内爆和柱壳条件下无氧铜的层裂特性

　第29卷　第2期

爆炸与冲击Vol.29,No.2 2009年3月

EXPLOSION AND SHOC K WAV ES Mar.,2009　

文章编号:100121455(2009)022*******内爆和柱壳条件下无氧铜的层裂特性

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李雪梅,汪小松,王鹏来,卢　敏,贾路峰(中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理国防科技重点实验室,四川绵阳621900)

摘要:利用任意反射面位移干涉系统(DISAR )激光测速技术,成功地获得了滑移内爆加载和柱壳结构条件下无氧铜的内表面(自由面)速度剖面,并对其层裂特性进行了初步分析。结果表明:(1)在固定炸药和改变无氧铜圆管壁厚条件下,层裂片厚度δ随着圆管壁厚h 的减小而增加;以圆管壁厚h 为参照进行归一化,则相对层裂片厚度(δ/h )随相对装药厚度(h e /h )的增大而增加,这种规律与以往对20钢的研究结果一致,但圆管发生层裂的临界条件,却显示出明显的材料相关性。(2)初步来看,无氧铜的层裂强度对结构的依赖性不明显,而与加载脉冲的幅值和宽度相关。(3)受无氧铜粘性和Taylor 波衰减的影响,无氧铜的层裂强度随管壁厚度的增加而略有降低;同时,材料分散性也对此有一定影响。

关键词:爆炸力学;层裂;DISAR ;无氧铜;自由面粒子速度;滑移内爆

中图分类号:O347.1;O347.3 国标学科代码:130?3520 文献标志码:A

1　引　言

层裂作为动态冲击领域金属材料最典型的动态断裂之一,它的形成主要是由于来自样品前、后界面的稀疏卸载波相互作用,导致样品某一区域产生较强的拉伸应力,使样品在此处被拉开。

动态冲击下金属材料的层裂当前已有很多研究。这些研究主要利用一维平板冲击实验,获得层裂样品的自由面粒子速度剖面和软回收样品,研究材料的层裂规律,并建立相应的层裂模型。然而,基于一维应变实验结果建立的各种层裂模型,在复杂应力和复杂构型情况下是否具有普适性,亟待有足够的实验数据进行模型检验和程序校核。

由于复杂应力和复杂构型下开展材料动态断裂研究的难度较大,迄今已有的文献报道相当有限,这些研究大多利用软回收样品开展后继显微分析获取层裂的定性规律[123],开展实时测量研究的很少[4]。 本文中利用激光干涉测速技术[5],测量无氧铜圆管在内聚爆轰驱动下的自由面粒子速度剖面,研究柱壳结构和内爆加载条件下无氧铜的层裂规律,为相关的物理建模以及数值仿真提供依据,并为进一步图1实验装置简图Fig.1Experimental configuration

开展复杂结构的损伤断裂研究奠定基础。

2　实验系统简介

图1给出了实验装置的基本结构,由炸药壳体、铜管、探针支架、薄

片过渡药层、雷管等组成。其中铜管采用无氧铜,外径为120mm ,高

200mm ,壁厚包括14、10、8mm 等3种。炸药壳体采用R H T 2901,厚

度为9mm ,紧贴在铜管外壁,两者间的间隙不大于0.06mm 。为实现

滑移爆轰,在装置顶端放置 138mm ×5mm 的过渡药片,材料为

R H T 2901,起爆点为药片中心。

实验采用DISA R [5]测量铜圆管的自由面(内表面)速度剖面。

DISAR 探头距圆管起爆端约90mm ,针对本实验的特殊要求,在传统设计下对DISAR 探头进行了新的设计,使该探头具有光路拐弯、长景 3

收稿日期:2007212206;修回日期:2008203231

作者简介:李雪梅(1975—　),女,硕士,助理研究员。

深的特点,可以更精细地测量柱壳的内表面速度剖面,同时又能实现较长时间的连续测量。DISAR 探头需要多个部件进行组装和对光,其尺寸较大,安装工艺较复杂,通过特殊设计的支架实现中心定位和光纤引出。

图2滑移爆轰时产物与圆管的相互作用Fig.2Interaction between the explosive and metal tube subjected to the sliding detonation

3　滑移爆轰作用下铜管内冲击参数估算

在图2中,设A B 为金属圆管中的冲击波阵面,

A C 为被压缩圆管的界面,A F 为爆轰波阵面,A E 为

自炸药2圆管界面发出的稀疏波波头。爆轰波以爆

速u C J 沿管轴向传播,产物膨胀角为θ,圆管内产生

的斜冲击波波速为u d ,波后粒子速度为u p ,压力为

p ,波阵面与轴向的夹角为α,斜冲击波作用后管壁

产生的变形角为β。

利用以下近似条件和基本关系,估算了圆管内的u d 、u p 、p 、

α、β等冲击参数:(1)爆轰波和冲击波在炸药2圆管界面上速度相等;(2)圆管界面A C 两侧的法向运动速度、压力相等;(3)爆轰波CJ 面基本守恒关系和圆管冲击波基本关系;(4)爆轰产物区普朗托2迈耶流的压力与转角β的关系;(5)无氧铜的Hugoniot 关系,u d =c 0+λu p 。

炸药R H T 2901的爆轰参数分别为:初始密度ρ0=1.684g/cm 3,多方指数κ=2.787,爆压p C J =

2710GPa ,爆速u C J =7.786km/s 。无氧铜的主要参数:ρ0=8.93g/cm 3,c 0=3.94km/s ,λ

=1.489。炸药R H T 2901滑移爆轰下无氧铜圆管内的冲击参数预估值分别为:α=36.4°,β=218°,u d =4.618km/s ,

u p =0.455km/s ,p =18.8GPa 。

因此,当不考虑内爆的汇聚效应时,滑移爆轰下无氧铜圆管内的冲击压力约为18.8GPa 。由管内冲击波倾角α和粒子速度u p ,按照自由面粒子速度2倍近似,可以估算出自由面粒子速度的径向分量

u rfs =2u p co s α=732.5m/s 。当然,若考虑冲击波的汇聚效应,则在铜管向内汇聚变形时,粒子速度、冲击

波速度和冲击压力将不断增大。

4　实验结果及分析

共进行了3发实验。3发实验中均采用9mm 厚的R H T 2901炸药,对应的无氧铜圆管壁厚分别为14、10、8mm 。从3发实验的结果来看,采用的新型DISAR 探头成功地获得了信噪比较好的信号。需要说明的是,DISAR 探头测量的是铜管自由面(内表面)速度的径向分量,为便于叙述,以下对此不做强调,统称为自由面粒子速度剖面。

4.1　自由面粒子速度剖面分析

图3给出了3发实验的自由面粒子速度剖面。由于DISA R 探头的特殊设计,其有效测量时间较长(11～15μs ),对应的自由面径向运动距离为7～10mm 。

图3用DISAR 测得的3发实验的自由面粒子速度剖面

Fig.3Free 2surface particle velocity profiles measured by DISAR for the three experiments

361　第2期 李雪梅等:内爆和柱壳条件下无氧铜的层裂特性

3发实验对应的自由面粒子速度峰值分别为729.2、730.7、748.0m/s,由第3节理论估算得出的初始自由面粒子速度径向分量为732.5m/s,实测值与理论估算值基本相符,分别相差015%、0.2%、2.1%。同时,实验1和实验2的速度峰值比实验3的略低,这与无氧铜的粘性有关,即峰值压力随管壁厚度增加而衰减有关;材料的分散性以及实验测量误差也对此有一定影响。

由速度剖面可以看出,3发实验的自由面粒子速度剖面均表现出明显的层裂振荡,14、10、8mm等3种厚度的铜管均发生了层裂;层裂片内的残余应力波在接下来的几微秒内来回振荡并逐渐衰减,表现出典型的三角波加载特性。不过,在最长达15μs的测试时间内,自由面粒子速度在经历了层裂振荡后没有出现后期加速现象[4]。原因主要有2点:(1)圆管内聚收缩时冲击波的汇聚效应将导致粒子速度不断增加,但在圆管收缩的初期,这种汇聚效应并不明显;(2)由于炸药层较薄(9mm),加之没有外壳约束,爆轰产物稀疏波很快传入圆管内,这成为影响粒子速度变化的主导因素,导致圆管内的粒子速度随时间增加而逐渐降低。

4.2　层裂初步分析

由于DISAR探头空间位置固定,只能探测到固定方向的速度分量;因此,在滑移内爆驱动铜圆管发生折转变形的过程中,探头对准的径向测量点在不同的时刻对应于不同的运动质点。严格来讲,必须对测量波形进行复杂的修正,才能准确获得内爆铜管的真实层裂波形。鉴于圆管发生的折转角很小(β≈2.8°),加之本文中关注的层裂信号重点只在自由面运动后约2μs,对应的圆管径向位移仅约1mm。因此,这里忽略铜管自由面上相邻质点的径向速度差异,将实验测得的自由面粒子速度波形近似地视为同一质点的运动历史,并借用一维平板冲击实验处理方法,对铜管层裂的相关参数进行初步估算。

层裂强度可以按照声学近似进行估算:σs=ρ0c lΔu/2,其中ρ0为密度,c l为弹性纵波声速,回拉速度Δu=u

max-u min,u max和u min分别为实测波剖面上速度最大值和第1个速度最小值。由于实验测量的是自由面粒子速度的径向分量,这里进行简单修正,以得到回拉速度的全量Δu′=(u max-u min)/cosα,α为斜冲击波倾角(见图2)。因此σs=ρ0c l(u max-u min)/(2co sα)。层裂片厚度δ=Δtc l/2,其中Δt为层裂振荡周期。

由于自由面粒子速度波形上层裂振荡周期不明显,速度剖面在经历了速度回拉以后的第1个周期回跳幅度很低,约20m/s,此后速度逐渐振荡衰减。因此,对层裂振荡周期Δt的判读存在一定的误差,由此计算的层裂片厚度也存在一定的近似。

同样,按照声学近似可以估算层裂对应的拉伸应变率

ε≈u max-u min

t max-t min

1 2c b

式中:t max和t min为速度剖面上u max和u min对应的时刻,c b为体波声速。

表1对铜管的层裂参数进行了汇总,其中h e为炸药厚度,h为圆管壁厚。

表1层裂数据汇总

T able1Summery for experimental sp all d ata of cylindrical OFH C copper

实验编号h e/mm h/mm u max/(m/s)Δu/(m/s)Δt/μsσs/GPaδ/mm

ε/s-1 1914729.272.00.86 1.90 2.05(1.2～1.4)×104

2910730.778.30.73 2.07 1.73(1.2～1.4)×104

398748.090.50.63 2.39 1.48(1.2～1.4)×104

由于3发实验采用的炸药类型和炸药厚度均相同,因此,他们对应的拉伸应变率基本相同,为(1.2～1.4)×104s-1。

为便于分析,这里定义相对装药厚度h′e为绝对装药厚度h e与圆管壁厚h之比,即h′e=h e/h。当固定装药厚度h e时,不同的圆管壁厚h对应于不同的相对装药厚度h′e,3发实验对应的h′e分别为01643、0.900和1.125。

由表1可知,3发实验对应的层裂片厚度δ分别为2.05、1.73、1.48mm。这里引入相对层裂片厚461爆 炸 与 冲 击 第29卷　

图4层裂片厚度与装药厚度关系

Fig.4Relation between the thicknesses of spall scabs and high explosive

度δ′,定义δ′=δ/h =δh ′e /h e ,则3发实验对应的

δ′分别为0.146、0.173、0.185。δ′随着h ′e 的增大而

增大。这与内爆钢管层裂规律基本一致[3],见图4。

在文献[3]中,固定圆管厚度,层裂片厚度随装药厚

度的增加而增加;然而,当h e 增加到与h 相当,即

h ′e ≈1.0时,由于最大拉应力区已不在管壁内,钢管

不再发生层裂。本文实验条件下,实验3的h ′e 已超

过1.0,却仍然发生明显的层裂;可以预计,当固定

装药时,即使将铜管壁厚h 继续减小(h ′e >1.0后,

继续增大),在一定壁厚范围内铜管仍然会产生层裂。由此看来,内爆加载下圆管发生层裂的临界条件具有明显的材料相关性,主要与材料的声速相关。无氧铜的声速比20钢的声速小,所以,当h ′e >1.0

时,铜管内壁反射的卸载波仍然在管壁内与来自产物的稀疏波相交,形成拉应力区。因此,本文实验条件下要获得铜圆管不层裂的临界条件,尚需开展更薄管壁条件下的实验研究。

实际上,除自由面速度测量外,还同时开展了高能X 光闪光照相测量以获得层裂片的瞬时厚度。3发实验中,由X 光照相获得的层裂片厚度分别为1.48、1.26、1.19mm ,约为自由面速度测量结果的72%～80%。这说明由自由面速度剖面确定层裂片厚度存在一定误差。考虑到X 光照相的分辨率有限,加之速度测量自身的误差,2种方法所得结果的实际差异有望降低。由于介绍X 光照相结果需要占用较大的篇幅,对此部分内容,将另外撰文进行介绍。

根据表1,3发实验的层裂强度分别为1.90、2.07、2.39GPa 。层裂强度随无氧铜圆管壁的减薄而略有增加。这种规律与自由面粒子速度峰值随铜管壁厚的变化关系一致,一定程度上反映了无氧铜内冲击波强度随传播距离增加而降低的粘性特性;同时材料分散性以及实验测量误差也对此有一定影响。 另外,文献[6]中采用平板冲击方法得到8GPa 三角波加载下无氧铜的层裂强度为2.04GPa ,比本文8mm 壁厚下的结果略低;而在文献[4]中,无氧铜半球在PBX 29501高能炸药内爆驱动下,与起爆点

夹角50°

(近似滑移态)处对应的层裂强度为2.7GPa ,比本文采用R H T 2901炸药获得的结果略高。初步来看,无氧铜的层裂强度对结构的依赖性不明显,而与加载脉冲的幅值和宽度有关。由于内爆相当复杂,已有的层裂数据又十分有限,因此,需要开展进一步的实验,并结合速度剖面测量以外的其他手段(如损伤分析),以获得复杂结构和复杂应力对材料层裂特性影响的规律性认识。

5　结束语

利用DISAR 激光测速技术,获得了滑移内聚爆轰加载下无氧铜圆管层裂的自由面粒子速度剖面,初步分析了柱壳结构和滑移内爆条件下无氧铜的层裂特性。其结果为进一步将层裂研究拓展到复杂应力和复杂构型奠定了基础。研究表明:(1)在固定炸药(类型和厚度)和改变无氧铜圆管壁厚h 条件下,层裂片厚度δ随圆管壁厚h 的减小而增加;以圆管壁厚h 为参照进行归一化,则相对层裂片厚度(δ/h )随相对装药厚度(h e /h )的增大而增加。这种规律与对20钢的研究结果是一致的,但圆管发生层裂的临界条件,却显示出明显的材料相关性。(2)无氧铜的层裂强度随管壁厚度的增加而略有降低,这一方面与Taylor 波衰减和无氧铜的粘性有关,同时,材料分散性和实验测量误差也对此有一定影响。(3)初步来看,无氧铜的层裂强度对结构的依赖性不明显,而与加载脉冲的幅值和宽度相关。

由于滑移内爆很复杂,本文中对层裂速度剖面的分析还不够。结合铜管的动态损伤图像进行分析将有助于对速度剖面的解读。限于篇幅,这部分内容将另外撰文论述。

本工作得到谷岩、贺红亮、胡八一、王翔、翁继东等的大力支持和帮助,在此深表感谢。

561　第2期 李雪梅等:内爆和柱壳条件下无氧铜的层裂特性

661爆 炸 与 冲 击 第29卷　参考文献:

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Spall of cylindrical copper by converging sliding detonation

L I Xue2mei3,WAN G Xiao2song,WAN G Peng2lai,L U Min,J IA L u2feng (N ational Key L aboratory of S hock W ave an d Detonation Physics,I nstit ute of Fl ui d Physics, Chi na A cadem y of Engi neeri ng Physics,M i any ang621900,S ichuan,Chi na)

Abstract:The dynamic tensile f ract ure of cylindrical O F HC copper subjected to converging waves in2 duced by sliding detonation was experimentally investigated.The inner surface(or free2surface)veloc2 ity profiles were measured by t he displacement interferometer system for any reflector(DISAR).A2 nalysis to velocity p rofiles gives some light s on t he spalling characteristics of copper.Firstly,if t he t hicknessδof t he spall scab and t he high explosive(H E)t hickness h e are bot h divided by t he wall t hickness h of OF HC copper,it follows t hat t he relative t hicknessδ/h of t he spall scab increases wit h t he relative H E t hickness h e/h.This accords wit h t he research result s of t he steel cylindrical shell un2 der t he similar loading,however,t he critical value of h e/h for shell spalling is dependent on it s mate2 rial.Secondly,by comparing wit h ot her literat ures,it can be seen elementarily t hat t he spall st rengt h of O F HC copper depends weakly on t he geometric st ruct ure but mainly on t he p ressure and duration of impact https://www.wendangku.net/doc/2218382775.html,stly,t he spall strengt h of O F HC copper is slightly lowered when it s t hickness increases,where material viscosity and Taylor t riangular wave attenuation bot h cont ribute,also t he dispersion of material.

K ey w ords:mechanics of explosion;spall;DISA R;OF HC copper;free2surface velocity;converging sliding detonation

　3　Corresponding author:L I Xue2mei

E2mail address:lxm023@https://www.wendangku.net/doc/2218382775.html,

Telephone:86281622485107

(责任编辑　张凌云)

激光技术在现代制造业中的应用

激光技术在现代制造业中的应用

激光技术在现代制造业中的应用 激光：激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是"通过受激发射光扩大"。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。 激光加工技术的原理和特点：激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工以及做为光源，识别物体等的一门技术，传统应用最大的领域为激光加工技术。激光束作为一种特种加工能源(热源)，和传统的加工用热源相比，具有一系列特点〔“〕。激光束易于传输，其时间特征和空间分布容易控制;经过聚焦后，可以得到细的光斑，具有极高的功率密度;可以加热熔化以至汽化任何材料，可以局部区域的精细的快速加工;加工过程输入工件的热量小，热影响区和热变形小;加工效率高;容易实现自动化。激光加工有热加工[3]和“冷加工”两种。现在大量用于激光加工的COZ和YAG激光为红外光，它们辐射在金属或非金属工件上，基于热效应，使工件升温、熔化或汽化，以完成各种加工，称其为热加工。准分子激光激光器输出紫外光，它有可有对聚合物等非金属材料进行基于化学作用的剥蚀加工，这种“冷加工”技术正在开发，并有可能在电子工业中得到较大程度的应用。但是，激光加工的主流还是基于热效应的加工。 1激光在切割方面的应用 激光切割是利用激光束聚焦形成高功率密度的光斑照射工件,材料吸收光能,温度急剧升高,将材料快速加热至熔化或气化温度,再用喷射气体吹化,以此分割材料。在这一过程中,当激光照射工件表面时,一部分光被工件吸收,另一部分光被工件反射。吸收部分转化为热能,使工件表面温度急剧升高,材料熔化或气化,同时,产生黑洞效应,使材料对光的吸收率提高,迅速加热熔化或气化切割区材料。此时吹氧可以助燃,并提供大量的热能,使切割速度提高等。切割宜用连续输出激光器。激光切割是激光加工应用最广泛的一项技术。它有很多特点:激光可切割特硬、特脆及特软材料、高熔点的难加工材料;切缝宽度很窄;切割表面光洁;切割表面热影响层浅,表面应力小;切割速度快,热影响区小;无机械变形、无刀具磨损,容易实现自动化生产。适合加工板材。在工业机械生产制造中,激光技术国家实验室和武汉法利莱联合研制的W AL C4020宽幅面数控激光切割机可以达到上述要求,除此之外,它还有直线电动机驱动、专有光束质量调整系统、自动聚焦、打孔切割双流量控制系统等结构,这些技术的创新使W AL C4020宽幅面数控激光切割机的切割技术性能超过同类产品,达到国际先进水平。 2激光在焊接方面的应用 激光焊接是把激光聚焦成很细的高能量密度光束照射到工件上,使工件受热熔化,然后冷却使工件得到焊接。激光焊结熔深大,速度快,效率高;激光焊烧区窄,热影响区很小,工件变形也很小,同时,焊缝小,可实现精密焊接;焊接结构均匀,品粒很小,气孔少,夹杂缺陷少,在机械性能、抗蚀性能和电磁学性能上优于常规焊接方法。目前,激光深熔焊接在粉末冶金材料加工领域中的应用也越来越多。激光焊接能量密度高,对高熔点、高导热率和物理特性相差很大的金属焊接特别有利。目前,汽车行业将不同材质的薄钢板实施激光拼接焊后冲压成型,激光拼接焊取代了电焊。同时,通过光纤传输的多路激光束进行多点或多组件焊接越来越普及。在远离装配区的位置装置一台中心激光器(Y AG),激光器产生的光束经由一根柔性的

10级激光加工试卷及答案

一、单项选择题（30分） 1.世界上首台激光器的发明人是（ D ） D.梅曼 2.激光从一种介质传播到折射率不同的另一种介质时，在介质之间的界面上将出现（C ） C.反射与折射 3.激光可以加工的材料有（ C ） C.很多种金属、非金属 4.激光标记的加工方式是（ B ） B.非接触加工 5.扫描法打标的控制方法是（ A ）A.计算机控制 6.激光焊接时，焊接部件（ B ） B.局部达到熔点 7.激光焊接时，脉宽参数的含义是（D ） D.激光作用的时间 8.世界上第一台激光器属于（A ）A.固体激光器 9.Y AG激光的波长是（ A ）A.1064nm 10.我国首台激光器诞生在（ B ）B.长春光机所 11.焊接薄材料时，聚焦位置处于（ B ）B.正离焦 12.激光切割对激光模式的要求是（C ） C.好 13.要求大的焊接熔深时，聚焦位置处于（ C ） C.负离焦 14.激光切割的温度在（C ） C.汽化点以上 15.激光对物体的作用主要表现在物体对激光的（ C ） C.吸收 16.原子从高能级跳跃到低能级的过程称为（ B ）B.跃迁 17.CO2激光的波长是（ B ）B.10.6μm 18.驱动激光扫描头振镜的电机有（B ）B.2个 19.我国发明的首台激光器是（ A ）A.红宝石激光器 20.下列说法正确的是（A ）A.基态能级寿命高于激发态能级寿命 21.激光焊接时的焦点位置一般不处于（A ）A.焦点上 22.在激光介质中，低能级上的粒子数n1和高能级上的粒子数n2的关系为 （ D ） D.不一定 23.光放大的本质是（ D ） D.受激辐射 24.所谓“全同光子”是D.能量、相位、传播方向、偏振态都相同的光子 25.总体来说，气体激光器的方向性与固体激光器的方向性相比B.要好 26.对于加工金属材料来说，激光波长（A ）A.要依材料而定 27.射频激励CO2激光器的能量转换效率与灯泵Y AG激光器相比A.要高 28.激光加工机中的扩束系统一般采用（ C ）C.倒置的伽利略望远系统 29.激光打标具体效应中用得最少的是（B ）B.目视反差 30.现阶段用得最多的激光打标方法是（ A ）A.点阵式 二、多项选择题（20分） 31.激光加工中心采用调Q技术的设备有（AB ）

激光在材料加工中的应用

激光技术在材料制备与加工中的应用 激光技术发展概述 激光最大的应用领域之一就是材料加工，，主要是1kW级到10kW级CO2激光器和百瓦到千瓦级YAG激光器实现对各种材料的切割、焊接、打孔、刻划和热处理及微加工等，激光器已成为一种不可缺少的工业工具，CO2、Nd：YAG和准分子激光器是当前用于材料加工的三种主要激光器。半导体激光技术的迅速发展使得二极管激光器、二极管泵浦全固态激光器、光纤激光器和超短脉冲激光器在工业应用中有了光明的前景。除了材料加工外，医用激光器是国外第二大应用。激材料加工用激光器常采用气体激光器和固体激光器两类，如表1所示。 表 1用于材料加工的激光光束的基本特征 类别激光名称波长光子能量能量范围激活介质工作方式 气体激光器CO2激光器10.6μm0.117ev 1~105W CO2连续、脉冲XeCl激光器308μm 4.03ev 1~102W XeCl 脉冲XeF激光器351μm 3.53ev 1~102W XeF 脉冲ArF激光器193μm 6.42ev 1~102W ArF 脉冲KrF激光器248μm 5.00ev 1~102W KrF 脉冲 固体激光器YAG激光器 1.06μm 1.17ev 1~103W Nd3+连续、脉冲激光是一种亮度高、方向性好、单色性好的相干光。由于激光发散角小和单色性好，理论上可通过一系列装置把激光聚焦成直径与光的波长相近的极小光斑，在焦点处达到很高的能量密度（焦点处的功率密度可达107~1011w/cm2），其光热效应产生极高的高温，在此温度下任何坚硬或难加工的材料都将瞬时急剧熔化和气化，并产生强烈的冲击波，使熔化的物质爆炸式地喷射出去。激光加工是将激光束照射到工件的表面，利用激光束与物质相互作用的特性，以激光的高能量来切除、熔化材料以及改变物体表面性能，实现对材料的切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一系列的加工，是一门涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的综合技术。与传统加工方法相比，采用激光加工具有如下特点： （1）激光加工为无接触加工，且激光束的能量高及移动速度可调，工艺集成性好，同一台机床可完成切割、打孔、焊接、表面处理等多种加工； （2）适应性强，激光可对多种金属、非金属材料进行加工，特别是高硬度、高熔点、高强度及脆性材料； （3）激光加工过程中激光头与工件表面不接触，不存在加工工具磨损问题，工件不受应力，所以激光加工的速度极快、加工对象受热影响的范围较小而且不会产生噪音，还可以通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工； （4）激光束易于导向、聚焦实现各方向的变换，极易与数控系统配合对复杂工件进行加工，实现加工的高度自动化和达到很高的加工精度，是一种极为灵活的加工方法；（5）激光束的发散角可小于1毫弧，光斑直径可小到微米量级，作用时间可以短到纳秒和皮秒，同时大功率激光器的连续输出功率又可达千瓦至十千瓦量级，因而激光既适于精密微细加工，又适于大型材料加工。 （6）加工效率高，加工质量好、精度高，经济效益好，可降低材料的加工费用。

材料力学大作业-组合截面几何性质计算

Harbin Institute of Technology 材料力学电算大作业 课程名称：材料力学 设计题目：组合截面几何性质计算 作者院系： 作者班级： 作者姓名： 作者学号： 指导教师： 完成时间：

一、软件主要功能 X4，X5，X6分别是n1个圆形截面，n2个圆环形截面，n3个矩形截面的形心位置X与面积的乘积 Y4，Y5，Y6分别是n1个圆形截面，n2个圆环形截面，n3个矩形截面的形心位置Y与面积的乘积 Xc,Yc是总截面的形心坐标 Ix1,Ix2,Ix3分别是n1个圆形截面，n2个圆环形截面，n3个矩形截面对通过形心且与x轴平行的轴的惯性矩 Iy1,Iy2,Iy3分别是n1个圆形截面，n2个圆环形截面，n3个矩形截面对通过形心且与y轴平行的轴的惯性矩 Ixy1,Ixy2,Ixy3分别是n1个圆形截面，n2个圆环形截面，n3个矩形截面对通过形心且与x,y轴平行的两轴的惯性积 a是通过形心的主轴与x轴的夹角 Imax,Imin分别是截面对形心主轴的主惯性矩 软件截图： 二、程序源代码 Dim n1 As Double Dim d1(10) As Double Dim X1(10) As Double Dim Y1(10) As Double Dim n2 As Double Dim d2(10) As Double

Dim d3(10) As Double Dim X2(10) As Double Dim Y2(10) As Double Dim n3 As Double Dim h(10) As Double Dim d(10) As Double Dim X3(10) As Double Dim Y3(10) As Double Dim S1 As Double, S2 As Double, S3 As Double Dim X4 As Double, Y4 As Double, X5 As Double, Y5 As Double, X6 As Double, Y6 As Double Dim Xc As Double, Yc As Double Dim Ix1 As Double, Iy1 As Double, Ix2 As Double, Iy2 As Double, Ix3 As Double, Iy3 As Double, Imax As Double, Imin As Double Dim Ixy1 As Double, Ixy2 As Double, Ixy3 As Double Dim a As Double Private Sub Text1_Change() n1 = Val(Text1.Text) For i = 1 To n1 d1(i) = Val(InputBox("输入第" & (i) & "个圆的直径")) X1(i) = Val(InputBox("输入第" & (i) & "个圆的圆心的x坐标值")) Y1(i) = Val(InputBox("输入第" & (i) & "个圆的圆心的y坐标值")) Next i For i = 1 To n1 S1 = S1 + 3.14159 * d1(i) * d1(i) / 4 X4 = X4 + X1(i) * 3.14159 * d1(i) * d1(i) / 4 Y4 = Y4 + Y1(i) * 3.14159 * d1(i) * d1(i) / 4 Next i End Sub Private Sub Text2_Change() n2 = Val(Text2.Text) For i = 1 To n2 d2(i) = Val(InputBox("输入第" & (i) & "个圆环的外径")) d3(i) = Val(InputBox("输入第" & (i) & "个圆环的内径")) X2(i) = Val(InputBox("输入第" & (i) & "个圆的圆心的x坐标值")) Y2(i) = Val(InputBox("输入第" & (i) & "个圆的圆心的y坐标值")) Next i For i = 1 To n2 S2 = S2 + 3.14159 * (d2(i) * d2(i) - d3(i) * d3(i)) / 4 X5 = X5 + X2(i) * 3.14159 * (d2(i) * d2(i) - d3(i) * d3(i)) / 4 Y5 = Y5 + Y2(i) * 3.14159 * (d2(i) * d2(i) - d3(i) * d3(i)) / 4 Next i End Sub Private Sub Text3_Change()

人教版物理高二选修2-3 4.4激光的应用同步训练

人教版物理高二选修2-3 4.4激光的应用同步训练 姓名:________ 班级:________ 成绩:________ 一、选择题 (共15题；共30分) 1. （2分）关于激光的应用，下列说法不正确的是（） A . 利用激光不能进行通讯 B . 利用激光进行远距离精确测量 C . .利用激光焊接剥落的视网膜 D . 利用激光加工坚硬材料 【考点】 2. （2分）下列说法中正确的是（） A . 所有物体都能发射红外线 B . 光的偏振现象说明光是一种纵波 C . 用激光读取光盘上记录的信息是利用激光相干性好的特点 D . 当观察者向静止的声源运动时，接收到的声音频率小于声源发出的频率 【考点】 3. （2分）以下说法正确的是（） A . 光的偏振现象说明光是纵波 B . 根据麦克斯韦电磁场理论，变化的电场周围一定产生变化的磁场 C . 狭义相对论两个基本假设之一是：在不同惯性参考系中，一切物理规律都是一样的

D . 奥斯特通过实验发现了在磁场中产生电流的条件 【考点】 4. （2分）下列哪项内容不是利用激光平行度好的特点（） A . 精确测距 B . 精确测速 C . 读取高密光盘 D . 焊接金属 【考点】 5. （2分）下列应用激光的事例中错误的是（） A . 利用激光进行长距离精确测量 B . 利用激光进行通信 C . 利用激光进行室内照明 D . 利用激光加工坚硬材料 【考点】 6. （2分）激光是人工产生的相干光，其具有单色性好、平行度好、亮度高、方向性好等特性，以下关于激光不正确的是（） A . 激光的频率比X射线的频率还高 B . 利用激光进行长距离精确测量 C . 利用激光进行通信

《材料力学》i 截面的几何性质 习题解

附录I 截面的几何性质 习题解 [习题I-1] 试求图示各截面的阴影线面积对x 轴的静积。 （a ） 解：)(24000)1020()2040(3 mm y A S c x =+??=?= （b ） 解：)(422502 65 )6520(3mm y A S c x =? ?=?= ； （c ） 解：)(280000)10150()20100(3 mm y A S c x =-??=?= （d ） 解：)(520000)20150()40100(3 mm y A S c x =-??=?= [习题I-2] 试积分方法求图示半圆形截面对x 轴的静矩，并确定其形心的坐标。 解：用两条半径线和两个同心圆截出一微分面积如图所示。 dx xd dA ?=)(θ；微分面积的纵坐标：θsin x y =；微分面积对x 轴的静矩为： θθθθθdxd x x dx xd y dx xd y dA dS x ?=??=??=?=sin sin )(2 半圆对x 轴的静矩为： '

3 2)]0cos (cos [3]cos []3[sin 3300300 2 r r x d dx x S r r x = --?=-?=?=?? πθθθπ π 因为c x y A S ?=，所以c y r r ??=232132π π 34r y c = [习题I-3] 试确定图示各图形的形心位置。 （a ） 解： 习题I-3(a): 求门形截面的形心位置 矩形 Li — Bi Ai Yci AiYci Yc 离顶边 上 400 20 8000 ￥ 160 1280000 左 150 20 3000 75 225000 ? 右 150 20 3000 75 225000 … 14000 1730000 Ai=Li*Bi Yc=∑AiYci/∑Ai > (b) 解： 习题I-3(b): 求L 形截面的形心位置 矩形 Li Bi Ai Yci ( AiYci Yc Xci AiXci Xc 下 160 10 1600 5 … 8000 80 128000

工程材料的激光加工

激光加工技术 1）CO2和Nd:YAG激光器。 激光器 1.Nd:YAG激光器 N d:Y A G激光器的激光工作物质为固态的N d:Y A G棒，其激光波长为1.06μm。由于该种激光器的激光转换效率较低，同时受到Y A G棒体积和导热率的限制，其激光输出平均功率不高。但由于N d:Y A G激光器可以通过开关压缩激光输出的脉冲宽度，在以脉冲方式工作时可获得很高的峰值功率（108W），适用于需要高峰值功率的激光加工应用；N d:Y A G 激光器另一大优点是可以通过光纤传输，避免了复杂传输光路的设计制作。 2.CO2激光器 C O2激光器的激光工作物质为C O2混合气体，其主要应用的激光波长为10.6μm。由于该种激光器的激光转换效率较高，同时激光器工作产生的热量可以通过对流或扩散迅速传递到激光增益区之外，其激光输出平均功率可以做到很高的水平，满足大功率激光加工的要求。国外用于激光加工的大功率C O2激光器，主要是横流、轴流激光器。横流激光器的光束质量不太好，为多模输出，主要用于热处理和焊接；轴流激光器的光束质量较好，为基模或准基模输出，主要用于激光切割和焊接。 由于CO2和Nd:YAG激光器具有巨大的功率输出，能够通过热积累效应使得大量热能沉积在辐照区域导致材料熔融、蒸发、去除。用这种激光作用到加工材料上时，由于光波产生的电磁场与材料要相互作用，光能可以转化为热能并进一步转化为化学热、机械能，因此材料的被加工区域通常会发生升温、熔化、汽化、等离子化等多种物理或化学变化，所以可以被广泛用于切割、打孔、焊接、淬火和切削加工等机械制造领域。 激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，已成为企业实行适时生产的关键技术，为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。目前已成熟的激光加工技术包括：激光切割技术、激光焊接技术、激光热处理和表面处理技术、激光快速成形技术、激光打孔技术、激光打标技术、、激光蚀刻技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清洗技术等。 激光切割 激光切割是利用激光束聚焦形成高功率密度的光斑照射工件,材料吸收光能,温度急剧升高,将材料快速加热至熔化或气化温度,再用喷射气体吹化,以此分割材料。在这一过程中,当激光照射工件表面时,一部分光被工件吸收,另一部分光被工件反射。吸收部分转化为热能,使工件表面温度急剧升高,材料熔化或气化,同时,产生黑洞效应,使材料对光的吸收率提高,迅速加热熔化或气化切割区材料。此时吹氧可以助燃,并提供大量的热能,使切割速度提高等。切割宜用连续输出激光器。特点:激光可切割特硬、特脆及特软材料、高熔点的难加工材料;切缝宽度很窄; 切割表面光洁; 切割表面热影响层浅,表面应力小; 切割速度快,热影响区小; 无机械变

材料切割应用——激光选型

激光切割 固体JK Nd: YAG激光器和JK光纤激光器可用于切割金属，陶瓷，塑料和石墨复合材料。eCO2 激光器可用于薄金属，纸张，木材，塑料，纺织品，及其他非金属切割设备。 激光切割的主要好处是： ● 可用于多种材料和厚度 ● 狭窄的切口宽度 ● 速度快 ● 重复性好 ● 可靠性高 ● 容易实现自动化，可编程 ● 转换灵活 ● 降低工装夹具成本，减少设置启动时间 ● 无接触加工（无工具磨损，材料变形最小) ● 加工手段灵活多样（同一工具可用于激光钻孔和激光焊接) ● 可以实现高度的光束操作（真正的3D切割) 激光切割 切割要求激光束通过透镜聚焦在一个小的焦点，对于精细切割通常焦点直径为25-100um，较重点 厚的材料切割焦点在100um到300um范围内。，既 保持光学元件的清洁，又从切口吹走被液化或汽化的材料来提高切割质量和速度。像氧气和 空气这样的气体用于提高铁合金和纤维素材料的切割。空气往往用于塑料和纤维材料。高压 何时选用光纤激光器？ 光纤激光器光束质量适用于精细切割。在切割厚度<200um的金属时，切口宽度少于20um。在 这样精细的切口处，以这样精细的切缝，很多材料包括金属，陶瓷，和硅这样的半导体切割 速度达到10m/min，。由于采用高频调节并且激光响应速度快，精细切割时的速度快，精确度 高，可重复性好。 何时选用脉冲ND:YAG激光器？ 脉冲YAG激光器用于中等厚度或很厚的材料切割。高功率的脉冲JK激光器的切口宽度可低至 100um，切割厚度大于25mm。脉冲YAG激光器能够进行高精度切割，因为这些激光器具有高 峰值功率和低平均功率，能有效地使材料气化，并且使发热量小。厚度低于1mm的材料切割 精度可高达10um，更厚的材料切割精度也可以到25um。 什么情况下用该考选择连续波（CW）ND:YAG激光器？ 在Nd:YAG激光器上使用光纤传输的好处 对于切口为20-80um的精细切割，大部分工作都要求激光束通过光学镜头传输。切口宽度为 80-400um时可以采用光纤传输。特别的光纤传输焦距头含有同轴气嘴，甚至还有自动聚焦控

激光在生活中的应用

激光在生活中的应用 摘要：本文介绍了几种激光的发展以及现阶段达到的成果等，以及在生活中的应用，如在医学生的应用、工业上的应用、在军事上的应用等。 关键词:激光焊接激光切割激光打孔加工微型仪器激光玻璃激光传感器激光冷却激光美容激光去除面部黑痣激光除皱激光切除肿瘤激光雷达激光测距仪激光制导激光侦察对抗激光武器 大家对于激光这个词并不陌生。激光唱机、激光视盘所提供的听觉享受，全息照片给与我们的三维视觉效果，以及“死光”武器、星球大战计划都是人们津津乐道的话题。但激光到底是什么东西？它是怎样产生的？它又有什么样的性质?这恐怕就没有多少人了解了。下面，我们一起来全面的了解一下激光。 一：什么是激光 激光镭射最初的中文名叫做“雷射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是“通过受激辐射光扩大”。激光镭射的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程，激光的原理早在1916年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激辐射”改称“激光”。 二：激光的基本特性： 1. 受激吸收（简称吸收）

处于较低能级的粒子在受到外界的激发（即与其他的粒子发生了有能量交换的相互作用，如与光子发生非弹性碰撞），吸收了能量时，跃迁到与此能量相对应的较高能级。这种跃迁称为受激吸收。 2. 自发辐射 粒子受到激发而进入的激发态，不是粒子的稳定状态，如存在着可以接纳粒子的较低能级，即使没有外界作用，粒子也有一定的概率，自发地从高能级激发态（E2）向低能级基态（E1）跃迁，同时辐射出能量为（E2-E1）的光子，光子频率ν=（E2-E1）/h。这种辐射过程称为自发辐射。 3. 受激辐射、激光 1917年爱因斯坦从理论上指出：除自发辐射外， 处于高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。他指出当频率为ν=（E2-E1）/h的光子入射时，也会引发粒子以一定的概率。 4、定向发光 普通光源是向四面八方发光。要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜，使辐射光汇集起来向一个方向射出。激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将覆盖整个月球。天文学家相信，外星人或许正使用闪烁的激光作为一种宇宙灯塔来尝试与地球进行联系。 5、亮度极高 在激光发明前，人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高，与太阳的亮度不相上下，而红宝石激光器的激光亮度，能超过氙灯的几百亿倍。因为激光的亮度极高，所以能够照亮远距离的物体。红宝石激光器发射的光束在月球上产生的照度约为0.02勒克斯（光照度的单位），颜色鲜红，激光光斑肉眼可见。若用功率最强的探照灯照射月球，产生的照度只有约一万亿分之一勒克斯，人眼根本无法察觉。激光亮度极高的主要原因是定向发光。大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度自然极高。激光的亮度与阳光之间的比值是百万级的，而且它是人类创造的。 6、颜色极纯 光的颜色由光的波长（或频率）决定。一定的波长对应一定的颜色。太阳辐射出的可见光段的波长分布范围约在0.76微米至0.4微米之间，对应的颜色从红色到紫色共7种颜色，所以太阳光谈不上单色性。发射单种颜色光的光源称为单色光源，它发射的光波波长单一。比如氪灯、氦灯、氖灯、氢灯等都是单色光源，只发射某一种颜色的光。单色光源的光波波长虽然单一，但仍有一定的分布范围。如氖灯只发射红光，单色性很好，被誉为单色性之冠，波长分布的范围仍有0.00001纳米，因此氖灯发出的红光，若仔细辨认仍包含有几十种红色。由此可见，光辐射的波长分布区间越窄，单色性越好。 7、能量极大 光子的能量是用E=hv来计算的，其中h为普朗克常量，v为频率。由此可知，频率越高，能量越高。激光频率范围3.846×10^（14）Hz到7.895×10^（14）Hz。

材料力学截面的几何性质答案

~ 15-1(I-8) 试求图示三角形截面对通过顶点A并平行于底边BC的轴的惯性矩。 解：已知三角形截面对以BC边为轴的惯性矩是，利用平行轴定理，可求得截面对形心轴的惯性矩 所以 再次应用平行轴定理，得 返回 ) 15-2(I-9) 试求图示的半圆形截面对于轴的惯性矩，其中轴与半圆形的底边平行，相距1 m。

解：知半圆形截面对其底边的惯性矩是，用 平行轴定理得截面对形心轴的惯性矩 再用平行轴定理，得截面对轴的惯性矩 / 返回 15-3(I-10) 试求图示组合截面对于形心轴的惯性矩。 解：由于三圆直径相等，并两两相切。它们的圆心构成一个边长为的等边三角形。该等边三角形的形心就是组合截面的形心，因此下面两个圆的圆心，到形心轴的距离是 上面一个圆的圆心到轴的距离是。 利用平行轴定理，得组合截面对轴的惯性矩如下： {

返回 15-4(I-11) 试求图示各组合截面对其对称轴的惯性矩。 解：（a）22a号工字钢对其对称轴的惯性矩是。 利用平行轴定理得组合截面对轴的惯性矩 （b）等边角钢的截面积是，其形心距外边缘的距离是 mm，求得组合截面对轴的惯性矩如下： ： 返回 15-5(I-12) 试求习题I-3a图所示截面对其水平形心轴的惯性矩。关于形心位置，可利用该题的结果。 解：形心轴位置及几何尺寸如图 所示。惯性矩计算如下：

返回 15-6(I-14) 在直径的圆截面中，开了一个的矩形孔，如图所 示，试求截面对其水平形心轴和竖直形心轴的惯性矩 和。 解：先求形心主轴的位置 ！ 即 返回 15-7(I-16) 图示由两个20a号槽钢组成的组合截面，若欲使截面对两对称轴的惯性矩和相等，则两槽钢的间距应为多少 （ 解：20a号槽钢截面对其自身的形心轴、的惯性矩是，；横截面积为；槽钢背到其形心轴的距离是。

激光切割

激光切割基本概念 学院：城市学院 专业班级：材控1012 年级: 2010级 姓名：黄泓霏 学号:2010118502215

一、激光切割的基本概念 激光切割（laser beam cutting，简称LBC）是利用高能量密度的激光束作为“切割刀具”对材料进行热切割的一种材料加工方法。 二、激光切割的基本原理 激光切割是由激光器所发出的水平激光束经45°全反射镜变为垂直向下的激光束，后经透镜聚焦，在焦点处聚成一极小的光斑，在光斑处会焦的激光功率密度高达10^6~10^9W/cm^2。处于其焦点处的工件受到高功率密度的激光光斑照射，会产生10000°C以上的局部高温，使工件瞬间汽化，再配合辅助切割气体将汽化的金属吹走，从而将工件切穿成一个很小的孔，随着数控机床的移动，无数个小孔连接起来就成了要切的外形。由于激光切割的频率非常高，所以每个小孔连接处非常光滑，切割出来的产品光洁度很高。 激光切割示意图 三、激光切割分类 激光切割可分为激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧气切割和激光划片与

控制断裂四类。 1）激光汽化切割 利用高能量密度的激光束加热工件，使温度迅速上升，在非常短的时间内达到材料的沸点，材料开始汽化，形成蒸气。这些蒸气的喷出速度很大，在蒸气喷出的同时，在材料上形成切口。材料的汽化热一般很大，所以激光汽化切割时需要很大的功率和功率密度。 激光汽化切割多用于极薄金属材料和非金属材料（如纸、布、木材、塑料和橡皮等）的切割。 2）激光熔化切割 激光熔化切割时，用激光加热使金属材料熔化，然后通过与光束同轴的喷嘴喷吹非氧化性气体（Ar、He、N等），依靠气体的强大压力使液态金属排出，形成切口。激光熔化切割不需要使金属完全汽化，所需能量只有汽化切割的1/10。 激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金属的切割，如不锈钢、钛、铝及其合金等。 3）激光氧气切割 激光氧气切割原理类似于氧乙炔切割。它是用激光作为预热热源，用氧气等活性气体作为切割气体。喷吹出的气体一方面与切割金属作用，发生氧化反应，放出大量的氧化热；另一方面把熔融的氧化物和熔化物从反应区吹出，在金属中形成切口。 由于切割过程中的氧化反应产生了大量的热，所以激光氧气切割所需要的能量只是熔化切割的1/2，而切割速度远远大于激光汽化切割和熔化切割。 激光氧气切割主要用于碳钢、钛钢以及热处理钢等易氧化的金属材料。 4）激光划片与控制断裂 激光划片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面进行扫描，使材料受热蒸发出一条小槽，然后施加一定的压力，脆性材料就会沿小槽处裂开。激光划片用的激光器一般为Q开关激光器和CO2激光器。 控制断裂是利用激光刻槽时所产生的陡峭的温度分布，在脆性材料中产生局部热应力，使材料沿小槽断开。 四、激光切割特点 激光切割与其他热切割方法相比较，总的特点是切割速度快、质量高。具体概括为如下几个方面。 ⑴切割质量好 由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快，因此激光切割能够获得较好的切割质量。 ①激光切割切口细窄，切缝两边平行并且与表面垂直，切割零件的尺寸精度可达±0.05mm。 ②切割表面光洁美观，表面粗糙度只有几十微米，甚至激光切割可以作为最后一道工序，无需机械加工，零部件可直接使用。 ③材料经过激光切割后，热影响区宽度很小，切缝附近材料的性能也几乎不受影响，并且工件变形小，切割精度高，切缝的几何形状好，切缝横截面形状呈现较为规则的长方形。激光切割、氧乙炔切割和等离子切割方法的比较见表1，切割材料为6.2mm厚的低碳钢板。 ⑵切割效率高

激光在材料中的应用

激光在材料中的应用 杜鹏 (哈尔滨工业大学材料学院材料科学系1141900308) 摘要本文介绍了激光的产生机理和性能特点，从材料吸收和激光波长的关系讨论了激光加工中使用的激光器，介绍了国内外在激光材料加工方面所做的工作，尤其是超微细加工和材料热加工方面的进展。最后展望了激光加工的发展前景，指出应该大力发展激光加工的应用研究。 关键词激光飞秒激光微加工 引言自上世纪60年代成功研制第一台激光器不久，人们就开始进行激光与材料交互作用方面的研究。这是继原子能，计算机，半导体之后人类的又一重大发明。激光在材料中的应用十分广泛，包括：简单的材料吸收光致局部加热，也可以是复杂的光致化学反应已经烧蚀，等离子体的产生等，这些现象都与激光特性，材料性质和加工环境有关。近年来，非接触性和高加工精度受到人们的亲睐，激光切割，激光表面热处理，激光焊接和工业领域的迫切需求大大促进了激光加工技术的实用化。随着深入研究，激光脉冲的时域宽度被压缩的越来越短，由纳秒到皮秒直至飞秒，不但提供加工精度，还可以加工以前长脉冲激光无力加工的透明材料。超短脉冲激光微加工具有广阔的前景。 1.激光的发生 1.1受激辐射 自发辐射：假设存在于发光有关的两个能级E1、E2。如果原子已经处于高能级E2，它可以自发地、独立地向低能级E1跃迁并发射一个光子。

各个原子发射的自发辐射光子，除了能量上的制约以外，发射方向和偏振态都是随机和无规则的。若N2代表高能级E2的原子密度，则在单位体积内单位时间发生自发辐射的原子数(dN2/dt)Sp 与高能级的原子数N2成正比。 受激辐射：当一个能量hv=E2-E1的光子趋近高能级E2时，入射的光子诱导高能级原子发射一个和自己性质完全相同的光子来。受激辐射的光子和入射光子具有相同的频率、方向和偏振状态 1.2激光工作原理 红宝石激光器的主要部分是激光工作物质（Al 2O 3单晶)和激活物质Cr 3+提供亚稳态能级，从基态到激发态经亚稳能级构成三能级激光器。受激辐射产生的光子受到谐振腔的限制，光波沿着红宝石轴来回传播，强度越来越强，发出高度准直的高强度相干波。 2. 激光在超微细加工方面的发展 2212N A sp dt dN -=2212),(N T v B sp dt dN ρ-=

材料力学 截面的几何性质答案

15-1(I-8) 试求图示三角形截面对通过顶点A并平行于底边BC的轴的惯性矩。 解：已知三角形截面对以BC边为轴的惯性矩是，利用平行轴定理，可求得 截面对形心轴的惯性矩 所以 再次应用平行轴定理，得 返回 15-2(I-9) 试求图示的半圆形截面对于轴的惯性矩，其中轴与半圆形的底边平行，相距1 m。 解：知半圆形截面对其底边的惯性矩是，用 平行轴定理得截面对形心轴的惯性矩

再用平行轴定理，得截面对轴的惯性矩 返回 15-3(I-10) 试求图示组合截面对于形心轴的惯性矩。 解：由于三圆直径相等，并两两相切。它们的圆心构成一个边长为的等边三角形。该等边三角形的形心就是组合截面的形心，因此下面两个圆的圆心，到形心轴的距离是 上面一个圆的圆心到轴的距离是。 利用平行轴定理，得组合截面对轴的惯性矩如下： 返回 15-4(I-11) 试求图示各组合截面对其对称轴的惯性矩。

解：（a）22a号工字钢对其对称轴的惯性矩是。 利用平行轴定理得组合截面对轴的惯性矩 （b）等边角钢的截面积是，其形心距外边缘的距离是28.4 mm，求得组合截面对轴的惯性矩如下： 返回 15-5(I-12) 试求习题I-3a图所示截面对其水平形心轴的惯性矩。关于形心位置，可利用该题的结果。 解：形心轴位置及几何尺寸如图 所示。惯性矩计算如下： 返回 15-6(I-14) 在直径的圆截面中，开了一个 的矩形孔，如图所示，试求截面对其水平形心 轴和竖直形心轴的惯性矩和。 解：先求形心主轴的位置

即 返回 15-7(I-16) 图示由两个20a号槽钢组成的组合截面，若欲使截面对两对称轴 的惯性矩和相等，则两槽钢的间距应为多少？ 解：20a号槽钢截面对其自身的形心轴、的惯性矩是， ；横截面积为；槽钢背到其形心轴的距 离是。 根据惯性矩定义和平行轴定理，组合截面对， 轴的惯性矩分别是 ； 若 即 等式两边同除以2，然后代入数据，得

激光与材料的相互作用

激光与材料的相互作用 发布日期:2007-10-04 我也要投稿!作者:网络阅读: [ 字体选择：大中小] 680 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。为了更好地了解激光的潜能，工程师们必须熟悉这种技术以及其中的细微差别。在决定使用何种激光前，工程师应该了解激光工作原理、激光与材料的相互作用、激光参数以及何时可利用激光进行医疗材料加工。了解这些知识后，工程师设计医疗器械时就能做出正确的决定。 激光在器械加工中的应用机会 激光可用于器械制造的许多加工环节中。例如，激光切割便是一种常见用途，常用于制造支架等小型器械。激光还可用于加工通沟或盲孔。该技术可用于加工医疗诊断设备的微流体通道以及给药用微量注射器的小孔。目前，人们正利用激光加工技术研制用于芯片实验室上的微型传感器和传动器上的硅制微型机械。激光焊接和打标常用于植入器械和手术器械的制造中。此外，激光还常用于表面纹理加工中，例如：可用于矫形外科植入物的表面处理上，提高表面的粘附性。 激光工作原理 激光的工作原理较为简单。通过一个光子激发其他光子，使大量光子以光束的形式一起发射出去。肉眼可能无法看见的光束由激光腔中发射出去，然后被传导至材料加工工作站中。根据激光波长的不同，光束可通过光纤传播或者经光学元件直接传播。 目前使用的激光大都早在20世纪60年代就已经问世，包括Nd:Y AG激光、二氧化碳激光和半导体激光。激光器集成到工业用机械中经过了数年的时间，尽管技术已经成熟，但激光器仍在不断改进，例如：人们研制出能产生很短脉冲宽度的如皮秒和飞秒激光器。此外，激光材料在光纤激光器、光碟激光器和焊接用绿光激光器内的独特排列进一步丰富了材料加工的方法。 表I. 材料加工中常用的激光波长。(点击放大) 材料加工所用激光波长从紫外线一直到红外线，包括了可见光谱。常用激光类型及其波长列于表I中。除激光类型外，选择激光时还要考虑其他许多方面，例如：激光腔的设计、光学传送元件和激光与材料相互作用。最为关键的是，医疗器械设计人员必须了解激光束如何与不同器械材料发生相互作用以及如何用于材料加工中。 激光与材料的相互作用

激光切割介绍及特点

激光切割介绍及特点 激光切割的原理：激光切割是用聚焦镜将激光束聚焦在材料表面，使材料熔化，同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料，并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动，从而形成一定形状的切缝。 激光切割的应用领域：机床、工程机械、电气开关制造、电梯制造、粮食机械、纺织机械、机车制造、农林机械、食品机械、特种汽车、石油机械制造、航空航天、环保设备、家用电器制造、大电机硅钢片等各种机械制造加工行业。 一、激光切割的显著优势： 1．精度高：定位精度0.05mm，重复定位精度0.02mm 2．切缝窄：激光束聚焦成很小的光点，使焦点处达到很高的功率密度，材料很快加热至气化程度，蒸发形成孔洞。随着光束与材料相对线性移动，使孔洞连续形成宽度很窄的切缝。切口宽度一般为0.10～0.20mm。 3．切割面光滑：切割面无毛刺，切口表面粗糙度一般控制在Ra12.5以内。4．速度快：切割速度可达10m/min，最大定位速度可达70m/min，比线切割的速度快很多。 5．切割质量好：无接触切割，切边受热影响很小，基本没有工件热变形，完全避免材料冲剪时形成的塌边，切缝一般不需要二次加工。 6．不损伤工件：激光切割头不会与材料表面相接触，保证不划伤工件。 7．不受被切材料的硬度影响：激光可以对钢板、不锈钢、铝合金板、硬质合金等进行加工，不管什么样的硬度，都可以进行无变形切割。 8．不受工件形状的影响：激光加工柔性好，可以加工任意图形，可以切割管材及其它异型材。 9．可以对非金属进行切割加工：如塑料、木材、PVC、皮革、纺织品、有机玻璃等。 10．节约模具投资：激光加工不需模具，没有模具消耗，无须修理模具，节约更换模具时间，从而节省了加工费用，降低了生产成本，尤其适合大件产品的加工。 11．节省材料：采用电脑编程，可以把不同形状的产品进行整张板材料套裁，最大限度地提高材料的利用率。 12．提高新产品开发速度：产品图纸形成后，马上可以进行激光加工，在最短的时间内得到新产品的实物。

激光加工

激光加工技术的应用与发展 摘要：激光加工是把具有足够能量的激光束聚焦后照射到所加工材料的适应部分，在极短的时间内，光能转换为热能，被照部位迅速升温。根据不同的光照参量，材料可以发生汽化、熔化、金相组织变化以及产生相当大的热应力，从而达到工件材料被去除、连接、改性或分离等加工。用激光束对材料进行各种加工，如打孔、切割、划片、焊接、热处理等。激光能适应任何材料的加工制造，尤其在一些的特殊精度和要求、特别场合和特种材料的加工制造方面起着无可替代的作用。 关键词：加工原理、反展前景、强化处理、细微加工、发展前景。 一激光加工的原理及其特点 1 激光加工的原理 激光加工是将激光照射到工件的表面，以激光的高能量来切除、融化材料以及改变物体表面性能。由于激光加工时无接触式加工，工具不会与工件的表面直接摩擦产生阻力，所以激光加工的速度极快、加工对象受热影响的范围较小而不会产生噪音。由于激光束的能量和光束的移动速度均可调节，因此激光加工可应用不同层面和范围上。 2激光的基本特性 首先，激光也是一种光，因此具有一般光的共性。此外，由于激光的发射时以受辐射为主，因而发光物质中基本上是有组织地、相互关联地产生光发射的，发出光波的频率、方向、偏振状态相同和位相关系严格。因此产生了激光的四大特性：亮度（强度）高、单色性好、相干性好和方向性强。 1）强度高激光的强度高，主要是由于激光在空间上和时间上可以实现光能的高度集中。 2）单色性好太阳光包含红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等7种颜色，每一种颜色的光对应一定的波长与频率，而激光往往是只有一种频率的光，因此激光也是 单色光。激光器所发出的激光具有其他光源难以到达的、极高的单色性。这是 由于构成激光的谐振腔的反射镜对波长选择性极佳，并且利用原子固有的能级 跃迁的结果。 3）相干性好光源的相干性可以利用相干长度来衡量。相干时间是指光源先后发出的俩束光产生干涉现象的最大时间间隔。 4）方向性强光束的方向性是用光束的发散角表征的。 应当指出，上述激光的四个特性不是相互无关的，而是相互联系、相互渗透的。 二激光技术 用激光束对材料进行各种加工，如打孔、切割、划片、焊接、热处理等。激光加工有许多优点：1激光功率密度大，工件吸收激光后温度迅速升高而融化或汽化，即使熔点高、硬度大和质脆的材料（如陶瓷、金刚石等）也可用激光加工；2激光头与工件不接触，不存在加工工具磨损问题；3工件不受应力，不易污染；4可以对运动的工件或密封在玻璃壳的材料加工；5激光束的发散角不可小于1毫弧，光斑直径可小到微米量级，作用时间可以短到纳秒和皮秒，同时，大功率激光器的连续输出功率又可以达到千瓦至十千瓦量级，因而激光既适于精密微细加工，又适于大型材料加工；6激光束容易控制，易于与精密机械、精密测量技术和电子计算机相结合，实现加工的高度自动化和达到很高的加工精密；7在恶劣环