先進(jìn)制造技術(shù)三束加工

先進(jìn)制造技術(shù)三束加工第一頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日本次課程內(nèi)容高能束流激光束加工電子束加工離子束加工第二頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日一、高能束流高能束流(High

Energy

Density

Beam)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。第三頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日高能束加工特點(diǎn)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。第四頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日二、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。第五頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日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)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)108~109W/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。第六頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D1.激光加工示意圖第七頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日激光束加工設(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。2.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)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。第八頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日第九頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日激光的特性

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）。

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(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，已成為基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)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(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)。

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(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。第十頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日激光束的方向性好這一特性在醫(yī)學(xué)上的應(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”。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(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。第十一頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日激光加工的特點(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)：

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

②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；

③激光加工過(guò)程中無(wú)“刀具”磨損，無(wú)“切削力”作用于工件；

④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??；

⑤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；

⑥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；

⑦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。第十二頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日激光加工的應(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。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。①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。第十三頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日②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娴毒咔懈钅静模婕舻肚懈畈剂?、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。③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。第十四頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日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(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。⑤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，稱之為激光表面改性技術(shù)

第十五頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日三、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。第十六頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日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)能絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽共牧暇植克矔r(shí)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(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。圖2.電子束加工裝置的結(jié)構(gòu)示意第十七頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日電子束加工的特點(diǎn)(1)電子束能夠極其微細(xì)地聚焦(可達(dá)l～0.1μm)，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。第十八頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日電子束加工的應(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，孔的深徑比大于10：1。第十九頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日2）加工型孔及特殊表面電子束加工的異形孔第二十頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日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2.5μm，深0.25μm的細(xì)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。第二十一頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日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。第二十二頁(yè)，共二十四頁(yè)，2022年，8月28日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