高能束流加工技术.ppt

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1、第六章 高能束流加工技术,本章节主要介绍以下内容：高能束流加工概述 激光束加工技术 电子束加工技术 离子束加工技术（选讲）水射流加工技术（自学）,第一节 高能束流加工概述,高能束流加工是20世纪60年代迅速发展起来的工艺技术，并逐步应用于科学研究和工业生产中，尤其在难加工材料、精密微细加工、仪器仪表零件加工、微电子器件制造、微机电系统和航空航天零件制造中得到越来越广泛的应用。高能束流加工是当代具有代表性的先进制造技术之一，是极具生命力的一种特种加工技术。,高能束流加工概述(续),高能束流加工是特种加工技术的重要分支之一。通常将激光加工（简称LBM）、电子束加工（简称EBM）和离子束加工（简称I

2、BM）称之为高能束加工，亦称三束加工。共同之处是以具有很高能量密度的束流，通过一定的装置在空间传输并在工件表面聚焦，从而去除工件材料或完成其它用途；不同之处在于所用的能量载体不同，分别为光子、电子、离子和水流（有时含磨料），因而其加工机理、功能、效果和使用范围就有所不同。,激光束加工技术发展概述1,Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 缩写为激光Laser。20世纪50年代时，美国科学家汤斯在研究激波时发现了微波受激放大的现象，并预言电磁波也可以受激放大，汤斯的预言很快被证实。1960年，美国休斯实验室的梅曼使用红宝石作

3、为工作物质，制出了世界上第一台激光器，成功地产生了波长为0.6943微米的红外激光。,激光束加工技术发展概述2,随着大功率激光器的出现，应用激光进行材料加工的激光加工技术逐渐发展起来。从原理上讲，自然界中几乎所有材料，都能采用激光加工。从行业来说，激光加工涉及到汽车、电子电器、有色金属纤维、精密机械以及运输机械等所有领域。激光广泛用于打孔、切割、焊接、表面处理及半导体加工等。特点：不受材料限制、加工效率高、精度高等优势。在机械加工中，可以同时满足效率和精度加工指标，是其它加工方法所达不到的。,激光器拆解图,CMA-960F型自动送料激光切割机,CM系列激光设备在全面质量管理体系的工厂环境下进行

4、生产作业，稳定性、精确度和速度三大指标均可体现世界一流设备的水准。,CMA-2016F型激光切割机,YMRF-MV100型成衣激光雕花机,电子束加工技术发展概述1,1949年，德国首次利用电子束在0.5mm厚的不锈钢板上加工出直径为0.2mm的小孔。1957年法国原子能委员会萨克莱核子研究中心研制成功世界上第一台用于生产的电子束焊接机，其优良的焊接质量引起人们广泛重视。20世纪60年代初期已经成功地将电子束打孔、铣切、焊接、镀膜、熔炼等工艺技术应用到各工业部门中，促进了尖端技术的发展。微电子学的发展对集成电路元件的集成度要求不断提高，因而对光刻工艺提出了更高的要求，扫描电子束曝光机研制成功并在

5、20世纪70年代进入市场，使得制造掩膜或器件所能达到的最小线宽已小于0.5 m。,电子束加工技术发展概述2,自20世纪60年代初期我国开始研究电子束加工工艺，目前已在仪器仪表、微电子、航空航天和化纤工业中得到应用。电子束打孔、切槽、焊接、电子束曝光、电子束热处理等都陆续进入生产。,真空电子束炉,电子束炉是利用高速电子的动能转换成热能，进而使金属熔化的一种真空熔炼设备。,真空电子束焊接,离子束加工技术发展概述,离子束技术的应用涉及物理、化学、生物、材料和信息等许多学科的交叉领域。离子束加工在许多精密、关键、高附加值的加工模具等机械零件的生产中得到了广泛应用。一些国家用于军事装备的建设上，如改善蜗

6、轮机主轴承、精密轴承、齿轮、冷冻机阀门和活塞的性能。离子注入半导体掺杂已成为超大规模集成电路微细加工的关键工艺，导致出现了80年代集成电路产业的腾飞。经过近20年的研究和实践，离子束加工已广泛地应用于各个领域，尤其是在信息产业领域占有举足轻重的地位。,离子束刻蚀机,数码离子束设备,水射流及磨料流加工技术概述,水射流加工源于采矿业。随着水射流工作压力的提高，其应用范围逐渐扩展，最终导致超高压水切割的出现。自1972年世界第一台水切割机在美国诞生以来，超高压水射流切割加工工艺就一直是水射流行业研究追踪的热点。80年代末，“水刀”的设备完成了商品化，以机械手控制切割头为代表的产品迅速达到了全自动、智

7、能化的高水平。随着水射流切割技术的发展，脉冲射流、高温射流、磨料射流、空化射流、气水射流等新技术的出现将水射流技术推向一个新的阶段。,SXSL2015型超高压水射流切割机,系统主要由超高压发生器、二维半数控机床、计算机辅助系统等几部分组成。超高压发生器系统，能把普通水增压至100-300MPa，然后通过一个直径约0.2mm的宝石喷嘴射出速度为900m/s左右的水箭，再加入少量的砂，此水箭可切割各种材料。,前混合磨料水射流切割机,根据反恐防爆排险的实战需要，针对爆炸物切割处置的战技术要求，研究开发了以前混合磨料水射流切割为特征的系统。该设备达到国际领先水平，并经现场试验、试用和推广应用，战技术性

8、能优良。,The end,第二节 激光束加工技术,激光束加工基本原理：激光加工是把具有足够能量的激光束聚焦后照射到所加工材料的适当部位，在极短的时间内，光能转变为热能，被照部位迅速升温，材料发生气化、熔化、金相组织变化以及产生相当大的热应力，从而实现工件材料被去除、连接、改性或分离等加工。激光加工时，为了达到各种加工要求，激光束与工件表面需要作相对运动，同时光斑尺寸、功率以及能量要求可调。,激光束加工原理图,材料对激光能量的吸收1,几种不同材料的光洁表面对不同光波波长的相对吸收率。,材料对激光能量的吸收2,设材料表面的反射率为R，则吸收率为A=1-R。光波正入射时，R可用下式估算：式中，nr和

9、kr是复数折射率的实数和虚数部分。一般而言，导电率高的材料对光波的反射率较高，表面粗糙度低的材料其反射率也高。,材料的加热,材料的加热是光能转换成热能的过程。设入射激光的光功率密度为qi，吸收激光的光功率密度为qo，则有：设q(z)为沿光束方向，距金属表面深度z处的光功率密度；为光在材料中的吸收系数；z为从材料表面算起的深度。由朗伯定律：,材料破坏的条件1,足够功率密度的激光束照射，被加工材料表面达到熔化和气化温度，从而使材料气化蒸发或熔融溅出，导致材料的破坏。激光功率密度过高，材料在表面上气化，而不是在深处熔化；激光功率密度过低，能量就会扩散分布、受热体积增大，焦点处熔化深度会很小。利用激光

10、脉冲可以达到1010/s的加热速度和106/s的温度梯度，在极小的区域内材料达到其熔点和沸点而被破坏，该方法可用于打孔、调节动平衡、电阻微调等方面。,材料破坏的条件2,随着激光功率密度的提高，材料表面达到气化温度，部分材料被气化，激光功率密度的大小决定材料气化量的多少。几种材料汽化量与能量密度的关系图如下：,/g,材料破坏的条件3,当脉冲激光照射材料时，第一个脉冲被材料表面吸收，由于材料表层的温度梯度很陡，因此表面上先产生熔化区，接着产生气化区。当下一个脉冲来临后，材料表层熔化区吸收的能量致使其较里层材料的温度比表面气化温度更高，材料内部气化压力增大，促使熔化区熔融的材料外喷。所以，一般情况下

11、，材料以蒸发和熔融两种状态被去除。当功率密度更高而脉宽更窄时，气化能量在极短的时间内被多次传递给材料，使局部区域产生过热现象，从而引起爆炸性的气化，此时材料完全以气化的形式被去除而几乎不出现熔融状态。,材料破坏的条件4,非金属材料的反射率比金属低得多，因而进入非金属材料内部的激光能量就比金属材料多。有机材料的熔点或软化点一般较低，有些有机材料由于吸收了光能，内部分子振荡十分激烈，以致使通过聚合作用形成的巨分子又起解聚作用。部分材料迅速气化，激光切割有机玻璃就是这种情况。有些有机材料，如硬塑料和木材，皮革等天然材料，在激光加工中会形成高分子沉积和加工位置边缘炭化。无机非金属材料，如陶瓷、玻璃等，

12、在激光的照射下几乎能吸收激光的全部能量。但由于其导热性很差，加热区很窄，沿着光束的轨迹产生很高的热应力，导致材料破碎且无法控制。,激光束加工工艺及其应用,激光束加工的应用极其广泛，在打孔、切割、焊接以及表面淬火、冲击强化、表面合金化、表面融覆等表面处理的众多加工领域都得到了成功的应用。近十年来，激光技术还被应用于快速成型、三维去除加工、微纳米加工中，激光束流加工的发展日新月异，着重介绍激光孔加工和切割加工。,一.激光打孔,利用激光几乎可在任何材料上打微型小孔。目前已应用于火箭发动机和柴油机的燃料喷嘴加工、化学纤维喷丝板打孔、钟表及仪表中的宝石轴承打孔、金刚石拉丝模加工等方面。激光打孔适合于自动

13、化连续打孔，如加工钟表行业红宝石轴承上0.120.18mm、深0.61.2mm的小孔，采用自动传送每分钟可以连续加工几十个宝石轴承。生产化学纤维用的喷丝板，在100mm直径的不锈钢喷丝板上打一万多个直径为0.06mm的小孔，采用数控激光加工，不到半天即可完成。激光打孔的直径可以小到0.01mm以下，深径比可达50:1。,激光打孔样品,激光打孔样品,激光打孔的成形过程,激光打孔的成形过程是材料在激光热源照射下产生的一系列热物理现象综合的结果，它与激光束的特性和材料的热物理性质有关。影响因素很多。,孔的成形影响因素1,1.输出功率与照射时间 激光的输出功率大，照射时间长时，工件所获得的激光能量也大

14、。激光的照射时间一般为几分之一到几毫秒。当激光能量一定时，时间太长会使热量传散到非加工区，时间太短则因功率密度过高而使蚀除物以高温气体喷出，都会使能量的使用效率降低。,孔的成形影响因素2,2.焦距与发散角 发散角小的激光束，经短焦距的聚焦物镜以后，在焦面上可以获得更小的光斑及更高的功率密度。焦面上的光斑直径小，所打的孔也小，而且，由于功率密度大，激光束对工件的穿透力也大，打出的孔不仅深，而且锥度小。所以，要减小激光束的发散角，并尽可能也采用短焦距物镜（20mm左右），只有在一些特殊情况下，才选用较长的焦距。,孔的成形影响因素3,3.焦点位置,孔的成形影响因素4,4.光斑内的能量分布 激光能量分

15、布对打孔质量的影响关系图如下：,孔的成形影响因素5,5.激光的多次照射激光照射一次，加工的深度大约是孔径的五倍左右，而且锥度较大。下图是用红宝石激光器加工蓝宝石时获得的实验曲线。,孔的成形影响因素5,多次照射能在不扩大孔径的情况下将孔打深，是由于光管效应的结果。下图是两次照射的光管效应的示意图：（a）第一次（b）第二次（c）成形后,孔的成形影响因素6,6.工件材料由于各种工件材料的吸收光谱不同，经透镜聚焦到工件上的激光能量不可能全部被吸收，其吸收效率与工件材料的吸收光谱及激光波长有关。用红宝石激光器照射钢表面时所获得的工件表面粗糙度与加工深度关系的试验曲线图如下：,二.激光切割,该工艺是将高能

16、量密度的激光通过透镜在被切割材料附近聚焦，照射到材料表面后使材料熔化；同时，从锥形喷嘴的小孔中喷出0.150.4MPa的高压辅助气体，吹走熔化的金属，通过调整工艺参数，可以使材料恰好熔化到底面为止，完成切割过程。,激光切割系统 BYSPRINT,全飞行光路配有2200w货3000w激光谐振器，获得更高的功率和切割速率。稳定可靠，经久耐用,激光切割样品皮革,激光切割样品案图,激光切割样品案图,激光切割样品图标,激光切割样品,激光切割工艺参数,在激光切割过程中，主要的工艺参数有：切割速度焦点位置辅助气体激光功率,工艺参数1,1.切割速度 当用恒定功率的激光切割低碳钢时，板材厚度与切割速度对切割质量

17、的影响如图所示。正常的切割厚度 割缝宽度与焦点位置 焦点位置与切割质量,工艺参数2,2.焦点位置 上面中间的图反映了切割速度为1.5m/min时，改变激光输出功率时焦点位置与割缝宽度的关系：割缝因使用多模激光而增宽；切割不同厚度的低碳钢板时，其焦点位置范围上面第三个间的图所示，板材越厚，焦点位置的正常范围越窄。,工艺参数3,3.辅助气体激光切割时通常都要使用辅助气体。根据不同的被切割工件材料，可选用空气、氧气、二氧化碳或氩气等辅助气体。辅助气体的作用是吹走熔化金属，并防止透镜被飞溅物和烟尘附着而损坏。在不粘附熔渣的原则下，气体压力一般取低值为好。用氧气作辅助气体切割低碳钢材料时，氧与铁反应会生

18、成氧化铁，所产生的热量可有效地用于切割。氧化铁的燃烧温度比铁还低，所以此时不是熔化切割而是燃烧切割，因此能够提高切割速度和质量。二氧化碳及惰性气体则可以很好地保护切割表面，提高切割质量。,工艺参数4,4.激光功率激光功率直接影响切割的正常进行，如前所述，激光功率与切割速度有密切的联系。激光功率太小，就不能切断材料，而激光功率太大，则切缝质量差，切缝较宽。激光功率的大小还与激光的振荡模式有关。例如，300W的单模激光和500W的多模激光具有同等的切割能力。使用多模激光切割时，割缝较宽，而单模激光切割时的割缝较窄，低碳钢和不锈钢等材料的割缝仅为0.10.2mm。辅助气体为氧气时，采用单模激光切割钛

19、，切割速度非常快，不过割缝较宽。,激光切割质量的影响因素,1.激光切割质量要求达到以下几个方面：切缝入口处轮廓清晰；切缝窄；切边热损伤最小；切边平行度好；无切割粘渣；切割表面光洁。2.切边的粗糙度与断面条纹的宽度及间隔有关。3.激光切割质量的影响因素主要有光束特性和工件特性两个方面。,光束特性1,1.激光功率：研究表明，随着功率的提高，会引起光斑尺寸和切缝宽度增大以及等离子吸收增加，这导致切割过程效率降低。确定切割速度和切割厚度的主要参量是激光功率和材料性能。,光束特性2,2.光束模式：光束模式与它的聚焦能力有关。当功率较小时激光振荡模式为单模（TEM00），功率超过1.5kW时为多模。单模激

20、光通过透镜聚焦可以使割缝宽度只有0.10.25mm，切割面整洁。多模激光聚焦焦斑直径不可能很小，割缝宽度无论如何也超过0.8mm。此外，即使激光功率相同，焦斑直径也不一样，随之能量密度也不同，切割能力也就大不相同。,光束特性3,切割能力随振荡模式图：,光束特性4,4.聚焦光斑：聚焦透镜的焦长越短，光斑尺寸和焦深也越小。透镜焦长小，光束聚焦后功率密度高，但焦深受到限制，适用于薄件高速切割；长焦透镜的聚焦光斑功率密度较低，但其焦深大，可用来切割厚断面材料。透镜焦长、焦深与光斑大小的关系如下图所示：,光束特性5,5.光束偏振：所有用于切割的高功率激光器几乎都采用平面偏振，也就是发射光束内的电磁波都在

21、同一平面内振动。电磁波在垂直于工件的平面或表面内平面振动，对能量耦合效应的差别较小。在切割过程中，光束在切割面上不断反射，如果光束沿着切缝方向振动，光束的能量在最大程度上能够被材料吸收。光束偏振对切缝质量密切有关。在实际切割中发生的缝宽、切边粗糙和垂直度变化都与光束偏振有关。,光束特性5,偏振方向的重要性对某些材料，如大多数金属和陶瓷，在激光束的吸收程度上可体现出来。如图所示：,工件特性1,工件的材料特性是影响切割质量的又一重要因素。影响切割性能最重要的材料参量:材料对激光辐射的反射率（或吸收率）其次,热导率和热膨胀系数此外，材料密度、比热和气化潜热也有相当影响。,工件特性2,材料种类不同，其

22、物化性能也各异，从而对光束的表面反射率就有所不同。从理论上讲，材料对光束的反射率越低，切割速度越快。对不透明材料而言，吸收率=1反射率，它与材料表面形状、氧化状态、偏振面以及等离子耦合机制密切相关。同时，它也是时间和温度的函数，如图所示:,/（）,工件特性3,表面状态不同也显著地影响材料对光束的吸收。1.材料抛光处理前后反射率的变化 2.材料表面粗糙度对切割速度的影响,工件厚度,随着被切割材料厚度增加，在相同的切割速度下，所需激光功率增加。在同样激光输出功率下，切割速度也随板厚增加而相应降低。,金属材料切割1,用1kW激光切割各种金属材料时板厚与切割速度的关系:,mm,金属材料切割2,用功率5

23、00的激光从厚2.3mm的低碳钢板上以1.6m/min的速度割取的一个零件。,金属材料切割3,YAG激光也可以用于切割金属，并能够通过光纤传输进行切割。下图是用它切割低碳钢、铝、铜时，板厚和切割速度的关系。,mm,金属材料切割3,YAG激光切割的离合器环：,非导电材料切割,非导电材料是红外波长CO2激光束的良好吸收体。由于热导率小，热量的传导损失很小，气化点低，使它几乎能吸收全部入射光束能量，并很快使材料蒸发。非导电材料主要包括有机材料、无机材料和其它特种材料。,木材切割,激光切割木材有两种不同的机制：瞬间蒸发和燃烧。激光切割木材取决于切割时激光功率密度值的大小。瞬间蒸发是木材切割较理想的切割

24、机制。木材在聚焦激光束照射下蒸发除去，形成切缝，材料切割速度快，热量传输不到未切割基材，割面无炭化。木材切割速度随板厚的增加而急剧降低，其下降速度因材料不同而异。,塑料切割,激光作为强热源，利用其高能量密度汽化胶合剂，很快地破坏聚合体材料的聚合链，而顺利实施对材料的切割。,石英切割,石英热膨胀系数较低，对激光切割适应性好切边质量好，无裂纹，切面光滑，不需再进行辅助清理切割厚度可达10mm，切割速度比锯切加工高两个数量级，且工件不承受任何冲击力在卤素灯制造业已用激光切割代替金刚石锯切,陶瓷切割,陶瓷材料导热性差，几乎没有塑性，采用一般加工非常困难，激光加工却能解决这一问题。激光加工陶瓷为可控导向

25、断裂。当激光束顺着预定的切割方向加热时，在光点周围很小区域引起定向的加热梯度和随之生成的高机械应力。这种高应力使陶瓷这类脆性材料形成小裂缝。只要工艺参数选择并控制恰当，裂缝将严格沿着光束移动方向不断形成，从而把材料切断。如切割微电子装置用刚玉材料，用250W功率的激光束就能准确地在指定部位切出要求尺寸，切割后无质点撕裂，也无需后续处理。,The end,第三节 电子束加工技术,电子束加工是指利用高能电子束流轰击材料，使其产生热效应或辐照化学和物理效应，以达到预定的工艺目的。电子束加工根据其所产生的效应可分为电子束热加工和电子束非热加工两类。,电子束热加工原理图,利用电子束热效应的加工方法，称之

26、为电子束热加工,电子束非热加工原理图,电子束非热加工是基于电子束的非热效应，利用功率密度比较低的电子束和电子胶（又称电子抗蚀剂，由高分子材料组成）相互作用，产生的辐射化学或物理效应,电子束光刻系统,采用高亮度和高稳定性的TFE电子枪出色的电子束偏转控制技术 采用场尺寸调制技术，电子束定位分辨率可达0.0012nm 采用轴对称图形书写技术，图形偏角分辨率可达0.01mrad,电子束焊接机结构图,电子束加工样品,电子束加工工艺及应用,电子束加工按其功率密度和能量注入时间的不同，可用于打孔、焊接、切割、热处理、蚀刻等多方面加工，但是生产中应用较多的是打孔、焊接、曝光、蚀刻等。,电子束打孔1,无论工件

27、是何种材料，如金属、陶瓷、金刚石、塑料以及半导体材料都可以用电子束加工工艺加工出小孔和窄缝。电子束加工不受材料硬度限制，不需要容易磨损的加工工具。目前，电子束打孔的最小孔径已达1m。当孔径在0.50.9mm时，其最大孔深已超过10mm，孔的深径比15:1。将工件置于磁场中，适当控制磁场的变化使束流偏移，即可用电子束加工出斜孔，倾角在3590之间，甚至可以用电子束加工出螺旋孔。,电子束打孔2,电子束打孔的速度高，生产率高，这也是电子束打孔的一个重要特点。通常每秒可加工几十至几万个孔。例如，板厚0.1mm、孔径0.1mm时，每个孔的加工时间只有15s。利用电子束打孔速度快的特点，可以实现在薄板零件

28、上快速加工高密度的孔。电子束打孔在航空工业、电子工业、化纤工业及制革工业中得到应用。下面列举一些应用实例：,实例1喷气发动机燃烧室罩打孔,零件材料为CrNiCoMoW钢，厚度1.1mm，共有3478个直径为0.81mm的圆通孔分布于外侧球面上，孔径公差为0.03mm，所有孔轴与零件底面垂直。用带有计算机控制的K12-Q11P型电子束打孔机加工。零件置于真空室，真空度为2Pa，安装于夹具上作连续转动。加工时以200ms的单脉冲方式工作，脉冲频率为1Hz。,实例2化纤喷丝头打孔,要求：零件材料为钴基耐热合金，厚度为4.36.3mm，需要加工出11766个直径为0.81mm的圆形通孔，其公差为0.0

29、3mm。步骤：用脉宽为16ms的单脉冲方波，脉冲频率为5Hz。零件置于真空室的夹具上，工件连续转动，打孔过程中电子束随工件同步偏转，每打一个孔，电子束跳回原位。加工一件只需要40分钟，而用电火花加工则需30小时，用激光加工也要3小时才能完成，而且公差要优于激光加工，且无喇叭口。,实例3人造革气孔打孔,人造革打透气孔示意图（1电子束；2人造革；3转台）,实例4其它孔加工方法,用电子束还可加工航空油过滤器金属过滤网（如图所示）涡轮叶片气膜冷却孔、宝石轴承孔、拉丝模孔等等。利用电子束通过磁场发生偏转的原理还可以加工出弯曲孔和斜孔。总之，由于有众多的独特优点，电子束打孔在多种精度要求过高的工业领域中得

30、到了广泛应用。,金属过滤网的电子束高速打孔,电子束焊接特点,焊缝深宽比高焊接速度高工件热变形小焊缝物理性能好工艺适应性强，能进行变截面焊接，也能实现狭缝厚材料深焊，甚至可以实现异种材料的焊接因此具有广泛的应用，特别是在航空航天工业中得到了大量应用。,电子束焊接航空航天应用1,在发动机部件、航空航天器结构件的制造中，为了应用最新材料和省时省料，一般采用先分块加工然后利用电子束拼焊。如批量制造发动机压气机轮盘时，采用分体制造轮毂和轮缘，将轮缘分为8段（由8个小锻件加工成扇形），再用电子束将其余轮毂组合拼焊成压气机轮盘。为省去发动机转子联接螺栓及安装边，减轻转子重量，简化转子结构，增加刚性，可采用电

31、子束焊接将转子盘鼓拼焊为整体，从而提高了发动机工作的可靠性。,电子束焊接航空航天应用1（续）,左和右图所示为某发动机压气机转子焊接后整体结构示意图：,电子束焊接航空航天应用2,航空发动机某些部件（如高压涡轮机匣，高压承力轴承等）可通过异种材料的组合，使发动机高速运转，利用材料线膨胀系数不同，实现主动间隙配合，从而达到提高发动机性能，增加发动机推重比，节省材料，延长寿命等目的。如将GH4169和GH907两种高温合金零件焊在一体，采用适当工艺参数和工艺措施，以满足异种材料拼焊。,电子束焊接航空航天应用3,可变后掠翼飞机的中翼盒长达6.7m，壁厚12.757mm，可以用钛合金小零件以电子束焊接制成

32、，共70道焊缝。仅此项工艺，便可减少飞机重量270kg。大型涡轮风扇发动机钛合金机匣，壁厚1.869.8mm，外径2.4m，是发动机中最大，加工最复杂，成本最高的部件。采用电子束焊接后，节约了材料和工时，成本可下降40%。,电子束焊接航空航天应用4,登月舱铍合金框架和制动引擎中的64处零部件都采用了电子束焊接。研究证明，在宇宙空间用电子束焊接是极有效的。宇宙空间满足了电子束焊所需要的真空环境，而且电子束的能量转换效率最高，可以在宇宙飞行中进行特种材料焊接，使用的电子束焊接设备包括电源、控制系统和手握式电子枪，全重仅28kg。,电子束焊接工业应用,电子束焊接还常用于传感器以及电气元件的连接和封装

33、，尤其一些耐压，耐腐蚀的小型器件在特殊环境工作时，电子束焊接有其很大优越性。随着大功率的电子束焊机的发展，电子束焊接工艺已进入重工业领域，在厚壁压力容器、造船工业等都有良好的应用前景。,电子束焊接的实例图片,电子束深缝焊接实例,电子束曝光,在集成电路、微电子器件、集成光学器件、表面声波器件以及微机电系统（MEMS）等元器件的图形制作技术中，通常需要用电子束曝光处理，作为刻蚀前置工序。实际过程是用电子束辐照涂覆在衬底材料（可以是硅片、石英、陶瓷、玻璃等）上的一层厚度均匀的辐射敏感聚合物薄膜（亦称电子抗蚀剂或电子胶），使电子和电子胶相互作用，电能转变为化学能以实现曝光的一种方法。,微细加工技术原理

34、图,1工件；2曝光胶；3辐射线；4掩膜,电子束曝光分类,电子束曝光一般分为两类，扫描电子束曝光（又称电子束线曝光）和投影电子束曝光（又称电子束面曝光）。由于微型电子器件的图形精细、复杂，且基片面积大，要求电子束精细聚焦，并能自由移动，精确地扫描达到规定的位置上，即扫描曝光。在工业应用中，我国用投影电子束曝光机制成的高频器件的最细线宽为2.5m，间隔为2.5m；表面声波器件的最细线宽为2m，间隔为2m。国外已做出最小线条为1m的器件，即在石榴石上制成的8位移位寄存器。,电子束加工其它应用,电子束表面改性处理电子束熔炼电子束铣切电子束镀膜等方法也都得到了工业应用。,电子束熔炼,电子束熔炼是用电子束

35、轰击金属锭，使其重熔，然后在坩埚中凝固结晶。可以熔炼钨、钽、铌等难熔金属材料，得到高纯度的金属锭。,电子束铣切,电子束铣切是利用电子束热加工原理，对工件进行铣切的一种方法。用扫描电子束或程控脉冲电子束可在金属、玻璃、石墨和塑料等材料上直接加工出沟槽、型孔、窄缝等；还可以用电子束局部蒸发的方法，在镀于基片表面的薄膜（厚度为10100nm）上铣切出薄膜图形，用此可以制造薄膜电阻网络。制造一个含有30个电阻网络的薄膜电阻，包括辅助时间在内，总加工时间为30s。尽管电子束铣切有加工精度高，速度快和无需刀具等优点，但设备复杂、加工成本高，只宜用于其它方法难以加工的特殊情况。,电子束镀膜,电子束镀膜是用电

36、子束作为热源，轰击放在水冷坩埚中的蒸发材料，使其受热蒸发而沉积在基片上得到所需膜层。适合于蒸发难熔材料，如钨、钼、氧化钇、氧化锆等。用于光学镜片镀氧化锆和氧化钍膜；薄膜电路中铼膜电阻器和氟化铜薄膜电容器等。,电子束加工时注意事项,在电子束加工中，必须注意X射线辐射对人体的危害。当电子束撞击到金属、气体或金属蒸汽时，会产生X射线，伤害人体细胞。因此需要配置足够厚的钢壁或外壁包铅以防止射线外溢。,The end,第四节 离子束加工技术,离子束加工是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦，使之具有高的动能能量，轰击工件表面，利用离子的微观机械撞击实现对材料的加工。离子束加工的物理基础是离子束

37、射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应。,离子碰撞过程解释,离子碰撞过程,离子束加工原理图,离子束溅射镀膜设备,主要功能：镀制多层膜反射镜,离子束加工工艺及应用,离子束加工的应用范围正在日益扩大，不断创新。目前用于改变零件尺寸和表面物理力学性能的离子束加工工艺主要有用于从工件上作去除加工的离子刻蚀加工、用于给工件表面添加的溅射镀膜和离子镀膜加工以及用于表面改性的离子注入加工,离子束加工工艺示意图,刻蚀加工,离子束刻蚀是从工件上去除材料，是一个撞击溅射过程。当离子束轰击工件，入射离子与靶原子碰撞时将动能传递给靶原子，使其获得的能量超过原子的结合能，导致靶原子发生溅射，从工件表面溅射出

38、来，以达到刻蚀的目的。刻蚀加工时，对离子入射能量、束流大小、离子入射角度以及工作室压力都需要根据不同的加工需求进行调整。离子束刻蚀可以在高精度加工、表面抛光、石英晶体谐振器制作等方面得到应用。,刻蚀加工应用1,1.高精度加工离子束刻蚀可达到很高的分辨率，适合刻蚀精细图形。离子束加工小孔的优点是孔壁光滑，邻近区域不产生应力和损伤，能加工出任意形状的小孔，且孔形状只取决于掩模的孔形。下图是加工成形的毛细管：,刻蚀加工应用1（续）,加工线宽为纳米级的窄槽是超精微加工的需要。如某零件要求在10nm的碳膜上，用电子束蒸镀10nm的金铝（60/40）膜。1.首先将样品置于真空系统中，其表面自然形成一种污染

39、抗蚀剂掩模，用电子束曝光显影后形成线宽为8nm的图形，2.然后用氩离子束刻蚀，离子束流密度为 0.1mA/cm，离子能量是1keV；另一种是在20nm厚的金钯膜上刻出线宽为8nm的图形、深宽比提高到2.5:10。由此可见离子束加工可达到很高的精度。,刻蚀加工应用2,2.表面抛光离子束能完成机械加工中的最后一道工序精抛光，以消除机械加工所产生的刻痕和表面应力。加工时只要严格选择溅射参数（入射离子能量、离子质量、离子入射角、样品表面温度等），光学零件就可以获得极佳的表面质量，且散射光极小。离子束抛光激光棒和光学元件的表面，表面可以达到极高的均匀和一致性，而且元件本身在工艺过程中也不会被污染。,刻蚀

40、加工应用3,3.石英晶体谐振器制作石英晶体的谐振频率与其厚度有关。用机械研磨和抛光致薄的晶体，可制作低频器件，但频率超过20MHz时，上述工艺已不适用，因为极薄的晶片已不能承受机械应力。采用离子束抛光，可以不受此限制。石英晶体谐振器的金属引线要求重量轻、低电阻，通常用铝沉积在晶体表面沟槽中，以高电导率铝作引线电极。用离子束溅射加工晶体上的沟槽是最有效的方法。,溅射镀膜加工,溅射镀膜是基于离子轰击靶材时的溅射效应。离子束在电场或磁场的加速下飞向阴极靶材，阴极表面靶原子溅射至靶材附近的工件表面，形成镀膜。溅射镀膜有三种溅射技术：直流二级溅射、三级溅射和磁控溅射，其区别在于放电方式有所不同。自20世

41、纪70年代磁控溅射技术的出现，使溅射镀膜进入了工业应用，在镀膜的工艺领域中占有极为重要的地位。,应用1硬质膜磁控溅射,在高速钢刀具上用磁控溅射镀氮化钛（TiN）超硬膜，大大提高刀具的寿命，可以在工业生产中应用。氮化钛可以采用直流溅射，但在工业生产中更为经济的是采用反应溅射。举例：工件经过超声清洗之后，再经过射频溅射清洗（功率为1kW，时间约2min）。镀膜时溅射电压为330375V，电流密度稳定在44mA/cm2，工件与靶面的距离为4.75cm，工件加220V的负偏压，通入真空室的氩流量lPam3/S，氮流量为0.020.06Pam3/s。氮流量在0.03Pam3/s以下时，氮气可以全部与溅射

42、到工件上的钛原子发生化学反应而耗尽，镀膜速率为300nm/min。随着氮化钛中氮含量增加，镀膜色泽由金属光泽变为金黄色，可以用作仿金装饰镀层。,应用2固体润滑膜的镀制,在齿轮的齿面上和轴承上溅射控制二硫化钼润滑膜，其厚度为0.20.6m，摩擦系数为0.04。溅射时，采用直流溅射或射频溅射，靶材是用二硫化钼粉末压制成形。为保证得到晶态薄膜（此种状态下，有润滑作用），必须严格控制工艺参数。如用射频溅射二硫化钼的工艺参数为：电压2.5kV，真空度为l Pa，镀膜速率为30nm/min。为了避免得到非晶态薄膜，基片温度应适当高一些，但不能超过200。,应用3欧姆接触层的镀制,磁控溅射镀铝或铝合金可用于

43、制备大规模集成电路的欧姆接触层。所适用的合金有Al-Si（1.2%）、A1-Cu（4%）和A1-Si（l%）等。溅射时，要求靶材纯度高，并严格控制氢、氯等杂质气体含量。,应用4薄壁零件的镀制,例如某零件是直径为15毫米的管件，壁厚为63.5m，材料为10元合金，成分为：Fe-Ni（42%）、Cr（5.4%）、Ti（2.4%）、AL（0.65%）、Si（0.5%）、Mn（0.4%）、Cu（0.05%）、C（0.02%）、S（0.008%）。先用铝棒车成芯轴，而后镀膜。镀膜后，用氢氧化钠的水溶液将铝芯全部溶蚀，即可取下零件。或用不锈钢芯轴表面加以氧化膜，溅射镀膜后，用喷丸方法或者液氮冷却方法使之与

44、芯轴脱离。溅射镀制的薄壁管，其壁厚偏差小于1%（圆周方向）和2%（轴向），远低于一般4%的偏差要求。,离子镀加工,离子镀是在真空蒸镀和溅射镀膜的基础上发展起来的一种镀膜技术。从广义上讲，离子镀这种真空镀膜技术是膜层在沉积的同时又受到高能粒子束的轰击；离子镀能利用辉光放电所产生的高能粒子流对基片表面溅射清洗，并将洁净的基片表面保留到全过程；离子镀比真空蒸镀的绕射性好；离子镀过程中的带能粒子，不仅使膜层附着良好、分布均匀，并且使其质地致密，针孔少；,应用1耐磨功能膜,为提高刀具、模具或机械零件的使用寿命，可采用离子镀工艺镀上一层耐磨材料，如铬、钨、锆、钽、钛、铝、硅、硼等的氧化物、氮化物或碳化物，

45、或多层膜如Ti+TiC。实验表明，烧结碳化物刀具镀上TiC或TiN后，可提高刀具寿命210倍。高速钢刀具镀上TiC膜后，使用寿命提高38倍。不锈钢镀上TiC膜后，耐磨性为硬铬层的734倍。,应用2润滑功能膜,固体润滑膜有很多液体润滑无可比拟的优点，但用浸、喷、刷涂方法成膜，所得膜层不均匀，附着力差。用离子镀方法可以得到良好的附着润滑膜。国外的一些航空工厂已在喷气发动机的轮毂，涡轮轴支承面和直升飞机旋翼轴的转动部件上，用离子镀成功地镀制了铬或银等固体润滑膜，既实现了无油润滑，又能防止腐蚀。,应用3抗蚀功能膜,离子镀所镀覆的抗蚀膜致密、均匀、附着良好。英国道格拉斯公司对螺栓和螺帽用离子刷镀上28m

46、厚的铝膜，能经受2100h的的盐雾试验。在与钛合金零件相连接的钢制品上，采用镀铝代替镀镉后，可避免钛合金零件产生的镉脆现象。在原子能工业中，反应装置中的浓缩铀芯的保护层，以离子镀铝层代替电镀镍层，可防止高温下剥离。,应用4耐热功能膜,离子镀可以得到优质的耐热膜，如钨、钼、钽、铌、铁、氧化铝等。用纯离子源离子镀在不锈钢表面镀上一层Al2O3，可提高基体在980介质中抗热循环和抗蚀能力。在适当的基体上镀一层ADT-1合金（35%41%铬，10%12%铝、0.25%钇和少量镍），有良好的抗高温氧化和抗蚀性能，比氧化铝膜的寿命延长13倍，是钴、铬、铝、钇镀层寿命的l3倍。这种膜可用作航空涡轮叶片型面、

47、榫头和叶冠等部位的保护层。,应用5装饰功能膜,由于离子镀所得到的TiC、TaN、TaC、ZrN、VN等膜层都具有与黄金相似的色泽，加上良好的耐磨性和耐蚀性，人们常将其作为装饰层。手表带、表壳、装饰品、餐具等金黄色镀膜装饰已进入市场。,离子注入加工,离子注入加工既不从加工表面去除基体材料，也不在表面以外添加镀层，仅仅通过改变基体表面层的成份和组织结构，从而造成表面性能变化，以达到材料的使用要求。离子注入是在110-4Pa的高真空室中进行的。离子注入加工向工件表面直接注入离子，它不受热力学限制，不受合金系统平衡相图中固溶度的限制，含量可达10%40%，注入深度可达1m。,应用 1半导体,目前离子束

48、加工在半导体方面的应用主要是离子注入，而且主要是在硅片中应用，用以取代热扩散进行掺杂。硅器件方面的应用：,应用2化合物半导体,目前已用离子注入来制造发光器件，可以提高发光效率，例如可用来制造红外探测器。在光电集成电路中用注入H+或O2-形成高阻层来做电学和光学的隔离。,应用3抗水溶液腐蚀,表面合金的抗蚀性比同成分的合金更好一些，所以向铁中注入铬、镍、铝等可以提高其抗蚀性，向奥氏体不锈钢中注入氩离子可增加其氧化膜的厚度。,应用4抗高温氧化,向钛合金中注入Ca2+、Ba2+可以提高其表面的抗氧化性能，向含铬的铁基和镍基合金中注入钇离子或稀土元素离子，可提高其表面的抗高温氧化性能。另外，在低温下向钯中注入氢和氘离子，可提高超导转变温度，改善薄膜的超导特性。向工具钢、高速钢和硬质合金中注入氮、碳、硼、钼以及锡离子，可提高材料的耐磨性等力学性能。,The end,