電子束離子束激光束加工課件

電子束、離子束和激光束加工 1.1電子束加工 1.加工原理

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1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)闊崮埽共牧暇植克矔r熔融、汽化蒸發(fā)而去除。圖1電子束加工原理 (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，故在生產中受到一定程度的限制。 3．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。圖2電子束加工的異形孔 2）加工型孔及特殊表面

3）刻蝕在微電子器件生產中，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。

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。

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。電子束熱處理的加熱速度和冷卻速度都很高，在相變過程中，奧氏體化時間很短，只有幾分之一秒乃至千分之一秒，奧氏體晶粒來不及長大，從而能獲得一種超細晶粒組織，可使工件獲得用常規(guī)熱處理不能達到的硬度，硬化深度可達0.3～0.8mm。

離子束加工的物理基礎是離子束射到材料表面時所發(fā)生的撞擊效應、濺射效應和注入效應。離子束加工可分為四類。 1)離子刻蝕 離子轟擊工件，將工件表面的原子逐個剝離，又稱離子銑削，其實質是一種原子尺度的切削加工。 2)離子濺射沉積 離子轟擊靶材，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。 3)離子鍍(又稱離子濺射輔助沉積) 離子同時轟擊靶材和工件表面，目的是為了增強膜材與工件基材之間的結合力。 4)離子注入 離子束直接轟擊被加工材料，由于離子能量相當大，離子就鉆入被加工材料的表層。工件表面層含有注入離子后，就改變了化學成分，從而改變了工件表面層的機械物理性能。 2．特點及應用 離子束加工有如下特點： (1)離子束加工是目前特種加工中最精密、最微細的加工。離子刻蝕可達納米級精度，離子鍍膜可控制在亞微米級精度，離子注入的深度和濃度亦可精確地控制。 (2)離子束加工在高真空中進行，污染少，特別適宜于對易氧化的金屬、合金和半導體材料進行加工。 (3)離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來實現(xiàn)的，是一種微觀作用，所以加工應力和變形極小，適宜于對各種材料和低剛件零件進行加工。 在目前的工業(yè)生產中，離子束加工主要應用于刻蝕加工(如加工空氣軸承的溝槽，加工極薄材料等)、鍍膜加工(如在金屬或非金屬材料上鍍制金屬或非金屬材料)、注入加工(如某些特殊的半導體器件)等。 2)鍍膜加工離子鍍膜加工有濺射沉積和離子鍍兩種。離子鍍膜附著力強、膜層不易脫落。這首先是由于鍍膜前離子以足夠高的動能沖擊基體表面，清洗掉表面的占污和氧化物，從而提高了工件表面的附著力。其次是鍍膜剛開始時，由工件表面濺射出來的基材原子，有一部分會與工件周圍氣氛中的原子和離子發(fā)生碰撞而返回工件。這些返回工件的原子與鍍膜的膜材原子同時到達工件表面，形成了膜材原子和基材原子的共混膜層。而后，隨膜層的增厚，逐漸過渡到單純由膜材原子構成的膜層。混合過渡層的存在，可以減少由于膜材與基材兩者膨脹系數(shù)不同而產生的熱應力，增強了兩者的結合力，是膜層不易脫落，鍍層組織致密，針孔氣泡少。離子鍍的可鍍材料廣泛，可在金屬或非金屬表面上鍍制金屬或非金屬材料，各種合金、化合物、某些合成材料、半導體材料、高熔點材料等。離子鍍已用于鍍制潤滑膜、耐熱膜、耐蝕膜、耐磨膜、裝飾膜和電氣膜等。用離子鍍方法在切削工具表面鍍氮化鈦、碳化鈦等超硬層，可以提高刀具的耐用度。 3)離子注入加工離子注入加工是將所要注入的元素進行電離，并將正離子分離和加速，形成具有數(shù)十萬電子伏特的高能離子流，轟擊工件表面，離子因動能很大，被打入表層內，其電荷被中和，成為置換原子或晶格間的填隙原子，被留于表層中，使材料的化學成分、結構、性能產生變化。

離子注入可提高材料的耐腐蝕性能，改善金屬材料的耐磨性能，提高金屬材料的硬度，改善金屬材料的潤滑性能等。圖1激光加工示意圖 2)激光加工的特點 激光加工的特點主要有以下幾個方面： (1)幾乎對所有的金屬和非金屬材料都可以進行激光加工。 (2)激光能聚焦成極小的光斑，可進行微細和精密加工，如微細窄縫和微型孔的加工。 (3)可用反射鏡將激光束送往遠離激光器的隔離室或其它地點進行加工。 (4)加工時不需用刀具，屬于非接觸加工，無機械加工變形。 (5)無需加工工具和特殊環(huán)境，便于自動控制連續(xù)加工，加工效率高，加工變形和熱變形小。 2.激光加工基本設備及其組成部分 激光加工的基本設備由激光器、導光聚焦系統(tǒng)和加工機(激光加工系統(tǒng))三部分組成。 1)激光器 激光器是激光加工的重要設備，它的任務是把電能轉變成光能，產生所需要的激光束。按工作物質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。由于He-Ne(氦—氖)氣體激光器所產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氣體激光器及紅寶石、釹玻璃、YAG(摻釹釔鋁石榴石)等固體激光器。 3.激光加工的應用 1)激光打孔 隨著近代工業(yè)技術的發(fā)展，硬度大、熔點高的材料應用越來越多，并且常常要求在這些材料上打出又小又深的孔，例如，鐘表或儀表的寶石軸承，鉆石拉絲模具，化學纖維的噴絲頭以及火箭或柴油發(fā)動機中的燃料噴嘴等。這類加工任務，用常規(guī)的機械加工方法很困難，有的甚至是不可能的，而用激光打孔，則能比較好地完成任務。

激光打孔中，要詳細了解打孔的材料及打孔要求。從理論上講，激光可以在任何材料的不同位置，打出淺至幾微米，深至二十幾毫米以上的小孔，但具體到某一臺打孔機，它的打孔范圍是有限的。所以，在打孔之前，最好要對現(xiàn)有的激光器的打孔范圍進行充分的了解，以確定能否打孔。 激光打孔的質量主要與激光器輸出功率和照射時間、焦距與發(fā)散角、焦點位置、光斑內能量分布、照射次數(shù)及工件材料等因素有關。在實際加工中應合理選擇這些工藝參數(shù)。 2)激光切割 激光切割(如圖2所示)的原理與激光打孔相似，但工件與激光束要相對移動。在實際加工中，采用工作臺數(shù)控技術，可以實現(xiàn)激光數(shù)控切割。 激光切割大多采用大功率的CO2激光器，對于精細切割，也可采用YAG激光器。 激光可以切割金屬，也可以切割非金屬。在激光切割過程中，由于激光對被切割材料不產生機械沖擊和壓力，再加上激光切割切縫小，便于自動控制，故在實際中常用來加工玻璃、陶瓷、各種精密細小的零部件。

激光切割過程中，影響激光切割參數(shù)的主要因素有激光功率、吹氣壓力、材料厚度等。 3)激光打標 激光打標是指利用高能量的激光束照射在工件表面，光能瞬時變成熱能，使工件表面迅速產生蒸發(fā)，從而在工件表面刻出任意所需要的文字和圖形，以作為永久防偽標志(如圖3所示)。圖3振鏡式激光打標原理 激光打標的特點是非接觸加工，可在任何異型表面標刻，工件不會變形和產生內應力，適于金屬、塑料、玻璃、陶瓷、木材、皮革等各種材料；標記清晰、永久、美觀，并能有效防偽；標刻速度快，運行成本低，無污染，可顯著提高被標刻產品的檔次。 激光打標廣泛應用于電子元器件、汽(摩托)車配件、醫(yī)療器械、通訊器材、計算機外圍設備、鐘表等產品和煙酒食品防偽等行業(yè)。 4)激光焊接 當激光的功率密度為105～107W/cm2，照射時間約為1/100s左右時，可進行激光焊接。激光焊接一般無需焊料和焊劑，只需將工件的加工區(qū)域“熱熔”在一起即可，如圖4所示。

激光焊接速度快，熱影響區(qū)小，焊接質量高，既可焊接同種材料，也可焊接異種材料，還可透過玻璃進行焊接。圖4激光焊接過程示意圖 5)激光表面處理 當激光的功率密度約為103～105W/cm2時，便可實現(xiàn)對鑄鐵、中碳鋼，甚至低碳鋼等材料進行激光表面淬火。淬火層深度一般為0.7～1.1mm，淬火層硬度比常規(guī)淬火約高20%。激光淬火變形小，還能解決低碳鋼的表面淬火強化問題。圖5為激光表面淬火處理應用實例。圖5激光表面強化處理應用實例 6)激光存儲 是利用激光進行視頻、音頻、文字資料、計算機信息等的存取。激光電視唱片的制作可分為原版錄制和復制兩個過程。在原版錄制時，是將鍍有薄金屬膜的玻璃圓盤旋轉，經調制的激光束相應地沿著玻璃圓盤的半徑方向緩慢地由內向外移動，激光束便相應地熔化金屬層，使圖像與聲音記錄下來。加工機理是用激光熱效應，是激光去除加工。 4.光刻加工 光刻加工是用照相復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、半導體和介質材料。光致抗蝕劑是一類經