高能束流加工技術(shù).ppt

第六章 高能束流加工技術(shù),本章節(jié)主要介紹以下內(nèi)容： 高能束流加工概述 激光束加工技術(shù) 電子束加工技術(shù) 離子束加工技術(shù)（選講） 水射流加工技術(shù)（自學(xué)）,第一節(jié) 高能束流加工概述,高能束流加工是20世紀(jì)60年代迅速發(fā)展起來的工藝技術(shù)，并逐步應(yīng)用于科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中，尤其在難加工材料、精密微細(xì)加工、儀器儀表零件加工、微電子器件制造、微機(jī)電系統(tǒng)和航空航天零件制造中得到越來越廣泛的應(yīng)用。 高能束流加工是當(dāng)代具有代表性的先進(jìn)制造技術(shù)之一，是極具生命力的一種特種加工技術(shù)。,高能束流加工概述(續(xù)),高能束流加工是特種加工技術(shù)的重要分支之一。通常將激光加工（簡稱LBM）、電子束加工（簡稱EBM）和離子束加工（簡稱IBM）稱之為高能束加工，亦稱三束加工。 共同之處是以具有很高能量密度的束流，通過一定的裝置在空間傳輸并在工件表面聚焦，從而去除工件材料或完成其它用途； 不同之處在于所用的能量載體不同，分別為光子、電子、離子和水流（有時(shí)含磨料），因而其加工機(jī)理、功能、效果和使用范圍就有所不同。,激光束加工技術(shù)發(fā)展概述1,Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 縮寫為激光Laser。 20世紀(jì)50年代時(shí)，美國科學(xué)家湯斯在研究激波時(shí)發(fā)現(xiàn)了微波受激放大的現(xiàn)象，并預(yù)言電磁波也可以受激放大，湯斯的預(yù)言很快被證實(shí)。 1960年，美國休斯實(shí)驗(yàn)室的梅曼使用紅寶石作為工作物質(zhì)，制出了世界上第一臺(tái)激光器，成功地產(chǎn)生了波長為0.6943微米的紅外激光。,激光束加工技術(shù)發(fā)展概述2,隨著大功率激光器的出現(xiàn)，應(yīng)用激光進(jìn)行材料加工的激光加工技術(shù)逐漸發(fā)展起來。 從原理上講，自然界中幾乎所有材料，都能采用激光加工。 從行業(yè)來說，激光加工涉及到汽車、電子電器、有色金屬纖維、精密機(jī)械以及運(yùn)輸機(jī)械等所有領(lǐng)域。 激光廣泛用于打孔、切割、焊接、表面處理及半導(dǎo)體加工等。 特點(diǎn)：不受材料限制、加工效率高、精度高等優(yōu)勢。 在機(jī)械加工中，可以同時(shí)滿足效率和精度加工指標(biāo)，是其它加工方法所達(dá)不到的。,激光器拆解圖,CMA-960F型自動(dòng)送料激光切割機(jī),CM系列激光設(shè)備在全面質(zhì)量管理體系的工廠環(huán)境下進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)，穩(wěn)定性、精確度和速度三大指標(biāo)均可體現(xiàn)世界一流設(shè)備的水準(zhǔn)。,CMA-2016F型激光切割機(jī),YMRF-MV100型成衣激光雕花機(jī),電子束加工技術(shù)發(fā)展概述1,1949年，德國首次利用電子束在0.5mm厚的不銹鋼板上加工出直徑為0.2mm的小孔。 1957年法國原子能委員會(huì)薩克萊核子研究中心研制成功世界上第一臺(tái)用于生產(chǎn)的電子束焊接機(jī)，其優(yōu)良的焊接質(zhì)量引起人們廣泛重視。 20世紀(jì)60年代初期已經(jīng)成功地將電子束打孔、銑切、焊接、鍍膜、熔煉等工藝技術(shù)應(yīng)用到各工業(yè)部門中，促進(jìn)了尖端技術(shù)的發(fā)展。 微電子學(xué)的發(fā)展對集成電路元件的集成度要求不斷提高，因而對光刻工藝提出了更高的要求，掃描電子束曝光機(jī)研制成功并在20世紀(jì)70年代進(jìn)入市場，使得制造掩膜或器件所能達(dá)到的最小線寬已小于0.5 m。,電子束加工技術(shù)發(fā)展概述2,自20世紀(jì)60年代初期我國開始研究電子束加工工藝，目前已在儀器儀表、微電子、航空航天和化纖工業(yè)中得到應(yīng)用。 電子束打孔、切槽、焊接、電子束曝光、電子束熱處理等都陸續(xù)進(jìn)入生產(chǎn)。,真空電子束爐,電子束爐是利用高速電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成熱能，進(jìn)而使金屬熔化的一種真空熔煉設(shè)備。,真空電子束焊接,離子束加工技術(shù)發(fā)展概述,離子束技術(shù)的應(yīng)用涉及物理、化學(xué)、生物、材料和信息等許多學(xué)科的交叉領(lǐng)域。 離子束加工在許多精密、關(guān)鍵、高附加值的加工模具等機(jī)械零件的生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。 一些國家用于軍事裝備的建設(shè)上，如改善蝸輪機(jī)主軸承、精密軸承、齒輪、冷凍機(jī)閥門和活塞的性能。 離子注入半導(dǎo)體摻雜已成為超大規(guī)模集成電路微細(xì)加工的關(guān)鍵工藝，導(dǎo)致出現(xiàn)了80年代集成電路產(chǎn)業(yè)的騰飛。 經(jīng)過近20年的研究和實(shí)踐，離子束加工已廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，尤其是在信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域占有舉足輕重的地位。,離子束刻蝕機(jī),數(shù)碼離子束設(shè)備,水射流及磨料流加工技術(shù)概述,水射流加工源于采礦業(yè)。 隨著水射流工作壓力的提高，其應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致超高壓水切割的出現(xiàn)。 自1972年世界第一臺(tái)水切割機(jī)在美國誕生以來，超高壓水射流切割加工工藝就一直是水射流行業(yè)研究追蹤的熱點(diǎn)。 80年代末， “水刀”的設(shè)備完成了商品化，以機(jī)械手控制切割頭為代表的產(chǎn)品迅速達(dá)到了全自動(dòng)、智能化的高水平。 隨著水射流切割技術(shù)的發(fā)展，脈沖射流、高溫射流、磨料射流、空化射流、氣水射流等新技術(shù)的出現(xiàn)將水射流技術(shù)推向一個(gè)新的階段。,SXSL2015型超高壓水射流切割機(jī),系統(tǒng)主要由超高壓發(fā)生器、二維半數(shù)控機(jī)床、計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)等幾部分組成。 超高壓發(fā)生器系統(tǒng)，能把普通水增壓至100-300MPa，然后通過一個(gè)直徑約0.2mm的寶石噴嘴射出速度為900m/s左右的水箭，再加入少量的砂，此水箭可切割各種材料。,前混合磨料水射流切割機(jī),根據(jù)反恐防爆排險(xiǎn)的實(shí)戰(zhàn)需要，針對爆炸物切割處置的戰(zhàn)技術(shù)要求，研究開發(fā)了以前混合磨料水射流切割為特征的系統(tǒng)。 該設(shè)備達(dá)到國際領(lǐng)先水平，并經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)、試用和推廣應(yīng)用，戰(zhàn)技術(shù)性能優(yōu)良。,The end,第二節(jié) 激光束加工技術(shù),激光束加工基本原理 ： 激光加工是把具有足夠能量的激光束聚焦后照射到所加工材料的適當(dāng)部位，在極短的時(shí)間內(nèi)，光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，被照部位迅速升溫，材料發(fā)生氣化、熔化、金相組織變化以及產(chǎn)生相當(dāng)大的熱應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)工件材料被去除、連接、改性或分離等加工。 激光加工時(shí)，為了達(dá)到各種加工要求，激光束與工件表面需要作相對運(yùn)動(dòng)，同時(shí)光斑尺寸、功率以及能量要求可調(diào)。,激光束加工原理圖,材料對激光能量的吸收1,幾種不同材料的光潔表面對不同光波波長的相對吸收率。,材料對激光能量的吸收2,設(shè)材料表面的反射率為R，則吸收率為A=1-R。 光波正入射時(shí)，R可用下式估算： 式中，nr和kr是復(fù)數(shù)折射率的實(shí)數(shù)和虛數(shù)部分。 一般而言，導(dǎo)電率高的材料對光波的反射率較高，表面粗糙度低的材料其反射率也高。,材料的加熱,材料的加熱是光能轉(zhuǎn)換成熱能的過程。 設(shè)入射激光的光功率密度為qi，吸收激光的光功率密度為qo，則有： 設(shè)q(z)為沿光束方向，距金屬表面深度z處的光功率密度；為光在材料中的吸收系數(shù)；z為從材料表面算起的深度。由朗伯定律 ：,材料破壞的條件1,足夠功率密度的激光束照射，被加工材料表面達(dá)到熔化和氣化溫度，從而使材料氣化蒸發(fā)或熔融濺出，導(dǎo)致材料的破壞。 激光功率密度過高，材料在表面上氣化，而不是在深處熔化； 激光功率密度過低，能量就會(huì)擴(kuò)散分布、受熱體積增大，焦點(diǎn)處熔化深度會(huì)很小。 利用激光脈沖可以達(dá)到1010/s的加熱速度和106/s的溫度梯度，在極小的區(qū)域內(nèi)材料達(dá)到其熔點(diǎn)和沸點(diǎn)而被破壞，該方法可用于打孔、調(diào)節(jié)動(dòng)平衡、電阻微調(diào)等方面。,材料破壞的條件2,隨著激光功率密度的提高，材料表面達(dá)到氣化溫度，部分材料被氣化，激光功率密度的大小決定材料氣化量的多少。幾種材料汽化量與能量密度的關(guān)系圖如下：,/g,材料破壞的條件3,當(dāng)脈沖激光照射材料時(shí)，第一個(gè)脈沖被材料表面吸收，由于材料表層的溫度梯度很陡，因此表面上先產(chǎn)生熔化區(qū)，接著產(chǎn)生氣化區(qū)。 當(dāng)下一個(gè)脈沖來臨后，材料表層熔化區(qū)吸收的能量致使其較里層材料的溫度比表面氣化溫度更高，材料內(nèi)部氣化壓力增大，促使熔化區(qū)熔融的材料外噴。 所以，一般情況下，材料以蒸發(fā)和熔融兩種狀態(tài)被去除。 當(dāng)功率密度更高而脈寬更窄時(shí)，氣化能量在極短的時(shí)間內(nèi)被多次傳遞給材料，使局部區(qū)域產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，從而引起爆炸性的氣化，此時(shí)材料完全以氣化的形式被去除而幾乎不出現(xiàn)熔融狀態(tài)。,材料破壞的條件4,非金屬材料的反射率比金屬低得多，因而進(jìn)入非金屬材料內(nèi)部的激光能量就比金屬材料多。 有機(jī)材料的熔點(diǎn)或軟化點(diǎn)一般較低，有些有機(jī)材料由于吸收了光能，內(nèi)部分子振蕩十分激烈，以致使通過聚合作用形成的巨分子又起解聚作用。部分材料迅速氣化，激光切割有機(jī)玻璃就是這種情況。有些有機(jī)材料，如硬塑料和木材，皮革等天然材料，在激光加工中會(huì)形成高分子沉積和加工位置邊緣炭化。 無機(jī)非金屬材料，如陶瓷、玻璃等，在激光的照射下幾乎能吸收激光的全部能量。但由于其導(dǎo)熱性很差，加熱區(qū)很窄，沿著光束的軌跡產(chǎn)生很高的熱應(yīng)力，導(dǎo)致材料破碎且無法控制。,激光束加工工藝及其應(yīng)用,激光束加工的應(yīng)用極其廣泛，在打孔、切割、焊接以及表面淬火、沖擊強(qiáng)化、表面合金化、表面融覆等表面處理的眾多加工領(lǐng)域都得到了成功的應(yīng)用。 近十年來，激光技術(shù)還被應(yīng)用于快速成型、三維去除加工、微納米加工中，激光束流加工的發(fā)展日新月異，著重介紹激光孔加工和切割加工。,一.激光打孔,利用激光幾乎可在任何材料上打微型小孔。 目前已應(yīng)用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油機(jī)的燃料噴嘴加工、化學(xué)纖維噴絲板打孔、鐘表及儀表中的寶石軸承打孔、金剛石拉絲模加工等方面。 激光打孔適合于自動(dòng)化連續(xù)打孔，如加工鐘表行業(yè)紅寶石軸承上0.120.18mm、深0.61.2mm的小孔，采用自動(dòng)傳送每分鐘可以連續(xù)加工幾十個(gè)寶石軸承。 生產(chǎn)化學(xué)纖維用的噴絲板，在100mm直徑的不銹鋼噴絲板上打一萬多個(gè)直徑為0.06mm的小孔，采用數(shù)控激光加工，不到半天即可完成。激光打孔的直徑可以小到0.01mm以下，深徑比可達(dá)50:1。,激光打孔樣品,激光打孔樣品,激光打孔的成形過程,激光打孔的成形過程是材料在激光熱源照射下產(chǎn)生的一系列熱物理現(xiàn)象綜合的結(jié)果，它與激光束的特性和材料的熱物理性質(zhì)有關(guān)。 影響因素很多。,孔的成形影響因素1,1.輸出功率與照射時(shí)間 激光的輸出功率大，照射時(shí)間長時(shí)，工件所獲得的激光能量也大。激光的照射時(shí)間一般為幾分之一到幾毫秒。當(dāng)激光能量一定時(shí)，時(shí)間太長會(huì)使熱量傳散到非加工區(qū)，時(shí)間太短則因功率密度過高而使蝕除物以高溫氣體噴出，都會(huì)使能量的使用效率降低。,孔的成形影響因素2,2.焦距與發(fā)散角 發(fā)散角小的激光束，經(jīng)短焦距的聚焦物鏡以后，在焦面上可以獲得更小的光斑及更高的功率密度。焦面上的光斑直徑小，所打的孔也小，而且，由于功率密度大，激光束對工件的穿透力也大，打出的孔不僅深，而且錐度小。所以，要減小激光束的發(fā)散角，并盡可能也采用短焦距物鏡（20mm左右），只有在一些特殊情況下，才選用較長的焦距。,孔的成形影響因素3,3.焦點(diǎn)位置,孔的成形影響因素4,4.光斑內(nèi)的能量分布 激光能量分布對打孔質(zhì)量的影響關(guān)系圖如下：,孔的成形影響因素5,5.激光的多次照射 激光照射一次，加工的深度大約是孔徑的五倍左右，而且錐度較大。 下圖是用紅寶石激光器加工藍(lán)寶石時(shí)獲得的實(shí)驗(yàn)曲線。,孔的成形影響因素5,多次照射能在不擴(kuò)大孔徑的情況下將孔打深，是由于光管效應(yīng)的結(jié)果。 下圖是兩次照射的光管效應(yīng)的示意圖： （a）第一次 （b）第二次 （c）成形后,孔的成形影響因素6,6.工件材料 由于各種工件材料的吸收光譜不同，經(jīng)透鏡聚焦到工件上的激光能量不可能全部被吸收，其吸收效率與工件材料的吸收光譜及激光波長有關(guān)。 用紅寶石激光器照射鋼表面時(shí)所獲得的工件表面粗糙度與加工深度關(guān)系的試驗(yàn)曲線圖如下：,二.激光切割,該工藝是將高能量密度的激光通過透鏡在被切割材料附近聚焦，照射到材料表面后使材料熔化； 同時(shí)，從錐形噴嘴的小孔中噴出0.150.4MPa的高壓輔助氣體，吹走熔化的金屬，通過調(diào)整工藝參數(shù)，可以使材料恰好熔化到底面為止，完成切割過程。,激光切割系統(tǒng) BYSPRINT,全飛行光路 配有2200w貨3000w激光諧振器，獲得更高的功率和切割速率。穩(wěn)定可靠，經(jīng)久耐用,激光切割樣品皮革,激光切割樣品案圖,激光切割樣品案圖,激光切割樣品圖標(biāo),激光切割樣品,激光切割工藝參數(shù),在激光切割過程中，主要的工藝參數(shù)有： 切割速度 焦點(diǎn)位置 輔助氣體 激光功率,工藝參數(shù)1,1.切割速度 當(dāng)用恒定功率的激光切割低碳鋼時(shí)，板材厚度與切割速度對切割質(zhì)量的影響如圖所示。 正常的切割厚度 割縫寬度與焦點(diǎn)位置 焦點(diǎn)位置與切割質(zhì)量,工藝參數(shù)2,2.焦點(diǎn)位置 上面中間的圖反映了切割速度為1.5m/min時(shí)，改變激光輸出功率時(shí)焦點(diǎn)位置與割縫寬度的關(guān)系：割縫因使用多模激光而增寬； 切割不同厚度的低碳鋼板時(shí)，其焦點(diǎn)位置范圍上面第三個(gè)間的圖所示，板材越厚，焦點(diǎn)位置的正常范圍越窄。,工藝參數(shù)3,3.輔助氣體 激光切割時(shí)通常都要使用輔助氣體。 根據(jù)不同的被切割工件材料，可選用空氣、氧氣、二氧化碳或氬氣等輔助氣體。 輔助氣體的作用是吹走熔化金屬，并防止透鏡被飛濺物和煙塵附著而損壞。 在不粘附熔渣的原則下，氣體壓力一般取低值為好。 用氧氣作輔助氣體切割低碳鋼材料時(shí)，氧與鐵反應(yīng)會(huì)生成氧化鐵，所產(chǎn)生的熱量可有效地用于切割。氧化鐵的燃燒溫度比鐵還低，所以此時(shí)不是熔化切割而是燃燒切割，因此能夠提高切割速度和質(zhì)量。 二氧化碳及惰性氣體則可以很好地保護(hù)切割表面，提高切割質(zhì)量。,工藝參數(shù)4,4.激光功率 激光功率直接影響切割的正常進(jìn)行，如前所述，激光功率與切割速度有密切的聯(lián)系。 激光功率太小，就不能切斷材料，而激光功率太大，則切縫質(zhì)量差，切縫較寬。激光功率的大小還與激光的振蕩模式有關(guān)。例如，300W的單模激光和500W的多模激光具有同等的切割能力。 使用多模激光切割時(shí)，割縫較寬，而單模激光切割時(shí)的割縫較窄，低碳鋼和不銹鋼等材料的割縫僅為0.10.2mm。輔助氣體為氧氣時(shí)，采用單模激光切割鈦，切割速度非?？?，不過割縫較寬。,激光切割質(zhì)量的影響因素,1.激光切割質(zhì)量要求達(dá)到以下幾個(gè)方面： 切縫入口處輪廓清晰； 切縫窄； 切邊熱損傷最??； 切邊平行度好； 無切割粘渣； 切割表面光潔。 2.切邊的粗糙度與斷面條紋的寬度及間隔有關(guān)。 3.激光切割質(zhì)量的影響因素主要有光束特性和工件特性兩個(gè)方面。,光束特性1,1.激光功率：研究表明，隨著功率的提高，會(huì)引起光斑尺寸和切縫寬度增大以及等離子吸收增加，這導(dǎo)致切割過程效率降低。 確定切割速度和切割厚度的主要參量是激光功率和材料性能。,光束特性2,2.光束模式：光束模式與它的聚焦能力有關(guān)。 當(dāng)功率較小時(shí)激光振蕩模式為單模（TEM00），功率超過1.5kW時(shí)為多模。 單模激光通過透鏡聚焦可以使割縫寬度只有0.10.25mm，切割面整潔。多模激光聚焦焦斑直徑不可能很小，割縫寬度無論如何也超過0.8mm。 此外，即使激光功率相同，焦斑直徑也不一樣，隨之能量密度也不同，切割能力也就大不相同。,光束特性3,切割能力隨振蕩模式圖：,光束特性4,4.聚焦光斑：聚焦透鏡的焦長越短，光斑尺寸和焦深也越小。 透鏡焦長小，光束聚焦后功率密度高，但焦深受到限制，適用于薄件高速切割；長焦透鏡的聚焦光斑功率密度較低，但其焦深大，可用來切割厚斷面材料。 透鏡焦長、焦深與光斑大小的關(guān)系如下圖所示：,光束特性5,5.光束偏振：所有用于切割的高功率激光器幾乎都采用平面偏振，也就是發(fā)射光束內(nèi)的電磁波都在同一平面內(nèi)振動(dòng)。 電磁波在垂直于工件的平面或表面內(nèi)平面振動(dòng)，對能量耦合效應(yīng)的差別較小。 在切割過程中，光束在切割面上不斷反射，如果光束沿著切縫方向振動(dòng)，光束的能量在最大程度上能夠被材料吸收。 光束偏振對切縫質(zhì)量密切有關(guān)。 在實(shí)際切割中發(fā)生的縫寬、切邊粗糙和垂直度變化都與光束偏振有關(guān)。,光束特性5,偏振方向的重要性對某些材料，如大多數(shù)金屬和陶瓷，在激光束的吸收程度上可體現(xiàn)出來。如圖所示：,工件特性1,工件的材料特性是影響切割質(zhì)量的又一重要因素。 影響切割性能最重要的材料參量: 材料對激光輻射的反射率（或吸收率） 其次,熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù) 此外，材料密度、比熱和氣化潛熱也有相當(dāng)影響。,工件特性2,材料種類不同，其物化性能也各異，從而對光束的表面反射率就有所不同。 從理論上講，材料對光束的反射率越低，切割速度越快。 對不透明材料而言，吸收率=1反射率，它與材料表面形狀、氧化狀態(tài)、偏振面以及等離子耦合機(jī)制密切相關(guān)。 同時(shí)，它也是時(shí)間和溫度的函數(shù)，如圖所示:,/（）,工件特性3,表面狀態(tài)不同也顯著地影響材料對光束的吸收。 1.材料拋光處理前后反射率的變化 2.材料表面粗糙度對切割速度的影響,工件厚度,隨著被切割材料厚度增加，在相同的切割速度下，所需激光功率增加。 在同樣激光輸出功率下，切割速度也隨板厚增加而相應(yīng)降低。,金屬材料切割1,用1kW激光切割各種金屬材料時(shí)板厚與切割速度的關(guān)系 :,mm,金屬材料切割2,用功率500的激光從厚2.3mm的低碳鋼板上以1.6m/min的速度割取的一個(gè)零件。,金屬材料切割3,YAG激光也可以用于切割金屬，并能夠通過光纖傳輸進(jìn)行切割。 下圖是用它切割低碳鋼、鋁、銅時(shí)，板厚和切割速度的關(guān)系。,mm,金屬材料切割3,YAG激光切割的離合器環(huán)：,非導(dǎo)電材料切割,非導(dǎo)電材料是紅外波長CO2激光束的良好吸收體。 由于熱導(dǎo)率小，熱量的傳導(dǎo)損失很小，氣化點(diǎn)低，使它幾乎能吸收全部入射光束能量，并很快使材料蒸發(fā)。 非導(dǎo)電材料主要包括有機(jī)材料、無機(jī)材料和其它特種材料。,木材切割,激光切割木材有兩種不同的機(jī)制：瞬間蒸發(fā)和燃燒。 激光切割木材取決于切割時(shí)激光功率密度值的大小。 瞬間蒸發(fā)是木材切割較理想的切割機(jī)制。 木材在聚焦激光束照射下蒸發(fā)除去，形成切縫，材料切割速度快，熱量傳輸不到未切割基材，割面無炭化。 木材切割速度隨板厚的增加而急劇降低，其下降速度因材料不同而異。,塑料切割,激光作為強(qiáng)熱源，利用其高能量密度汽化膠合劑，很快地破壞聚合體材料的聚合鏈，而順利實(shí)施對材料的切割。,石英切割,石英熱膨脹系數(shù)較低，對激光切割適應(yīng)性好 切邊質(zhì)量好，無裂紋，切面光滑，不需再進(jìn)行輔助清理 切割厚度可達(dá)10mm，切割速度比鋸切加工高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，且工件不承受任何沖擊力 在鹵素?zé)糁圃鞓I(yè)已用激光切割代替金剛石鋸切,陶瓷切割,陶瓷材料導(dǎo)熱性差，幾乎沒有塑性，采用一般加工非常困難，激光加工卻能解決這一問題。 激光加工陶瓷為可控導(dǎo)向斷裂。 當(dāng)激光束順著預(yù)定的切割方向加熱時(shí)，在光點(diǎn)周圍很小區(qū)域引起定向的加熱梯度和隨之生成的高機(jī)械應(yīng)力。這種高應(yīng)力使陶瓷這類脆性材料形成小裂縫。 只要工藝參數(shù)選擇并控制恰當(dāng)，裂縫將嚴(yán)格沿著光束移動(dòng)方向不斷形成，從而把材料切斷。 如切割微電子裝置用剛玉材料，用250W功率的激光束就能準(zhǔn)確地在指定部位切出要求尺寸，切割后無質(zhì)點(diǎn)撕裂，也無需后續(xù)處理。,The end,第三節(jié) 電子束加工技術(shù),電子束加工是指利用高能電子束流轟擊材料，使其產(chǎn)生熱效應(yīng)或輻照化學(xué)和物理效應(yīng)，以達(dá)到預(yù)定的工藝目的。 電子束加工根據(jù)其所產(chǎn)生的效應(yīng)可分為電子束熱加工和電子束非熱加工兩類。,電子束熱加工原理圖,利用電子束熱效應(yīng)的加工方法，稱之為電子束熱加工,電子束非熱加工原理圖,電子束非熱加工是基于電子束的非熱效應(yīng)，利用功率密度比較低的電子束和電子膠（又稱電子抗蝕劑，由高分子材料組成）相互作用，產(chǎn)生的輻射化學(xué)或物理效應(yīng),電子束光刻系統(tǒng),采用高亮度和高穩(wěn)定性的TFE電子槍 出色的電子束偏轉(zhuǎn)控制技術(shù) 采用場尺寸調(diào)制技術(shù)，電子束定位分辨率可達(dá)0.0012nm 采用軸對稱圖形書寫技術(shù)，圖形偏角分辨率可達(dá)0.01mrad,電子束焊接機(jī)結(jié)構(gòu)圖,電子束加工樣品,電子束加工工藝及應(yīng)用,電子束加工按其功率密度和能量注入時(shí)間的不同，可用于打孔、焊接、切割、熱處理、蝕刻等多方面加工，但是生產(chǎn)中應(yīng)用較多的是打孔、焊接、曝光、蝕刻等。,電子束打孔1,無論工件是何種材料，如金屬、陶瓷、金剛石、塑料以及半導(dǎo)體材料都可以用電子束加工工藝加工出小孔和窄縫。 電子束加工不受材料硬度限制，不需要容易磨損的加工工具。 目前，電子束打孔的最小孔徑已達(dá)1m。 當(dāng)孔徑在0.50.9mm時(shí)，其最大孔深已超過10mm，孔的深徑比15:1。 將工件置于磁場中，適當(dāng)控制磁場的變化使束流偏移，即可用電子束加工出斜孔，傾角在3590之間，甚至可以用電子束加工出螺旋孔。,電子束打孔2,電子束打孔的速度高，生產(chǎn)率高，這也是電子束打孔的一個(gè)重要特點(diǎn)。 通常每秒可加工幾十至幾萬個(gè)孔。 例如，板厚0.1mm、孔徑0.1mm時(shí)，每個(gè)孔的加工時(shí)間只有15s。利用電子束打孔速度快的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)在薄板零件上快速加工高密度的孔。 電子束打孔在航空工業(yè)、電子工業(yè)、化纖工業(yè)及制革工業(yè)中得到應(yīng)用。 下面列舉一些應(yīng)用實(shí)例：,實(shí)例1噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室罩打孔,零件材料為CrNiCoMoW鋼，厚度1.1mm，共有3478個(gè)直徑為0.81mm的圓通孔分布于外側(cè)球面上，孔徑公差為0.03mm，所有孔軸與零件底面垂直。 用帶有計(jì)算機(jī)控制的K12-Q11P型電子束打孔機(jī)加工。 零件置于真空室，真空度為2Pa，安裝于夾具上作連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。 加工時(shí)以200ms的單脈沖方式工作，脈沖頻率為1Hz。,實(shí)例2化纖噴絲頭打孔,要求：零件材料為鈷基耐熱合金，厚度為4.36.3mm，需要加工出11766個(gè)直徑為0.81mm的圓形通孔，其公差為0.03mm。 步驟：用脈寬為16ms的單脈沖方波，脈沖頻率為5Hz。零件置于真空室的夾具上，工件連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，打孔過程中電子束隨工件同步偏轉(zhuǎn)，每打一個(gè)孔，電子束跳回原位。加工一件只需要40分鐘，而用電火花加工則需30小時(shí)，用激光加工也要3小時(shí)才能完成，而且公差要優(yōu)于激光加工，且無喇叭口。,實(shí)例3人造革氣孔打孔,人造革打透氣孔示意圖 （1電子束；2人造革；3轉(zhuǎn)臺(tái) ）,實(shí)例4其它孔加工方法,用電子束還可加工航空油過濾 器金屬過濾網(wǎng)（如圖所示） 渦輪葉片氣膜冷卻孔、寶石軸承 孔、拉絲模孔等等。 利用電子束通過磁場發(fā)生偏轉(zhuǎn) 的原理還可以加工出彎曲孔和斜孔。 總之，由于有眾多的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)， 電子束打孔在多種精度要求過高的工 業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。,金屬過濾網(wǎng)的電子束高速打孔,電子束焊接特點(diǎn),焊縫深寬比高 焊接速度高 工件熱變形小 焊縫物理性能好 工藝適應(yīng)性強(qiáng)，能進(jìn)行變截面焊接，也能實(shí)現(xiàn)狹縫厚材料深焊，甚至可以實(shí)現(xiàn)異種材料的焊接 因此具有廣泛的應(yīng)用，特別是在航空航天工業(yè)中得到了大量應(yīng)用。,電子束焊接航空航天應(yīng)用1,在發(fā)動(dòng)機(jī)部件、航空航天器結(jié)構(gòu)件的制造中，為了應(yīng)用最新材料和省時(shí)省料，一般采用先分塊加工然后利用電子束拼焊。 如批量制造發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)輪盤時(shí)，采用分體制造輪轂和輪緣，將輪緣分為8段（由8個(gè)小鍛件加工成扇形），再用電子束將其余輪轂組合拼焊成壓氣機(jī)輪盤。 為省去發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子聯(lián)接螺栓及安裝邊，減輕轉(zhuǎn)子重量，簡化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，增加剛性，可采用電子束焊接將轉(zhuǎn)子盤鼓拼焊為整體，從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)工作的可靠性。,電子束焊接航空航天應(yīng)用1（續(xù)）,左和右圖所示為某發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子焊接后整體結(jié)構(gòu)示意圖：,電子束焊接航空航天應(yīng)用2,航空發(fā)動(dòng)機(jī)某些部件（如高壓渦輪機(jī)匣，高壓承力軸承等）可通過異種材料的組合，使發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，利用材料線膨脹系數(shù)不同，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)間隙配合，從而達(dá)到提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，增加發(fā)動(dòng)機(jī)推重比，節(jié)省材料，延長壽命等目的。 如將GH4169和GH907兩種高溫合金零件焊在一體，采用適當(dāng)工藝參數(shù)和工藝措施，以滿足異種材料拼焊。,電子束焊接航空航天應(yīng)用3,可變后掠翼飛機(jī)的中翼盒長達(dá)6.7m，壁厚12.757mm，可以用鈦合金小零件以電子束焊接制成，共70道焊縫。 僅此項(xiàng)工藝，便可減少飛機(jī)重量270kg。 大型渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金機(jī)匣，壁厚1.869.8mm，外徑2.4m，是發(fā)動(dòng)機(jī)中最大，加工最復(fù)雜，成本最高的部件。 采用電子束焊接后，節(jié)約了材料和工時(shí)，成本可下降40%。,電子束焊接航空航天應(yīng)用4,登月艙鈹合金框架和制動(dòng)引擎中的64處零部件都采用了電子束焊接。 研究證明，在宇宙空間用電子束焊接是極有效的。 宇宙空間滿足了電子束焊所需要的真空環(huán)境，而且電子束的能量轉(zhuǎn)換效率最高，可以在宇宙飛行中進(jìn)行特種材料焊接，使用的電子束焊接設(shè)備包括電源、控制系統(tǒng)和手握式電子槍，全重僅28kg。,電子束焊接工業(yè)應(yīng)用,電子束焊接還常用于傳感器以及電氣元件的連接和封裝，尤其一些耐壓，耐腐蝕的小型器件在特殊環(huán)境工作時(shí)，電子束焊接有其很大優(yōu)越性。 隨著大功率的電子束焊機(jī)的發(fā)展，電子束焊接工藝已進(jìn)入重工業(yè)領(lǐng)域，在厚壁壓力容器、造船工業(yè)等都有良好的應(yīng)用前景。,電子束焊接的實(shí)例圖片,電子束深縫焊接實(shí)例,電子束曝光,在集成電路、微電子器件、集成光學(xué)器件、表面聲波器件以及微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等元器件的圖形制作技術(shù)中，通常需要用電子束曝光處理，作為刻蝕前置工序。 實(shí)際過程是用電子束輻照涂覆在襯底材料（可以是硅片、石英、陶瓷、玻璃等）上的一層厚度均勻的輻射敏感聚合物薄膜（亦稱電子抗蝕劑或電子膠），使電子和電子膠相互作用，電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能以實(shí)現(xiàn)曝光的一種方法。,微細(xì)加工技術(shù)原理圖,1工件；2曝光膠；3輻射線；4掩膜,電子束曝光分類,電子束曝光一般分為兩類，掃描電子束曝光（又稱電子束線曝光）和投影電子束曝光（又稱電子束面曝光）。 由于微型電子器件的圖形精細(xì)、復(fù)雜，且基片面積大，要求電子束精細(xì)聚焦，并能自由移動(dòng)，精確地掃描達(dá)到規(guī)定的位置上，即掃描曝光。 在工業(yè)應(yīng)用中，我國用投影電子束曝光機(jī)制成的高頻器件的最細(xì)線寬為2.5m，間隔為2.5m；表面聲波器件的最細(xì)線寬為2m，間隔為2m。 國外已做出最小線條為1m的器件，即在石榴石上制成的8位移位寄存器。,電子束加工其它應(yīng)用,電子束表面改性處理 電子束熔煉 電子束銑切 電子束鍍膜等方法也都得到了工業(yè)應(yīng)用。,電子束熔煉,電子束熔煉是用電子束轟擊金屬錠，使其重熔，然后在坩堝中凝固結(jié)晶。 可以熔煉鎢、鉭、鈮等難熔金屬材料，得到高純度的金屬錠。,電子束銑切,電子束銑切是利用電子束熱加工原理，對工件進(jìn)行銑切的一種方法。 用掃描電子束或程控脈沖電子束可在金屬、玻璃、石墨和塑料等材料上直接加工出溝槽、型孔、窄縫等； 還可以用電子束局部蒸發(fā)的方法，在鍍于基片表面的薄膜（厚度為10100nm）上銑切出薄膜圖形，用此可以制造薄膜電阻網(wǎng)絡(luò)。制造一個(gè)含有30個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)的薄膜電阻，包括輔助時(shí)間在內(nèi)，總加工時(shí)間為30s。 盡管電子束銑切有加工精度高，速度快和無需刀具等優(yōu)點(diǎn)，但設(shè)備復(fù)雜、加工成本高，只宜用于其它方法難以加工的特殊情況。,電子束鍍膜,電子束鍍膜是用電子束作為熱源，轟擊放在水冷坩堝中的蒸發(fā)材料，使其受熱蒸發(fā)而沉積在基片上得到所需膜層。 適合于蒸發(fā)難熔材料，如鎢、鉬、氧化釔、氧化鋯等。 用于光學(xué)鏡片鍍氧化鋯和氧化釷膜；薄膜電路中錸膜電阻器和氟化銅薄膜電容器等。,電子束加工時(shí)注意事項(xiàng),在電子束加工中，必須注意X射線輻射對人體的危害。 當(dāng)電子束撞擊到金屬、氣體或金屬蒸汽時(shí)，會(huì)產(chǎn)生X射線，傷害人體細(xì)胞。 因此需要配置足夠厚的鋼壁或外壁包鉛以防止射線外溢。,The end,第四節(jié) 離子束加工技術(shù),離子束加工是在真空條件下，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過加速聚焦，使之具有高的動(dòng)能能量，轟擊工件表面，利用離子的微觀機(jī)械撞擊實(shí)現(xiàn)對材料的加工。 離子束加工的物理基礎(chǔ)是離子束射到材料表面時(shí)所發(fā)生的撞擊效應(yīng)、濺射效應(yīng)和注入效應(yīng)。,離子碰撞過程解釋,離子碰撞過程,離子束加工原理圖,離子束濺射鍍膜設(shè)備,主要功能：鍍制多層膜反射鏡,離子束加工工藝及應(yīng)用,離子束加工的應(yīng)用范圍正在日益擴(kuò)大，不斷創(chuàng)新。 目前用于改變零件尺寸和表面物理力學(xué)性能的離子束加工工藝主要有用于從工件上作去除加工的離子刻蝕加工、用于給工件表面添加的濺射鍍膜和離子鍍膜加工以及用于表面改性的離子注入加工,離子束加工工藝示意圖,刻蝕加工,離子束刻蝕是從工件上去除材料，是一個(gè)撞擊濺射過程。 當(dāng)離子束轟擊工件，入射離子與靶原子碰撞時(shí)將動(dòng)能傳遞給靶原子，使其獲得的能量超過原子的結(jié)合能，導(dǎo)致靶原子發(fā)生濺射，從工件表面濺射出來，以達(dá)到刻蝕的目的。 刻蝕加工時(shí)，對離子入射能量、束流大小、離子入射角度以及工作室壓力都需要根據(jù)不同的加工需求進(jìn)行調(diào)整。 離子束刻蝕可以在高精度加工、表面拋光、石英晶體諧振器制作等方面得到應(yīng)用。,刻蝕加工應(yīng)用1,1.高精度加工 離子束刻蝕可達(dá)到很高的分辨率，適合刻蝕精細(xì)圖形。 離子束加工小孔的優(yōu)點(diǎn)是孔壁光滑，鄰近區(qū)域不產(chǎn)生應(yīng)力和損傷，能加工出任意形狀的小孔，且孔形狀只取決于掩模的孔形。 下圖是加工成形的毛細(xì)管：,刻蝕加工應(yīng)用1（續(xù)）,加工線寬為納米級(jí)的窄槽是超精微加工的需要。 如某零件要求在10nm的碳膜上，用電子束蒸鍍10nm的金鋁（60/40）膜。 1.首先將樣品置于真空系統(tǒng)中，其表面自然形成一種污染抗蝕劑掩模，用電子束曝光顯影后形成線寬為8nm的圖形， 2.然后用氬離子束刻蝕，離子束流密度為 0.1mA/cm，離子能量是1keV； 另一種是在20nm厚的金鈀膜上刻出線寬為8nm的圖形、深寬比提高到2.5:10。由此可見離子束加工可達(dá)到很高的精度。,刻蝕加工應(yīng)用2,2.表面拋光 離子束能完成機(jī)械加工中的最后一道工序精拋光，以消除機(jī)械加工所產(chǎn)生的刻痕和表面應(yīng)力。 加工時(shí)只要嚴(yán)格選擇濺射參數(shù)（入射離子能量、離子質(zhì)量、離子入射角、樣品表面溫度等），光學(xué)零件就可以獲得極佳的表面質(zhì)量，且散射光極小。 離子束拋光激光棒和光學(xué)元件的表面，表面可以達(dá)到極高的均勻和一致性，而且元件本身在工藝過程中也不會(huì)被污染。,刻蝕加工應(yīng)用3,3.石英晶體諧振器制作 石英晶體的諧振頻率與其厚度有關(guān)。 用機(jī)械研磨和拋光致薄的晶體，可制作低頻器件，但頻率超過20MHz時(shí)，上述工藝已不適用，因?yàn)闃O薄的晶片已不能承受機(jī)械應(yīng)力。 采用離子束拋光，可以不受此限制。石英晶體諧振器的金屬引線要求重量輕、低電阻，通常用鋁沉積在晶體表面溝槽中，以高電導(dǎo)率鋁作引線電極。 用離子束濺射加工晶體上的溝槽是最有效的方法。,濺射鍍膜加工,濺射鍍膜是基于離子轟擊靶材時(shí)的濺射效應(yīng)。 離子束在電場或磁場的加速下飛向陰極靶材，陰極表面靶原子濺射至靶材附近的工件表面，形成鍍膜。 濺射鍍膜有三種濺射技術(shù)：直流二級(jí)濺射、三級(jí)濺射和磁控濺射，其區(qū)別在于放電方式有所不同。 自20世紀(jì)70年代磁控濺射技術(shù)的出現(xiàn)，使濺射鍍膜進(jìn)入了工業(yè)應(yīng)用，在鍍膜的工藝領(lǐng)域中占有極為重要的地位。,應(yīng)用1硬質(zhì)膜磁控濺射,在高速鋼刀具上用磁控濺射鍍氮化鈦（TiN）超硬膜，大大提高刀具的壽命，可以在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用。 氮化鈦可以采用直流濺射，但在工業(yè)生產(chǎn)中更為經(jīng)濟(jì)的是采用反應(yīng)濺射。 舉例：工件經(jīng)過超聲清洗之后，再經(jīng)過射頻濺射清洗（功率為1kW，時(shí)間約2min）。鍍膜時(shí)濺射電壓為330375V，電流密度穩(wěn)定在44mA/cm2，工件與靶面的距離為4.75cm，工件加220V的負(fù)偏壓，通入真空室的氬流量lPam3/S，氮流量為0.020.06Pam3/s。氮流量在0.03Pam3/s以下時(shí)，氮?dú)饪梢匀颗c濺射到工件上的鈦原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而耗盡，鍍膜速率為300nm/min。隨著氮化鈦中氮含量增加，鍍膜色澤由金屬光澤變?yōu)榻瘘S色，可以用作仿金裝飾鍍層。,應(yīng)用2固體潤滑膜的鍍制,在齒輪的齒面上和軸承上濺射控制二硫化鉬潤滑膜，其厚度為0.20.6m，摩擦系數(shù)為0.04。濺射時(shí)，采用直流濺射或射頻濺射，靶材是用二硫化鉬粉末壓制成形。為保證得到晶態(tài)薄膜（此種狀態(tài)下，有潤滑作用），必須嚴(yán)格控制工藝參數(shù)。如用射頻濺射二硫化鉬的工藝參數(shù)為：電壓2.5kV，真空度為l Pa，鍍膜速率為30nm/min。為了避免得到非晶態(tài)薄膜，基片溫度應(yīng)適當(dāng)高一些，但不能超過200。,應(yīng)用3歐姆接觸層的鍍制,磁控濺射鍍鋁或鋁合金可用于制備大規(guī)模集成電路的歐姆接觸層。所適用的合金有Al-Si（1.2%）、A1-Cu（4%）和A1-Si（l%）等。濺射時(shí)，要求靶材純度高，并嚴(yán)格控制氫、氯等雜質(zhì)氣體含量。,應(yīng)用4薄壁零件的鍍制,例如某零件是直徑為15毫米的管件，壁厚為63.5m，材料為10元合金，成分為：Fe-Ni（42%）、Cr（5.4%）、Ti（2.4%）、AL（0.65%）、Si（0.5%）、Mn（0.4%）、Cu（0.05%）、C（0.02%）、S（0.008%）。 先用鋁棒車成芯軸，而后鍍膜。鍍膜后，用氫氧化鈉的水溶液將鋁芯全部溶蝕，即可取下零件。或用不銹鋼芯軸表面加以氧化膜，濺射鍍膜后，用噴丸方法或者液氮冷卻方法使之與芯軸脫離。濺射鍍制的薄壁管，其壁厚偏差小于1%（圓周方向）和2%（軸向），遠(yuǎn)低于一般4%的偏差要求。,離子鍍加工,離子鍍是在真空蒸鍍和濺射鍍膜的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種鍍膜技術(shù)。從廣義上講，離子鍍這種真空鍍膜技術(shù)是膜層在沉積的同時(shí)又受到高能粒子束的轟擊； 離子