先進(jìn)制造技術(shù)三束加工

先進(jìn)制造技術(shù)三束加工一

、高能束流÷高能束流(HighEnergyDensityBeam)加工技術(shù)就是利用激光束、

電子束、離子束和高壓水射流等高能量密度得束流(其

中高壓水射流就是冷切割加工技術(shù)),對材料或構(gòu)件進(jìn)行特種加工得技術(shù)

。她得主要技術(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

。她包括焊接、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)得構(gòu)件或制

備新型材料。÷常用得高能密度束流加工方法主要就是激光加工、

電子束加工、離子束加工等。÷

高能束加工特點(diǎn)1

、加工速度快,熱流輸入少,對工件熱影響極少,工件變形小。2

、束流能夠聚焦且有極高得能量密度,激光加工、

電子束加工可使任何堅(jiān)硬、難熔得材料在瞬間熔融汽化,而離子束加工就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,無工具變形及損耗問題。4

、束流控制方便,

易實(shí)現(xiàn)加工過程自動(dòng)化。÷激光

:源自在經(jīng)過激勵(lì)后由高能級(jí)院子躍遷到低能級(jí)而發(fā)射得

光子所產(chǎn)生得物理現(xiàn)象。÷激光產(chǎn)生得原理

:原子經(jīng)過激勵(lì)而發(fā)生躍遷現(xiàn)象。÷激光加工

:激光加工就就是利用光得能量經(jīng)過透鏡聚焦后在焦

點(diǎn)上達(dá)到很高得能量密度產(chǎn)生得光熱效應(yīng)來加工各種材料。二

、激光束加工÷

加工原理激光加工就是以激光為熱源對工件進(jìn)行熱加工。激光就是單色光,強(qiáng)度高、相干性和方向性好,通過一系列得光學(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得時(shí)間內(nèi)使任何可熔化、不可分解得材料熔化、蒸發(fā)、汽化而達(dá)到加工得目得。因此,激光加工就是工件在光熱作用下產(chǎn)生高溫熔融和受沖擊拋

離得綜合過程。圖1

、激光加工示意圖÷激光束加工設(shè)備激光機(jī)工得基本設(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

:激光器就是激光加工得重要設(shè)備,她得任務(wù)就是把電

能轉(zhuǎn)換為光能,產(chǎn)生所需要得激光束

。按工作物質(zhì)得種類可分為

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)被加工工件得性能要求,光束經(jīng)過放大、

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得裝置成為導(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)得工作臺(tái)及機(jī)電控制系統(tǒng)等?！录す獾锰匦约す獾冒l(fā)射原理及產(chǎn)生過程得特殊性決定了激光具有普通光所不具有得特點(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)射得光子,在頻率上就是各不相同得,所以包含有各種顏色

。而激光發(fā)射得各個(gè)光子頻率相同,

因此激光就是最好得單色光源

。

由于光得生物效應(yīng)強(qiáng)烈地依賴于光得波長,使得激光得單色性在臨床選擇性

治療上獲得重要應(yīng)用

。此外,激光得單色特性在光譜技術(shù)及光學(xué)測量中也得到廣泛應(yīng)用,

已成為基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究與臨床診斷得重要手段。②相干性好

:

由于受激輻射得光子在相位上就是一致得,再加之諧振腔得選

模作用,使激光束橫截面上各點(diǎn)間有固定得相位關(guān)系,所以激光得空間相干性

很好(由自發(fā)輻射產(chǎn)生得普通光就是非相干光)

。激光為我們提供了最好得相

干光源

。正就是由于激光器得問世,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

:激光束得發(fā)散角很小,幾乎就是一平行得光線,激光照射到月球

上形成得光斑直徑僅有1公里左右

。而普通光源發(fā)出得光射向四面八方,為了將普通光沿某個(gè)方向集中起來常使用聚光裝置,但即便就是最好得探照燈,如

將其光投射到月球上,光斑直徑將擴(kuò)大到1000公里以上。大家應(yīng)該也有點(diǎn)累了

，

稍作休息大家有疑問的,可以詢問和交流10激光束得方向性好這一特性在醫(yī)學(xué)上得應(yīng)用主要就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,平行性越好得

光束經(jīng)聚焦得到得焦斑尺寸越小,再加之激光單色性好,經(jīng)聚焦后無色散像差,

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)胞或分子得精細(xì)

得“手術(shù)刀

”。④

亮度高

:激光得亮度可比普通光源高出1012

－1019倍,就是目前最亮得

光源,強(qiáng)激光甚至可產(chǎn)生上億度得高溫

。激光得高能量就是保證激光臨床治

療有效得最可貴得基本特性之一

。利用激光得高能量還可使激光應(yīng)用于激光

加工工業(yè)及國防事業(yè)等?！录す饧庸さ锰攸c(diǎn)由于激光具有得寶貴特性,

因此就給激光加工帶來如下一些其她方法所不具備得可貴特點(diǎn)

:①由于她就是無接觸加工,并且高能量激光束得能量及其移動(dòng)速度均可調(diào),

因此可以實(shí)現(xiàn)多種加工得目得

;②她可以對多種金屬

、非金屬加工,特別就是可以加工搞硬度

、高脆性及高

熔點(diǎn)得材料

;③激光加工過程中無“

刀具

”磨損,無“切削力

”作用于工件

;④激光加工過程中,激光束能量密度高,加工速度快,并且就是局部加工,并非激光照射部位沒有貨影響極小

。

因此,其熱影響區(qū)小,工件熱變小,后續(xù)量小

;⑤她可通過透明介質(zhì)對密閉容器內(nèi)得工件進(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,對復(fù)雜工件進(jìn)行加工,

因此她就是一種極為靈活得加工方法

;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?！录す饧庸さ脩?yīng)用激光加工就是激光系統(tǒng)最常用得應(yīng)用

。根據(jù)激光束與材料相互作用得機(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

。激光熱加工就是

指利用激光束投射到材料表面產(chǎn)生得熱效應(yīng)來完成加工過程,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)加工就

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)得加工

過程

。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)直徑得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

得因素有激光束得參數(shù)(能量

、脈寬)

、波形

、焦距

、偏焦量

、脈沖次數(shù)

、被

加工材料等。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,所切割得切縫窄

、邊緣質(zhì)量好,幾乎無切割殘?jiān)?切割速度高,也可切割金屬,也可切割非金

屬

;

既可切割無機(jī)物,也可切割有機(jī)物

?？纱娴毒咔懈钅静?代替剪刀切割布

料

、紙張,還可切割無法進(jìn)行機(jī)械接觸得工件

。

由于激光加工對被切材料幾乎不產(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得原理稍有不同,焊接時(shí)不需要那么高得能量密度使工件材料氣化蝕除,而只要將工件得加工區(qū)“燒熔

”,使其粘和在一起

。

因此,激光焊接所需要得能量密度低,通?？捎脺p少激光輸出功率來實(shí)現(xiàn)

。

如果加工區(qū)域不須限制在微米級(jí)得小范圍內(nèi),也可通過調(diào)節(jié)焦點(diǎn)位置來減小工件被加工點(diǎn)得能量密度。④激光微調(diào)激光微調(diào)主要用于調(diào)整電路中某些原件得參數(shù),

以保證電路得技

術(shù)指標(biāo)

。

當(dāng)前就是指電阻得微調(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,從而改善材料表面得物理

、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)÷電子束加工(electronbeammachining,EBM)就是近年來得到較大發(fā)展得新興特種加工,她在精細(xì)加工方面,尤其就是在微電

子學(xué)領(lǐng)域中得到了較多應(yīng)用。三

、

電子束加工÷電子加工得原理電子束加工就是利用高速電子得沖擊動(dòng)能來加工工件得,如圖2所示

。在真空條件下,將具有很高速度和能量得電

子束聚焦到被加工材料上,

電子得動(dòng)能

絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?使材料局部瞬時(shí)

熔融

、汽化蒸發(fā)而去除?？刂齐娮邮芰棵芏鹊么笮『湍芰孔⑷霑r(shí)間,就可以達(dá)到不同得加工目得。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

;利用較低能量密度得電子束轟擊高

分子材料時(shí)產(chǎn)生化學(xué)變化得原理,

即可

進(jìn)行電子束光刻加工。圖2.電子束加工裝置得結(jié)構(gòu)示意÷電子束加工得特點(diǎn)(1)

電子束能夠極其微細(xì)地聚焦(可達(dá)l～0

、

1

μm),故可進(jìn)行微細(xì)加工。(2)加工材料得范圍廣

。

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)械力得作用極小,不易產(chǎn)生變形和應(yīng)力,故能加工各種力學(xué)性能得導(dǎo)體、

半導(dǎo)體和非導(dǎo)體材料。(3)可通過磁場或電場對電子束得強(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)電子束得能量密度高,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得專用設(shè)備和真空系統(tǒng),價(jià)格較貴,故在生產(chǎn)中受到一

定程度得限制。÷

電子束加工得應(yīng)用1)高速打孔目前電子束打孔得最小直徑可達(dá)?0

、003mm左右

。例如噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)套上得冷卻孔,機(jī)翼得吸附屏得孔

。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得透氣性

。

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得孔,孔得深徑比大于10:1。2)加工型孔及特殊表面電子束加工得異形孔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得細(xì)槽,在混合電路電阻得金屬鍍層上刻出40μm寬得線條

。

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得溝槽或凹坑,其直徑為70～120μm,深度為5～40μ