先進(jìn)制造技術(shù)——三束加工

1、先進(jìn)制造技術(shù)先進(jìn)制造技術(shù)高能束流技術(shù)激光束、電子束、離子束本次課程內(nèi)容高能束流激光束加工電子束加工離子束加工一、高能束流高能束流(HighEnergyDensityBeam)加工技術(shù)是利用激光束、電子束、離子束和高壓水射流等高能量密度的束流(其中高壓水射流是冷切割加工技術(shù))，對(duì)材料或構(gòu)件進(jìn)行特種加工的技術(shù)。它的主要技術(shù)領(lǐng)域有激光束加工技術(shù)、電子束加工技術(shù)、離子束及等離子體加工技術(shù)以及高能束流復(fù)合加工技術(shù)等。它包括焊接、切割、制孔、噴涂、表面改性、刻蝕和精細(xì)加工等，用于加工制造具有先進(jìn)技術(shù)指標(biāo)的構(gòu)件或制備新型材料。常用的高能密度束流加工方法主要是激光加工、電子束加工、離子束加工等。高能束加工特點(diǎn)

2、1.加工速度快，熱流輸入少，對(duì)工件熱影響極少，工件變形小。2.束流能夠聚焦且有極高的能量密度，激光加工、電子束加工可使任何堅(jiān)硬、難熔的材料在瞬間熔融汽化，而離子束加工是以極大能量撞擊零件表面，使材料變形、分離破壞。3.工具與工件不接觸，無(wú)工具變形及損耗問(wèn)題。4.束流控制方便，易實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程自動(dòng)化。二、激光束加工激光：源自在經(jīng)過(guò)激勵(lì)后由高能級(jí)院子躍遷到低能級(jí)而發(fā)射的光子所產(chǎn)生的物理現(xiàn)象。激光產(chǎn)生的原理：原子經(jīng)過(guò)激勵(lì)而發(fā)生躍遷現(xiàn)象。激光加工:激光加工就是利用光的能量經(jīng)過(guò)透鏡聚焦后在焦點(diǎn)上達(dá)到很高的能量密度產(chǎn)生的光熱效應(yīng)來(lái)加工各種材料。加工原理激光加工是以激光為熱源對(duì)工件進(jìn)行熱加工。激光是單色光，強(qiáng)

3、度高、相干性和方向性好，通過(guò)一系列的光學(xué)系統(tǒng)，可將激光束聚焦成光斑直徑小到幾微米、能量密度高達(dá)108109W/cm2，并能在千分之幾秒甚至更短的時(shí)間內(nèi)使任何可熔化、不可分解的材料熔化、蒸發(fā)、汽化而達(dá)到加工的目的。因此，激光加工是工件在光熱作用下產(chǎn)生高溫熔融和受沖擊拋離的綜合過(guò)程。圖1.激光加工示意圖激光束加工設(shè)備激光機(jī)工的基本設(shè)備由激光器、導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)和加工機(jī)（激光機(jī)工系統(tǒng)）三部分組成。1.激光器：激光器是激光加工的重要設(shè)備，他的任務(wù)是把電能轉(zhuǎn)換為光能，產(chǎn)生所需要的激光束。按工作物質(zhì)的種類(lèi)可分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導(dǎo)體激光器四大類(lèi)。2.導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)：根據(jù)被加工工件的性能要求，

4、光束經(jīng)過(guò)放大、整形、聚焦后作用于加工部位，這種從激光器輸出窗口到被加工工件之間的裝置成為導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)。3.激光加工系統(tǒng)：激光加工系統(tǒng)主要包括床身、能夠在三維坐標(biāo)范圍之內(nèi)移動(dòng)的工作臺(tái)及機(jī)電控制系統(tǒng)等。激光的特性激光的發(fā)射原理及產(chǎn)生過(guò)程的特殊性決定了激光具有普通光所不具有的特點(diǎn)：即三好（單色性好、相干性好、方向性好）一高（亮度高）。單色性好：普通光源發(fā)射的光子，在頻率上是各不相同的，所以包含有各種顏色。而激光發(fā)射的各個(gè)光子頻率相同，因此激光是最好的單色光源。由于光的生物效應(yīng)強(qiáng)烈地依賴(lài)于光的波長(zhǎng)，使得激光的單色性在臨床選擇性治療上獲得重要應(yīng)用。此外，激光的單色特性在光譜技術(shù)及光學(xué)測(cè)量中也得到廣泛應(yīng)用

5、，已成為基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究與臨床診斷的重要手段。相干性好：由于受激輻射的光子在相位上是一致的，再加之諧振腔的選模作用，使激光束橫截面上各點(diǎn)間有固定的相位關(guān)系，所以激光的空間相干性很好（由自發(fā)輻射產(chǎn)生的普通光是非相干光）。激光為我們提供了最好的相干光源。正是由于激光器的問(wèn)世，才促使相干技術(shù)獲得飛躍發(fā)展，全息技術(shù)才得以實(shí)現(xiàn)。方向性好：激光束的發(fā)散角很小，幾乎是一平行的光線(xiàn)，激光照射到月球上形成的光斑直徑僅有1公里左右。而普通光源發(fā)出的光射向四面八方，為了將普通光沿某個(gè)方向集中起來(lái)常使用聚光裝置，但即便是最好的探照燈，如將其光投射到月球上，光斑直徑將擴(kuò)大到1000公里以上。激光束的方向性好這一特性在醫(yī)學(xué)上

6、的應(yīng)用主要是激光能量能在空間高度集中，從而可將激光束制成激光手術(shù)刀。另外，由幾何光學(xué)可知，平行性越好的光束經(jīng)聚焦得到的焦斑尺寸越小，再加之激光單色性好，經(jīng)聚焦后無(wú)色散像差，使光斑尺寸進(jìn)一步縮小，可達(dá)微米級(jí)以下，甚至可用作切割細(xì)胞或分子的精細(xì)的“手術(shù)刀”。亮度高：激光的亮度可比普通光源高出10121019倍，是目前最亮的光源，強(qiáng)激光甚至可產(chǎn)生上億度的高溫。激光的高能量是保證激光臨床治療有效的最可貴的基本特性之一。利用激光的高能量還可使激光應(yīng)用于激光加工工業(yè)及國(guó)防事業(yè)等。激光加工的特點(diǎn)由于激光具有的寶貴特性，因此就給激光加工帶來(lái)如下一些其它方法所不具備的可貴特點(diǎn)：由于它是無(wú)接觸加工，并且高能量激光

7、束的能量及其移動(dòng)速度均可調(diào)，因此可以實(shí)現(xiàn)多種加工的目的;它可以對(duì)多種金屬、非金屬加工，特別是可以加工搞硬度、高脆性及高熔點(diǎn)的材料；激光加工過(guò)程中無(wú)“刀具”磨損，無(wú)“切削力”作用于工件；激光加工過(guò)程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，并非激光照射部位沒(méi)有貨影響極小。因此，其熱影響區(qū)小，工件熱變小，后續(xù)量小；它可通過(guò)透明介質(zhì)對(duì)密閉容器內(nèi)的工件進(jìn)行各種加工；由于激光束易于導(dǎo)向、聚焦實(shí)現(xiàn)作各方向變換，極易與數(shù)控系統(tǒng)配合，對(duì)復(fù)雜工件進(jìn)行加工，因此它是一種極為靈活的加工方法；生產(chǎn)效率高，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益好。激光加工的應(yīng)用激光加工是激光系統(tǒng)最常用的應(yīng)用。根據(jù)激光束與材料相互

8、作用的機(jī)理，大體可將激光加工分為激光熱加工和光化學(xué)反應(yīng)加工兩類(lèi)。激光熱加工是指利用激光束投射到材料表面產(chǎn)生的熱效應(yīng)來(lái)完成加工過(guò)程，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打標(biāo)、激光鉆孔和微加工等；光化學(xué)反應(yīng)加工是指激光束照射到物體，借助高密度高能光子引發(fā)或控制光化學(xué)反應(yīng)的加工過(guò)程。包括光化學(xué)沉積、立體光刻、激光刻蝕等。激光打孔利用激光束可對(duì)各種材料加工小孔和微孔，最小孔徑達(dá)幾微米，深度可達(dá)直徑的50倍。激光打孔時(shí)，用高功率密度脈沖激光源，影響加工質(zhì)量的因素有激光束的參數(shù)（能量、脈寬）、波形、焦距、偏焦量、脈沖次數(shù)、被加工材料等。激光切割激光切割常用二氧化碳?xì)怏w激光器，連續(xù)或脈沖方式，所切割的切縫

9、窄、邊緣質(zhì)量好，幾乎無(wú)切割殘?jiān)?，切割速度高，也可切割金屬，也可切割非金屬；既可切割無(wú)機(jī)物，也可切割有機(jī)物?？纱娴毒咔懈钅静?，代替剪刀切割布料、紙張，還可切割無(wú)法進(jìn)行機(jī)械接觸的工件。由于激光加工對(duì)被切材料幾乎不產(chǎn)生機(jī)械沖擊力和壓力，故適合切割玻璃、陶瓷和半導(dǎo)體材料。激光焊接激光焊接與激光打孔的原理稍有不同，焊接時(shí)不需要那么高的能量密度使工件材料氣化蝕除，而只要將工件的加工區(qū)“燒熔”，使其粘和在一起。因此，激光焊接所需要的能量密度低，通?？捎脺p少激光輸出功率來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果加工區(qū)域不須限制在微米級(jí)的小范圍內(nèi)，也可通過(guò)調(diào)節(jié)焦點(diǎn)位置來(lái)減小工件被加工點(diǎn)的能量密度。激光微調(diào)激光微調(diào)主要用于調(diào)整電路中某些原件

10、的參數(shù)，以保證電路的技術(shù)指標(biāo)。當(dāng)前是指電阻的微調(diào)。在微電子電路中，一般多采用薄膜電阻和厚膜電阻兩種。激光表面改性利用激光對(duì)材料表面進(jìn)行處理可改變其物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和金相組織，從而改善材料表面的物理、力學(xué)、化學(xué)性質(zhì)，如硬度、耐磨性、耐疲勞性、耐腐蝕性等，稱(chēng)之為激光表面改性技術(shù)三、電子束加工電子束加工（electronbeammachining,EBM）是近年來(lái)得到較大發(fā)展的新興特種加工，它在精細(xì)加工方面，尤其是在微電子學(xué)領(lǐng)域中得到了較多應(yīng)用。電子加工的原理電子束加工是利用高速電子的沖擊動(dòng)能來(lái)加工工件的，如圖2所示。在真空條件下，將具有很高速度和能量的電子束聚焦到被加工材料上，電子的動(dòng)能絕大部分

11、轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使材料局部瞬時(shí)熔融、汽化蒸發(fā)而去除?？刂齐娮邮芰棵芏鹊拇笮『湍芰孔⑷霑r(shí)間，就可以達(dá)到不同的加工目的。如只使材料局部加熱就可進(jìn)行電子束熱處理；使材料局部熔化就可以進(jìn)行電子束焊接；提高電子束能量密度，使材料熔化和汽化，就可進(jìn)行打孔、切割等加工；利用較低能量密度的電子束轟擊高分子材料時(shí)產(chǎn)生化學(xué)變化的原理，即可進(jìn)行電子束光刻加工。電子槍系統(tǒng)聚焦系統(tǒng)電子束工件抽真空系統(tǒng)電源及控制系統(tǒng)圖2.電子束加工裝置的結(jié)構(gòu)示意電子束加工的特點(diǎn)(1)電子束能夠極其微細(xì)地聚焦(可達(dá)l0.1m)，故可進(jìn)行微細(xì)加工。(2)加工材料的范圍廣。由于電子束能量密度高，可使任何材料瞬時(shí)熔化、汽化且機(jī)械力的作用極小，不易

12、產(chǎn)生變形和應(yīng)力，故能加工各種力學(xué)性能的導(dǎo)體、半導(dǎo)體和非導(dǎo)體材料。(3)可通過(guò)磁場(chǎng)或電場(chǎng)對(duì)電子束的強(qiáng)度、位置、聚焦等進(jìn)行控制，所以整個(gè)加工過(guò)程便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。(4)電子束的能量密度高，加工效率很高。(5)加工在真空中進(jìn)行，污染少，加工表面不易被氧化。(6)電子束加工需要整套的專(zhuān)用設(shè)備和真空系統(tǒng)，價(jià)格較貴，故在生產(chǎn)中受到一定程度的限制。電子束加工的應(yīng)用1）高速打孔目前電子束打孔的最小直徑可達(dá)0.003mm左右。例如噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)套上的冷卻孔，機(jī)翼的吸附屏的孔。在人造革、塑料上用電子束打大量微孔，可使其具有如真皮革那樣的透氣性。電子束打孔還能加工小深孔，如在葉片上打深度5mm、直徑0.4mm的孔，孔的深

13、徑比大于10：1。2）加工型孔及特殊表面0.030.07 mm電子束加工的異形孔電子束加工的異形孔3）刻蝕在微電子器件生產(chǎn)中，為了制造多層固體組件，可利用電子束對(duì)陶瓷或半導(dǎo)體材料刻出許多微細(xì)溝槽和孔。如在硅片上刻出寬2.5m，深0.25m的細(xì)槽，在混合電路電阻的金屬鍍層上刻出40m寬的線(xiàn)條。電子束刻蝕還可用于刻板，在銅制印刷滾筒上按色調(diào)深淺刻出許多大小與深淺不一樣的溝槽或凹坑，其直徑為70120m，深度為540m，小坑代表淺色，大坑代表深色。4）焊接電子束焊接是利用電子束作為熱源的一種焊接工藝。當(dāng)高能量密度的電子束轟擊焊件表面時(shí)，使焊件接頭處的金屬熔融，在電子束連續(xù)不斷地轟擊下，形成一個(gè)被熔融

14、金屬環(huán)繞著的毛細(xì)管狀的熔池，如果焊件按一定速度沿著焊件接縫與電子束作相對(duì)移動(dòng)，則接縫上的熔池由于電子束的離開(kāi)而重新凝固，使焊件的整個(gè)接縫形成一條焊縫。由于電子束的能量密度高，焊接速度快，所以電子束焊接的焊縫深而窄，焊件熱影響區(qū)小，變形小。5）熱處理電子束熱處理也是把電子束作為熱源，但適當(dāng)控制電子束的功率密度，使金屬表面加熱而不熔化，達(dá)到熱處理的目的。電子束熱處理的加熱速度和冷卻速度都很高，在相變過(guò)程中，奧氏體化時(shí)間很短，只有幾分之一秒乃至千分之一秒，奧氏體晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大，從而能獲得一種超細(xì)晶粒組織，可使工件獲得用常規(guī)熱處理不能達(dá)到的硬度，硬化深度可達(dá)0.30.8mm。四、離子束加工離子束加工是

15、利用惰性氣體或其它元素的離子在電場(chǎng)中加速成高速離子束流，靠微觀(guān)的機(jī)械撞擊能量實(shí)現(xiàn)各種微細(xì)加工的一種新興方法。離子加工的加工分辨率在亞微米甚至為微毫米級(jí)精度。1加工原理離子束加工也是一種新興的特種加工，它的加工原理與電子束加工原理基本類(lèi)似，也是在真空條件下，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過(guò)加速、聚焦后投射到工件表面的加工部位以實(shí)現(xiàn)加工的。所不同的是離子帶正電荷，其質(zhì)量比電子大數(shù)千倍乃至數(shù)萬(wàn)倍，故在電場(chǎng)中加速較慢，但一旦加至較高速度，就比電子束具有更大的撞擊動(dòng)能。離子束加工是靠微觀(guān)機(jī)械撞擊能量轉(zhuǎn)化為熱能進(jìn)行的。2特點(diǎn)及應(yīng)用離子束加工有如下特點(diǎn)：(1)離子束加工是目前特種加工中最精密、最微細(xì)的加工。離子刻蝕可達(dá)納米級(jí)精度，離子鍍膜可控制在亞微米級(jí)精度，離子注入的深度和濃度亦可精確地控制。(2)離子束加工在高真空中進(jìn)行，污染少，特別適宜于對(duì)易氧化的金屬、合金和半導(dǎo)體材料進(jìn)行加工。(3)離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來(lái)實(shí)現(xiàn)的，是一種微觀(guān)作用，所以加工應(yīng)力和變形極小，適宜于對(duì)各種材料和低剛件零件進(jìn)行加工。在目前的工業(yè)生產(chǎn)中，離子束加工主要應(yīng)用于刻蝕加工(如加工空氣軸承的溝槽，加工極薄材料等)、鍍膜加工(如在金屬或非金屬材料上鍍制金屬或非金屬材料)、注入加工(如某些特殊的半導(dǎo)