射率大约为 外。 而金 、 银、 铜 、 铝等反射率高达 多 以上。 根据铜和锹 的初始时刻的绝对反射率和图 可以粗略地 计算出铜和钢表面分别处在室温、 熔点、 沸点 时的绝对反射率 , 见表 。 再参 照 图 就 可 以粗略地绘出铜和钢使表面维持于沸点所需 要的激光波形 , 见图 。 从图中可见 , 对激光 具有高反射率的金属如金、 银、 铜、 铝的焊接 , 最好采用近似指数形式的衰减波 而低反射 率的金属如钢、 铁、 镍、 钦等 , 则采用一般衰减 波就可以了。 、、 、、 并布叼常血公 止一 川 微 于七、 一标 了‘“ 一。 一 个激光脉冲讯号过程中金属 反射率 随时间的变化 二 、 激 光 脉 宽 金属表面在一个脉冲激光作用 时间内绝对反射率的变化 口图表 、 、 、 度 ‘之 一 。。 ⋯ 金 、 、 王 “ ‘ 一— 一 一理一⋯一竺 ⋯ ⋯ 熔 户 土, 肠 忍 万。 脉宽是脉冲激光焊接的重要参 数 之 一 , 目前的资料对这一参数的估算 , 大多是根据 所需要的熔深来确定的。 如在光斑和熔深比 确定的情况下 , 估算所需要的最短脉宽。 或 者用热时间常数来估算脉宽。 根据我们的实 验研究和对国内外实验资料的 , 认为上 述估算方法对片厚或直径在 毫米左右的 薄片和细丝焊接与实验情况偏离较大。 在不同脉宽下形成熔融焊接的激光参数 范围大小 , 是可以从下列两关系式出发来进 行定性讨论的。 关系式 中的脉宽 二 , 实际上就是在热 。 通量密度为 。 的作用下 , 金属表面到达沸 点的时刻 , 即 。 匹 了 苦 枷 在热通量密度为 。 的作用下 , 面到达熔点 标 的时刻 , 即 金属表 ‘ 微秒 , 一 三 了叩轰 艺“ 图 脉冲激光波形 热阻增加 , 反射率继续下降 到金属表面达到 沸点时 , 反射率迅速下降到 点。 金属对 一 微米波长的初始时 刻 的 绝 对反射率大致可分为两类。 铁、 合金钢、 镍、 表 示 出了一些金属在不同脉宽和热通 量密度作用下 , 金属表面到达熔点和沸点的 时间。 从表 可见 , 当脉宽为 ’毫秒时 , 大 部分金属的表面约有 毫秒时间维持于熔沸 点之间传递能量。 而脉宽为 毫秒时 , 金属 表 在不同脉宽作用下 , 到达熔沸点的时间 。 。 月。 乙。‘ 瓦 厘米朴 ‘ 乎 毫秒 毫秒 交毫秒 毫秒瓦 厘米 火 只 又 与 火 日 艺 瓦 厘米与 住 么 ‘ 口 义 义 义 卜 户毫秒 弓盛 , 艺 艺 招呢邹肠 口上,厅‘了一,了上凸ù勺ō匕 ⋯⋯ 韶银金铜镁铝锌锡铂铅铰钥镍铁钨 不锈钢 可伐合金 吕 绷刊肠叼 乳别肥蛇盯 表 不同脉宽的最大熔深 , ” 毫 秒 “ 毫 秒 工 · 毫 秒 。 ’ 毫 秒 。 瓦 厘米朴 名 。 。 。 札 毫秒 毫米 瓦 厘米即 毫秒 毫米 瓦 厘米“ 毫秒 毫米 。 瓦 厘米为 巍橄协 金属 黯 邹盯 一 , 从 ⋯ , 价 。 只 生 生 各 又 注 性 ‘ 又 又 义 又 咯 月胜,卫 ⋯ 甲, ⋯ 朋银金铜铂钥镍铁钨 表面则有 毫秒时间维持于熔沸点之间传 递能量。 在合理采用脉冲激光波形 的情况下 , 对同一种金属来说 , 焊好同样厚度的薄片 , 脉 宽短 , 所需要的热通量密度高 , 激光参数的可 焊范围窄。 适当增长脉宽 , 所需要的热通量 密度低 , 金属表面维持于熔沸点时间长 , 激光 参数变化的容许范围就大 。 但也不宜将脉宽 拉得太长。 因为增加脉宽 , 焊点的热影响区 就会增加 , 焊接的热效率就会大大降低。 这 对焊接是不利的。 脉宽也是决定于熔深的重要参数 。 为了 估算出不同脉宽能够达到的最大熔深 , 我们 引用公式〔别 一 尤。 和 厂。 值 , 根 据 公式 , 采用在脉冲终止时刻金属表面达到 沸点的热通量密度 , 可计算出不同脉宽所能 到达的最大熔深 , 见表 。 从表 可见 , 对厚 度在 毫米左右的薄片焊接 , 大部分金属 采用 毫秒就可以达到了 但此时 , 激光 参数范围太窄 , 激光输出参数 如能量、 发散 角 稍有不稳定 , 焊接质量就不能稳定。 所以 , 这类薄片焊接或熔深为 的密封焊接 , 根 据我们的实验研究 , 脉宽 拉 长 到 , 毫 秒 , 这时激光参数的可焊范围显著加宽 。 只 要将激光输出参数稳定在一定范围内, 都可 以形成牢固稳定的焊接。 我们认为脉宽的选择可按以下三个原则 来确定。 熔深需要在 毫米以下 , 对热 影响有严格要求的微型焊接 , 脉宽主要由热 影响区 或热损伤区 来确定。 即在热影响区 或热损伤区 所允许的情况下 , 脉宽适当拉 长一些为好 熔深需要在 毫米 范围对焊点仅有强度要求 , 对热影响区无严 格要求的一类焊接 , 这时大部分金属脉宽选 择在 毫秒都可以满足要求。 此 类 焊 接脉宽的选取主要决定于形成牢固熔融焊接 的可焊参数范围 熔深要求大于 毫米 的焊接 , 脉宽主要决定于熔深 。 或者采用让 金属表面有较多蒸发的焊接方式 , 这 已超出 本篇的讨论范围。 三 、 热 通 量 密 度 热通量密度对不同金属除与材料的气化 热 、 熔化热和热扩散率等有关外 , 还取决于 激光波形及脉宽。 下面分三 个 方 面 进 行 论 述 脉冲激光微焊中的热通量密度范围 这个问题可通过金属表面在一个激光脉 冲作用时间内, 温度变化的瞬态过程来进行 分析。 从表 可看出 , 当热通量密 度 为 乎 瓦 厘米 , 时 , 绝大部分金属表面开始达到熔 点时刻都大于 毫秒 。 而一般激光焊接的脉 宽都在 毫秒左右 , 所以达不到 焊 接 目 的。 故脉冲激光焊接所需要的热通量密度一 般应大于 乎 瓦 厘米”。 若以 护 瓦 厘 米“ 的热通量密度进入金属表面 , 则大部分金 属表面达到沸点的时间都 小 于 微 秒。 即 焊点几乎在整个脉宽时间都维持于沸点。 若 激光波形不足以使金属表面维持于沸点 , 则 焊点处金属大部分都气化了。 故脉冲激光微 型焊接所需要的热通量密度大致 选 在 驴 “ 瓦 厘米 范围内。 对于熔深大于 毫米以上的焊接 , 为了加深熔池 , 金属表面可 容许有较多气化。 热通量密 度 需要 稍 高一 些 。 片厚小于 毫米薄箔的最 大 热 通 量密度 由于箔很薄 , 金属表面产生少许气化 , 都 会使焊点气化成孔。 所以各种脉宽所选取的 热通量密度 , 不应该超过脉宽 二 的终止时刻 使金属表面达到沸点的热通量密度 。 由于脉 冲激光器件输出的低阶模或基模的光强均可 以看作或近似看作高斯分布 , 因而这一最大 的热通量密度 可用高斯热源的公式 来 计 算。 表 为光斑直径 一 毫米时不同脉宽所 对应的最大热通量密度。 片厚在 毫米薄片的热通量 密度 对于片厚在 毫米范围 焊 接 或 片厚大于 毫米而熔深在 毫 米 左 右 的齐缝焊接中。 由于金属的熔化热和气化热 比较大 , 要焊好某一厚度的薄片 , 可以选择不 同的脉宽 , 每一确定的脉宽对应的热通量密 度都有一定的可焊范围。 但是工艺上常常,需 要对不同的脉宽所对应的热通量密度进行估 算和调整。 根据我们大量实验研究 , 此类焊 接的金属表面 , 在激光脉冲作用的后期 , 在不 产生飞溅的情况下 , 常常允许有一微量气化 。 这微量气化由蒸气柱的高低来直观判断。 金 属表面气化量很少 , 蒸气柱很低 , 并不影响焊 点的表面成型 , 而且常常是 良好的熔融焊接 。 对 毫米的熔深 , 大部分金属的热时间常 数都在 毫秒之内。 所以脉 宽 为 戈 则 应 以 二 一 毫秒时刻使表面达到沸点比较合 适 , 并以此来估算不同脉宽所对应的热通量 密度。 若将开始达到沸点的时刻再 往 前 推 , 都无助于熔深的增加 , 反而增加了后期蒸发 的可能性 , 这对微型焊接是不利的。 表 为 光斑直径 一 毫米时 , 不同脉宽所对应 的热通量密度 。。 表 在不同功率密度的脉冲激光作用下 , 表面熔沸点的时间 瓦 匣米, 瓦 厘米 瓦 厘米‘ 沸 点 熔 点 金 属 卡 · 厘米 · 秒 一 度一 飞。 匣米军秒、 才。 , 毫秒、 毫秒 毫秒 ”‘ 毫未少、 微秒 今民 金 铜 镁 车吕 锌 锡 宇白 乍吕 被 牛目 镍 铁 钨 不锈钢 可伐合金 土 岑 〔 日 邹 艺 生 住 」 奋昌 住 牛 老 才 受】 与 住 怪 岛生 】 名 工 器 乃 住 」 】 ‘ 弓 , 苦备 沙 生 之 〔二 吕 表 光斑直径为 · 毫米 , 薄箔厚度小于 毫米时 , 不同脉宽所对应的最大热通量密度 毫 秒 毫 秒 毫 秒 金 禹 九 毫秒 二 , 毫秒、 已 , · 毫不七 厅。 公反 金 铜 铝 铂 被 车目 镍 铁 钨 住 不诱钢 可伐合金 〕 二弓 工 」 义 住 斤 舀 义 火 , 上 习 已 艺 住又 生 沐 义 义 忿 只 书 , 又 工 , 已 欧姆接触 拉力强度为 克左右。 实验脉宽 取 毫秒 , 能量在 焦耳都可以进行 有效焊接 , 平均激光功率密度估算为 “ 瓦 厘米 , , 而理论上最大激光功率密度约为 瓦 厘米 , 密封焊接 有一类如集成 电路块、 微型继 电器和需 要磁屏蔽的一些器件以及航空仪表中的一些 器件等需要密封焊接。 有的 气 密 性 要 求 在 一“ 。 漏气率 。 此类焊接其结构形式大多 为对缝焊接 , 激光脉冲以单点重叠方式进行。 光斑重叠度为 左右。 焊接的主要指 标是密封性好 , 一般熔深在 毫米都 能得到很好的效果。 此类焊接 , 对大多数金 属来说 毫秒都可以满足要求 , 但为了焊 接的稳定可靠 , 适当增加激光参数的可焊范 围 , 脉宽选择在 毫秒左右。 参 考 文 献 〕 〕 〕 仃 一 泌 , , , 」 可一 阳 任“ 瓜 夕蕊 必, , , 切 七 日 且 甲 怡 砚 皿 仔七七 刀 功 一 性, , · 叮洁ù讯ù十十ù简ù草 ‘ 第一届激光应用学术交流会将在成都召开 全国第一届 激光 工 程 应用 学 术 交 流 会将于 一 年 月下旬在成都召 开。 这 次 会 议是 根 据 年在南京召开的中国光学学会激光专业委员会 决定 、 并经中国光学学会审核批准的。 激光工程应 用在我国已有近廿年的历史, 目前我国有许多单位 从事各种激光工程应用 , 在激光测距、 激光通讯、 强 激光技术、 激光受控核聚变、 激光信息处理等以及与 它们有关的新材料和元、 器件等各方面 , 都进行了大 量工作 , 有的项 目具有较高的水平。 召开这样一次 学术交流会 , 必然会大大地促进激光工程项 目的 发 展 , 提高技术和基础的水平。 为使这次会议开好 , 除 特邀代表作专题报告外 , 广泛征稿。 此外 , 会议期 间 , 还同时举办激光工程应用成果产品展览会 , 邀请 各有关单位参加。 这次会议的东道主 是成都西南技 术物理所。 乙 民