焊接考试作业
班级
学号
姓名
一·激光焊接和电子束焊接都属于高能束焊接方法，请从能量传递方式、焊接
原理及焊接工艺等方面阐述两种焊接方法的差异和优缺点。（10）
答： 激光焊接：（1. 能量传递与焊接原理）以可聚焦的激光束作为焊接能源。
当高强度激光照射在被焊材料表面上时，部分光能将被材料吸收而转变成热能，
使材料熔化，从而焊接。
（2. 焊接工艺）主要有激光与电弧、激光与等离子弧、激光与感应热源复合
焊接、双激光束焊接以及多光束激光焊接等。
（3. 优点）a. 不受磁场所影响（电弧焊接及电子束焊接则容易），能精确的对准焊件。
b. 可焊接不同物性（如不同电阻）的两种金属。c. 光束易于聚焦、对准及受光学
仪器所导引，可放置在离工件适当之距离，且可在工件周围的机具或障碍间再导引。
（4. 缺点）a. 焊件位置需非常精确，务必在激光束的聚焦范围内。b. 高反射
性及高导热性材料如铝、铜及其合金等，焊接性会受激光所改变。c. 设备昂贵。
电子束焊接：（1. 能量传递与焊接原理）将高能电子束作为加工热源, 用高
能量密度的电子束轰击焊件接头处的金属 , 使其快速熔融 , 然后迅速冷却来焊接。
（2. 焊接工艺）功率密度、加速电压、电子束流、焊接速度、工作距离、聚
焦电流、真空条件影响焊缝成形。
（3. 优点）a. 能耗低，热影响区窄，焊接变形小。b. 焊速快，效率高。c. 高能
量密度，焊缝深宽比大。
（4. 缺点）a. 设备昂贵。b. 焊接质量受真空条件限制。c. 电子束易受磁场干扰。
二、在钎焊连接中，液态钎料会通过毛细作用进行填隙, 请根据杨氏方程阐述其
作用机理，并自行设计一种促进钎料润湿铺展的表面结构。
答: 杨氏方程推导并阐述作用机理。
b. 设计毛细结构。 根据杨氏方程的原理，固液、固气、液气三方面的作
用力影响钎料的润湿性。为促进钎料表面的润湿性，可从固液、固气方面着手。
1），保证钎料表面的平滑;
2), 毛细小孔很细，上升的液柱更高；
3）钎料本身温度平稳，熔点要高。
4）钎料与母材的界面反应是决定润湿性的本质因素，可使用Sn-Pb 等钎
料
三、等离子弧焊使用的是经过压缩后的钨极氩弧，请简述钨极氩弧和等离子弧两
种热源在焊接中产热机制的差异。目前焊接中使用的等离子弧的能量密度已达到
极限，请提出一种可继续提高等离子弧能量密度的方案。
答：（1. 差异）等离子弧焊：等离子弧焊是利用等离子弧作为热源的焊接方法。
气体由电弧加热产生离解，在高速通过水冷喷嘴时受到压缩，增大能量密度和离
解度，形成等离子弧。它的稳定性、发热量和温度都高于一般电弧，因而具有较
钨极氩弧：在钨极氩弧焊中，其热量是在极棒和工作物之间产生，
而将工作物边缘熔化且当焊道熔池凝固时必须清洁，接合在一起。
（2. 方案）答：①喷嘴直径；直径的大小直径影响到电弧的压缩程度从而影
响电弧的能量密度，因此在满足焊接要求的前提下尽量采用小直径的喷嘴；②离
子气的种类和流量：针对不同的焊接材料在离子气中适当加入其他气体可以改变
离子气的电离程度从而影响电弧能量的密度；在满足要求情况下适当地加大离子
气流量，能对等离子弧周围进行冷却，使等离子弧进一步压缩，能量密度得到进
一步增。
四、通常情况下，金属的扩散焊接需要高温及压力条件，依靠界面处微区塑性变
形及原子相互扩散获得金属键，实现可靠的连接，但纯金箔片却可在常温低温下
获得可靠接头。请阐述扩散焊接中的温度及压力的作用，并提出降低焊接温度及
其压力的方案。
答：定义：将焊件紧密贴合，在一定温度和压力下保持一段时间，使接触面之间
的原子相互扩散形成联接的焊接方法。
（1. 温度作用）焊接温度越高, 原子扩散越快焊接温度一般为材料熔点的
0.5~0.8倍。
（2. 压力作用）压力大能加快原子的扩散，更快的形成金属键。
（3. 方案） 在焊接前把金属材料置于真空中预加热, 消除表面氧化膜, 使金
属中含的硫渗出到硫层为l 个原子左右薄, 可阻止表面上氧炭的吸附, 焊接时不会
在金属内扩散, 其结果, 焊接温度将降低几百度。
五、焊接方面的论文（1500字左右）
激光与材料相互作用特点研究现状
摘要
作为能量源的激光束可以聚焦成很小的一个光斑，无需直接接触，即可与材
料发生相互作用。激光的性能不断提高，现在的激光具有各种不同的波长、功率
和脉冲宽度，这些参数的不同组合适用于各种不同的加工需要。本文旨在说明激
光与材料的相互作用原理与特点。
关键词 激光、材料、脉冲宽度、吸收特性
引言 （研究目的与意义 ） 焊接在现代工业生产中是应用最广、效率最高的连接技术之一已成为一种重要的材料加工工艺广泛应用于航空航天、船舶、兵器、汽车和核工业等领域的结构连接随着工程实践的不断发展特别是一些高性能飞行器的研制、大型结构的连接和新结构材料的应用对焊接工艺提出了更高要求同时焊接技术也不断地推陈出新激光和电子束这两种高能束焊接技术已在实际生产中得
到了迅速发展和应用。其中激光焊因其突出的优越性正逐渐成为高能束焊接的主流被认为是21世纪最具发展潜力的焊接方法之一（3）。
一、 激光与材料的相互作用基础
激光加工的物理基础是激光与物质的相互作用，是一个及其广泛的概念，既包括 复杂的微观量子过程，也包括激光作用与各种介质材料所发生的宏观现象（激光的反射、吸收、折射、衍射、干涉偏振、等等）(4)
二、激光与材料的相互作用特点
激光束投射在材料表面时，部分能量被反射，部分被吸收，部分被传递出去，具体情况取决于材料类型和激光波长。在到达材料表面的光能中，被材料吸收的那部分能量是对材料加工有用的。1,2光能以电子和原子的振动激发形式被吸收，并转化为热能，扩散至临近原子随着吸收的光子越来越多，材料温度不断升高，从而提高光能吸收的比例。(5)该过程可引发连锁反应，使温度在极短时间内（焊接中通常为一毫秒内）急剧升高。温度升高的速度取决于材料中能量吸收与能量消散之间的比例。光吸收长度是指光子能量被吸收导致光束强度降低至原来的1/e (37%)时光束播的距离。该距离内材料吸收能量转化的热能扩散距离为
L = [4Dt ]的1/2次方,
其中L 为扩散距离，D 为热扩散率，t 为激光的脉冲宽度。
如果热扩散距离远大于吸收长度，激光光斑处的温度升高将很有限。相反，如果扩散距离小于吸收深度，温度将急剧升高，导致材料熔化，甚至汽化。要达到预期的效果，无论是加热、软焊、焊接、钻孔、打标、切割还是微加工，工程师都必须选择合适的激光波长和脉冲宽度。当光吸收深度与热扩散距离相等时，可以达到一个临界值，可根据该值选择特定频率激光的脉冲宽度。
(1)
表一（特定频率激光的脉冲宽度）
利用准分子波长的激光进行微加工时，需要采用不同的脉冲宽度，以便使热扩散距离与吸收长度相等。脉冲宽度值（皮秒）仅供比较。
根据表一，248nm 波长激光时限制热扩散所需脉冲宽度的计算结果。由于各种金属的吸收深度接近，脉冲宽度的差异主要取决于扩散距离间的差异。例如，不锈钢与镍相比导热性较差，因此进行微加工时可以使用较长的脉冲宽度；另一方面，与镍相比，硅导热性更好，因此烧蚀时需要较短的脉冲宽度。
对于烧蚀来说，所用脉冲宽度必须小于所计算的临界值，但这样还不够。还必须保证脉冲具有足够的能量，以便每个脉冲都能加热足够体积的加工材料。对于一定的脉冲能量来说，随着脉冲时间的缩短，热量越来越被局限在激光光斑附近, 逐渐产生加热、熔化、烧蚀、最终达到汽化的效果。选定合适的波长后，就确定脉冲能量和脉冲宽度的组合，从而确定材料加工的类型。不同加工应用中常用的脉冲宽度和能量密度值。尽管激光与材料间的相互作用基本相似，但不同材料如金属、陶瓷、玻璃和塑料还各有不同的特点。
表二（所选金属、玻璃和塑料材料的吸收特性）(2)
激光无法透过金属材料，部分能量会被吸收和反射掉。金属吸收二氧化碳激光的能力较弱，激光波长越小，吸收率越高，能量传递效率也越高。尽管金属对二氧化碳激光的吸收较少，但只要能量密度很大，二氧化碳激光仍可有效用于金属的焊接和切割。
与金属相反，陶瓷和玻璃对各种波长的激光都能很好地吸收。但由于陶瓷的抗热冲击性能差、熔点高，因此加工难度比金属大。玻璃只能吸收一小部分的YAG 激光入射能，但由于玻璃导热性差，因而较易熔化。
(2)
表三（一些波长位于紫外线范围的激光在加工时能够打断聚合物材料中的化学键）
根据表三，一些波长位于紫外线范围的激光在加工时能够打断聚合物材料中的化学键。一些波长位于紫外线范围的激光能够打断塑料分子中特定的化学键，这为激光增添了一些新的用途。通过这些波长的激光，可以选择性地改变材料的表面性质。
结论与总结
1. 激光束投射在材料表面时，部分能量被反射，部分被吸收，部分被传
递出去，具体情况取决于材料类型和激光波长。
2. 温度升高的速度取决于材料中能量吸收与能量消散之间的比例。
3. 如果热扩散距离远大于吸收长度，激光光斑处的温度升高将很有限。
相反，如果扩散距离小于吸收深度，温度将急剧升高，导致材料熔化，
甚至汽化。要达到预期的效果，无论是加热、软焊、焊接、钻孔、打
标、切割还是微加工，工程师都必须选择合适的激光波长和脉冲宽度,
4. 由于各种金属的吸收深度接近，脉冲宽度的差异主要取决于扩散距离
间的差异。
5. 激光无法透过金属材料，部分能量会被吸收和反射掉; 与金属相反，陶瓷和玻璃对各种波长的激光都能很好地吸收。
6. 选定合适的波长后，就确定脉冲能量和脉冲宽度的组合，从而确定材料加工的类型。不同加工应用中常用的脉冲宽度和能量密度值。
。
1）《激光工业应用(Industrial Applications of Lasers) 》(New York City: Academic Press, 1997)
2) 《美国激光学会激光材料加工
(LIA Handbook of Laser Materials Processing) 》(Orlando, FL: Laser Institute of America, Magnolia Publishing, 2001)
3)Larrson, J K Laser welding application within the European automotive industry 【J 】.Welding Research Abroad ,2003,49(11);20-27.
4）百度百科,2014
5)Dahotre N B,Harimkar S P.Laser fabrication and matchinging of materials
[m].New York:Springer.2007.
焊接考试作业
班级
学号
姓名
一·激光焊接和电子束焊接都属于高能束焊接方法，请从能量传递方式、焊接
原理及焊接工艺等方面阐述两种焊接方法的差异和优缺点。（10）
答： 激光焊接：（1. 能量传递与焊接原理）以可聚焦的激光束作为焊接能源。
当高强度激光照射在被焊材料表面上时，部分光能将被材料吸收而转变成热能，
使材料熔化，从而焊接。
（2. 焊接工艺）主要有激光与电弧、激光与等离子弧、激光与感应热源复合
焊接、双激光束焊接以及多光束激光焊接等。
（3. 优点）a. 不受磁场所影响（电弧焊接及电子束焊接则容易），能精确的对准焊件。
b. 可焊接不同物性（如不同电阻）的两种金属。c. 光束易于聚焦、对准及受光学
仪器所导引，可放置在离工件适当之距离，且可在工件周围的机具或障碍间再导引。
（4. 缺点）a. 焊件位置需非常精确，务必在激光束的聚焦范围内。b. 高反射
性及高导热性材料如铝、铜及其合金等，焊接性会受激光所改变。c. 设备昂贵。
电子束焊接：（1. 能量传递与焊接原理）将高能电子束作为加工热源, 用高
能量密度的电子束轰击焊件接头处的金属 , 使其快速熔融 , 然后迅速冷却来焊接。
（2. 焊接工艺）功率密度、加速电压、电子束流、焊接速度、工作距离、聚
焦电流、真空条件影响焊缝成形。
（3. 优点）a. 能耗低，热影响区窄，焊接变形小。b. 焊速快，效率高。c. 高能
量密度，焊缝深宽比大。
（4. 缺点）a. 设备昂贵。b. 焊接质量受真空条件限制。c. 电子束易受磁场干扰。
二、在钎焊连接中，液态钎料会通过毛细作用进行填隙, 请根据杨氏方程阐述其
作用机理，并自行设计一种促进钎料润湿铺展的表面结构。
答: 杨氏方程推导并阐述作用机理。
b. 设计毛细结构。 根据杨氏方程的原理，固液、固气、液气三方面的作
用力影响钎料的润湿性。为促进钎料表面的润湿性，可从固液、固气方面着手。
1），保证钎料表面的平滑;
2), 毛细小孔很细，上升的液柱更高；
3）钎料本身温度平稳，熔点要高。
4）钎料与母材的界面反应是决定润湿性的本质因素，可使用Sn-Pb 等钎
料
三、等离子弧焊使用的是经过压缩后的钨极氩弧，请简述钨极氩弧和等离子弧两
种热源在焊接中产热机制的差异。目前焊接中使用的等离子弧的能量密度已达到
极限，请提出一种可继续提高等离子弧能量密度的方案。
答：（1. 差异）等离子弧焊：等离子弧焊是利用等离子弧作为热源的焊接方法。
气体由电弧加热产生离解，在高速通过水冷喷嘴时受到压缩，增大能量密度和离
解度，形成等离子弧。它的稳定性、发热量和温度都高于一般电弧，因而具有较
钨极氩弧：在钨极氩弧焊中，其热量是在极棒和工作物之间产生，
而将工作物边缘熔化且当焊道熔池凝固时必须清洁，接合在一起。
（2. 方案）答：①喷嘴直径；直径的大小直径影响到电弧的压缩程度从而影
响电弧的能量密度，因此在满足焊接要求的前提下尽量采用小直径的喷嘴；②离
子气的种类和流量：针对不同的焊接材料在离子气中适当加入其他气体可以改变
离子气的电离程度从而影响电弧能量的密度；在满足要求情况下适当地加大离子
气流量，能对等离子弧周围进行冷却，使等离子弧进一步压缩，能量密度得到进
一步增。
四、通常情况下，金属的扩散焊接需要高温及压力条件，依靠界面处微区塑性变
形及原子相互扩散获得金属键，实现可靠的连接，但纯金箔片却可在常温低温下
获得可靠接头。请阐述扩散焊接中的温度及压力的作用，并提出降低焊接温度及
其压力的方案。
答：定义：将焊件紧密贴合，在一定温度和压力下保持一段时间，使接触面之间
的原子相互扩散形成联接的焊接方法。
（1. 温度作用）焊接温度越高, 原子扩散越快焊接温度一般为材料熔点的
0.5~0.8倍。
（2. 压力作用）压力大能加快原子的扩散，更快的形成金属键。
（3. 方案） 在焊接前把金属材料置于真空中预加热, 消除表面氧化膜, 使金
属中含的硫渗出到硫层为l 个原子左右薄, 可阻止表面上氧炭的吸附, 焊接时不会
在金属内扩散, 其结果, 焊接温度将降低几百度。
五、焊接方面的论文（1500字左右）
激光与材料相互作用特点研究现状
摘要
作为能量源的激光束可以聚焦成很小的一个光斑，无需直接接触，即可与材
料发生相互作用。激光的性能不断提高，现在的激光具有各种不同的波长、功率
和脉冲宽度，这些参数的不同组合适用于各种不同的加工需要。本文旨在说明激
光与材料的相互作用原理与特点。
关键词 激光、材料、脉冲宽度、吸收特性
引言 （研究目的与意义 ） 焊接在现代工业生产中是应用最广、效率最高的连接技术之一已成为一种重要的材料加工工艺广泛应用于航空航天、船舶、兵器、汽车和核工业等领域的结构连接随着工程实践的不断发展特别是一些高性能飞行器的研制、大型结构的连接和新结构材料的应用对焊接工艺提出了更高要求同时焊接技术也不断地推陈出新激光和电子束这两种高能束焊接技术已在实际生产中得
到了迅速发展和应用。其中激光焊因其突出的优越性正逐渐成为高能束焊接的主流被认为是21世纪最具发展潜力的焊接方法之一（3）。
一、 激光与材料的相互作用基础
激光加工的物理基础是激光与物质的相互作用，是一个及其广泛的概念，既包括 复杂的微观量子过程，也包括激光作用与各种介质材料所发生的宏观现象（激光的反射、吸收、折射、衍射、干涉偏振、等等）(4)
二、激光与材料的相互作用特点
激光束投射在材料表面时，部分能量被反射，部分被吸收，部分被传递出去，具体情况取决于材料类型和激光波长。在到达材料表面的光能中，被材料吸收的那部分能量是对材料加工有用的。1,2光能以电子和原子的振动激发形式被吸收，并转化为热能，扩散至临近原子随着吸收的光子越来越多，材料温度不断升高，从而提高光能吸收的比例。(5)该过程可引发连锁反应，使温度在极短时间内（焊接中通常为一毫秒内）急剧升高。温度升高的速度取决于材料中能量吸收与能量消散之间的比例。光吸收长度是指光子能量被吸收导致光束强度降低至原来的1/e (37%)时光束播的距离。该距离内材料吸收能量转化的热能扩散距离为
L = [4Dt ]的1/2次方,
其中L 为扩散距离，D 为热扩散率，t 为激光的脉冲宽度。
如果热扩散距离远大于吸收长度，激光光斑处的温度升高将很有限。相反，如果扩散距离小于吸收深度，温度将急剧升高，导致材料熔化，甚至汽化。要达到预期的效果，无论是加热、软焊、焊接、钻孔、打标、切割还是微加工，工程师都必须选择合适的激光波长和脉冲宽度。当光吸收深度与热扩散距离相等时，可以达到一个临界值，可根据该值选择特定频率激光的脉冲宽度。
(1)
表一（特定频率激光的脉冲宽度）
利用准分子波长的激光进行微加工时，需要采用不同的脉冲宽度，以便使热扩散距离与吸收长度相等。脉冲宽度值（皮秒）仅供比较。
根据表一，248nm 波长激光时限制热扩散所需脉冲宽度的计算结果。由于各种金属的吸收深度接近，脉冲宽度的差异主要取决于扩散距离间的差异。例如，不锈钢与镍相比导热性较差，因此进行微加工时可以使用较长的脉冲宽度；另一方面，与镍相比，硅导热性更好，因此烧蚀时需要较短的脉冲宽度。
对于烧蚀来说，所用脉冲宽度必须小于所计算的临界值，但这样还不够。还必须保证脉冲具有足够的能量，以便每个脉冲都能加热足够体积的加工材料。对于一定的脉冲能量来说，随着脉冲时间的缩短，热量越来越被局限在激光光斑附近, 逐渐产生加热、熔化、烧蚀、最终达到汽化的效果。选定合适的波长后，就确定脉冲能量和脉冲宽度的组合，从而确定材料加工的类型。不同加工应用中常用的脉冲宽度和能量密度值。尽管激光与材料间的相互作用基本相似，但不同材料如金属、陶瓷、玻璃和塑料还各有不同的特点。
表二（所选金属、玻璃和塑料材料的吸收特性）(2)
激光无法透过金属材料，部分能量会被吸收和反射掉。金属吸收二氧化碳激光的能力较弱，激光波长越小，吸收率越高，能量传递效率也越高。尽管金属对二氧化碳激光的吸收较少，但只要能量密度很大，二氧化碳激光仍可有效用于金属的焊接和切割。
与金属相反，陶瓷和玻璃对各种波长的激光都能很好地吸收。但由于陶瓷的抗热冲击性能差、熔点高，因此加工难度比金属大。玻璃只能吸收一小部分的YAG 激光入射能，但由于玻璃导热性差，因而较易熔化。
(2)
表三（一些波长位于紫外线范围的激光在加工时能够打断聚合物材料中的化学键）
根据表三，一些波长位于紫外线范围的激光在加工时能够打断聚合物材料中的化学键。一些波长位于紫外线范围的激光能够打断塑料分子中特定的化学键，这为激光增添了一些新的用途。通过这些波长的激光，可以选择性地改变材料的表面性质。
结论与总结
1. 激光束投射在材料表面时，部分能量被反射，部分被吸收，部分被传
递出去，具体情况取决于材料类型和激光波长。
2. 温度升高的速度取决于材料中能量吸收与能量消散之间的比例。
3. 如果热扩散距离远大于吸收长度，激光光斑处的温度升高将很有限。
相反，如果扩散距离小于吸收深度，温度将急剧升高，导致材料熔化，
甚至汽化。要达到预期的效果，无论是加热、软焊、焊接、钻孔、打
标、切割还是微加工，工程师都必须选择合适的激光波长和脉冲宽度,
4. 由于各种金属的吸收深度接近，脉冲宽度的差异主要取决于扩散距离
间的差异。
5. 激光无法透过金属材料，部分能量会被吸收和反射掉; 与金属相反，陶瓷和玻璃对各种波长的激光都能很好地吸收。
6. 选定合适的波长后，就确定脉冲能量和脉冲宽度的组合，从而确定材料加工的类型。不同加工应用中常用的脉冲宽度和能量密度值。
。
1）《激光工业应用(Industrial Applications of Lasers) 》(New York City: Academic Press, 1997)
2) 《美国激光学会激光材料加工
(LIA Handbook of Laser Materials Processing) 》(Orlando, FL: Laser Institute of America, Magnolia Publishing, 2001)
3)Larrson, J K Laser welding application within the European automotive industry 【J 】.Welding Research Abroad ,2003,49(11);20-27.
4）百度百科,2014
5)Dahotre N B,Harimkar S P.Laser fabrication and matchinging of materials
[m].New York:Springer.2007.