先进制造技术3-268

3.2特种加工技术3.2.1概述

特种加工技术是指区别于传统切削加工方法，利用化学、物理（电、声、光、热、磁）或电化学方法对工件材料进行加工的一系列加工方法的总称。这些加工方法包括：化学加工（CHM）、电化学加工（ECM）、电化学机械加工（ECMM）、电火花加工（EDM）、电接触加工（RHM）、超声波加工（USM）、激光加工（LBM）、离子束加工（IBM）、电子束加工（EBM）、等离子体加工（PAM）、电液加工（EHM）、磨料流加工（AFM）、磨料喷射加工（AJM）、液体喷射加工（HDM）及各类复合加工等。

3.2特特种种加工技技术3.2..1概概述特种加工工的特点点：1）不用用机械能能，与加加工对象象的机械械性能无无关，有有些加工工方法，，如激光光加工、、电火花花加工、、等离子子弧加工工、电化化学加工工等，是是利用热热能、化化学能、、电化学学能等，，这些加加工方法法与工件件的硬度度强度等等机械性性能无关关，故可可加工各各种硬、、软、脆脆、热敏敏、耐腐腐蚀、高高熔点、、高强度度、特殊殊性能的的金属和和非金属属材料。。

3.2特特种种加工技技术3.2..1概概述特种加工工的特点点：2）非接接触加工工，不一一定需要要工具，，有的虽虽使用工工具，但但与工件件不接触触，因此此，工件件不承受受大的作作用力，，工具硬硬度可低低于工件件硬度，，故使刚刚性极低低元件及及弹性元元件得以以加工。。3）微细细加工，，工件表表面质量量高，有有些特种种加工，，如超声声、电化化学、水水喷射、、磨料流流等，加加工余量量都是微微细进行行，故不不仅可加加工尺寸寸微小的的孔或狭狭缝，还还能获得得高精度度、极低低粗糙度度的加工工表面。。

3.2特特种种加工技技术3.2..1概概述特种加工工的特点点：4）不存存在加工工中的机机械应变变或大面面积的热热应变，，可获得得较低的的表面粗粗糙度，，其热应应力、残残余应力力、冷作作硬化等等均比较较小，尺尺寸稳定定性好。。5）两种种或两种种以上的的不同类类型的能能量可相相互组合合形成新新的复合合加工，，其综合合加工效效果明显显，且便便于推广广使用。。6）特种种加工对对简化加加工工艺艺、变革革新产品品的设计计及零件件结构工工艺性等等产生积积极的影影响。

3.2特特种种加工技技术3.2..1概概述目前常用用特种加加工方法法的性能能与适用用范围见见下表。。加工方法可加工材料尺寸精度/mm（平均/最高）表面粗糙度Ra/μm（平均/最高）主要适用范围电火花加工任何导电的金属材料，如硬质合金、不锈钢、淬火钢、钛合金0.03/0.00310/0.04从数微米的孔、槽到数米的超大型模具、工件等，如圆孔、方孔、异形孔、微孔、弯孔、深孔及各种模具；还可以刻字、表面强化、涂覆加工电火花线切割加工0.02/0.0025/0.32切割各种模具及零件，各种样板等；也常用于钼、钨、半导体材料或贵重金属的切割电解加工0.1/0.011.25/0.16从细小零件到上吨重的超大型工件及模具，如仪表微型轴、蜗轮叶片、炮管膛线等电解磨削0.02/0.0011.25/0.04硬质合金等难加工材料的磨削以及超精光整研磨、珩磨超声波加工任何脆性材料0.03/0.0050.63/0.16加工、切割脆硬材料，如玻璃、石英、宝石、金刚石、半导体等激光加工任何材料0.01/0.00110/1.25精密加工小孔、窄缝及成形加工、蚀刻；还可焊接、热处理电子束加工0.01/0.00110/1.25在各种难加工材料上打微孔、切缝、蚀刻、焊接等，常用于中、大规模集成电路微电子器件离子束加工/0.01/0.01对零件表面进行超精密加工、超微量加工、抛光、蚀刻、镀覆等

3.2特特种种加工技技术3.2..2激激光加加工3.2..2.1激激光加工工的主要要特点激光也是是一种光光，其除除了具有有光的一一般物性性（如反反射、折折射、绕绕射及干干涉等））外，还还具有四四大特点点：高亮亮度、高高方向性性、高单单色性和和高相干干性，这这四大优优异特性性是普通通光源望望尘莫及及的。因因此，就就给激光光加工带带来了如如下一些些其它方方法所不不具备的的可贵特特点：

3.2特特种种加工技技术3.2..2激激光加加工3.2..2.1激激光加工工的主要要特点（1）加加工方法法多、适适应性强强。在同同一台设设备上可可完成切切割、焊焊接、表表面处理理、打孔孔等多种种加工；；即可分分步加工工，又可可在几个个工位同同时进行行加工。。可加工工各种材材料，包包括高硬硬度、高高熔点、、高强度度及脆性性、柔性性材料。。即可在在大气中中，也可可在真空空中进行行加工。。（2）加加工精度度，高质质量好。。由于高高能量密密度和非非接触式式加工，，以及作作用时间间短，即即能量注注入速率率高。工工件热变变形小，，且无机机械变形形，对精精密小零零件的加加工非常常有利。。

3）加工工效率高高，经济济效益好好。在某某些情况况下，用用激光切切割可提提高效率率8~10倍；；用激光光进行深深溶焊接接的生产产效率比比传统方方式提高高30倍倍。用激激光微调调薄膜电电阻，提提高工效效1000倍，，提高精精度1~~2个量量级。用用激光强强化电镀镀，其金金属沉积积率可提提高1000倍倍。金刚刚石拉丝丝模用机机械方法法打孔需需要24h，用用YAG激器打打孔，只只需2s,提高高工效43200倍。。与其它它打孔方方法相比比，激光光打孔的的费用节节省25%~75%，，间接加加工费用用节省50%~~75%%。与其其它切割割方法相相比，激激光切割割钢材降降低费用用70%%~90%。（4）节节约能源源与材料料，无公公害与污污染。激激光束的的能量利利用率为为常规热热加工工工艺的10~1000倍。激激光切割割可节省省15%%~30%。激激光束不不产生像像电子束束那样的的射线，，无加工工污染。。

3.2特特种种加工技技术3.2..2激激光加加工3.2..2.1激激光加工工的主要要特点（5）加加工用的的是激光光束，无无“刀具具”磨损损及切削削力影响响的问题题。激光光加工技技术是利利用激光光束与物物质相互互作用的的特性对对材料（（包括金金属与非非金属））进行及及微加工工等的加加工技术术。激光光加工技技术是涉涉及到光光、机、、电、材材料及检检测等多多门学科科的一门门综合技技术，它它的研究究范围一一般可分分为：激激光加工工系统。。包括激激光器、、导光系系统、加加工机床床、控制制系统及及检测系系统；激激光加工工工艺。。包括切切割、焊焊接、表表面处理理、打孔孔、打标标、划线线、微调调等各种种加工工工艺。

3.2特特种种加工技技术3.2..2激激光加加工3.2..2.2现现状及国国内外发发展趋势势（1）目目前激光光加工技技术研究究开发的的重点可可归纳纳为：①①新一代代工业激激光器研研究，目目前处在在技术上上的更新新时期，，其标志志是二极极管泵浦浦全固态态激光器器的发展展及应用用；②精精细激光光加工，，在激光光加工应应用统计计中微细细加工1996年只占占6％，，1997年翻翻了一倍倍达12％，1998年已增增加到19％；；③加工工系统智智能化，，系统集集成不仅仅是加工工本身，，而是带带有实时时检测、、反馈处处理，随随着专家家系统的的建立，，加工系系统智能能化已成成为必然然的发展展趋势。。3.2特特种种加工技技术3.2..2激激光加加工3.2..2.2现现状及国国内外发发展趋势势激光技术术在我国国经过30多年年的发展展，取得得了上千千项科技技成果，，许多已已用于生生产实践践，激光光加工设设备产量量平均每每年以20％的的速度增增长，为为传统产产业的技技术改造造、提高高产品质质量解决决了许多多问题，，如激光光毛化纤纤技术正正在宝钢钢、本钢钢等大型型钢厂推推广，将将改变我我国汽车车覆盖件件的钢板板完全依依赖进口口的状态态，激光光标记机机与激光光焊接机机的质量量、功能能、价格格符合国国内目前前市场的的需求，，市场占占有率达达90％％以上。。

3.2特特种种加工技技术3.2..2激激光加加工3.2..2.2现现状及国国内外发发展趋势势（2）存存在的主主要问题题科科研成成果转化化为商品品的能力力差，许许多有市市场前景景的成果果停留在在实验室室的样机机阶段；；激光加加工系统统的核心心部件激激光器的的品种少少、技术术落后、、可靠性性差；对对加工技技术的研研究少，，尤其对对精细加加工技术术的研究究更为薄薄弱，对对紫外波波激光进进行加工工的研究究进行的的极少。。激光加加工设备备的可靠靠性、安安全性、、可维修修性、配配套性较较差，难难以满足足工业生生产的需需要。

3.2特特种种加工技技术3.2..2激激光加加工3.2..2.3激激光加工工的基本本原理（1）激激光物物质由由原子等等微观粒粒子组成成，而原原子由一一个带正正电荷的的原子核核和若干干个带负负电荷的的电子组组成。原原子核所所带的正正电荷与与各电子子所带的的负电荷荷之和在在数量上上是相等等的。各各个电子子围绕原原子核作作轨迹运运动。电电子的每每一种运运动状态态对应着着原子的的一个内内部能量量值，原原子的内内能值一一般是不不连续的的，称为为原子的的能级。。原子的的最低能能级称为为基态，，能量比比基态高高的能级级均称为为激发态态。光和和物质的的相互作作用可归归纳为光光和原子子的相互互作用，，这些作作用会引引起原子子所处能能级状态态的变化化。其过过程有以以下三种种主要情情况：光光的自发发发射、、光的受受激吸收收和光的的受激发发射。

3.2特特种种加工技技术3.2..2激激光加加工3.2..2.3激激光加工工的基本本原理光的自发发发射和和受激发发射都是是原子从从高能级级跃迁到到低能级级而发射射光子，，但它们们有很大大差别。。自发发发射的光光子射向向四面八八方，各各光子之之间的位位相、偏偏振方向向都是独独立的，，没有联联系。普普通光源源的发射射都是自自发发射射。受激激发射的的光子与与外来光光子不但但具有完完全相同同的发射射方向和和频率，，而且位位相和偏偏振态也也完全相相同。这这样受激激发射过过程就起起到了增增强入射射光强度度的作用用。激光光正是利利用了受受激发射射的这一一特性，，实现了了光放大大的目的的，也就就是说，，激光就就是由于于受激发发射而放放大的光光。激光光和普通通光在本本质上都都是一种种电磁波波，但因因其产生生方法与与普通光光不同，，因而与与普通光光相比，，具有方方向性强强（几乎乎是一束束平行准准直的光光束）、、单色性性好（光光的频率率单一））、亮度度非常高高（比太太阳表面面的亮度度还高1010倍）、、能量高高度集中中、相干干性好及及闪光时时间可以以极短等等特点。。3.8..1激光加工工激光加工工原理激光是一一种受激激辐射产产生的加加强光，，当激光光照射到到工件表表面，光光能被工工件迅速速吸收并并转化为为热能，，工件在在光热效效应下产产生的高高温熔融融和冲击击波的综综合作用用达到加加工的目目的。固体激光光器结构构示意图图

3.2特特种种加工技技术3.2..2激激光加加工3.2..2.3激激光加工工的基本本原理（2）激激光器光光和和物质体体系相互互作用时时，总是是同时存存在着自自发发射射、受激激吸收和和受激发发射三个个过程。。在正常常情况下下，物质质体系中中处于低低能级的的原子数数总比处处于高能能级的原原子数多多，这样样，吸收收过程总总是胜过过受激过过程。要要使受激激发射过过程胜过过吸收过过程，实实现光放放大，就就必须以以外界激激励来破破坏原来来粒子数数分布，，使处于于低能级级的粒子子吸收外外界能量量跃迁到到高能级级，实现现粒子数数的反转转，即使使高能级级上的原原子数多多于低能能级上的的原子数数，这个个过程称称为激励励。激励励过程是是所有激激光器工工作的基基础和核核心。

3.2特特种种加工技技术3.2..2激激光加加工3.2..2.3激激光加工工的基本本原理激光器一一般有三三个基本本组成部部分，下下图为红红宝石激激光器结结构示意意图。1、11-冷却却水人口口2-工作作物质3、、9-冷冷却水出出口4-部部分反射射镜5-透透镜6-工工件7-激光光束8-聚聚光器10-氙灯灯12-玻玻璃套管管13-电电源（含含电容组组和触发发器）14-全反反射镜1、11-冷却却水人口口2-工作作物质3、、9-冷冷却水出出口4-部部分反射射镜5-透透镜6-工工件7-激光光束8-聚聚光器10-氙灯灯12-玻玻璃套管管13-电电源（含含电容组组和触发发器）14-全反反射镜

3.2特特种种加工技技术3.2..2激激光加加工3.2..2.3激激光加工工的基本本原理激光器工工作时，，从电源源的脉冲冲氙灯发发出的光光经椭圆圆柱内表表面反射射后聚到到晶体棒棒上，工工作物质质受到激激励能源源的作用用后，接接收了外外界能量量，许多多原子从从基态跃跃迁到激激发态，，但它们们很快会会回到基基态。在在这个过过程中有有一个中中间激发发态存在在，即原原子先跃跃迁到这这一状态态，然后后跃迁回回基态。。原子在在中间状状态停留留的时间间比在激激发态要要长得多多，因此此又称这这一状态态为亚稳稳态。亚亚稳态的的存在，，使得处处于这一一状态的的原子数数有可能能比处于于基态的的多。原原子从亚亚稳态跃跃迁回基基态时自自发发射射光子，，这些光光子射向向四面八八方，其其大部分分光子很很快逸出出谐振腔腔，只有有方向沿沿工作物物质轴向向的光子子因受到到两块反反射镜的的作用而而来回反反射，并并且感应应出其他他处于亚亚稳态的的原子受受激发射射。因为为激励能能源的作作用，工工作物质质已经实实现了粒粒子数反反转，所所有受激激发射过过程使光光波得到到放大，，放大的的光波与与起始的的光波具具有完全全相同的的性质。。当放大大到一定定程度，，腔内光光波的放放大与损损耗保持持平衡，，形成稳稳定的振振荡状态态，这时时强大的的光波就就从谐振振腔的部部分反射射镜一端端透射出出来，这这便是激激光。

3.2特特种种加工技技术3.2..2激激光加加工3.2..2.3激激光加工工的基本本原理自从1960年年制成第第一台激激光器以以来，激激光器发发展到今今天已不不下数百百种，如如按工作作物质可可分为固固体、气气体、液液体、半半导体、、化学激激光器等等；按工工作方式式可分为为连续、、脉冲、、突变、、超短脉脉冲激光光器等等等。激光光加工常常用固体体激光器器。表3-2是是按工作作物质分分类的情情况。

3.2特特种种加工技技术3.2..2激激光加加工3.2..2.3激激光加工工的基本本原理激光器固体激光器气体激光器液体激光器化学激光器半导体激光器优点功率大，体积小，使用方便单色性、相干性、频率稳定性好，操作方便，波长丰富价格低廉，设备简单，输出波长连续可调体积小，重量轻，效率高，结构简单紧凑不需外加激励源，适合于野外使用缺点相干性和频率稳定性不够，能量转换效率低输出功率低激光特性易受环境温度影响，进入稳定工作状态时间长输出功率较低，发散角较大目前功率较低，但有希望获得巨大功率应用范围工业加工、雷达、测距、制导、医疗、光谱分析、通信与科研等应用最广泛，几乎遍及各行各业医疗、农业和各种科学研究通信、测距、信息存储与处理等测距、军事、科研等常用类型红宝石激光器氦氖激光器染料激光器砷化镓激光器氟氢激光器

3.2特特种种加工技技术3.2..2激激光加加工3.2..2.3激激光加工工的基本本原理（3）激激光加工工的基本本原理激光加工工就是利利用激光光器发射射出来的的具有高高方向性性和高亮亮度的激激光，通通过光学学系统把把激光束束聚焦成成一个极极小的光光斑（直直径仅有有几微米米或几十十微米）），使光光斑处获获得极高高的能量量密度（（107～1011W/cm2），达到到上万摄摄氏度的的高温，，从而能能在很短短的时间间内使各各种物质质熔化和和汽化，，达到蚀蚀除工件件材料的的目的。。

3.2特特种种加工技技术3.2..2激激光加加工3.2..2.3激激光加工工的基本本原理激光加工工是一个个高温过过程，就就其机理理而言，，一般认认为，当当能量密密度极高高的激光光照射在在被加工工表面时时，光能能被加工工表面吸吸收并转转换成热热能，使使照射斑斑点的局局部区域域迅速熔熔化甚至至汽化蒸蒸发，并并形成小小凹坑，，同时也也开始了了热扩散散，结果果使斑点点周围金金属熔化化，随着着激光能能量的继继续吸收收，凹坑坑中金属属蒸气迅迅速膨胀胀，压力力突然增增加，熔熔融物被被爆炸性性地高速速喷射出出来。其其喷射所所产生的的反冲压压力又在在工件内内部形成成一个方方向性很很强的冲冲击波。。这样，，工件材材料就在在高温熔熔融和冲冲击波作作用下，，蚀除了了部分物物质，从从而打出出一个具具有一定定锥度的的小孔。。

3.2特特种种加工技技术3.2..2激激光加加工3.2..2.4激激光加工工的基本本规律尽管激光光是具有有高方向向性并近近似平行行光束，，但它们们仍具有有一定的的发散角角（约为为10-3rad）），这使使得激光光经聚焦焦物镜聚聚集在焦焦面上后后形成仍仍有一定定直径的的小斑点点，且在在小斑点点其能量量的分布布是不均均匀的，而而是按贝贝赛函数数分布（如如图所示示）。

3.2特特种种加工技技术3.2..2激激光加加工3.2..2.4激激光加工工的基本本规律在光斑中中心处光光强度I0最大，相相应能量量密度最最高，远远离中心心点的地地方就逐逐渐减弱弱。而激激光的波波长和焦焦距直接接影响光光斑面积积大小，，即影响响焦点中中心处最最大光强强。同时时，激光光加工是是一种热热加工，，加工过过程中有有热传导导损失，，因此，，增大激激光束的的功率也也是增大大焦点中中心强度度的主要要措施。。可见，，影响激激光加工工的因素素主要有有激光器器的输出出功率、、焦距和和焦点位位置、光光斑内能能量分布布及工件件吸光特特性等。。

3.2特特种种加工技技术3.2..2激激光加加工3.2..2.4激激光加工工的基本本规律激光的输输出功率率大、照照射时间间长时，，工件所所获得的的激光能能量也大大。但当当激光能能量一定定时，照照射时间间太长会会使热散散失增多多，时间间太短则则因功率率密度过过高而使使蚀除物物质以高高温气体体喷出，，这都会会降低能能量的使使用效率率，因此此激光照照射时间间一般为为几分之之一毫秒秒到几毫毫秒。

3.2特特种种加工技技术3.2..2激激光加加工3.2..2.4激激光加工工的基本本规律激光束发发散角越越小，聚聚焦物镜镜焦距越越短时，，在焦面面上可以以获得更更小的光光斑及更更高的功功率密度度。所以以加工时时，一般般尽可能能减小激激光束发发散角和和采用短短焦距（（20mm左右右）物镜镜，只有有在一些些特殊的的情况下下才选用用较长的的焦距。。同时，，焦点位位置对于于孔的形形状和深深度都有有很大影影响。

3.2特特种种加工技技术3.2..2激激光加加工3.2..2.4激激光加工工的基本本规律焦点位置置对孔剖剖面形状状的影响响如下图图所示

3.2特特种种加工技技术3.2..2激激光加加工3.2..2.4激激光加工工的基本本规律光斑内的的能量分分布状态态也是影影响激光光加工的的重要因因素。当当能量分分布以焦焦点为轴轴心越对对称（（如图a）时，，加工出出的孔效效果越好好；越不不对称，，效果越越差(图图b)。。光的强强度分布布与工作作物质的的光学均均匀性及及谐振腔腔调整精精度直接相相关。

3.2特特种种加工技技术3.2..2激激光加加工3.2..2.4激激光加工工的基本本规律用激光加加工时，，照射一一次的加加工深度度仅为孔孔径的五五倍左右右，而且且锥度较较大，因因此，常常用激光光多次照照射来扩扩大深度度和减小小锥度，，而孔径径几乎不不变。但但孔深并并不与照照射次数数成正比比，因孔孔加工到到一定深深度后，，由于孔孔内壁的的反射、、透射以以及激光光的散射射或吸收收、抛出出力减小小、排屑屑困难等等原因，，使孔的的前端能能量密度度不断减减小，加加工量逐逐渐减小小，以致致不能继继续打下下去。

3.2特特种种加工技技术3.2..2激激光加加工3.2..2.4激激光加工工的基本本规律激光加工工时其能能量不可可能全部部被吸收收，有相相当部分分将被反反射或透透射而散散失掉，，其吸收收效率与与工件材材料的吸吸收光谱谱及激光光波长有有关。生生产实际际中，应应由工件件材料的的吸收光光谱的性性能去合合理选择择激光器器。对于于高反射射率和透透射率的的工件应应在加工工前作适适当处理理，如打打毛或黑黑化，以以增大其其对激光光的吸收收效率。。

3.2特特种种加工技技术3.2..2激激光加加工3.2..2.5激激光加工工的应用用在激光加加工中利利用激光光能量高高度集中中的特点点，可以以打孔、、切割、、雕刻及及表面处处理。利利用激光光的单色色性还可可以进行行精密测测量。（1）激光打孔孔激光打孔孔是激光光加工中中应用最最早和应应用最广广泛的一一种加工工方法。。利用凸凸镜将激激光在工工件上聚聚焦，焦焦点处的的高温使使材料瞬瞬时熔化化、汽化化、蒸发发，好像像一个微微型爆炸炸。汽化化物质以以超音速速喷射出出来，它它的反冲冲击力在在工件内内部形成成一个向向后的冲冲击波，，在此作作用下将将孔打出出。激光光打孔速速度极快快，效率率极高。。如用激激光给手手表的红红宝石轴轴承打孔孔，每秒秒钟可加加工14～16个，合合格率达达99％％。目前前常用于于微细孔孔和超硬硬材料打打孔，如如柴油机机喷嘴、、金刚石石拉丝模模、化纤纤喷丝头头、卷烟烟机上用用的集流流管等。。

3.2特特种种加工技技术3.2..2激激光加加工3.2..2.5激激光加工工的应用用（2）激光切割割与激光打打孔原理理基本相相同，也也是将激激光能量量聚集到到很微小小的范围围内把工工件烧穿穿，但切切割时需需移动工工件或激激光束（（一般移移动工件件），沿沿切口连连续打一一排小孔孔即可把把工件割割开。激激光可以以切割金金属、陶陶瓷、半半导体、、布、纸纸、橡胶胶、木材材等，切切缝窄、、效率高高、操作作方便。。

3.2特特种种加工技技术3.2..2激激光加加工3.2..2.5激激光加工工的应用用（3）激激光焊接接激激光焊接接与激光光打孔原原理稍有有不同，，焊接时时不需要要那么高高的能量量密度使使工件材材料汽化化蚀除，，而只要要将工件件的加工工区烧熔熔，使其其粘合在在一起。。因此所所需能量量密度较较低，可可用小功功率激光光器。与与其他焊焊接相比比，具有有焊接时时间短、、效率高高、无喷喷渣、被被焊材料料不易氧氧化、热热影响区区小等特特点。不不仅能焊焊接同种种材料，，而且可可以焊接接不同种种类的材材料，甚甚至可以以焊接金金属与非非金属材材料。

3.2特特种种加工技技术3.2..2激激光加加工3.2..2.5激激光加工工的应用用（4）激光的表表面热处处理利用激光光对金属属工件表表面进行行扫描，，从而引引起工件件表面金金相组织织发生变变化进而而对工件件表面进进行表面面淬火、、粉末粘粘合等。。用激光光进行表表面淬火火，工件件表层的的加热速速度极快快，内部部受热极极少，工工件不产产生热变变形。特特别适合合于对齿齿轮、汽汽缸筒等等形状复复杂的零零件进行行表面淬淬火。国国外已应应用于自自动线上上对齿轮轮进行表表面淬火火。同时时由于不不必用加加热炉，，是开式式的，故故也适合合于大型型零件的的表面淬淬火。粉粉末粘合合是在工工件表层层上用激激光加热热后熔入入其他元元素，可可提高和和改善工工件的综综合力学学性能。。此外，，还可以以利用激激光除锈锈、激光光消除工工件表面面的沉积积物等。。

3.2特特种种加工技技术3.2..2激激光加加工3.2..2.6激激光加工工技术的的发展趋趋势（1）优优化激光光工作参参数。建建立加工工作业标标准和相相应的数数据库，，通过控控制激光光照射的的能量密密度和照照射时间间可以实实现多种种类型的的加工。。为了充充分发挥挥激光加加工的优优点，需需针对不不同加工工对象和和加工类类型进一一步优化化激光工工作参数数，以便便能获得得高的效效率和加加工质量量。（2）发发展激光光多工位位分时综综合加工工。根据据激光加加工的特特点，利利用同一一激光源源，通过过灵活地地控制能能量密度度和照射射时间，，在不同同工位上上分时实实现多种种方式加加工，使使一些工工件的切切割、打打孔、刻刻划、焊焊接和表表面处理理等可在在一台设设备上集集成地进进行综合合加工。。

3.2特特种种加工技技术3.2..2激激光加加工3.2..2.6激激光加工工技术的的发展趋趋势（3）研研究大功功率、高高寿命和和小型化化的激光光装置提提高高激光功功率需解解决以下下一系列列问题如如：l）研制制适用于于大功率率激光的的光学器器件材料料。由于于大功率率激光束束透过的的窗口材材料和透透镜等光光学器件件时，它它们要承承受高压压的击穿穿力，并并因吸收收激光使使温度上上升而引引起破坏坏。因此此应根据据不同的的激光波波长研制制适用的的光学器器件材料料。2）提高高电源的的稳定性性和寿命命，对于于CO2气体激光光要解决决大功率率激光器器的放电电稳定性性；对于于YAG固体激激光器要要研制大大容量、、长寿命命的光泵泵激励光光源，如如采用半半导体光光泵可使使能量效效率大幅幅度地增增长。3）大功功率激光光装置的的小型化化。同轴轴型CO2激光器结结构简单单，增益益大而均均匀，放放电稳定定，为了了加大输输出功率率需增大大长度，，虽可对对激光管管采用折折叠式和和应用高高速鼓风风机来加加速气流流进行改改善，但但功率增增大仍受受限制。。双轴直直交型增增大了放放电截面面积，可可以采用用折叠式式射束通通道使外外型缩小小，但需需超高速速送风（（50m/s～～150m/s）的鼓鼓风机，，并要求求反射镜镜结构稳稳定和防防止光损损失等。。3.3特特种种加工技技术3.2..3光光刻蚀蚀技术光刻蚀加加工又称称光刻加加工或刻刻蚀加工工，简称称刻蚀。。目前，，光刻加加工技术术主要是是针对集集成电路路制作中中得到高高精度微微细线条条所构成成的高密密度微细细复杂图图形。是对薄膜膜表面及及金属板板表面进进行精密密、微小小和复杂杂图形加加工的技技术，用它制制造的零零件有：：刻线尺尺、微电电机转子子、电路路印刷板板和细孔孔金属网网板等。。据有关资资料说明明，集成成电路图图形的最最小线条条宽度W若减小为为原来的的1/n，它的的电流、、电压和和电路工工作的延延迟时间间也将减减小为原原来的1/n，，耗电量量下降为为原来的的1/n2，单元芯芯（模））片上的的集成元元件数可可望增加加到n2倍。所以以精密光光刻技术术是集成成电路微微型化制制作工艺艺中的重重要课题题。统计计说明，，精密光光刻的图图形最小小线宽大大体上以以每年减减少80％的速速度缩小小。3.3特特种种加工技技术3.2..3光光刻蚀蚀技术1.光刻刻原理所谓光刻刻蚀就是是使用电电磁波频频谱中的的光束或或电子、、X射线线和离子子等射线线，将光光致抗蚀蚀剂（光光刻胶））形成规规定图形形的微细细加工方方法。现现代光刻刻技术是是对古老老的光刻刻技术的的革新。。光刻技技术早已已为印刷刷行业用用来完成成照相制制版工作作。采用光束束作曝光光光源的的集成电电路的精精密光刻刻工艺的的基本原原理与照照相制版版原理相相似，但但它要求求高、工工艺过程程复杂。。下图所所示为集集成电路路一次光光刻的工工艺过程程原理图图。3.3特特种种加工技技术3.2..3光光刻蚀蚀技术目前在集集成电路路制作中中，光刻刻工艺是是制取掩掩膜和基基片上精精细图形形的主要要工艺方方法。为为了VLSI电电路的制制作，其其光刻工工艺比上上述过程程又有更更多革新新。利用用图形发发生器，，用光束束或电子子束、离离子束在在抗蚀剂剂上绘制制图形的的曝光方方法称为为写图（（Writing），，它主要要用于掩掩膜或基基片图形形制作工工序。用用掩膜图图形形成成的光强强图形，，使基片片上的光光刻胶曝曝光获取取基片（（或掩膜膜）图形形的光刻刻工艺，，称为复复印技术术（Printing）。3.3特特种种加工技技术3.2..3光光刻蚀蚀技术2.集成成电路光光刻工艺艺的一般般过程光刻工艺艺过程一一般有两两大工序序，即掩掩膜制造造和光刻刻蚀加工工。（1）掩掩膜制造造。根据据集成电电路设计计布局图图，用绘绘图机、、精缩照照像机，，经放大大绘制、、分步重重复缩小小照像，，缩到和和元件尺尺寸相同同的掩膜膜（称之之为母掩掩膜），，母掩膜膜经翻拍拍复印成成工作（（光刻））掩膜，，制作电电路时只只用工作作掩膜。。（2）光光刻蚀加加工。光光刻工艺艺过程包包括以下下几个步步骤：1）涂胶胶。4））腐（刻刻）蚀。。2）曝光光。5））剥膜与与检查。。3）显影影与烘片片。2、光刻加工工氧化硅晶片表表面形成成一层氧氧化层；；涂胶涂光致抗抗蚀剂；；曝光通过掩模模曝光；；显影曝光部分分溶解去去除；腐蚀未被覆盖盖部分腐腐蚀掉；；去胶将光致抗抗蚀剂去去除；扩散--向需要杂杂质的部部分扩散散杂质，，以完成成整个光光刻加工工过程。。光刻加工工工艺示示例3.2特特种种加工技技术3.2..4电电子束束加工1.电子子束加工工的基本本原理电子束加加工是利利用电子子束的高高能量密密度进行行钻孔、、切槽、、光刻等等工作。。电子是是一个非非常小的的粒子（（半径为为2.8××10-12mm），质量量很小（（2.8××10-29g），但其其能量很很高，可可达几百百万电子子伏（eV）。电子子束可以以聚焦到到直径为为1~2μm，因此有有很高的的能量密密度，可可达106～109W/cm2。高速高高能量密密度的电电子束冲冲击到工工件材料料上时，，在几分分之一微微秒的瞬瞬时，入入射电子子与原子子相互作作用（碰碰撞），，在发生生能量变变换的同同时，有有一些向向材料内内部深入入，有些些电子发发生弹性性碰撞被被反射出出去，成成为反射射电子。。3.2特特种种加工技技术3.2..4电电子束束加工1.电子子束加工工的基本本原理在电子与与原子的的碰撞中中，使原原子振动动产生发发热现象象，虽然然还产生生二次电电子、荧荧光、X射线等，，占有了了一部分分能量，，但可以以认为几几乎所有有的能量量都变成成了热能能。由于于电子束束的能量量密度高高、作用用时间短短，所产产生的热热量来不不及传导导扩散就就将工件件被冲击击部分局局部熔化化、气化化、蒸发发成为雾雾状粒子子而飞散散，这是是电子束束的热效效应。电电子束加加工就是是靠电子子束的热热效应现现象。高高能电子子束具有有很强的的穿透能能力，穿穿透深度度为几微微米甚至至几十微微米，如如工作电电压为50KV时加工铝铝的穿透透深度为为10μm，而且以以热的形形式传输输到相当当大的区区域。3.2特特种种加工技技术3.2..4电电子束束加工1.电子子束加工工的基本本原理通过控制制电子束束能量密密度的大大小和能能量注入入时间，，就可以以达到不不同的加加工目的的。如果果只使材材料局部部加热就就可进行行电子束束热处理理；使材材料局部部熔化可可进行电电子束焊焊接；提提高电子子束能量量密度，，使材料料熔化或或汽化，，便可进进行打孔孔、切割割等加工工；利用用较低能能量密度度的电子子束轰击击高分子子材料时时产生化化学变化化的原理理，进行行电子束束光刻加加工。3.2特特种种加工技技术3.2..4电电子束束加工2.电子子束加工工的特点点1）电子子束加工工是一种种精密细细微的加加工方法法。电子子束能够够极细微微聚焦（（聚焦直直径一般般可达0.1～～100μm）），加工工面积可可以很小小，能够够加工细细微深孔孔、窄缝缝、半导导体集成成电路等等。2）加工工材料的的范围较较广。对对脆性、、韧性、、导体与与非导体体及半导导体材料料都可以以加工。。特别适适合加工工易氧化化的金属属及合金金材料，，以及纯纯度要求求极高的的半导体体材料，，因为是是在真空空中加工工，不易易被氧化化，而且且污染少少。

3.2特特种种加工技技术3.2..4电电子束束加工2.电子子束加工工的特点点3）加工工速度快快、效率率高。例例如，每每秒钟可可以在2.5mm厚的的钢板上上钻50个直径径为0..4mm的孔。。4）加工工工件不不易产生生宏观应应力和变变形。因因为电子子束加工工是非接接触式加加工，不不受机械械力作用用。5）可以以通过磁磁场和电电场对电电子束强强度、位位置、聚聚焦等进进行直接接控制，，位置精精度可达达0.1μm左左右，而而且便于于计算机机自动控控制。6）设备备价格较较贵，成成本高，，同时应应考虑X射线的的防护问问题。

3.2特特种种加工技技术3.2..4电电子束束加工3.电子子束加工工装置电子束加加工装置置的基本本结构如如图所示示，它主主要由电电子枪、、真空系系统、控控制系统统和电源源等部分分组成。。1-移动动工作台台2-带窗窗真空室室门窗3-观察察筒4-抽抽气5-电电子枪6-加速速电压控控制7-束束流强度度控制板板8-束流流聚焦控控制9-束束流位置置控制10-更更换工件件用载止止阀11--电子束束12-工工件13--驱动电电动机14-抽气气

3.2特特种种加工技技术3.2..4电电子束束加工3.电子子束加工工装置电子束加加工装置置的基本本结构如如图所示示，它主主要由电电子枪、、真空系系统、控控制系统统和电源源等部分分组成。。（1）电电子枪电电子子枪是获获得电子子束的装装置，它它包括电电子发射射阴极、、控制栅栅极和加加速阳极极等。如如图所示示，阴极极经电流流加热发发射电子子，带负负电荷的的电子高高速飞向带高高电位的的正极，，在飞向向正极的过程中中，经过过加速极极加速，，又通过电磁透透镜把电电子束聚聚焦成很很小的束流。

3.2特特种种加工技技术3.2..4电电子束束加工3.电子子束加工工装置（2）真真空系统统真真空系统统是为了了保证在在电子束束加工时时达到1.33×10-2～1.33×10-4Pa的真真空度。。因为只只有在高高真空时时，电子子才能高高速运动动。为了了消除加加工时的的金属蒸蒸气影响响电子发发射而使使其产生生不稳定定现象，，需要不不断地把把加工中中产生的的金属蒸蒸气抽去去。（3）控控制系统统和电源源电电子束加加工装置置的控制制系统包包括束流流聚焦控控制、束束流位置置控制、、束流强强度控制制以及工工作台位位移控制制等部分分。

3.2特特种种加工技技术3.2..4电电子束束加工4.电子子束加工工的应用用如图所示示。（1）高高速打孔孔（2）加加工型孔孔和特特殊表面面（3）焊焊接（4）刻刻蚀（5）热热处理

3.2特特种种加工技技术3.2..5离离子束束加工1.离子子束加工工原理、、分类和和特点（1）离离子束加加工的原原理和物物理基础础离离子束加加工的原原理和电电子束加加工基本本类似，，也是在在真空条条件下，，将离子子源产生生的离子子束经过过加速聚聚焦，使使之打到到工件表表面。不不同的是是离子带带正电荷荷，其质质量比电电子大数数千、数数万倍，，如氩离离子的质质量是电电子的7.2万万倍，所所以一旦旦离子加加速到较较高速度度时，离离子束比比电子束束具有更更大的撞撞击动能能，它是是靠微观观的机械械撞击能能量、而而不是靠靠动能转转化为热热能来加加工的。。

3.2特特种种加工技技术3.2..5离离子束束加工1.离子子束加工工原理、、分类和和特点离子束加加工的物物理基础础是离子子束射到到材料表表面时所所发生的的撞击效效应、溅溅射效应应和注入入效应。。具有一定定动能的的离子斜斜射到工工件材料料（靶材材）表面面时，可可以将表表面的原原子撞击击出来，，这就是是离子的的撞击效效应和溅溅射效应应。如果将工工件直接接作为离离子轰击击的靶材材，工件件表面就就会受到到离子刻刻蚀（也也称离子子铣削））。如果果将工件件放置在在靶材附附近，靶靶材原子子就会溅溅射到工工件表面面而被溅溅射沉积积吸附，，使工件件表面镀镀上一层层靶材原原子的薄薄膜。如如果离子子能量足足够大并并垂直工工件表面面撞击时时，离子子就会钻钻进工件件表面，，这就是是离子的注注入效应应。

3.2特特种种加工技技术3.2..5离离子束束加工1.离子子束加工工原理、、分类和和特点（2）离离子束加加工分类类1）离子子刻蚀是是用能量量为0..5～5keV的氩离离子轰击击工件，，将工件件表面的的原子逐逐个剥离离。如图图a所示示。其实实质是一一种原子子尺度的的切削加加工，所所以又称称离子铣铣削。这这就是近近代发展展起来的的毫微米米加工工工艺。

3.2特特种种加工技技术3.2..5离离子束束加工1.离子子束加工工原理、、分类和和特点2）离子子溅射沉沉积也是采用用能量为为0.5～～5keV的氩氩离子，，轰击某种种材料制制成的靶，离子子将靶材材原子击出，沉沉积在靶靶材附近的工件件上，使使工件表表面镀上上一层薄薄膜，如如图3--13b所示。。所以溅溅射沉积积是一种种镀膜工工艺。

3.2特特种种加工技技术3.2..5离离子束束加工1.离子子束加工工原理、、分类和和特点3）离子子镀也称称离子溅溅射辅助助沉积，，是用0.5～～5keV的氩氩离子，，在镀膜膜时，同同时轰击击靶材和和工件表表面，如如图3--13c所示。。目的是是为了增增强膜材材与工件件基材之之间的结结合力。。也可将将靶材高高温蒸发发，同时时进行离离子镀。。

3.2特特种种加工技技术3.2..5离离子束束加工1.离子子束加工工原理、、分类和和特点4）离子子注入是是采用5～500keV能量量的离子子束，直直接轰击击被加工工材料，，由于离离子能量量相当大大，离子子就钻进进被加工工材料的的表面层层，如图图3-13d所所示。工工件表面面层含有有注入离离子后，，就改变变了化学学成分，，从而改改变了工工件表面面层的机机械物理理性能。。根据不不同的目目的选用用不同的的注入离离子，如如磷、硼硼、碳、、氮等。。

3.2特特种种加工技技术3.2..5离离子束束加工1.离