先進(jìn)制造技術(shù)32(1)

1、13.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.1 概述概述 特種加工技術(shù)是指區(qū)別于傳統(tǒng)切削加工方法，特種加工技術(shù)是指區(qū)別于傳統(tǒng)切削加工方法，利用化學(xué)、物理（電、聲、光、熱、磁）或電化學(xué)利用化學(xué)、物理（電、聲、光、熱、磁）或電化學(xué)方法對(duì)工件材料進(jìn)行加工的一系列加工方法的總稱方法對(duì)工件材料進(jìn)行加工的一系列加工方法的總稱。這些加工方法包括：化學(xué)加工（這些加工方法包括：化學(xué)加工（CHM）、電化學(xué)加）、電化學(xué)加工（工（ECM）、電化學(xué)機(jī)械加工（）、電化學(xué)機(jī)械加工（ECMM）、電火花）、電火花加工（加工（EDM）、電接觸加工（）、電接觸加工（RHM）、超聲波加）、超聲波加工（工（USM）、激光加工（）、激光加

2、工（LBM）、離子束加工）、離子束加工（IBM）、電子束加工（）、電子束加工（EBM）、等離子體加工）、等離子體加工（PAM）、電液加工（）、電液加工（EHM）、磨料流加工）、磨料流加工（AFM）、磨料噴射加工（）、磨料噴射加工（AJM）、液體噴射加工）、液體噴射加工（HDM）及各類復(fù)合加工等。）及各類復(fù)合加工等。 23.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.1 概述 特種加工的特點(diǎn)： 1）不用機(jī)械能，與加工對(duì)象的機(jī)械性能無(wú)關(guān)，有些加工方法，如激光加工、電火花加工、等離子弧加工、電化學(xué)加工等，是利用熱能、化學(xué)能、電化學(xué)能等，這些加工方法與工件的硬度強(qiáng)度等機(jī)械性能無(wú)關(guān)，故可加工各種硬、軟、脆、熱敏

3、、耐腐蝕、高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、特殊性能的金屬和非金屬材料。33.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.1 概述特種加工的特點(diǎn)： 2）非接觸加工，不一定需要工具，有的雖使用工具，但與工件不接觸，因此，工件不承受大的作用力，工具硬度可低于工件硬度，故使剛性極低元件及彈性元件得以加工。 3）微細(xì)加工，工件表面質(zhì)量高，有些特種加工，如超聲、電化學(xué)、水噴射、磨料流等，加工余量都是微細(xì)進(jìn)行，故不僅可加工尺寸微小的孔或狹縫，還能獲得高精度、極低粗糙度的加工表面 。43.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.1 概述特種加工的特點(diǎn)： 4）不存在加工中的機(jī)械應(yīng)變或大面積的熱應(yīng)變，可獲得較低的表面粗糙度，其熱應(yīng)力、殘余應(yīng)

4、力、冷作硬化等均比較小，尺寸穩(wěn)定性好。 5）兩種或兩種以上的不同類型的能量可相互組合形成新的復(fù)合加工，其綜合加工效果明顯，且便于推廣使用。 6）特種加工對(duì)簡(jiǎn)化加工工藝、變革新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及零件結(jié)構(gòu)工藝性等產(chǎn)生積極的影響。53.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.1 概述 目前常用特種加工方法的性能與適用范圍見(jiàn)下表。6加工方法可加工材料尺寸精度/mm（平均/最高）表面粗糙度Ra/m（平均/最高）主要適用范圍電火花加工任何導(dǎo)電的金屬材料，如硬質(zhì)合金、不銹鋼、淬火鋼、鈦合金0.03/0.00310/0.04從數(shù)微米的孔、槽到數(shù)米的超大型模具、工件等，如圓孔、方孔、異形孔、微孔、彎孔、深孔及各種模具；還

5、可以刻字、表面強(qiáng)化、涂覆加工電火花線切割加工0.02/0.0025/0.32切割各種模具及零件，各種樣板等；也常用于鉬、鎢、半導(dǎo)體材料或貴重金屬的切割電解加工0.1/0.011.25/0.16從細(xì)小零件到上噸重的超大型工件及模具，如儀表微型軸、蝸輪葉片、炮管膛線等電解磨削0.02/0.0011.25/0.04硬質(zhì)合金等難加工材料的磨削以及超精光整研磨、珩磨超聲波加工任何脆性材料0.03/0.0050.63/0.16加工、切割脆硬材料，如玻璃、石英、寶石、金剛石、半導(dǎo)體等激光加工任何材料0.01/0.00110/1.25精密加工小孔、窄縫及成形加工、蝕刻；還可焊接、熱處理電子束加工0.01/0.

6、00110/1.25在各種難加工材料上打微孔、切縫、蝕刻、焊接等，常用于中、大規(guī)模集成電路微電子器件離子束加工/0.01/0.01對(duì)零件表面進(jìn)行超精密加工、超微量加工、拋光、蝕刻、鍍覆等73.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.2 激光加工3.2.2.1 激光加工的主要特點(diǎn) 激光也是一種光，其除了具有光的一般物性（如反射、折射、繞射及干涉等）外，還具有四大特點(diǎn)：高亮度、高方向性、高單色性和高相干性，這四大優(yōu)異特性是普通光源望塵莫及的。因此，就給激光加工帶來(lái)了如下一些其它方法所不具備的可貴特點(diǎn)：83.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.2 激光加工激光加工3.2.2.1 激光加工的主要特點(diǎn)激光加

7、工的主要特點(diǎn) （1）加工方法多、適應(yīng)性強(qiáng)。在同一臺(tái)設(shè)備上可完成）加工方法多、適應(yīng)性強(qiáng)。在同一臺(tái)設(shè)備上可完成切割、焊接、表面處理、打孔等多種加工；即可分步加工，切割、焊接、表面處理、打孔等多種加工；即可分步加工，又可在幾個(gè)工位同時(shí)進(jìn)行加工。可加工各種材料，包括高又可在幾個(gè)工位同時(shí)進(jìn)行加工?？杉庸じ鞣N材料，包括高硬度、高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度及脆性、柔性材料。即可在大氣中，硬度、高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度及脆性、柔性材料。即可在大氣中，也可在真空中進(jìn)行加工。也可在真空中進(jìn)行加工。 （2）加工精度，高質(zhì)量好。由于高能量密度和非接觸）加工精度，高質(zhì)量好。由于高能量密度和非接觸式加工，以及作用時(shí)間短，即能量注入速率高。工件熱

8、變式加工，以及作用時(shí)間短，即能量注入速率高。工件熱變形小，且無(wú)機(jī)械變形，對(duì)精密小零件的加工非常有利。形小，且無(wú)機(jī)械變形，對(duì)精密小零件的加工非常有利。93）加工效率高，經(jīng)濟(jì)效益好。在某些情況下，用激）加工效率高，經(jīng)濟(jì)效益好。在某些情況下，用激光切割可提高效率光切割可提高效率810倍；用激光進(jìn)行深溶焊接的倍；用激光進(jìn)行深溶焊接的生產(chǎn)效率比傳統(tǒng)方式提高生產(chǎn)效率比傳統(tǒng)方式提高30倍。用激光微調(diào)薄膜電倍。用激光微調(diào)薄膜電阻，提高工效阻，提高工效1000倍，提高精度倍，提高精度12個(gè)量級(jí)。用激個(gè)量級(jí)。用激光強(qiáng)化電鍍，其金屬沉積率可提高光強(qiáng)化電鍍，其金屬沉積率可提高1000倍。金剛石倍。金剛石拉絲模用機(jī)械方

9、法打孔需要拉絲模用機(jī)械方法打孔需要24h，用，用YAG激器打孔，激器打孔，只需只需2s,提高工效提高工效43200倍。與其它打孔方法相比，倍。與其它打孔方法相比，激光打孔的費(fèi)用節(jié)省激光打孔的費(fèi)用節(jié)省25%75%，間接加工費(fèi)用節(jié)省，間接加工費(fèi)用節(jié)省50%75%。與其它切割方法相比，激光切割鋼材降。與其它切割方法相比，激光切割鋼材降低費(fèi)用低費(fèi)用70%90%。 （4）節(jié)約能源與材料，無(wú)公害與污染。激光束）節(jié)約能源與材料，無(wú)公害與污染。激光束的能量利用率為常規(guī)熱加工工藝的的能量利用率為常規(guī)熱加工工藝的101000倍。激倍。激光切割可節(jié)省光切割可節(jié)省15%30%。激光束不產(chǎn)生像電子束那。激光束不產(chǎn)生像電

10、子束那樣的射線，無(wú)加工污染。樣的射線，無(wú)加工污染。 103.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.2 激光加工3.2.2.1 激光加工的主要特點(diǎn) （5）加工用的是激光束，無(wú)“刀具”磨損及切削力影響的問(wèn)題。激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對(duì)材料（包括金屬與非金屬）進(jìn)行及微加工等的加工技術(shù)。激光加工技術(shù)是涉及到光、機(jī)、電、材料及檢測(cè)等多門學(xué)科的一門綜合技術(shù)，它的研究范圍一般可分為：激光加工系統(tǒng)。包括激光器、導(dǎo)光系統(tǒng)、加工機(jī)床、控制系統(tǒng)及檢測(cè)系統(tǒng)；激光加工工藝。包括切割、焊接、表面處理、打孔、打標(biāo)、劃線、微調(diào)等各種加工工藝。113.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.2 激光加工3.2.2

11、.2 現(xiàn)狀及國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì) （1）目前激光加工技術(shù)研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn) 可歸納為：新一代工業(yè)激光器研究，目前處在技術(shù)上的更新時(shí)期，其標(biāo)志是二極管泵浦全固態(tài)激光器的發(fā)展及應(yīng)用；精細(xì)激光加工，在激光加工應(yīng)用統(tǒng)計(jì)中微細(xì)加工1996年只占6，1997年翻了一倍達(dá)12，1998年已增加到19；加工系統(tǒng)智能化，系統(tǒng)集成不僅是加工本身，而是帶有實(shí)時(shí)檢測(cè)、反饋處理，隨著專家系統(tǒng)的建立，加工系統(tǒng)智能化已成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。 123.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.2 激光加工3.2.2.2 現(xiàn)狀及國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì) 激光技術(shù)在我國(guó)經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，取得了上千項(xiàng)科技成果，許多已用于生產(chǎn)實(shí)踐，激光加工設(shè)備產(chǎn)量平均每年以

12、20的速度增長(zhǎng)，為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)改造、提高產(chǎn)品質(zhì)量解決了許多問(wèn)題，如激光毛化纖技術(shù)正在寶鋼、本鋼等大型鋼廠推廣，將改變我國(guó)汽車覆蓋件的鋼板完全依賴進(jìn)口的狀態(tài)，激光標(biāo)記機(jī)與激光焊接機(jī)的質(zhì)量、功能、價(jià)格符合國(guó)內(nèi)目前市場(chǎng)的需求，市場(chǎng)占有率達(dá)90以上。133.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.2 激光加工3.2.2.2 現(xiàn)狀及國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì) （2）存在的主要問(wèn)題 科研成果轉(zhuǎn)化為商品的能力差，許多有市場(chǎng)前景的成果停留在實(shí)驗(yàn)室的樣機(jī)階段；激光加工系統(tǒng)的核心部件激光器的品種少、技術(shù)落后、可靠性差；對(duì)加工技術(shù)的研究少，尤其對(duì)精細(xì)加工技術(shù)的研究更為薄弱，對(duì)紫外波激光進(jìn)行加工的研究進(jìn)行的極少。激光加工設(shè)備的可靠

13、性、安全性、可維修性、配套性較差，難以滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。143.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.2 激光加工3.2.2.3 激光加工的基本原理 （1）激光 物質(zhì)由原子等微觀粒子組成，而原子由一個(gè)帶正電荷的原子核和若干個(gè)帶負(fù)電荷的電子組成。原子核所帶的正電荷與各電子所帶的負(fù)電荷之和在數(shù)量上是相等的。各個(gè)電子圍繞原子核作軌跡運(yùn)動(dòng)。電子的每一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)著原子的一個(gè)內(nèi)部能量值，原子的內(nèi)能值一般是不連續(xù)的，稱為原子的能級(jí)。原子的最低能級(jí)稱為基態(tài)，能量比基態(tài)高的能級(jí)均稱為激發(fā)態(tài)。光和物質(zhì)的相互作用可歸納為光和原子的相互作用，這些作用會(huì)引起原子所處能級(jí)狀態(tài)的變化。其過(guò)程有以下三種主要情況：光的自發(fā)

14、發(fā)射、光的受激吸收和光的受激發(fā)射。153.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.2 激光加工3.2.2.3 激光加工的基本原理 光的自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射都是原子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)而發(fā)射光子，但它們有很大差別。自發(fā)發(fā)射的光子射向四面八方，各光子之間的位相、偏振方向都是獨(dú)立的，沒(méi)有聯(lián)系。普通光源的發(fā)射都是自發(fā)發(fā)射。受激發(fā)射的光子與外來(lái)光子不但具有完全相同的發(fā)射方向和頻率，而且位相和偏振態(tài)也完全相同。這樣受激發(fā)射過(guò)程就起到了增強(qiáng)入射光強(qiáng)度的作用。激光正是利用了受激發(fā)射的這一特性，實(shí)現(xiàn)了光放大的目的，也就是說(shuō)，激光就是由于受激發(fā)射而放大的光。激光和普通光在本質(zhì)上都是一種電磁波，但因其產(chǎn)生方法與普通光不同

15、，因而與普通光相比，具有方向性強(qiáng)（幾乎是一束平行準(zhǔn)直的光束）、單色性好（光的頻率單一）、亮度非常高（比太陽(yáng)表面的亮度還高1010倍）、能量高度集中、相干性好及閃光時(shí)間可以極短等特點(diǎn)。163.8.1 3.8.1 激光加工激光加工激光加工原理激光加工原理 激光是一種受激輻射產(chǎn)生的加強(qiáng)光，當(dāng)激光照射到工件表面，光能被工件迅速吸收并轉(zhuǎn)化為熱能，工件在光熱效應(yīng)下產(chǎn)生的高溫熔融和沖擊波的綜合作用達(dá)到加工的目的。固體激光器結(jié)構(gòu)示意圖 173.2 特種加工技術(shù)3.2.2 激光加工3.2.2.3 激光加工的基本原理 （2）激光器 光和物質(zhì)體系相互作用時(shí)，總是同時(shí)存在著自發(fā)發(fā)射、受激吸收和受激發(fā)射三個(gè)過(guò)程。在正常

16、情況下，物質(zhì)體系中處于低能級(jí)的原子數(shù)總比處于高能級(jí)的原子數(shù)多，這樣，吸收過(guò)程總是勝過(guò)受激過(guò)程。要使受激發(fā)射過(guò)程勝過(guò)吸收過(guò)程，實(shí)現(xiàn)光放大，就必須以外界激勵(lì)來(lái)破壞原來(lái)粒子數(shù)分布，使處于低能級(jí)的粒子吸收外界能量躍遷到高能級(jí)，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)，即使高能級(jí)上的原子數(shù)多于低能級(jí)上的原子數(shù)，這個(gè)過(guò)程稱為激勵(lì)。激勵(lì)過(guò)程是所有激光器工作的基礎(chǔ)和核心。183.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.2 激光加工3.2.2.3 激光加工的基本原理 激光器一般有三個(gè)基本組成部分，下圖為紅寶石激光器結(jié)構(gòu)示意圖。 1、11-冷卻水人口 2-工作物質(zhì) 3、9-冷卻水出口 4-部分反射鏡 5-透鏡 6-工件7-激光束 8-聚光器

17、 10-氙燈 12-玻璃套管 13-電源（含電容組和觸發(fā)器） 14-全反射鏡191、11-冷卻水人口冷卻水人口 2-工作物質(zhì)工作物質(zhì) 3、9-冷卻水出口冷卻水出口 4-部分反射鏡部分反射鏡 5-透鏡透鏡 6-工件工件7-激光束激光束 8-聚光器聚光器 10-氙燈氙燈 12-玻璃套管玻璃套管 13-電源（含電容組和觸發(fā)器）電源（含電容組和觸發(fā)器） 14-全反射鏡全反射鏡203.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.2 激光加工3.2.2.3 激光加工的基本原理 激光器工作時(shí)，從電源的脈沖氙燈發(fā)出的光經(jīng)橢圓柱內(nèi)表面反射后聚到晶體棒上，工作物質(zhì)受到激勵(lì)能源的作用后，接收了外界能量，許多原子從基態(tài)躍遷到

18、激發(fā)態(tài)，但它們很快會(huì)回到基態(tài)。在這個(gè)過(guò)程中有一個(gè)中間激發(fā)態(tài)存在，即原子先躍遷到這一狀態(tài)，然后躍遷回基態(tài)。原子在中間狀態(tài)停留的時(shí)間比在激發(fā)態(tài)要長(zhǎng)得多，因此又稱這一狀態(tài)為亞穩(wěn)態(tài)。亞穩(wěn)態(tài)的存在，使得處于這一狀態(tài)的原子數(shù)有可能比處于基態(tài)的多。原子從亞穩(wěn)態(tài)躍遷回基態(tài)時(shí)自發(fā)發(fā)射光子，這些光子射向四面八方，其大部分光子很快逸出諧振腔，只有方向沿工作物質(zhì)軸向的光子因受到兩塊反射鏡的作用而來(lái)回反射，并且感應(yīng)出其他處于亞穩(wěn)態(tài)的原子受激發(fā)射。因?yàn)榧?lì)能源的作用，工作物質(zhì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，所有受激發(fā)射過(guò)程使光波得到放大，放大的光波與起始的光波具有完全相同的性質(zhì)。當(dāng)放大到一定程度，腔內(nèi)光波的放大與損耗保持平衡，形成

19、穩(wěn)定的振蕩狀態(tài)，這時(shí)強(qiáng)大的光波就從諧振腔的部分反射鏡一端透射出來(lái)，這便是激光。213.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.2 激光加工3.2.2.3 激光加工的基本原理 自從1960年制成第一臺(tái)激光器以來(lái)，激光器發(fā)展到今天已不下數(shù)百種，如按工作物質(zhì)可分為固體、氣體、液體、半導(dǎo)體、化學(xué)激光器等；按工作方式可分為連續(xù)、脈沖、突變、超短脈沖激光器等等。激光加工常用固體激光器。表3-2是按工作物質(zhì)分類的情況。223.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.2 激光加工3.2.2.3 激光加工的基本原理 激光器固體激光器氣體激光器液體激光器化學(xué)激光器半導(dǎo)體激光器優(yōu)點(diǎn)功率大，體積小，使用方便單色性、相干性、頻

20、率穩(wěn)定性好，操作方便，波長(zhǎng)豐富價(jià)格低廉，設(shè)備簡(jiǎn)單，輸出波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)體積小，重量輕，效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊不需外加激勵(lì)源，適合于野外使用缺點(diǎn)相干性和頻率穩(wěn)定性不夠，能量轉(zhuǎn)換效率低輸出功率低激光特性易受環(huán)境溫度影響，進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)間長(zhǎng)輸出功率較低，發(fā)散角較大目前功率較低，但有希望獲得巨大功率應(yīng)用范圍工業(yè)加工、雷達(dá)、測(cè)距、制導(dǎo)、醫(yī)療、光譜分析、通信與科研等應(yīng)用最廣泛，幾乎遍及各行各業(yè)醫(yī)療、農(nóng)業(yè)和各種科學(xué)研究通信、測(cè)距、信息存儲(chǔ)與處理等測(cè)距、軍事、科研等常用類型紅寶石激光器氦氖激光器染料激光器砷化鎵激光器氟氫激光器233.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.2 激光加工3.2.2.3 激光加工的基本

21、原理 （3）激光加工的基本原理 激光加工就是利用激光器發(fā)射出來(lái)的具有高方向性和高亮度的激光，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)把激光束聚焦成一個(gè)極小的光斑（直徑僅有幾微米或幾十微米），使光斑處獲得極高的能量密度（1071011W/cm2），達(dá)到上萬(wàn)攝氏度的高溫，從而能在很短的時(shí)間內(nèi)使各種物質(zhì)熔化和汽化，達(dá)到蝕除工件材料的目的。243.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.2 激光加工3.2.2.3 激光加工的基本原理 激光加工是一個(gè)高溫過(guò)程，就其機(jī)理而言，一般認(rèn)為，當(dāng)能量密度極高的激光照射在被加工表面時(shí)，光能被加工表面吸收并轉(zhuǎn)換成熱能，使照射斑點(diǎn)的局部區(qū)域迅速熔化甚至汽化蒸發(fā)，并形成小凹坑，同時(shí)也開(kāi)始了熱擴(kuò)散，結(jié)果使

22、斑點(diǎn)周圍金屬熔化，隨著激光能量的繼續(xù)吸收，凹坑中金屬蒸氣迅速膨脹，壓力突然增加，熔融物被爆炸性地高速噴射出來(lái)。其噴射所產(chǎn)生的反沖壓力又在工件內(nèi)部形成一個(gè)方向性很強(qiáng)的沖擊波。這樣，工件材料就在高溫熔融和沖擊波作用下，蝕除了部分物質(zhì)，從而打出一個(gè)具有一定錐度的小孔。253.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.2 激光加工3.2.2.4 激光加工的基本規(guī)律 盡管激光是具有高方向性并近似平行光束，但它們?nèi)跃哂幸欢ǖ陌l(fā)散角（約為10-3rad），這使得激光經(jīng)聚焦物鏡聚集在焦面上后形成仍有一定直徑的小斑點(diǎn)，且在小斑點(diǎn)其能量的分布是不均勻的，而是按貝賽函數(shù)分布（如圖所示）。263.2 特種加工技術(shù)特種加工技

23、術(shù)3.2.2 激光加工3.2.2.4 激光加工的基本規(guī)律 在光斑中心處光強(qiáng)度I0最大，相應(yīng)能量密度最高，遠(yuǎn)離中心點(diǎn)的地方就逐漸減弱。而激光的波長(zhǎng)和焦距直接影響光斑面積大小，即影響焦點(diǎn)中心處最大光強(qiáng)。同時(shí)，激光加工是一種熱加工，加工過(guò)程中有熱傳導(dǎo)損失，因此，增大激光束的功率也是增大焦點(diǎn)中心強(qiáng)度的主要措施?？梢?jiàn)，影響激光加工的因素主要有激光器的輸出功率、焦距和焦點(diǎn)位置、光斑內(nèi)能量分布及工件吸光特性等 。273.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.2 激光加工3.2.2.4 激光加工的基本規(guī)律 激光的輸出功率大、照射時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，工件所獲得的激光能量也大。但當(dāng)激光能量一定時(shí)，照射時(shí)間太長(zhǎng)會(huì)使熱散失增多，

24、時(shí)間太短則因功率密度過(guò)高而使蝕除物質(zhì)以高溫氣體噴出，這都會(huì)降低能量的使用效率，因此激光照射時(shí)間一般為幾分之一毫秒到幾毫秒。283.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.2 激光加工3.2.2.4 激光加工的基本規(guī)律 激光束發(fā)散角越小，聚焦物鏡焦距越短時(shí)，在焦面上可以獲得更小的光斑及更高的功率密度。所以加工時(shí)，一般盡可能減小激光束發(fā)散角和采用短焦距（20mm左右）物鏡，只有在一些特殊的情況下才選用較長(zhǎng)的焦距。同時(shí)，焦點(diǎn)位置對(duì)于孔的形狀和深度都有很大影響。293.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.2 激光加工3.2.2.4 激光加工的基本規(guī)律 焦點(diǎn)位置對(duì)孔剖面形狀的影響如下圖所示303.2 特種加

25、工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.2 激光加工3.2.2.4 激光加工的基本規(guī)律 光斑內(nèi)的能量分布狀態(tài)也是影響激光加工的重要因素。當(dāng)能量分布以焦點(diǎn)為軸心越對(duì)稱 （如圖a）時(shí)，加工出的孔效果越好；越不對(duì)稱，效果越差(圖b)。光的強(qiáng)度分布與工作物質(zhì)的光學(xué)均勻性及諧振腔調(diào)整精度直接相關(guān)。313.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.2 激光加工3.2.2.4 激光加工的基本規(guī)律 用激光加工時(shí)，照射一次的加工深度僅為孔徑的五倍左右，而且錐度較大，因此，常用激光多次照射來(lái)擴(kuò)大深度和減小錐度，而孔徑幾乎不變。但孔深并不與照射次數(shù)成正比，因孔加工到一定深度后，由于孔內(nèi)壁的反射、透射以及激光的散射或吸收、拋出力減小、排

26、屑困難等原因，使孔的前端能量密度不斷減小，加工量逐漸減小，以致不能繼續(xù)打下去。323.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.2 激光加工3.2.2.4 激光加工的基本規(guī)律 激光加工時(shí)其能量不可能全部被吸收，有相當(dāng)部分將被反射或透射而散失掉，其吸收效率與工件材料的吸收光譜及激光波長(zhǎng)有關(guān)。生產(chǎn)實(shí)際中，應(yīng)由工件材料的吸收光譜的性能去合理選擇激光器。對(duì)于高反射率和透射率的工件應(yīng)在加工前作適當(dāng)處理，如打毛或黑化，以增大其對(duì)激光的吸收效率。33343.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.2 激光加工3.2.2.5 激光加工的應(yīng)用 在激光加工中利用激光能量高度集中的特點(diǎn)，可以打孔、切割、雕刻及表面處理。利用激

27、光的單色性還可以進(jìn)行精密測(cè)量。 （1）激光打孔 激光打孔是激光加工中應(yīng)用最早和應(yīng)用最廣泛的一種加工方法。利用凸鏡將激光在工件上聚焦，焦點(diǎn)處的高溫使材料瞬時(shí)熔化、汽化、蒸發(fā)，好像一個(gè)微型爆炸。汽化物質(zhì)以超音速噴射出來(lái)，它的反沖擊力在工件內(nèi)部形成一個(gè)向后的沖擊波，在此作用下將孔打出。激光打孔速度極快，效率極高。如用激光給手表的紅寶石軸承打孔，每秒鐘可加工1416個(gè)，合格率達(dá)99。目前常用于微細(xì)孔和超硬材料打孔，如柴油機(jī)噴嘴、金剛石拉絲模、化纖噴絲頭、卷煙機(jī)上用的集流管等。353.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.2 激光加工3.2.2.5 激光加工的應(yīng)用 （2）激光切割 與激光打孔原理基本相同，

28、也是將激光能量聚集到很微小的范圍內(nèi)把工件燒穿，但切割時(shí)需移動(dòng)工件或激光束（一般移動(dòng)工件），沿切口連續(xù)打一排小孔即可把工件割開(kāi)。激光可以切割金屬、陶瓷、半導(dǎo)體、布、紙、橡膠、木材等，切縫窄、效率高、操作方便。363.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.2 激光加工激光加工3.2.2.5 激光加工的應(yīng)用激光加工的應(yīng)用 （3）激光焊接）激光焊接 激光焊接與激光打孔原理稍有激光焊接與激光打孔原理稍有不同，焊接時(shí)不需要那么高的能量密度使工件材料不同，焊接時(shí)不需要那么高的能量密度使工件材料汽化蝕除，而只要將工件的加工區(qū)燒熔，使其粘合汽化蝕除，而只要將工件的加工區(qū)燒熔，使其粘合在一起。因此所需能量密度較低，

29、可用小功率激光在一起。因此所需能量密度較低，可用小功率激光器。與其他焊接相比，具有焊接時(shí)間短、效率高、器。與其他焊接相比，具有焊接時(shí)間短、效率高、無(wú)噴渣、被焊材料不易氧化、熱影響區(qū)小等特點(diǎn)。無(wú)噴渣、被焊材料不易氧化、熱影響區(qū)小等特點(diǎn)。不僅能焊接同種材料，而且可以焊接不同種類的材不僅能焊接同種材料，而且可以焊接不同種類的材料，甚至可以焊接金屬與非金屬材料。料，甚至可以焊接金屬與非金屬材料。 373.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.2 激光加工3.2.2.5 激光加工的應(yīng)用 （4）激光的表面熱處理 利用激光對(duì)金屬工件表面進(jìn)行掃描，從而引起工件表面金相組織發(fā)生變化進(jìn)而對(duì)工件表面進(jìn)行表面淬火、粉末

30、粘合等。用激光進(jìn)行表面淬火，工件表層的加熱速度極快，內(nèi)部受熱極少，工件不產(chǎn)生熱變形。特別適合于對(duì)齒輪、汽缸筒等形狀復(fù)雜的零件進(jìn)行表面淬火。國(guó)外已應(yīng)用于自動(dòng)線上對(duì)齒輪進(jìn)行表面淬火。同時(shí)由于不必用加熱爐，是開(kāi)式的，故也適合于大型零件的表面淬火。粉末粘合是在工件表層上用激光加熱后熔入其他元素，可提高和改善工件的綜合力學(xué)性能。此外，還可以利用激光除銹、激光消除工件表面的沉積物等。383.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.2 激光加工3.2.2.6 激光加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) （1）優(yōu)化激光工作參數(shù)。建立加工作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)控制激光照射的能量密度和照射時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)多種類型的加工。為了充分發(fā)揮激

31、光加工的優(yōu)點(diǎn)，需針對(duì)不同加工對(duì)象和加工類型進(jìn)一步優(yōu)化激光工作參數(shù)，以便能獲得高的效率和加工質(zhì)量。 （2）發(fā)展激光多工位分時(shí)綜合加工。根據(jù)激光加工的特點(diǎn)，利用同一激光源，通過(guò)靈活地控制能量密度和照射時(shí)間，在不同工位上分時(shí)實(shí)現(xiàn)多種方式加工，使一些工件的切割、打孔、刻劃、焊接和表面處理等可在一臺(tái)設(shè)備上集成地進(jìn)行綜合加工。393.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.2 激光加工3.2.2.6 激光加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) （3）研究大功率、高壽命和小型化的激光裝置 提高激光功率需解決以下一系列問(wèn)題如： l）研制適用于大功率激光的光學(xué)器件材料。由于大功率激光束透過(guò)的窗口材料和透鏡等光學(xué)器件時(shí)，它們要承受高壓的

32、擊穿力，并因吸收激光使溫度上升而引起破壞。因此應(yīng)根據(jù)不同的激光波長(zhǎng)研制適用的光學(xué)器件材料。 2）提高電源的穩(wěn)定性和壽命，對(duì)于CO2氣體激光要解決大功率激光器的放電穩(wěn)定性；對(duì)于YAG固體激光器要研制大容量、長(zhǎng)壽命的光泵激勵(lì)光源，如采用半導(dǎo)體光泵可使能量效率大幅度地增長(zhǎng)。 3）大功率激光裝置的小型化。同軸型CO2激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，增益大而均勻，放電穩(wěn)定，為了加大輸出功率需增大長(zhǎng)度，雖可對(duì)激光管采用折疊式和應(yīng)用高速鼓風(fēng)機(jī)來(lái)加速氣流進(jìn)行改善，但功率增大仍受限制。雙軸直交型增大了放電截面積，可以采用折疊式射束通道使外型縮小，但需超高速送風(fēng)（50m/s150m/s）的鼓風(fēng)機(jī)，并要求反射鏡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和防止光損失

33、等。403.3 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.3 光刻蝕技術(shù) 光刻蝕加工又稱光刻加工或刻蝕加工，簡(jiǎn)稱刻蝕。目前，光刻蝕加工又稱光刻加工或刻蝕加工，簡(jiǎn)稱刻蝕。目前，光刻加工技術(shù)主要是針對(duì)集成電路制作中得到高精度微細(xì)線光刻加工技術(shù)主要是針對(duì)集成電路制作中得到高精度微細(xì)線條所構(gòu)成的高密度微細(xì)復(fù)雜圖形。條所構(gòu)成的高密度微細(xì)復(fù)雜圖形。是對(duì)薄膜表面及金屬板表是對(duì)薄膜表面及金屬板表面進(jìn)行精密、微小和復(fù)雜圖形加工的技術(shù)面進(jìn)行精密、微小和復(fù)雜圖形加工的技術(shù)，用它制造的零件，用它制造的零件有：刻線尺、微電機(jī)轉(zhuǎn)子、電路印刷板和細(xì)孔金屬網(wǎng)板等。有：刻線尺、微電機(jī)轉(zhuǎn)子、電路印刷板和細(xì)孔金屬網(wǎng)板等。 據(jù)有關(guān)資料說(shuō)明，集

34、成電路圖形的最小線條寬度W若減小為原來(lái)的1/n，它的電流、電壓和電路工作的延遲時(shí)間也將減小為原來(lái)的1/n，耗電量下降為原來(lái)的1/n2，單元芯（模）片上的集成元件數(shù)可望增加到n2倍。所以精密光刻技術(shù)是集成電路微型化制作工藝中的重要課題。統(tǒng)計(jì)說(shuō)明，精密光刻的圖形最小線寬大體上以每年減少80的速度縮小。413.3 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.3 光刻蝕技術(shù) 1.光刻原理 所謂光刻蝕就是使用電磁波頻譜中的光束或電子、X射線和離子等射線，將光致抗蝕劑（光刻膠）形成規(guī)定圖形的微細(xì)加工方法?，F(xiàn)代光刻技術(shù)是對(duì)古老的光刻技術(shù)的革新。光刻技術(shù)早已為印刷行業(yè)用來(lái)完成照相制版工作。 采用光束作曝光光源的集成電路的

35、精密光刻工藝的基本原理與照相制版原理相似，但它要求高、工藝過(guò)程復(fù)雜。下圖所示為集成電路一次光刻的工藝過(guò)程原理圖。423.3 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.3 光刻蝕技術(shù) 目前在集成電路制作中，光刻工藝是制取掩膜和基片上精細(xì)圖形的主要工藝方法。為了VLSI電路的制作，其光刻工藝比上述過(guò)程又有更多革新。利用圖形發(fā)生器，用光束或電子束、離子束在抗蝕劑上繪制圖形的曝光方法稱為寫圖（Writing），它主要用于掩膜或基片圖形制作工序。用掩膜圖形形成的光強(qiáng)圖形，使基片上的光刻膠曝光獲取基片（或掩膜）圖形的光刻工藝，稱為復(fù)印技術(shù)（Printing）。 433.3 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.3 光刻蝕

36、技術(shù)2.集成電路光刻工藝的一般過(guò)程 光刻工藝過(guò)程一般有兩大工序，即掩膜制造和光刻蝕加工。 （1）掩膜制造。根據(jù)集成電路設(shè)計(jì)布局圖，用繪圖機(jī)、精縮照像機(jī)，經(jīng)放大繪制、分步重復(fù)縮小照像，縮到和元件尺寸相同的掩膜（稱之為母掩膜），母掩膜經(jīng)翻拍復(fù)印成工作（光刻）掩膜，制作電路時(shí)只用工作掩膜。 （2）光刻蝕加工。光刻工藝過(guò)程包括以下幾個(gè)步驟： 1）涂膠。 4）腐（刻）蝕。 2）曝光。 5）剝膜與檢查。 3）顯影與烘片。442、光刻加工、光刻加工氧化氧化 硅晶片表面形成一層氧硅晶片表面形成一層氧化層；化層；涂膠涂膠 涂光致抗蝕劑；涂光致抗蝕劑；曝光曝光 通過(guò)掩模曝光；通過(guò)掩模曝光；顯影顯影 曝光部分溶解去

37、除；曝光部分溶解去除；腐蝕腐蝕 未被覆蓋部分腐蝕掉；未被覆蓋部分腐蝕掉；去膠去膠 將光致抗蝕劑去除；將光致抗蝕劑去除；擴(kuò)散擴(kuò)散-向需要雜質(zhì)的部分?jǐn)U向需要雜質(zhì)的部分?jǐn)U散雜質(zhì)，以完成整個(gè)光刻加工散雜質(zhì)，以完成整個(gè)光刻加工過(guò)程。過(guò)程。光刻加工工藝示例 453.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.4 電子束加工1.電子束加工的基本原理 電子束加工是利用電子束的高能量密度進(jìn)行鉆孔、切槽、光刻等工作。電子是一個(gè)非常小的粒子（半徑為2.810-12mm），質(zhì)量很?。?.810-29g），但其能量很高，可達(dá)幾百萬(wàn)電子伏（eV）。電子束可以聚焦到直徑為1 2m，因此有很高的能量密度，可達(dá)106109W/cm2。

38、高速高能量密度的電子束沖擊到工件材料上時(shí)，在幾分之一微秒的瞬時(shí)，入射電子與原子相互作用（碰撞），在發(fā)生能量變換的同時(shí)，有一些向材料內(nèi)部深入，有些電子發(fā)生彈性碰撞被反射出去，成為反射電子。463.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.4 電子束加工1.電子束加工的基本原理 在電子與原子的碰撞中，使原子振動(dòng)產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象，雖然還產(chǎn)生二次電子、熒光、X射線等，占有了一部分能量，但可以認(rèn)為幾乎所有的能量都變成了熱能。由于電子束的能量密度高、作用時(shí)間短，所產(chǎn)生的熱量來(lái)不及傳導(dǎo)擴(kuò)散就將工件被沖擊部分局部熔化、氣化、蒸發(fā)成為霧狀粒子而飛散，這是電子束的熱效應(yīng)。電子束加工就是靠電子束的熱效應(yīng)現(xiàn)象。高能電子束具有很

39、強(qiáng)的穿透能力，穿透深度為幾微米甚至幾十微米，如工作電壓為50KV時(shí)加工鋁的穿透深度為10m，而且以熱的形式傳輸?shù)较喈?dāng)大的區(qū)域。473.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.4 電子束加工1.電子束加工的基本原理 通過(guò)控制電子束能量密度的大小和能量注入時(shí)間，就可以達(dá)到不同的加工目的。如果只使材料局部加熱就可進(jìn)行電子束熱處理；使材料局部熔化可進(jìn)行電子束焊接；提高電子束能量密度，使材料熔化或汽化，便可進(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，進(jìn)行電子束光刻加工。483.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.4 電子束加工2.電子束加工的特點(diǎn) 1）電子束加工是一種精

40、密細(xì)微的加工方法。電子束能夠極細(xì)微聚焦（聚焦直徑一般可達(dá)0.1100m），加工面積可以很小，能夠加工細(xì)微深孔、窄縫、半導(dǎo)體集成電路等。 2）加工材料的范圍較廣。對(duì)脆性、韌性、導(dǎo)體與非導(dǎo)體及半導(dǎo)體材料都可以加工。特別適合加工易氧化的金屬及合金材料，以及純度要求極高的半導(dǎo)體材料，因?yàn)槭窃谡婵罩屑庸ぃ灰妆谎趸?，而且污染少?93.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.4 電子束加工2.電子束加工的特點(diǎn) 3）加工速度快、效率高。例如，每秒鐘可以在2.5mm厚的鋼板上鉆50個(gè)直徑為0.4mm的孔。 4）加工工件不易產(chǎn)生宏觀應(yīng)力和變形。因?yàn)殡娮邮庸な欠墙佑|式加工，不受機(jī)械力作用。 5）可以通過(guò)磁場(chǎng)和電場(chǎng)

41、對(duì)電子束強(qiáng)度、位置、聚焦等進(jìn)行直接控制，位置精度可達(dá)0.1m左右，而且便于計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。 6）設(shè)備價(jià)格較貴，成本高，同時(shí)應(yīng)考慮X射線的防護(hù)問(wèn)題。 503.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.4 電子束加工電子束加工3.電子束加工裝置 電子束加工裝置的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，它主要由電子槍、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源等部分組成。 1-移動(dòng)工作臺(tái) 2-帶窗真空室門窗3-觀察筒 4-抽氣 5-電子槍6-加速電壓控制 7-束流強(qiáng)度控制板8-束流聚焦控制 9-束流位置控制10-更換工件用載止閥 11-電子束12-工件 13-驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī) 14-抽氣513.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.4 電子束加工3.電

42、子束加工裝置 電子束加工裝置的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，它主要由電子槍、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源等部分組成。 （1）電子槍 電子槍是獲得電子束的裝置，它包括電子發(fā)射陰極、控制柵極和加速陽(yáng)極等。如圖所示，陰極經(jīng)電流加熱發(fā)射電子，帶負(fù)電荷的電子高速飛向帶高電位的正極，在飛向正極的過(guò)程中，經(jīng)過(guò)加速極加速，又通過(guò)電磁透鏡把電子束聚焦成很小的束流。523.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.4 電子束加工3.電子束加工裝置 （2）真空系統(tǒng) 真空系統(tǒng)是為了保證在電子束加工時(shí)達(dá)到1.3310-21.3310-4Pa的真空度。因?yàn)橹挥兄挥性诟哒婵諘r(shí)，電子才能高速運(yùn)動(dòng)。為了消除加工時(shí)的在高真空時(shí)，電子才能高速運(yùn)動(dòng)。為了

43、消除加工時(shí)的金屬蒸氣影響電子發(fā)射而使其產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，需要金屬蒸氣影響電子發(fā)射而使其產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，需要不斷地把加工中產(chǎn)生的金屬蒸氣抽去。不斷地把加工中產(chǎn)生的金屬蒸氣抽去。 （3）控制系統(tǒng)和電源 電子束加工裝置的控制系統(tǒng)包括束流聚焦控制、束流位置控制、束流強(qiáng)度控制以及工作臺(tái)位移控制等部分。533.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.4 電子束加工4.電子束加工的應(yīng)用 如圖所示。 （1）高速打孔 （2）加工型孔和 特殊表面 （3）焊接 （4）刻蝕 （5）熱處理 543.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.5 離子束加工1.離子束加工原理、分類和特點(diǎn) （1）離子束加工的原理和物理基礎(chǔ) 離子束加工的

44、原理和電子束加工基本類似，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，使之打到工件表面。不同的是離子帶正電荷，其質(zhì)量比電子大數(shù)千、數(shù)萬(wàn)倍，如氬離子的質(zhì)量是電子的7.2萬(wàn)倍，所以一旦離子加速到較高速度時(shí)，離子束比電子束具有更大的撞擊動(dòng)能，它是靠微觀的機(jī)械撞擊能量、而不是靠動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能來(lái)加工的。 553.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.5 離子束加工1.離子束加工原理、分類和特點(diǎn) 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)。具有一定動(dòng)能的離子斜射到工件材料（靶材）表面時(shí)，可以將表面的原子撞擊出來(lái)，這就是離子的撞擊效應(yīng)和濺射效應(yīng)。如果將工件直接作為離

45、子轟擊的靶材，工件表面就會(huì)受到離子刻蝕（也稱離子銑削）。如果將工件放置在靶材附近，靶材原子就會(huì)濺射到工件表面而被濺射沉積吸附，使工件表面鍍上一層靶材原子的薄膜。如果離子能量足夠大并垂直工件表面撞擊時(shí)，離子就會(huì)鉆進(jìn)工件表面，這就是離子的注入效應(yīng)。563.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.5 離子束加工1.離子束加工原理、分類和特點(diǎn) （2）離子束加工分類 1）離子刻蝕是用能量為0.55keV的氬離子轟擊工件，將工件表面的原子逐個(gè)剝離。如圖a所示。其實(shí)質(zhì)是一種原子尺度的切削加工，所以又稱離子銑削。這就是近代發(fā)展起來(lái)的毫微米加工工藝。573.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.5 離子束加工1.離子

46、束加工原理、分類和特點(diǎn) 2）離子濺射沉積也是采用能量為0.55keV的氬離子，轟擊某種材料制成的靶，離子將靶材原子擊出，沉積在靶材附近的工件上，使工件表面鍍上一層薄膜，如圖3-13b所示。所以濺射沉積是一種鍍膜工藝。583.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.5 離子束加工1.離子束加工原理、分類和特點(diǎn) 3）離子鍍也稱離子濺射輔助沉積，是用0.55keV的氬離子，在鍍膜時(shí)，同時(shí)轟擊靶材和工件表面，如圖3-13c所示。目的是為了增強(qiáng)膜材與工件基材之間的結(jié)合力。也可將靶材高溫蒸發(fā)，同時(shí)進(jìn)行離子鍍。593.2 特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)3.2.5 離子束加工1.離子束加工原理、分類和特點(diǎn) 4）離子注入是采用5500keV能量的離子束，直接