第四章電化學(xué)加工(刪減)

1、一、電鑄加工1電鑄成型原理及特點(diǎn)(electroform)1) 成型原理電鑄成型在原模上沉積金屬原理同電鍍電鑄則要電鑄層與原模分離，電鍍時(shí)得到與基體結(jié)合牢固的金屬鍍層，厚度遠(yuǎn)大于電鍍層：微米級(jí)毫米級(jí)可獲得表面復(fù)雜且無法機(jī)械加工的工件，如可獲得表面復(fù)雜且無法機(jī)械加工的工件，如復(fù)制模具、鑄造唱片模、塑料模、工藝品等復(fù)制模具、鑄造唱片模、塑料模、工藝品等 電鑄原理：電鑄原理：1.在直流電源的作用下，金屬離子在陰極獲得電子而沉積在陰極母模的表面。2.陽極的金屬原子失去電子而成為正離子，源源不斷地補(bǔ)充到電鑄液中，使溶液中的金屬離子濃度保持基本不變。電鑄電鑄特點(diǎn)特點(diǎn)(1) 復(fù)制精度高，可以生產(chǎn)機(jī)械加工不可

2、能加工出的細(xì)微形狀(如微細(xì)花紋、復(fù)雜形狀等)，表面粗糙度Ra可達(dá)0.1m，一般不需拋光即可使用。(2) 母模材料不限于金屬，有時(shí)還可用制品零件直接作為母模用零件獲得模具型腔。(3) 表面硬度可達(dá)3550HRC，所以電鑄模具型腔使用壽命長。(4) 電鑄可獲得高純度的金屬制品，如電鑄銅，它純度高，具有良好的導(dǎo)電性能，十分有利于電加工。（主要電鑄銅、鎳、鐵）(5) 電鑄時(shí)，金屬沉積速度緩慢，制造周期長。如電鑄鎳，一般需要一周左右。 (6) 電鑄層厚度（凸凹處）不易均勻，且厚度較薄，僅為48 mm左右。電鑄層一般都具有較大的應(yīng)力，所以大型電鑄件變形顯著，且不易承受大的沖擊載荷。這樣，就使電鑄成型的應(yīng)用

3、受到一定的限制。應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍：復(fù)制精細(xì)的表面輪廓：唱片模、紙幣、郵票復(fù)制精細(xì)的表面輪廓：唱片模、紙幣、郵票證券等的印刷模證券等的印刷模復(fù)制注塑用的模具，電火花加工用的工具電復(fù)制注塑用的模具，電火花加工用的工具電極（電火花多電極加工模具型腔）極（電火花多電極加工模具型腔）制造復(fù)雜、高精度的空心、薄壁零件（波導(dǎo)制造復(fù)雜、高精度的空心、薄壁零件（波導(dǎo)管）管）制造表面粗糙度樣塊、反光鏡、表盤異型孔制造表面粗糙度樣塊、反光鏡、表盤異型孔噴嘴等噴嘴等2電鑄設(shè)備電鑄設(shè)備主要包括電鑄槽、直流電源、攪拌和循環(huán)過濾系統(tǒng)、恒溫控制系統(tǒng)等。1) 電鑄槽電鑄槽材料的選取以不與電解液作用引起腐蝕為原則。一般用鋼板焊

4、接，內(nèi)襯鉛板或聚氯乙烯薄板等。小型槽：陶瓷、玻璃、搪瓷等。2) 直流電源電鑄采用低電壓大電流的直流電源。常用硅整流，電壓為612 V左右，并可調(diào)。3) 攪拌和循環(huán)過濾系統(tǒng)為了降低電鑄液的濃差極化，加大電流密度，減少加工時(shí)間，提高生產(chǎn)速度。攪拌的方法有循環(huán)過濾法、超聲波或機(jī)械攪拌等。循環(huán)過濾法不僅可以使溶液攪拌，而且在溶液不斷反復(fù)流動(dòng)時(shí)進(jìn)行過濾。4) 恒溫控制系統(tǒng) 電鑄時(shí)間很長，所以必須設(shè)置恒溫控制設(shè)備。它包括加熱設(shè)備(加熱玻璃管、電爐等)和冷卻設(shè)備(冷水或冷凍機(jī)等)。3電鑄加工的工藝過程原模表面處理原模表面處理電鑄至規(guī)定尺寸電鑄至規(guī)定尺寸襯背處理襯背處理脫模脫模清洗干燥清洗干燥成品成品l.電刷

5、鍍?cè)碓恚宏帢O沉積刷鍍不需電鍍槽，零件與直流電源的負(fù)極相接，鍍筆與正極相接。 電刷鍍是把適當(dāng)?shù)碾婂円核㈠兊绞軗p的機(jī)械零部件上使其回生的技術(shù)。 幾乎所有與機(jī)械有關(guān)的工業(yè)部門都在推廣應(yīng)用，能以很低的成本換得較大的經(jīng)濟(jì)效益。2.電刷鍍工藝特點(diǎn) 設(shè)備簡單,不需鍍槽。難拆卸和難運(yùn)輸?shù)拇笮土慵稍厮㈠冃迯?fù)。 簡化了電鍍工藝。零件上不需鍍的部位不需包扎絕緣，節(jié)省材料和輔助工時(shí)。 鍍層與零件表面結(jié)合強(qiáng)度高。 鍍層厚度可以精確控制，并可實(shí)施均勻或不均勻鍍層的電鍍，即在同一零件上刷鍍不同厚度的鍍層。鍍后一般不需加工，可直接使用。 鍍層沉積速度快,生產(chǎn)率高。 電鍍液溫度低，對(duì)零件無影響，不會(huì)產(chǎn)生變形和裂紋等。一

6、般電鍍液溫度約50。 污染小,操作方便，工藝靈活，適用材料廣泛。常用的金屬材料均可采用此項(xiàng)技術(shù)。3.電刷鍍工藝1)設(shè)備與電鍍?nèi)芤?1)表面預(yù)處理溶液 電凈液 活化液 (2)電刷鍍?nèi)芤?2)電刷鍍工藝 零件表面的準(zhǔn)備：磨、銼削等；除油、除銹；電凈處理；活化處理；對(duì)不處理的部位涂保護(hù)層 打底層(過渡層) 1-2微米鍍工作鍍層：可以0.5mm應(yīng)用：修復(fù)零件的磨損表面，恢復(fù)尺寸車床導(dǎo)軌面，鍍銅修復(fù)填補(bǔ)零件表面的劃傷、凹坑、孔洞大型、復(fù)雜、單個(gè)小批工件的局部電鍍復(fù)合鍍是指通過金屬沉積的方法，將一種或數(shù)種不溶性固體微粒分散劑，均勻地夾雜到基質(zhì)鍍層中的工藝。在鍍覆溶液中加入非水溶性的固體微粒，使其與主體金屬

7、共同沉積形成鍍層的工藝稱之為復(fù)合鍍。如：由金屬化合物、氟塑料、金剛石小顆粒等彌散分布在化學(xué)鍍NiP或NiB等點(diǎn)陣中組成復(fù)合彌散的金屬陶瓷鍍層,以提高制件表面的硬度和耐摩擦、耐磨損性能 若采用電鍍的工藝則稱之為復(fù)合電鍍；若采用化學(xué)鍍的工藝則稱之為復(fù)合化學(xué)鍍。所得鍍層稱為復(fù)合鍍層。金剛石表面化學(xué)鍍 原則上，凡可鍍覆的金屬均可作為主體金屬，但研究和應(yīng)用較多的是鎳、鉻、鈷、金、銀、銅等幾種金屬。作為固體微粒主要有兩類，一類是提高鍍層耐磨性的高硬度、高熔點(diǎn)的微粒；一類是提高鍍層自潤滑特性的固體潤滑劑微粒。分散劑：非水溶性的固體微粒銀基金剛石超細(xì)微粒復(fù)合鍍層機(jī)理：極性顆粒與金屬離子絡(luò)合成離子團(tuán)，電鍍到工件

8、表面；工件表面的顆粒，在電鍍時(shí)，被電鍍層包裹（電鍍層厚度約顆粒尺寸的一半）金剛石套料刀具：內(nèi)外圓柱面及頂面同時(shí)復(fù)合鍍。刀坯插入粉末中，加電解液，復(fù)合鍍。平面刀具：如鋸片電鍍電鍍銅銅 電鍍電鍍鎳鎳 電鍍電鍍(electroplate)是將一種金屬鍍到是將一種金屬鍍到另一種金屬表面上的過程。電鍍的目的是另一種金屬表面上的過程。電鍍的目的是提高金屬的耐蝕性提高金屬的耐蝕性、耐磨性、裝飾性、強(qiáng)、耐磨性、裝飾性、強(qiáng)度、硬度等。度、硬度等。 被鍍工件為陰極，欲鍍的金屬為陽極，被鍍工件為陰極，欲鍍的金屬為陽極，含有陽極金屬離子的溶液為電解液。含有陽極金屬離子的溶液為電解液。 電鍍時(shí)陽極金屬不斷溶解，而陰極工

9、電鍍時(shí)陽極金屬不斷溶解，而陰極工件的表面不斷沉積上要鍍的金屬。件的表面不斷沉積上要鍍的金屬。電鍍生產(chǎn)線電鍍生產(chǎn)線陽極氧化陽極氧化 陽極氧化陽極氧化(anode oxidation)是將作為陽極是將作為陽極的金屬本身表面氧化，形成一層氧化膜的加的金屬本身表面氧化，形成一層氧化膜的加工過程，又稱工過程，又稱電化學(xué)氧化電化學(xué)氧化。這種氧化膜具有。這種氧化膜具有耐蝕、耐磨和耐熱的性能。耐蝕、耐磨和耐熱的性能。 應(yīng)用最廣的是鋁和鋁合金的陽極氧化及應(yīng)用最廣的是鋁和鋁合金的陽極氧化及其著色。其著色。 陽極陽極(鋁或鋁合金鋁或鋁合金)反應(yīng)：反應(yīng)： 2Al + 6OH = Al 2O3 + 6e- + 3H2O

10、 (主主) 4OH = 2H2O + 4e - + O2 (次次) 陰極陰極(鉛板上鉛板上)反應(yīng)：反應(yīng)： 2H + + 2e - = H2 由于由于Al 2O3 膜膜是微小孔隙結(jié)構(gòu)，具有吸附是微小孔隙結(jié)構(gòu)，具有吸附作用，可吸附各種染料，從而使氧化膜能著作用，可吸附各種染料，從而使氧化膜能著上各種顏色。上各種顏色。應(yīng)用：建筑材料，太陽能集熱裝置，儀表外應(yīng)用：建筑材料，太陽能集熱裝置，儀表外殼，裝飾品及工藝品等。殼，裝飾品及工藝品等。tU0R第五章 高能束加工1.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。 2.2.高能密度束流加工的共同特點(diǎn)：高能密度束流加工的共同特點(diǎn)：加

11、工速度快，熱流輸入少，對(duì)工件熱影響極少，工件變形小。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氣化，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。工具與工件不接觸，無工具變形及損耗問題。束流控制方便，易實(shí)現(xiàn)加工過程自動(dòng)化可用于打孔、切割、焊接、鍍膜、熔煉、熱處理、精細(xì)加工5-1 離子束加工1學(xué)時(shí)等離子體等離子體又叫做電漿，是由部分電子被剝奪后的原子及原子被電離后產(chǎn)生的電子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，它是除去固、液、氣外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。 看似“神秘”的等離子體，其實(shí)是宇宙中一種常見的物質(zhì)，在太陽、恒星、閃電中都存在等離子體，它占了整個(gè)宇宙

12、的99。 等離子電視 等離子體是物質(zhì)的第四態(tài)，即電離了的“氣體”，它呈現(xiàn)出高度激發(fā)的不穩(wěn)定態(tài)，其中包括離子(具有不同符號(hào)和電荷)、電子、原子和分子。離子束加工（ion beam machining，IBM）是在真空條件下利用離子源（離子槍）產(chǎn)生的離子經(jīng)加速聚焦形成高能的離子束流投射到工件表面，使材料變形、破壞、分離以達(dá)到加工目的。因?yàn)殡x子帶正電荷且質(zhì)量是電子的千萬倍，且加速到較高速度時(shí)，具有比電子束大得多的撞擊動(dòng)能，因此，離子束撞擊工件將引起變形、分離、破壞等機(jī)械作用，而不像電子束是主要通過熱效應(yīng)進(jìn)行加工。v離子束加工是靠離子束加工是靠微觀機(jī)械撞擊微觀機(jī)械撞擊進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化進(jìn)行加工的進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化

13、進(jìn)行加工的。二、離子束加工設(shè)備1、離子槍離子槍燈絲發(fā)射電子，電子碰撞原子產(chǎn)生離子有效工作區(qū)：均勻性為5的區(qū)域，jmax、min束流中最大、小的離子流密度中性損失：通向離子源的中性氣體未經(jīng)電離而損失的那部分流量真空系統(tǒng)負(fù)擔(dān)重離子束的發(fā)散角：包含95束流的離子束邊界所張開的半角，要求12。影響離子束的均勻性、能量密度及入射角%100)/()(minmaxminmaxjjjj2.真空系統(tǒng)：保證離子的速度、能量3.控制系統(tǒng)：離子束的能量、束斑大小、方向等4.電源：高壓四、離子束加工的應(yīng)用范圍離子束加工方式包括離子蝕刻、離子鍍膜及離子濺射沉積和離子注入等。1）離子蝕刻轟擊去除磁泡存儲(chǔ)器件：玻莫合金（磁性

14、材料）圖形的刻蝕加工石英晶體振蕩器：厚度降低，頻率增加機(jī)械研磨和拋光只能到20MHz。離子束拋光：入射角35 3.3m厚度的石英片，頻率1000MHz以上電子顯微鏡的試樣及EBSD試樣的減薄、拋光磁頭：熱氧化硅基體上制作多層結(jié)構(gòu)：鋁引線、絕緣層、鐵鎳合金圖形2）離子濺射沉積濺射鍍膜采用能量為0.15keV的氬離子轟擊某種材料制成的靶材，將靶材原子擊出并令其沉積到工件基片表面上并形成一層薄膜。三極濺射：熱陰極發(fā)射電子電漿磁控濺射：高速、低溫、低能耗鍍膜速度高、基片溫升小、沒有高能電子轟擊基片所造成的基片損傷。濺射鍍膜工藝：最適合鍍制合金膜、化合物膜 電鍍只能鍍純金屬（鍍層厚度不均勻）合金膜鍍制：

15、多靶濺射、鑲嵌靶濺射、合金靶濺射直流濺射鍍制導(dǎo)電的鍍層n多靶濺射：調(diào)整各靶的功率，控制合金膜的成分n鑲嵌靶：控制靶上純金屬的比例，控制合金膜的成分，n合金靶濺射：鑄態(tài)靶、粉末冶金靶（有空洞、雜質(zhì)，鍍膜質(zhì)量差）；壓力加工的型材較好可以獲得和靶材成分一致或成分連續(xù)變化的合金膜層化合物膜的濺射直流濺射、射頻濺射、反應(yīng)濺射I.直流濺射：導(dǎo)電化合物的濺射方法 TaC、WC、VC等，粉末冶金的靶，成本高II.射頻（高頻交流變化電磁波300KHz30GHz）濺射：高電阻化合物的濺射電子振蕩電離絕緣靶富集電子（電子質(zhì)量小，速度快），在負(fù)半周與電源負(fù)電位疊加，造成正離子轟擊靶材。成本高。III.反應(yīng)濺射：反應(yīng)氣

16、體濺射 TiNTiN2最適合大規(guī)模鍍制化合物鍍膜，成本低ArN2（O2、C2H2、SiH2、H2S）濺射鍍膜的應(yīng)用v硬質(zhì)膜濺射：刀具上的TiN層 耐磨耐蝕直流磁控濺射反應(yīng)濺射v固體潤滑膜濺射： MoS2粉末齒面上的MoS2膜0.20.6m直流或射頻濺射（MoS2是一種抗磁性且具有半導(dǎo)體性質(zhì)的化合物） v薄壁零件的鍍制：合金及純Mo的薄壁復(fù)雜零件難以電鑄15mm，壁厚63 m管芯棒濺射腐蝕去除芯棒v歐姆接觸的鍍制：鍍Al1Si或Al4Cu合金歐姆接觸是指金屬與半導(dǎo)體的接觸，而其接觸面的電阻值遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體本身的電阻，使得組件操作時(shí)，大部分的電壓降在于活動(dòng)區(qū)(Active region)而不在接觸面

17、。多層鍍膜，金、銦和錫。每一層的鍍膜厚度不超過多層鍍膜，金、銦和錫。每一層的鍍膜厚度不超過20納米，總厚納米，總厚90納米。使座艙內(nèi)設(shè)備的雷達(dá)反射面積降低納米。使座艙內(nèi)設(shè)備的雷達(dá)反射面積降低250倍。研制了專門的磁控倍。研制了專門的磁控設(shè)備，能夠確保每個(gè)設(shè)備，能夠確保每個(gè)20納米的涂層厚度均勻。均勻度非常重要，如納米的涂層厚度均勻。均勻度非常重要，如果厚度超出，座艙的光學(xué)性能就會(huì)發(fā)生變化，如果厚度過薄，那么果厚度超出，座艙的光學(xué)性能就會(huì)發(fā)生變化，如果厚度過薄，那么電磁輻射將可以電磁輻射將可以“穿透穿透”。3） 離子鍍膜 離子濺射輔助沉積離子鍍膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉積，另一方面還

18、有高速中性粒子打擊工件表面以增強(qiáng)鍍層與基材之間的結(jié)合力（可達(dá)1020MPa）此法適應(yīng)性強(qiáng)、膜層均勻致密、韌性好、沉積速度快，目前已獲得廣泛應(yīng)用。將能量為0.55千電子伏的氬離子分成兩束，同時(shí)轟擊靶材和工件表面，以增強(qiáng)膜材與工件基材之間的結(jié)合力。離子轟擊工件表面起濺射清洗作用；離子沉積在工件表面；真空度低5Pa（離子與原子經(jīng)多次碰撞后方向變化）離子經(jīng)碰撞后產(chǎn)生繞鍍效果既有濺射又有沉積：有濺射的特點(diǎn)可以鍍制合金膜、化合物膜4）離子注入用5500keV能量的離子束，直接轟擊工件表面，由于離子能量相當(dāng)大，可使離子鉆進(jìn)被加工工件材料表面層，可達(dá)1mm，改變其表面層的化學(xué)成分，含量可達(dá)1040，從而改變工

19、件表面層的機(jī)械物理性能。此法不受溫度及注入何種元素及粒量限制，可根據(jù)不同需求注入不同離子（如磷、氮、碳等）。注入表面元素的均勻性好，純度高，其注入的粒量及深度可控制，但設(shè)備費(fèi)用大、成本高、生產(chǎn)率較低。直線轟擊表面，不適合對(duì)復(fù)雜的凹入表面進(jìn)行注入優(yōu)點(diǎn)局限性可超過固溶度可制備和擴(kuò)散無關(guān)的合金注入或添加元素時(shí)不受溫度的限制，可在高溫、低溫和室溫下進(jìn)行。不改變整體性能尺寸無明顯變化（表面壓應(yīng)力）可控制注入的濃度、深度可嚴(yán)格控制與重復(fù)要瞄準(zhǔn)穿透淺設(shè)備成本高加工成本高應(yīng)用：可用于半導(dǎo)體摻雜（在單晶硅內(nèi)注入磷或硼等雜質(zhì)，用于晶體管、集成電路、太陽能電池制作），金屬材料改性（提高刀具刃口硬度）等方面。離子注入

20、的方法：反沖注入：先鍍后轟擊轟擊擴(kuò)散鍍層：轟擊加熱擴(kuò)散，深度增加動(dòng)態(tài)反沖注入：濺射沉積同時(shí)Xe氙轟擊離子鍍的能量小，不產(chǎn)生注入效果離子束混合注入：先交替鍍A、B多層鍍膜Xe轟擊均勻鍍膜第五章 高能束加工5-2電子束加工一、電子束加工的原理、特點(diǎn)1.電子束加工（electron beam machining，EBM）原理電子槍、聚焦系統(tǒng)、真空、電子束在真空條件下，利用電子槍中產(chǎn)生的電子經(jīng)加速、聚焦后能量密度為106109w/cm2（激光1071011w/cm2，溫度可達(dá)一萬攝氏度）的極細(xì)束流高速?zèng)_擊到工件表面上極小的部位，并在幾分之一微秒時(shí)間內(nèi)，其能量大部分轉(zhuǎn)換為熱能，使工件被沖擊部位的材料達(dá)到

21、幾千攝氏度，致使材料局部熔化或蒸發(fā)，來去除材料。 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。利用較低能量密度的電子束轟擊高分子材料（電子膠）時(shí)，分子鏈被切斷或重組，可進(jìn)行電子束光刻加工。能量最低只使材料局部加熱就可進(jìn)行電子束熱處理；能量低使材料局部熔化就可以進(jìn)行電子束焊接；能量高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；能量密度最高2特點(diǎn)與應(yīng)用電子束加工的特點(diǎn)如下：(1)電子束能夠極其微細(xì)地聚焦(束斑0.1m，為加熱加工，不能加工出0.1的線條；離子束在1um以下)，故可進(jìn)行微細(xì)加工，電子束曝光可達(dá)到亞微米的寬度(2) 加工材料的范圍廣。由于電子束

22、能量密度高，可使任何材料瞬時(shí)熔化、氣化；且機(jī)械力的作用極小，不易產(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) 可控性好：可通過磁場或電場對(duì)電子束的強(qiáng)度、位置、聚焦等進(jìn)行控制，所以整個(gè)加工過程便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。 (4) 生產(chǎn)率高：電子束的能量密度高，加工效率很高(遠(yuǎn)比離子束加工高）。200mm厚鋼板，焊接速度4mm/s (5) 無污染：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。 三、電子束加工的應(yīng)用 高速打孔、加工型孔及特殊表面、刻蝕、焊接、熱處理、光刻1、電子束打孔 不銹鋼、

23、耐熱鋼、寶石、陶瓷、玻璃等各種材料上的小孔、深孔。最小加工直徑可達(dá)0.003mm，最大深徑比可達(dá)10?？讖蕉嘣?.0251mm之間，深度在0.025mm之間，尺寸精度為0.0150.001mm，Ra值為1.60.4m。 可以打斜孔、彎孔自動(dòng)打孔效率極高，一般3000個(gè)/秒，最高50000。2、電子束切割 可對(duì)各種材料進(jìn)行切割，切口寬度僅有36m。利用電子束再配合工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可加工所需要的曲面 3 3. . 焊接焊接（第（第6min6min離子束焊接電子束焊接）離子束焊接電子束焊接） 電子束焊接電子束焊接 應(yīng)用最多應(yīng)用最多 電子束焊接是利用電子束作為熱源的一種電子束焊接是利用電子束作為熱源的

24、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)，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)被熔融金屬環(huán)繞著的毛細(xì)管狀的熔擊下，形成一個(gè)被熔融金屬環(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而重相對(duì)移動(dòng)，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(gè)接縫形成一條焊縫。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，由于電子束的能量密度高，焊接速度快，所

25、以電子束焊接的焊縫深而窄，焊件熱影響區(qū)小，所以電子束焊接的焊縫深而窄，焊件熱影響區(qū)小，變形小。變形小。 特點(diǎn)：焊接深寬比高焊接速度高熱變形小焊縫物理性能好工藝適應(yīng)性強(qiáng) 200mm以上厚度焊接材料范圍廣：活潑金屬、異種材料、非金屬應(yīng)用：航空航天：異種高溫合金的焊接、鈦合金的焊接登月艙框架其他工業(yè)：大型鼓輪、齒輪的拼焊-批量生產(chǎn)4、電子束曝光分為二種：掃瞄式電子束曝光電子束線曝光投影式電子束曝光電子束面曝光又叫光刻 當(dāng)使用低能量密度的電子束照射高分子材料時(shí)，將使材料分子鏈被切斷或重新組合，引起分子量的變化即產(chǎn)生潛象，再將其浸入溶劑中將潛象顯影出來。把這種方法與其它處理工藝結(jié)合使用，可實(shí)現(xiàn)在金屬掩膜

26、或材料表面上刻槽。光刻后進(jìn)行電子束、離子束刻蝕:可在硅片上刻出 寬2.5m,深0.25 m的細(xì)槽。在幾mm見方的硅片安排10萬個(gè)晶體管。電子束面曝光光刻加工是用照相復(fù)印的方法將光刻掩模上的圖形印制在涂有光致抗蝕劑（光刻膠）的薄膜或基材表面，然后進(jìn)行選擇性腐蝕，刻蝕出規(guī)定的圖形。所用的基材有各種金屬、半導(dǎo)體和介質(zhì)材料。 光刻加工分為兩個(gè)加工階段，第一階段為原版制作，生成工作原版或工作掩模，為光刻加工時(shí)用。第二階段為光刻。a.原版（掩膜）制作：繪制原圖、原版（掩膜）制作：繪制原圖、 縮版、殖縮版、殖版制作版制作 、工作原版或、工作掩膜制作、工作原版或、工作掩膜制作b.光刻：光刻：涂膠、涂膠、 曝光

27、、曝光、顯影與烘片、刻蝕、剝模顯影與烘片、刻蝕、剝模與檢查與檢查優(yōu)點(diǎn)：精度高、切面光滑、加工速度快，加工形狀不受限制。缺點(diǎn)：設(shè)備復(fù)雜、加工成本高。 電子束安全防護(hù)v電子束加工設(shè)備主要會(huì)產(chǎn)生的危險(xiǎn)會(huì)有：觸電、輻射、強(qiáng)光、廢氣及噪音等。*第五章 高能束加工前言5-3 激光加工一、激光加工原理和特點(diǎn)1、加工原理激光加工（laser beam machining，LBM）是在光熱效應(yīng)下產(chǎn)生的高溫熔融和沖擊波的綜合作用過程。 通過光學(xué)系統(tǒng)將激光束聚焦成尺寸與光波波長相近的極小光斑，其功率密度可達(dá)1071011w/cm2，溫度可達(dá)一萬攝氏度（電子束106109w/cm2），將材料在瞬間（10-3s）熔化和

28、蒸發(fā)，工件表面不斷吸收激光能量，凹坑處的金屬蒸汽迅速膨脹，壓力猛然增大，熔融物被產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊波噴濺出去。激光加工原理2.2.激光加工的特點(diǎn)激光加工的特點(diǎn)1）激光加工屬非接觸加工，無明顯機(jī)械力，也無工具損耗，工件不變形，加工速度快，熱影響區(qū)小，可達(dá)高精度加工，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。2）因功率密度是所有加工方法中最高的，所以不受材料限制，幾乎可加工任何金屬與非金屬材料。3）激光加工可通過惰性氣體、空氣或透明介質(zhì)對(duì)工件進(jìn)行加工，如可通過玻璃對(duì)隔離室內(nèi)的工件進(jìn)行加工或?qū)φ婵展軆?nèi)的工件進(jìn)行焊接。4）激光可聚焦形成微米級(jí)光斑，輸出功率大小可調(diào)節(jié)，常用于精密細(xì)微加工，最高加工精度可達(dá)0.001mm，表面粗糙度Ra

29、值可達(dá)0.40.1um。5）能量消耗少，無加工污染（無射線），在節(jié)能、環(huán)保等方面有較大優(yōu)勢。二、激光加工的基本設(shè)備1.激光加工機(jī)的組成：激光器：導(dǎo)光聚光系統(tǒng)加工系統(tǒng)1） 常用激光器激光器是激光加工設(shè)備的核心，它能把電能轉(zhuǎn)換成激光束輸出。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(dǎo)體激光器四大類。由于He-Ne(氦氖)氣體激光器所產(chǎn)生的激光不僅容易控制，而且方向性、單色性及相干性都比較好，因而在機(jī)械制造的精密測量中被廣泛采用。而在激光加工中則要求輸出功率與能量大，目前多采用二氧化碳?xì)怏w激光器及紅寶石、釹玻璃、YAG(摻釹釔鋁石榴石)等固體激光器。固體激光器常由主體光泵（激勵(lì)源）

30、及諧振腔（由全反射鏡、半反射鏡組成）、工作物質(zhì)（一些發(fā)光材料如釔鋁石榴石、紅寶石、釹玻璃等）、聚光器、聚焦透鏡等組成。2) 2) 導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)根據(jù)被加工工件的性能要求，光束經(jīng)放根據(jù)被加工工件的性能要求，光束經(jīng)放大、整形、聚焦后作用于加工部位，這種大、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從激光器輸出窗口到被加工工件之間的裝置稱為導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)。光導(dǎo)纖維置稱為導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)。光導(dǎo)纖維200200米損失米損失10%10%3) 3) 激光加工系統(tǒng)激光加工系統(tǒng)激光加工系統(tǒng)主要包括激光加工系統(tǒng)主要包括床身床身、能夠在三、能夠在三維坐標(biāo)范圍內(nèi)移動(dòng)的維坐標(biāo)范圍內(nèi)移動(dòng)的工

31、作臺(tái)工作臺(tái)及機(jī)電及機(jī)電控制系控制系統(tǒng)統(tǒng)等。等。3.激光加工設(shè)備 的發(fā)展趨勢數(shù)控化和綜合化：焊、切割、打孔等小型化和組合化：激光加工和機(jī)械加工高重復(fù)性和高可靠性：頻率高16h焊接2500m薄焊縫、9000個(gè)焊接接頭四四. .激光加工的應(yīng)用激光加工的應(yīng)用（1 1）激光打孔）激光打孔激光打孔主要用于特殊材料或特殊工件上的孔加工，如儀表中的寶石軸承、陶瓷、玻璃、金剛石拉絲模；火箭或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃料噴嘴等非金屬材料和硬質(zhì)合金、不銹鋼等金屬材料的細(xì)微孔的加工。激光打孔的效率非常高，功率密度通常為107108w/cm2，打孔時(shí)間甚至可縮短至傳統(tǒng)切削加工的百分之一以下，生產(chǎn)率大大提高。激光打孔的尺寸公差等級(jí)

32、可達(dá)IT7，表面粗糙度Ra值可達(dá)0.160.08。上大下小，加工精度、加工密集孔群生產(chǎn)率不如電子束 ，不需要真空條件、可達(dá)性好激光打孔v激光打孔的特色速度快，效率高，尤其高密度群孔加工大深徑比，傳統(tǒng)不大于1：10，65：1可加工硬脆軟材料可在難加工材料上加工斜孔在任何材料在任何材料不同位置，不同位置，幾微米至二十幾毫米深的小孔幾微米至二十幾毫米深的小孔噴灌聚氯乙烯管：噴灌聚氯乙烯管：0.5mm孔孔 脈沖激光打孔脈沖激光打孔香煙過濾嘴上的小孔（分配器分成香煙過濾嘴上的小孔（分配器分成40路）路）陶瓷陶瓷：氧化鋁、碳化硅、氮化硅、氧化鋯上打孔氧化鋁、碳化硅、氮化硅、氧化鋯上打孔 可以進(jìn)行切割打孔（

33、大孔）：汽車底盤上的裝配孔可以進(jìn)行切割打孔（大孔）：汽車底盤上的裝配孔（2）激光焊接激光束焊接是以聚集的激光束作為能源的特種熔化焊接方法。焊接用激光器有YAG固體激光器和CO2氣體激光器，此外還有CO激光器、半導(dǎo)體激光器和準(zhǔn)分子激光器等。能量密度可達(dá)105107W/cm2。如將焦點(diǎn)調(diào)節(jié)到焊件結(jié)合處，光能迅速轉(zhuǎn)換成熱能，使金屬瞬間熔化，冷卻凝固后成為焊縫。加工方法零件名稱激光焊接剪裁板的拼焊焊接車身、離合器切割氣囊材料、型材表面處理凸輪軸、齒輪打標(biāo)內(nèi)部組件打孔油氣孔激光焊接激光焊接 與打孔相比，激光焊接所需能量密度較低，因不需將材料氣化蝕除，而只要將工件的加工區(qū)燒熔使其粘合在一起。 優(yōu)點(diǎn)：沒有焊

34、渣，不需去除工件氧化膜，可實(shí)現(xiàn)不同材料之間的焊接（如低合金結(jié)構(gòu)鋼與不銹鋼），特別適宜微型機(jī)械和精密焊接。激光焊接v激光焊接的優(yōu)勢速度快，效率高，深度大，變形小大深寬比，5：1，最大10：1可焊接難熔材料可進(jìn)行微型焊接（3）激光切割 金屬 海綿 布料 機(jī)器人激光切割：（105107w/cm2）激光束連續(xù)照射工件，光束能量以及活性氣體輔助切割過程附加的化學(xué)反應(yīng)熱能均被材料吸收，汽化，并形成孔洞，且光束與工件相對(duì)移動(dòng)，使材料形成切縫，切縫處熔渣被定壓力的輔助氣體吹除。一工件與激光束要相對(duì)移動(dòng)，采用工作臺(tái)數(shù)控技術(shù)。采用大功率的CO2激光器，對(duì)于精細(xì)切割，也可采用YAG激光器。激光可以切割金屬，也可以切

35、割非金屬。激光對(duì)被切割材料不產(chǎn)生機(jī)械沖擊和壓力，再加上激光切割切縫小，便于自動(dòng)控制，故在實(shí)際中常用來加工玻璃、陶瓷、各種精密細(xì)小的零部件。切割鋼板、不銹鋼、鈦、鉭、鎳等金屬材料，以及布匹、木材、紙張、塑料、玻璃、陶瓷等非金屬材料；各種精密細(xì)小的零部件。切割速度快、質(zhì)量高、切縫窄、省材料、熱影響區(qū)小、變形小、無刀具磨損、成本低切割非金屬是其它方法不可比的切割非金屬是其它方法不可比的易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，而且還可穿透玻璃切割真空管內(nèi)的燈絲，并可以在任何方向上切割，包括內(nèi)尖角。不足之處是一次性投資較大，且切割深度受限。鋼板20mm（4）激光表面熱處理 、表面熔化，沖擊能量密度在103105w/cm2，在極短

36、的時(shí)間內(nèi)加熱到相變溫度激光熱處理工藝簡單，生產(chǎn)率高，工藝過程易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。對(duì)環(huán)境無污染，硬度比常溫淬火高約15%20%；耗能少，工件變形小，適合精密局部表面硬化及內(nèi)孔或形狀復(fù)雜零件表面的局部硬化處理。但激光表面熱處理設(shè)備費(fèi)用高，工件表面硬化深度受限，因而不適合大負(fù)荷的重型零件。淬硬表面淬硬表面(a) 圓錐表面(b) 鑄鐵凸輪軸表面表面熔化：表面熔化：激光表面涂覆代替堆焊：激光表面涂覆代替堆焊： Ra6.3，一次厚度可達(dá)，一次厚度可達(dá)10mm金剛石顆粒熔凝于黃銅、鋼、鑄鐵、鋁的表面（金金剛石顆粒熔凝于黃銅、鋼、鑄鐵、鋁的表面（金剛石本身透光，加熱溫度低，金屬熔化）剛石本身透光，加熱溫度低，金屬熔

37、化）渦輪葉片表面渦輪葉片表面 涂覆耐高溫的鈷基合金涂覆耐高溫的鈷基合金軋輥表面涂覆耐磨層軋輥表面涂覆耐磨層激光表面合金化：表面涂粉末后照射激光激光表面合金化：表面涂粉末后照射激光高速鋼表面涂覆高速鋼表面涂覆WC粉末，可以獲得非平衡成分粉末，可以獲得非平衡成分及組織。如炮管處理后，耐燒蝕壽命提高。及組織。如炮管處理后，耐燒蝕壽命提高。激光非晶化：耐蝕、耐磨激光非晶化：耐蝕、耐磨 F15發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤激光細(xì)化晶粒及重熔：噴涂層、鍍層致密度高激光細(xì)化晶粒及重熔：噴涂層、鍍層致密度高5 5 激光打標(biāo)激光打標(biāo)激光打標(biāo)是指利用高能量的激光束激光打標(biāo)是指利用高能量的激光束照射在工件表面，光能瞬時(shí)變成熱能，照射在工件表面，光能瞬時(shí)變成熱能，使工件表面迅速產(chǎn)生蒸發(fā)，從而在工件使工件表面