特种加工技术第5章高能束加工.ppt

,第五章 高能束加工,5.1 激光加工,激光加工是利用能量密度很高的激光束，照射工件，使工件材料熔化、蒸发和汽化，从而去除材料的一种高能束加工方法。激光加工几乎可以加工任何材料，加工速度快，表面变形小，光束方向性好，激光束可聚焦到波长级，可以进行选择性加工、精密加工，在生产实践中愈来愈多地显示了它的优越性。,原理,特点,应用,设备,激光是可控的单色光，强度高、能量密度大、方向性好。由激光器发射的激光束，可以通过一系列的光学系统，把激光束聚焦成一个极小的光斑，可获得107-1011W/cm2的能量密度以及10000以上的高温，从而能在千分之几秒甚至更短的时间内熔化甚至气化任何材料。这就是激光加工的基本原理。因此，可以利用激光进行各种材料（金属、非金属）的打孔、切割等加工，使激光加工成为可能。,激光加工的原理,电磁波波谱图,激光的产生,固体激光器,光是以光速c运动的光子流，有波粒两相性。可以认为光是一定波长范围内的电磁波。光的波长、频率、波速c（真空中，c3108m/s），三者关系如下：,光的量子学说认为光是一种具有一定能量的以光速运动的粒子流。光子的能量与光的频率成正比，其关系如下：,激光的产生,原子中的电子分布在不同的电子轨道上，具有不同的能量，从而形成所谓的能级。距离原子核最近能量最低，运动最稳定，称为基态。当原子的内能增加时外层电子的轨道半径也扩大，被激发到能量更高的能级，称为激发态或高能态。,电子跃迁有三种方式：1）自发辐射：电子自发地通过过释放光子从高能级跃迁到较低能级。2）受激吸收：电子通过吸收光子从低能级跃迁到高能级。3）受激辐射：光子射入物质诱发电子从高能级跃迁到低能级，并释放光子。,1）单色性好。激光产生中只会有一种频率波长的光。2）相干性好。所有受激辐射产生的光子都有相同的相，相同的偏振方向，它们迭加起来便产生很大的强度。3）强度高。激光的光束很狭窄，并且十分集中，所以激光具有很强的威力，它的亮度和强度特别高。4）方向性好。光源的方向性是通过发散角来表示的。激光与普通光源不同，其发散角很小，几乎是一束平行光。,固体激光器,最常用的激光器有：CO2激光器和掺钕钇铝石榴石激光器。CO2激光器发出的激光波长为10.6 mm，有连续、脉冲两种工作方式。连续方式产生的激光功率可达20 kW以上。CO2激光器具有较大的功率和较高的能量转换效率，但其光束的质量不同，聚焦后光腰斑直径和束腰长度不同，加工能力和加工质量存在较大的差别。掺钕钇铝石榴石激光器（简称Nd:YAG激光器），它的输出波长为1.06 mm，为CO2激光波长的十分之一，与金属的耦合效率高，加工性能良好（如一台800 W的Nd:YAG激光器的有效功率相当于3 kW的CO2激光器的功率）。,图5-4 固体激光器的基本结构,固体激光器的基本结构如图1）激光工作物质2）谐振腔3）光泵浦灯4）聚光腔,固体激光器,1）工作物质：是由发光中心的激活离子和基质材料两部分组成的。工作物质的物理性能主要取决于基质材料，光谱特性由激活离子内的能级结构来决定。2）谐振腔：是激光器的重要组成部件，作用是使工作物质受激辐射形成振荡与放大，它由两块平面或球面发射镜按一定方式组合而成的。其中一端面是全反膜片，即反射率接近100%；另一端面是具有一定透过率的部分反射膜片。谐振腔是决定激光输出功率、振荡模式、发散角等激光输出参数的重要光学器件。3）泵浦灯：供给工作物质光能用的。在固体激光器中，激光工作物质内的粒子数反转是通过光泵的抽运实现的。目前常用的光泵源是脉冲氙灯和连续氪灯。4）聚光腔：提高泵浦效率，使泵浦灯发出的光能有效地汇聚并均匀地照射在激光棒上。早期的聚光腔常见的形式有单椭圆腔，双椭圆腔，圆形腔，紧裹形腔。,激光加工的特点和应用,激光的特点,激光的应用,1）激光加工无需加工工具，无工具损耗，无机械加工变形。2）激光加工功率密度高，加工速度快，热影响区小，可加工任何材料。包括玻璃等透明材料（经过着色或打毛后）。3）光束能量、光斑直径和光束移动速度可调节，以适应各种加工。4）透过透明物状或介质加工，有利于安全防氧化和环保。5）激光易于导向聚焦，可与数控机床、机器人等结合，构成各种灵活的加工系统。6）一种热加工，影响因素很多，加工精度难以保证和提高；7）对人体有害，须防护措施。,激光打孔,激光存储,激光热处理,激光涂覆,激光微调,激光打标记,激光切割,激光焊接,激光激光快速制造,利用激光照射电阻膜或电容介质，使之汽化，从而改变电阻或电容值的一种微调方法。其优点是精度高。,利用激光进行音频、文字、数据等的信息的存取，其特点是：存储密度高、存取速度快、寿命长、介质成本低。,利用激光束照在工件表面，变成热能使工件表面材料蒸发，从而在表面刻出所需文字和图形，以作为永久防伪标志。特点：非接触加工；不会变形和产生内应力；金属、塑料、玻璃、陶瓷、木材、皮革等各种材料；标记清晰、永久、美观，并能有效防伪；标刻速度快，运行成本低，无污染。,激光的应用,激光打孔,激光热处理,激光涂覆,激光切割,激光焊接,激光激光快速制造,将粉末撒在金属表面，利用激光加热，使之熔化，同时工件也产生微熔，从而使粉末材料牢固地结合在工件表面，而改变工件的表面特性的一种加工方法。,是利用激光束聚焦到工件，使辐射区表面金属溶解粘合而成为焊接接头。其一般功率密度较小，为104-106 W/cm2。激光焊接的特点为：生产率高、热影响区小、不易氧化，适宜与热敏晶体管元件的焊接，无焊渣，无氧化膜，可在透明封闭容器中进行，适合精密加工。,当激光的功率密度约为103-105 W/cm2时，利用激光束聚焦到工件，使之达到相变温度，继而迅速冷却，便可实现对铸铁、中碳钢，甚至低碳钢等材料进行激光表面淬火，淬火层深度一般为0.7-1.1 mm，淬火层硬度比常规淬火约高20%。其特点有：加热快、热影响区小、变形小、淬火层薄，不需冷却介质。能对复杂形状及局部进行热处理。,激光快速制造技术包括光固化成型、选择性烧结成型、薄片叠层粘结成型、激光诱发热应力成型和激光熔覆成型等。,原理：利用激光束在空间和时间上高度集中的特点，轻而易举地将光斑直径缩小到微米级，从而获得106-109W/cm2的激光功率密度，如此高的功率密度可以瞬间熔化或气化任何材料，并将表面被气化的分裂混合物喷射出来，气化会以一定的速度向材料内部移动，材料被气化去除，孔被逐渐加深，随着孔的直径和深度的增加，分裂物相继被蒸气去除，最后形成一个深孔。因此，激光打孔可分为五个阶段：表面加热、表面熔化、气化、气态物质喷射和液态物质喷射。,激光的应用,激光打孔,激光切割,特点：1）速度快,效率高,经济效益好，100孔每秒。2）可获大深径比，深径比可达50：1。3）可在硬、脆、软等各类材料上进行。4）无工具损耗，工件清洁、无污染。5）适合于数量多、高密度的群孔加工。6）可在难加工材料倾斜面上加工小孔。,应用：人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、多层印刷线路板等行业的生产中。例如，在高熔点金属钼板上加工微米量级的小孔；在硬质碳化钨上加工几十微米的小孔；在红、蓝宝石上加工几百微米的深小孔以及加工金刚石拉丝模具、化学纤维的喷丝头等。使用的激光器以YAG激光器、CO2激光器为主，也有准分子激光器、同位素激光器和半导体泵浦激光器等。,原理：与激光打孔原理基本相同，不同之处在于激光切割时激光束与工件材料需相对移动，最终使材料形成宽度很窄的切缝，切缝处的熔渣被一定的辅助气体吹除。,激 光 切 割,特点：1）无工具磨损。2）切缝窄，热影响区小，变形小。3）切边洁净，切口平行，精度粗糙度好。4）切割速度快，效率高，易于数控。5）不受材料的限制，能切割各种硬、脆的材料，适应性好。6）噪声小无公害。,应用：激光切割占激光应用的60%左右，广泛应用于许多工业部门。例如，电气机壳、木刀模业、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、压克力、弹簧垫片、2 mm以下的电子机件用铜板、一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金等等加工都已大量使用激光切割。,图5-6 激光切割区的示意图,二氧化碳激光器对各种材料的有关数据,激光加工设备,激光加工设备：1）激光器：是激光加工的重要设备，它是把电能转换成光能，产生激光束。2）激光器电源：为激光器提供所需的能量和机械系统控制等功能。3）光学系统：包括聚焦系统和观察瞄准系统。4）机械系统：包括激光加工系统的床身、数控工作台和机电控制系统等。,表5-3 激光切割机的技术参数,表5-2 几种常用的激光器,电子束加工是在真空条件下，将具有很高速度和能量的电子束聚焦到被加工材料上，电子的动能绝大部分转变为热能，使材料局部瞬时熔融、汽化蒸发而去除。电子束加工是利用能量密度很高的高速电子流，在一定的真空度的加工仓中使工件材料熔化、汽化，而予以去除的高能束加工方法。,加工装置,5.2 电子束加工,原理和特点,主要应用,高速打小孔,真空系统,电子枪,聚焦控制系统,异形孔加工,特殊曲面加工,电子束焊接,电子束热处理,电子束蚀刻,电子束光刻,1）能够极其微细地聚焦（可达l-0.1 m），故可进行微细加工。2）加工材料的范围广。电子束可使任何材料瞬时熔化、汽化，机械力小，不易变形，能加工性能的导体、半导体和非导体材料。3）加工在真空中进行，污染少，不易被氧化。4）可通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦等进行直接控制，容易实现自动化。5）价格较贵，在生产中受到一定程度的限制。,电子束加工装置,真空系统,电子枪,聚焦控制系统,电子束的控制包括聚焦控制、位置控制、强度控制和工作台位移控制等。1）聚焦控制：目的是提高电子束的能量密度，聚焦成很小的束斑，影响到加工孔径和缝宽。聚焦的方法：一是利用高压静电场聚焦，二是利用电磁透镜进行聚焦。2）位置控制：目的是改变电子束的位置，选择加工的位置，是电子束能够加工出特定形状的基础。由于电子束偏转只能在一个很小的范围，否则将增加像差和影响线性，因此大面积加工时必须与工作台的移动相配合。3）电子聚焦和强度控制等都与电源相关，电源电压的稳定是稳定聚焦和控制束流强度的基础。,电子枪是获得电子束的装置。包括电子发射阴极、控制栅极和加速阳极。阴极经电流加热发射电子，带负电的电子高速飞向带高电位的阳极，在飞向阳极的过程中，经加速极加速，又通过电磁透镜把电子束聚焦成很小的束斑。,真空系统是为了保证电子束加工时1.33 10-2-1.3310-4 Pa的真空度。加工产生的金属蒸汽会影响电子发射，产生不稳定现象，所以要将金属蒸汽泵出。一般由机械转子泵和油扩散泵或涡轮分子泵二级组成，先机械转子泵把真空室抽至1.4-0.14 Pa,再由油扩散泵或分子泵抽至0.014-0.00014 Pa的高真空。,电子束加工的应用,在微电子器件生产中，为了制造出多层固体组件，可利用电子束对陶瓷或半导体材料刻蚀出许多微沟槽和孔来，如在硅片上刻处宽2.5 mm，深0.25 mm的细槽；在混合电路电阻的金属镀层上刻出40 mm宽的线条。在MEMS的齿轮、轴承等的制造中，也经常用电子束进行微槽的加工。电子束刻蚀还经常用于印刷制版中，在铜制印刷滚筒上按色调深浅刻出许多深浅大小不一的沟槽。,利用电子束作为热源，用来焊接难熔金属（钽、铌、钼等）和化学性活泼的金属（钛、锆、铀等）的特种加工工艺。原理是：电子束轰击焊接件表面时，吸收能量，使照射的区域温度升高产生熔融，当电子束离开时材料凝固，达到焊接的效果。可焊材料多、焊接变形小、速度快、焊缝强度高、热影响区小等特点，可焊接相同和不同材料。,把电子束作为热源，控制能量密度，使金属表面加热到相变温度，而达到热处理的目的。加热和冷却速度很快，奥氏体晶粒来不及长大即被冷却，得到超细晶粒，提高强度和硬度，电子束热处理深度0.3-0.8 mm。如加热金属到表面微熔，则可在熔化区加入其他元素，达到表面改性的目的，从而获得更好的表面性能，如耐磨性、耐疲劳性和耐腐蚀性等。,高速打小孔,异形孔加工,特殊曲面加工,电子束焊接,电子束热处理,电子束蚀刻,电子束光刻,电子束加工的应用,喷丝板上的喷丝孔的加工时是一个典型的应用实例。喷丝板孔的形状大多如图5-12所示，其窄缝宽度为0.03-0.07 mm，长度0.8 mm，喷丝板厚度0.6 mm。,电子束打小孔最小加工直径可以达到0.003 mm左右。例如喷气发动机套上的冷却孔、机翼吸附屏上的孔。例如在厚为0.1 mm的不锈钢板上加工孔径为0.2 mm的孔，速度能达到3000孔每秒。在人造革、塑料上打孔，可以改善材料的透气性。打孔速度能达到50000孔每秒，孔径在40-120 mm，孔深达10：1。同样也能在玻璃、陶瓷、宝石、半导体等脆性材料的打孔，当然在加工前或加工时需进行加热，以免加工部位附近的极大地温差引起脆裂。,高速打小孔,异形孔加工,特殊曲面加工,电子束光刻,电子束加工的应用,电子束光刻是利用低功率密度电子束照射电致抗蚀剂的高分子，使之在抗蚀剂上留下潜像，再将其浸入适当的溶剂中显影，再用蒸镀和离子束蚀刻，制作出凹凸模。,电子束加工弯曲的型面原理为：电子束在磁场中受力，在工件内部弯曲，工件同时移动，即可加工曲面；随后改变磁场极性，即可加工曲面；在工件实体部位内加工，即可得到弯槽；当工件固定不动，先后改变磁场极性，二次加工，即可得到一个入口、两个出口的弯孔。拉制电子束速度和磁场强度，即可控制曲率半径。,特殊曲面加工,电子束光刻,特点,5.3 离子束加工,原理,应用,离子束加工是将惰性气体电离，并使正离子加速、集束和聚焦到处于一定真空条件下的加工部位，依靠机械冲击作用，使材料溅射而去除材料的高能加工，是最细微的加工技术。与电子束加工不同的是：离子的质量大得多，加速较慢，一旦加速到高速，则能量较大；电子束几乎所有的能量都转变为热能，以热效应进行加工，而离子束加工，离子与金属离子的碰撞性质不同于电子与金属离子的碰撞，离子的碰撞不会产生热量，其纯粹是机械的碰撞作用。从弹性碰撞理论看，金属离子的质量=离子束中的离子的质量，加工效果最好。,分类,设备,1）离子束可通过电子光学系统聚焦，离子束轰击材料是逐层去除原子，离子束流密度及离子能量可以精确控制，可达0.001 mm的加工精度，最精密、最微细的加工。离子刻蚀可达纳米精度级，离子镀膜可控制在亚微米级精度，离子注入的深度和浓度亦可精确地控制。2）在高真空中进行，污染少，适宜于易氧化的金属、合金和半导体材料和高纯度半导体材料的加工。3）靠离子轰击作用，加工应力和变形小，适宜于各种材料和低刚度零件。,1）离子蚀刻：是一个从工件上去除材料，是一个撞击溅射的过程。当能量为0.5-5 keV离子束轰击工件，入射离子的动量传递到工件表面原子，如传递的能量超过原子间的结合力使，靶原子就从工件表面溅射出来，达到了蚀刻的目的。蚀刻加工时，离子入射能量、束流大小、入射角、工作室气压可以分别调节，以适应不同加工的需要。2）镀膜加工：镀膜加工有溅射沉积和离子镀二种：其一是能量为0.5-5 keV惰性气体离子打到靶材料上，把靶材料的离子溅射到靶材料边上的工件表面的加工方法。离子镀加工时，工件除了溅射沉积外还受到惰性气体离子的作用。因此离子镀膜的附着力强、膜层不易脱落；绕射性好，可以膜镀所有暴露的表面；现在，离子镀技术已经应用于镀制润滑膜、耐热膜、耐蚀膜、装饰膜、电气膜等。3）离子注入：是当能量为5-500 keV离子束垂直轰击工件，向工件表面直接注入离子，它不受热力学限制，可以注入任何离子，且注入量可以精确控制，注入的离子是固溶在工件材料中，含量可达10%，注入深度可达1 mm,甚至更深。离子注入的应用主要在以下几个方面：半导体掺杂、金属表面改性、制造光波导、制造超导材料等。,离子束加工的分类,离子束加工设备与电子束加工设备类似，包括离子源、真空系统、控制系统等，主要区别在于离子源系统。离子源用以产生离子束，其离子产生的原理和方法是使原子电离。具体为：把要电离的气态原子（如氩气等惰性气体或金属蒸气）注入电离室，经过高频放电、电弧放电、等离子体放电或电子轰击，使气态原子电离为等离子体。再用一个相对于等离子体为负电位的电极（称为吸极），就可以从等离子体中吸引出正离子束流。目前常用的离子源有：考夫曼型离子源和双等离子管型离子源,离子束加工的设备,离子刻蚀用于加工陀螺仪空气轴承和动压马达的沟槽，分辨率高，精度和重复一致性好，加工非球面透镜也能达到其他方法不能达到的精度。另外，离子刻蚀能够刻蚀高精度的图形，如集成电路、声表面波器件、磁泡器件、光电器件和光集成器件等亚微米图形。,离子束加工的应用,刻蚀加工,镀膜加工,注入加工,离子镀膜常用的是蒸发镀膜，即在真空中使被蒸发的物质气化，在气体离子或被蒸发物蒸镀在基体上。空心阴极放电离子镀是采用低电压、大电流的电子束射入坩埚，加热蒸镀材料并使之蒸发，然后电离，把蒸镀材料的蒸发和离子化过程结合起来，增加离子化率（可达22-40%），是一种镀膜效率高、膜层质量好的方法。,可注任何离子，注入量可控，注入材料固溶在材料中，含量=10-40%，深度1 mm。典型应用有：1）半导体注入磷、硼等形成P-N结，适合于大规模集成电路。2）金属表面注入离子改善金属表面性能，如把Cr注入Cu提高抗氧化性；在低碳钢中注入N，B，Mo等提高耐磨性；在纯铁中注入B，从而提高强度和硬度；在碳化钨中注入C，N提高润滑性能。3）冶炼新合金，增加光学材料的折射率，改善磁泡材料性能，制造超导材料。,特点,5.4 等离子体加工,原理,应用,在钨电极与工件之间接电源，利用高频震荡或短路引弧的方法使二极间形成电弧。电弧温度很高，使工质变成电离化的气体，即等离子体。电弧外围不断送入工质，回旋的工质气体流形成了气鞘，压缩电弧，另外在机械压缩效应（喷嘴的锥度）、热效应（喷嘴周围的冷却水）和磁收缩效应（周围磁场的影响）的作用下，使等离子体的能量高度集中，电流密度、等离子体的温度都很高（11000-28000），并以极高的速度（800-2000 m/s）从喷嘴喷出，具有很大的动能和冲力；当达到工件表面时可以释放出大量的热，加热和熔化金属，并将熔化的金属材料吹除。,加工速度和精度,1）导电、导热性能好，很小的面积可以通过很大的电流和热量。2）温度高、能量密度大，是普通电弧的20倍。3）工艺参数的调节可根据功率、气体类型、流量、进给速度、火焰角度、喷射距离等进行调节。4）电弧较为稳定，有利于工艺规范确定和操作。,应用,等离子体切割的速度很快，成形切割厚度25 mm的铝板的切割速度为760 mm/min；切割厚度6.4 mm的钢板的切割速度为4060 mm/min；采用水喷时可以增加碳钢的切割速度,切割厚度5 mm的钢板的切割速度为6100 mm/min。切边斜度一般为2-7，当精确控制工艺参数时可以保持在1-2。对于厚度小于25 mm的金属，切缝宽度通常为2.5-5 mm；厚度达到150 mm时切缝宽度为10-20 mm。等离子体加工孔径小于10 mm，钢板厚4 mm时，加工精度为0.25 mm，当钢板厚度达35 mm时，加工孔或槽的精度为0.8 mm。加工后的表面粗糙度通常为Ra1.6-3.2 mm,热影响层深度为1-5 mm,其主要决定于工件的热力学性质、加工速度、切割速度以及采用的加工参数。,加工速度和精度,1）切割各种金属，特别是不锈钢、铜、铝的成形切割。2）用于金属的穿孔加工等，将等离子体作为热源加热工件，降低硬度，减小切削力，延长刀具寿命。3）焊接不锈钢和铝合金。以氩气为保护气体，以直流电源焊接厚度1-10 mm的不锈钢和合金钢。也可用交流或脉冲等离子体弧。4）还用于合金钢的熔炼，熔炼速度快、所熔炼的合金钢质量好。5）热处理和再结晶，以获得超细晶粒，提高韧、塑性。6）制造超高纯度的氧化硅、氧化铝；制造高纯度的氮化钛、氮化锆。7）金属材料表面的等离子体氮化可以提高材料的硬度和耐磨性。,5.5 微波细微加工,微波细微加工是利用波导管中微波电磁能加工无机材料的一种高功率密度的加工方法。用10 GHz的磁振管作为震荡器，将峰值功率为50 kW，平均功率为50 W，重复频率为1 kHz，脉宽为1 ms 的脉冲状微波向波导管中发射。波导管的末端做成开放式（以免驻波），波导管末端用钢琴丝（或铱丝）做针状电极，工件（一般为薄片）夹在二极之间。微波加工材料主要是绝缘材料，如玻璃、石英、宝石、陶瓷、金钢石，对硅锗等半导体也能加工。,谢谢大家!,