先進制造技術三束加工

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目前一頁\總數(shù)二十三頁\編于二十二點一、高能束流高能束流(High

Energy

Density

Beam)加工技術是利用激光束、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)，對材料或構件進行特種加工的技術。它的主要技術領域有激光束加工技術、電子束加工技術、離子束及等離子體加工技術以及高能束流復合加工技術等。它包括焊接、切割、制孔、噴涂、表面改性、刻蝕和精細加工等，用于加工制造具有先進技術指標的構件或制備新型材料。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。目前二頁\總數(shù)二十三頁\編于二十二點高能束加工特點1.加工速度快，熱流輸入少，對工件熱影響極少，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，無工具變形及損耗問題。4.束流控制方便，易實現(xiàn)加工過程自動化。目前三頁\總數(shù)二十三頁\編于二十二點二、激光束加工激光：源自在經(jīng)過激勵后由高能級院子躍遷到低能級而發(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)過激勵而發(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)過透鏡聚焦后在焦點上達到很高的能量密度產(chǎn)生的光熱效應來加工各種材料。目前四頁\總數(shù)二十三頁\編于二十二點加工原理激光加工是以激光為熱源對工件進行熱加工。激光是單色光，強度高、相干性和方向性好，通過一系列的光學系統(tǒng)，可將激光束聚焦成光斑直徑小到幾微米、能量密度高達108~109W/cm2，并能在千分之幾秒甚至更短的時間內(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程。目前五頁\總數(shù)二十三頁\編于二十二點圖1.激光加工示意圖目前六頁\總數(shù)二十三頁\編于二十二點激光束加工設備激光機工的基本設備由激光器、導光聚焦系統(tǒng)和加工機（激光機工系統(tǒng)）三部分組成。1.激光器：激光器是激光加工的重要設備，他的任務是把電能轉換為光能，產(chǎn)生所需要的激光束。按工作物質(zhì)的種類可分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導體激光器四大類。2.導光聚焦系統(tǒng)：根據(jù)被加工工件的性能要求，光束經(jīng)過放大、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、能夠在三維坐標范圍之內(nèi)移動的工作臺及機電控制系統(tǒng)等。目前七頁\總數(shù)二十三頁\編于二十二點目前八頁\總數(shù)二十三頁\編于二十二點激光的特性

激光的發(fā)射原理及產(chǎn)生過程的特殊性決定了激光具有普通光所不具有的特點：即三好（單色性好、相干性好、方向性好）一高（亮度高）。

①

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。

由于光的生物效應強烈地依賴于光的波長，使得激光的單色性在臨床選擇性治療上獲得重要應用。此外，激光的單色特性在光譜技術及光學測量中也得到廣泛應用，已成為基礎醫(yī)學研究與臨床診斷的重要手段。

②

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間有固定的相位關系，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世，才促使相干技術獲得飛躍發(fā)展，全息技術才得以實現(xiàn)。

③方向性好：激光束的發(fā)散角很小，幾乎是一平行的光線，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方向集中起來常使用聚光裝置，但即便是最好的探照燈，如將其光投射到月球上，光斑直徑將擴大到1000公里以上。目前九頁\總數(shù)二十三頁\編于二十二點激光束的方向性好這一特性在醫(yī)學上的應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刀。另外，由幾何光學可知，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)聚焦后無色散像差，使光斑尺寸進一步縮小，可達微米級以下，甚至可用作切割細胞或分子的精細的“手術刀”。④

亮度高：激光的亮度可比普通光源高出1012－1019倍，是目前最亮的光源，強激光甚至可產(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用于激光加工工業(yè)及國防事業(yè)等。目前十頁\總數(shù)二十三頁\編于二十二點激光加工的特點

由于激光具有的寶貴特性，因此就給激光加工帶來如下一些其它方法所不具備的可貴特點：

①由于它是無接觸加工，并且高能量激光束的能量及其移動速度均可調(diào)，因此可以實現(xiàn)多種加工的目的;

②它可以對多種金屬、非金屬加工，特別是可以加工搞硬度、高脆性及高熔點的材料；

③激光加工過程中無“刀具”磨損，無“切削力”作用于工件；

④激光加工過程中，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有貨影響極小。因此，其熱影響區(qū)小，工件熱變小，后續(xù)量??；

⑤它可通過透明介質(zhì)對密閉容器內(nèi)的工件進行各種加工；

⑥由于激光束易于導向、聚焦實現(xiàn)作各方向變換，極易與數(shù)控系統(tǒng)配合，對復雜工件進行加工，因此它是一種極為靈活的加工方法；

⑦生產(chǎn)效率高，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟效益和社會效益好。目前十一頁\總數(shù)二十三頁\編于二十二點激光加工的應用激光加工是激光系統(tǒng)最常用的應用。根據(jù)激光束與材料相互作用的機理，大體可將激光加工分為激光熱加工和光化學反應加工兩類。激光熱加工是指利用激光束投射到材料表面產(chǎn)生的熱效應來完成加工過程，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打標、激光鉆孔和微加工等；光化學反應加工是指激光束照射到物體，借助高密度高能光子引發(fā)或控制光化學反應的加工過程。包括光化學沉積、立體光刻、激光刻蝕等。①激光打孔

利用激光束可對各種材料加工小孔和微孔，最小孔徑達幾微米，深度可達直徑的50倍。激光打孔時，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。目前十二頁\總數(shù)二十三頁\編于二十二點②激光切割

激光切割常用二氧化碳氣體激光器，連續(xù)或脈沖方式，所切割的切縫窄、邊緣質(zhì)量好，幾乎無切割殘渣，切割速度高，也可切割金屬，也可切割非金屬；既可切割無機物，也可切割有機物?？纱娴毒咔懈钅静?，代替剪刀切割布料、紙張，還可切割無法進行機械接觸的工件。由于激光加工對被切材料幾乎不產(chǎn)生機械沖擊力和壓力，故適合切割玻璃、陶瓷和半導體材料。③激光焊接

激光焊接與激光打孔的原理稍有不同，焊接時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少激光輸出功率來實現(xiàn)。如果加工區(qū)域不須限制在微米級的小范圍內(nèi)，也可通過調(diào)節(jié)焦點位置來減小工件被加工點的能量密度。目前十三頁\總數(shù)二十三頁\編于二十二點④激光微調(diào)

激光微調(diào)主要用于調(diào)整電路中某些原件的參數(shù)，以保證電路的技術指標。當前是指電阻的微調(diào)。在微電子電路中，一般多采用薄膜電阻和厚膜電阻兩種。⑤激光表面改性

利用激光對材料表面進行處理可改變其物理結構、化學成分和金相組織，從而改善材料表面的物理、力學、化學性質(zhì)，如硬度、耐磨性、耐疲勞性、耐腐蝕性等，稱之為激光表面改性技術

目前十四頁\總數(shù)二十三頁\編于二十二點三、電子束加工電子束加工（electronbeammachining,EBM）是近年來得到較大發(fā)展的新興特種加工，它在精細加工方面，尤其是在微電子學領域中得到了較多應用。目前十五頁\總數(shù)二十三頁\編于二十二點電子加工的原理電子束加工是利用高速電子的沖擊動能來加工工件的，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，電子的動能絕大部分轉變?yōu)闊崮?，使材料局部瞬時熔融、汽化蒸發(fā)而去除。控制電子束能量密度的大小和能量注入時間，就可以達到不同的加工目的。如只使材料局部加熱就可進行電子束熱處理；使材料局部熔化就可以進行電子束焊接；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產(chǎn)生化學變化的原理，即可進行電子束光刻加工。圖2.電子束加工裝置的結構示意目前十六頁\總數(shù)二十三頁\編于二十二點電子束加工的特點(1)電子束能夠極其微細地聚焦(可達l～0.1μm)，故可進行微細加工。(2)加工材料的范圍廣。由于電子束能量密度高，可使任何材料瞬時熔化、汽化且機械力的作用極小，不易產(chǎn)生變形和應力，故能加工各種力學性能的導體、半導體和非導體材料。(3)可通過磁場或電場對電子束的強度、位置、聚焦等進行控制，所以整個加工過程便于實現(xiàn)自動化。

(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用設備和真空系統(tǒng)，價格較貴，故在生產(chǎn)中受到一定程度的限制。目前十七頁\總數(shù)二十三頁\編于二十二點電子束加工的應用1）高速打孔目前電子束打孔的最小直徑可達?0.003mm左右。例如噴氣發(fā)動機套上的冷卻孔，機翼的吸附屏的孔。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，孔的深徑比大于10：1。目前十八頁\總數(shù)二十三頁\編于二十二點2）加工型孔及特殊表面電子束加工的異形孔目前十九頁\總數(shù)二十三頁\編于二十二點3）刻蝕在微電子器件生產(chǎn)中，為了制造多層固體組件，可利用電子束對陶瓷或半導體材料刻出許多微細溝槽和孔。如在硅片上刻出寬2.5μm，深0.25μm的細槽，在混合電路電阻的金屬鍍層上刻出40μm寬的線條。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70～120μm，深度為5～40μm，小坑代表淺色，大坑代表深色。目前二十頁\總數(shù)二十三頁\編于二十二點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。當高能量密度的電子束轟擊焊件表面時，使焊件接頭處的金屬熔融，在電子束連續(xù)不斷地轟擊下，形成一個被熔融金屬環(huán)繞著的毛細管狀的熔池，如果焊件按一定速度沿著焊件接縫與電子束作相對移動，則接縫上的熔池由于電子束的離開而重新凝固，使焊件的整個接縫形成一條焊縫。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。目前二十一頁\總數(shù)二十三頁\編于二十二點5）熱處理電子束熱處理也是把電子束作為熱源，但適當控制電子束的功率密度，使金屬表面加熱而不熔化，達到熱處理的目的。電子束熱