课题四高能束加工

1课题四高能束加工掌握激光特性及激光加工的原理与特点；理解电子束和离子束加工的原理。熟悉电子束和离子束加工的原理及应用。任务一熟悉激光加工的应用任务描述激光加工（LBM）是利用激光经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度，靠光热2任务分析切割、电子器件的微调、焊接、热处理以及激光存储等各个领域。一、高能束加工高能束加工是利用被聚焦到加工部位上的高能密度束流去除工件上多余材料的加工方法。常用的高能密度束流加工方法主要有激光加工、电子束加工、离子束加工等。高能密度束流加工的特点如下。（1）加工速度快，热流输入少，对工件热影响极小，工件变形小。（2）束流能够聚焦且有极高的能量密度，激光加工、电子束加工可使高硬度、难熔的材料在瞬间熔融汽化，而离子束加工是以极大能量撞击零件表面，使材料变形、分离破坏。（3）工具与工件不接触，无工具变形及损耗问题。（4）束流控制方便，易实现加工过程的自动化。二、激光的产生及特性地面上太阳光的能量密度不高；太阳光不是单色光，而是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫多种不同波长的多色光，聚焦后焦点并不在同一平面内。年美国研制成功世界上第一台可用于加工的激光器。目前激光加工已成为一种重要的新兴产业，激光加工技术已广泛用于机械工业、电子工业、国防和人民生活等许多领域。3把“光受激发射器”改称为“激光”或“激光器”世界上第一台红宝石激光器由美国科学家梅曼于1960年研制成功，随后各种激光器不断涌现，我国科学家王之江于1961年在长春光机所研究成功我国第一台激光器。激光器作为20世纪四大发明之一，为人们科学研究、生产提供了新的方法，也给人类的生活带来了为工业上不可缺少的一种方法。原子是由一个带正电的原子核和围绕它运动的Z个电子组成，就像太阳系一样，原子核相当于太阳，电子相当于周围的行星。电子公转轨道称为电子壳层，不同的电子壳层的电子能量E不相同，从而形成了分立的能级结构，电子在不同能级之间发生跃迁，就会伴随由于电子在原子外层的分布不同，具有不同的内部能量，从而形成能级。若原子处于内部能量最低的状态，则称原子处于基态。其他比基态能量高的状态，都称为激发态。在热平量较高的激发态。当原子被激发到高能级E时，它在高能级上是不稳定的，即使在没有任何外界作用的2情况下，它也有可能从高能级E跃迁到低能级E，并把相应的能量释放出来，如图4-1-2所示。这种在没有外界作用的情况下，原子从高能级向低能级跃迁过程中释放的能量通过光辐射形式放出，这种跃迁过程称为自发辐射。2）光的受激吸收当原子受到外来能量为hv的光子作用（激励）时，处于低能级E上的原子由于吸收一1422为hv的光子诱发下，从高能级E跃迁到低能级E，这时原子发射一个与外来光子一模一样的光子，这种过程称为光的受激辐射，如图4-1-4所示。其单色性和方向性好，能量集中。度很窄，比普通光源（如氖灯）的频率宽度要窄几个数量级。因此，激光单色性比普通光源单色性要好得多。5激光束的方向性和空间相干性对它的聚焦性能有重要影响。三、激光加工的原理与特点通过光学系统可将激光束聚焦成直径为几十微米到几微米的极小光斑，从而获得极高的物被产生的强烈冲击波喷溅出去。激光蚀除加工的物理过程大致可分为材料对激光的吸收和能量转换，材料的加热熔化、气化，蚀除产物的抛出等连续过程。61）材料对激光的吸收和能量转换透射等损失掉。材料对激光的吸收与波长、材料性质、温度、表面状况、偏振特性等因素有热能仅作用于材料的激光辐照区，随后通过热传导使热量由高温区流向低温区。2）材料的加热熔化、气化料也伴随着蒸气流溅出。3）蚀除产物的抛出并产生爆炸冲击波，使金属蒸气和熔融产物高速地从加工区喷射出来，熔融产物高速喷射时所产生的反冲力，又在加工区形成强烈的冲击波，进一步加强了蚀除产物的抛出效果。2.激光的加工特点激光加工具有以下特点。（1）激光加工属于高能束加工，其能量密度高，加工的热作用时间短，热影响区小，几乎可以加工任何材料。（2）激光加工不需要工具，无明显机械力，不存在工具损耗，加工速度快，热影响区小，便于组织自动化生产。并且激光可以通过聚焦形成微米级的光斑，输出功率可以调节，因此，激光加工可用于精密微细加工。（3）加工方法多、适应性强。在同一台设备上可完成切割、打孔、焊接、表面处理等面粗糙度Ra可达0.1~0.4µm。对微型陀螺转子，采用激光动平衡技术，其平衡精度可达百分之一或千分之几微米的质量偏心值。光进行深熔焊接的生产效率比传统方法提高了30倍。用激光微调薄膜电阻，可使加工效率7（6）能源消耗少，无加工污染，在节能、环保等方面有较大优势。激光束不产生像电子束那样的射线，无加工污染，其能量利用率为常规热加工工艺的10~1000倍，且加工用四、激光加工设备激光加工的基本设备包括激光器、电源、光学系统及机械系统等。出的方式可分为密封式激光器、纵向流动式激光器、横向流动式激光器。加工中常用的激光/μm2YAG——固体激光器结构示意图如图4-1-6所示。固体激光器（如红宝石激光器）的优点是机械强度大，能承受高功率密度，可获得大能量输出。气体激光器以气体或蒸气为工作物质，其中，氦氖激光器是目前应用最广泛的典型原子激光器，具有频率稳定性好、寿命长、价格8低等优点，适用于全息照相、准直测量和激光干涉测量等。图4.1-6固体激光器结构示意图束的质量和波长有不同的要求。波长越短，金属表面对激光的吸收越大。就材料加工而言，22激光器电源为激光器提供所需要的电能及控制功能。大功率激光器一般用特殊负载的电作物质的是泵浦灯。根据激光器的不同工作状态，电源可在连续或脉冲状态下运转。器输出窗口到被加工工件之间的装置称为光学系统。在加工系统中，光学系统的作用如下。（1）将激光束从激光器输出窗口引导至被加工工件的表面上，并在加工部位获得所需的光斑形状、尺寸及功率密度。（2）指示加工部位。（3）观察加工过程及加工零件。机械系统包括工件定位夹紧装置、机械运动系统、工件的上料和下料装置等。机械系统用来确定工件相对于加工系统的位置。9（l）工件移动，而激光头和光束制导装置固定不动。（2）激光头和光束制导装置移动，工件固定不动。（3）光束制导装置移动，激光头和工件不动。深度为0.6~1.2mm的宝石轴承孔，若工件自动传送，每分钟可加工数十件。在聚晶金刚石度浅。当激光的2段进入材料后，因材料相变使加热显得剧烈得多当激光的3、4段进入材料后，打孔过程相对稳定。材料的气化比例剧增至最大程度，形成了孔的圆柱段。当进入材料后，材料的加热已临近终止，5段后气化及熔化趋于结束，从而形成了孔的尖锥形孔底。图4.1-7孔形成过程示意图2）影响激光打孔的主要因素和机械方面的精度外，还必须了解影响激光加工的因素。影响激光打孔的主要因素有输出功率与照射时间、焦距与发散角、焦点位置、光斑内能量分布、照射次数及工件材料等。（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。实践表明，当焦点固定在表面时，输出的激光能量越大，所打的孔就越大、越深，工区，照射时间太短则会因功率密度过高而使蚀除物都以高温气体效率降低。（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，要尽量减小激光图4.1-8焦点位置与孔的剖面形状（4）光斑内能量分布。激光束经聚焦后光斑内各处的光强是不同的。若光强以焦点中为有利，其能量以焦点为轴心对称分布，所以光束加工出的孔是正圆形的，如图4-1-9（a）如果用激光多次照射，不仅深度可以大大增加，锥度可以减少，而且孔径几乎不变，但是孔的深度并不与照射次数成比例。图4-1-10所示是用红宝石激光器加工蓝宝石时获得的试验多次照射能在不扩大孔径的情况下将孔逐渐打深，如图4-1-11所示。第一次照射后加工出一个不太深且带锥度的孔；第二次照射后加工出的孔是原孔形的延伸，孔径基本不变，所以多次照射能加工出深而锥度小的深孔。多次照射的焦点位置宜固定在工件表面而不应逐（6）工件材料的影响。由于各种工件材料对能量的吸收光谱不同，经透镜聚焦到工件谱）选择合适的激光器。图4-1-12所示是用红宝石激光器照射钢表面时所获得的工件表面微观不平度与加工深当表面微观不平度大于5μm时，打孔深度与微观不平度关系不大；当表面微观不平度小于无法进行。工件表面微观不平度/μm图4.1-12加工表面微观不平度对加工深度的影响3）激光打孔的加工特点（5）适用于高硬度、高融点材料的开孔。（6）弯曲不平、脆质材料的开孔也容易加工。度受限。固体激光器输出的脉冲式激光常用于半导体硅片的切割和化学纤维喷丝头异形孔的加工等。而大功率的CO气体激光器输出的连续激22图4.1-13CO2气体激光器切割钛合金示意图激光切割是利用聚焦以后的高功率密度（105~107W/cm2）激光束连续照射工件，光束切口处熔渣被一定压力的辅助气体吹出。接技术已经广泛应用于武器制造、船舶工业、汽车制造、压力容器制造、民用及医用等多个激光束焊接是以聚集的激光束作为能源的特种熔化焊接方法。当激光的功率密度为和焊剂，只需将工件的加工区域“热熔”在一起即可，如图4-1-14所示。激光焊接过程迅2光器和准分子激光器等。YAG固体激光器由于具有较高的平均功率，在它出现之后就成为激光点焊和激光缝焊的优选设备。法相比，激光焊接具有以下特点：激光加热范围小，在同等功率和焊接厚度条件下，焊接速度高，热输入小，热影响区小，焊接应力和变形小；激光可通过光导纤维、棱镜等光学方法激光器可供多个工作台进行不同的工作，既可用于焊接，又可用于切割、合金化和热处理，4.激光表面技术采用激光高能束流集中作用在金属表面，通过表面扫描或伴随有附加填充材料的加热，常用的表面处理方法有四种，即激光相变硬化、激光重熔、激光合金化和激光熔覆。图4-1-16（a）所示为表面硬化示意图，这种工艺仅适用于黑色金属，并且在工件的处理过程中，表面的温度必须低于其熔点。图4-1-16（b）所示为表面重熔示意图，加工中要把材料表面加热到熔点以上，并在材料表面生成一个重熔层。图4-1-16（c）所示为激光熔覆示意图4.1-16激光表面处理示意图激光相变硬化的应用很广，包括平面类零件，如导轨、刀片、叶片及板状等零件；圆环类零件，如活塞环、汽缸胀圈、汽室胀圈、油封座、进气门、排气门、缸盖座口、各类轴承环等，以提高硬度和耐磨性为目的；套筒类零件，如汽车、拖拉机、船舶等发动机缸套或缸轮、模具、针布、钟表的擒纵叉、发动机飞锤、刀具、离合器连接件、花键套等。激光相变硬化也称为激光淬火，是利于激光辐照的能量把金属材料表面快速加热至相变温度与熔点温度之间，然后利用材料本身对加热表面进行快速冷却使其发生固态相变产生硬化层的一种工艺方法。激光硬化从本质上讲与传统的高频感应线圈加热硬化（高频淬火）类似。材料表面吸收激光束辐照的光能，并在瞬间把它转变成热能，通过将热量在基材上的快速传导实现被处理材料表面的自淬火。激光硬化属于自淬火，它与传统淬火的最大不同点是在整个激光硬化的过程中不需要使用任何冷却介质。激光重熔是在激光作用下使材料表面局部区域快速加热至熔化，随后借助于冷态的金属经激光重熔的零件表面硬度高，耐磨性、耐蚀性好。激光重熔硬化在含有铬的碳钢、工具钢（包括高速钢）及不锈钢、轴承钢的应用上具有明显的优越性。激光重熔硬化对改善材料性能具有明显的效果，工作寿命可相应延长数倍，特殊情况下工作寿命延长可达10倍。经预热处理后激光重熔硬化的高速钢其耐磨损性能是原来的1.5~3倍。激光重熔硬化可以对铸态合金零部件作表面处理，如灰铸铁、球墨铸铁、成分的合金经激光重熔后可以获得显著的强化效果。3）激光表面合金化面合金化和表面激光熔覆工艺。混合而形成新的合金。采用这种工艺方法能使镍等贵重金属熔入低级而廉价的钢表面实现表图4.1-17激光表面合金化示意图注入熔池中，连同工件表层一起熔化形成表面熔覆层。除用气动喷注法把粉末注入熔池外，激光束与材料的相互作用区被熔化的粉末层所覆盖，这样可提高对激光能量的吸收能力。激熔覆层微观结构细致，热影响区小、均匀、无缺陷。碳化物弥散、复合材料和陶瓷材料等。这类材料具有很好的耐磨性、耐蚀性，通常以粉末的形式使用。在激光熔覆工艺中还有单道、多道、单层、多层等多种形式。通过多道搭界和多层叠加，可以实现宽度和厚度的增加。激光熔覆时常出现气孔和裂纹等现象，应尽量防止。激光熔覆目前已经广泛用于各种大型轴类零件、大型轧辊、大型铸件和汽轮机叶片的修复。性和高可靠性等方面。生产各种加工中心，已成为激光加工设备发展的一个重要趋势。激光加工中心的特点是自动化程度高、能完成多种加工、能加工多种材料和多种规格的2工系统（激光机器人也已研制出三维视觉的闭合回路自动激光焊接／切割加把激光切割和模具冲压两种加工工艺有机地组合成一台机床，称为激光冲床。它兼有激3高重复性和高可靠性率可进一步提高加工速度，目前高速打孔的加工速度已达10个。美国阿符迪·康莱明公焊缝，焊完9000个接头。除了确保质量外，还要求整机的故障率低，以确保工作的长期稳任务二了解电子束和离子束加工的应用任务描述电子束加工和离子束加工是近年来得到较大发展的新兴特种加工，它们在精密加工方面，尤其是微电子学领域中得到较多的应用，如图4-2-1、图4任务分析理和光刻加工等。离子束加工主要是用于离子蚀刻、离子镀膜和离子注入等加工。一、电子束加工局部瞬时熔融、汽化蒸发而去除。泛地用电子束进行精密焊接。近几十年来，电子束才越来越多地应用于打孔、切割、光刻等匝线圈，电流流过时形成磁场，磁场力迫使电子束聚焦。聚焦后的电子束能量密度极高9w/cm2并以极高的速度冲击到工件表面的极小面积上，在极短的时间（几分之高温，从而引起材料的局部融化和汽化，被真空系统抽走，实现材料的去除。分子材料时产生化学变化的原理，即可进行电子束光刻加工。2.电子束加工的特点（1）束斑极小。电子束能够极其微细地聚焦（可达0.1～lμm所以加工面积可以很小，是一种精密微细的加工方法。（2）电子束加工是非接触式加工，因此，工件不受机械力作用，不产生宏观应力和变（3）加工材料的范围广。由于电子束能量密度高，可使任何材料瞬时熔化、汽化且机（4）能量密度很高。由于电子束的能量密度高（5）可控性好。可以通过磁场或电场对电子束的强度、位置、（6）无污染。加工在真空中进行，污染少，加工表面不易被氧化，特别适用于加工易氧化的金属及合金材料，以及纯度要求极高的半导体材料。（7）加工的局限性。电子束加工需要整套专用设备和真空系统，价格较高，故在生产3.电子束加工装置电子束加工装置的基本结构如图4-2-4所示，主要由电子枪、真空系统、控制系统和电源等部分组成。电子枪系统电子枪系统聚焦系统电子束工件电源及控制系统抽真空系统图4.2-4电子束加工装置结构示意图经过加速极加速，又通过电磁透镜把电子束聚焦成很小的束斑。筒，在其上加以较阴极更强的负偏压，既能控制电子束的强弱，又有初步的聚焦作用。加速阳极通常接地，而阴极为很高的负电压，所以能驱使电子的加速。高的真空度。高真空度还可保护发射阴极不至于在高温下被氧化，也免使被加工表面氧化。地把金属蒸气抽出。电子束加工装置的控制系统包括束流聚焦控制、束流位置控制、束流强度控制以及工作子束焦点的位置。工作台位移控制是为了在加工过程中控制工作台的位置。因为电子束的偏要伺服电动机控制数控工作台移动，并与电子束的偏转相配合。压和加速电压由升压整流器供给。二、离子束加工离子束加工靠离子束射向工件表面时的微观机械撞击能量，而不是靠动能转化为热能来加工工件。离子束加工能达到极高的加工精度（纳米级或亚微米级是最有发展前途的超精密和微细加工方法，在微电子学领域得到较多应用。离子束加工也是一种新兴的特种加工方法，它的加工原理与电子束加工原理基本类似，与电子束加工不同的是离子束加工所用的离子质量比电子大数千倍乃至数万倍，例如氢离子质量是电子质量的1840倍，氩离子质故在电场中加速较慢，但一旦加速至较高速度，离子束就比电子束具有更大的撞击动能。图4.2-5离子束加工原理微机械的发展获得了成功的应用，其特点如下。（1）易于精确控制，加工精度高。离子束加工是目前特种加工中最精密、最微细的加（2）污染少。离子束加工在高真空下中进行，污染少，特别适宜于对易氧化的金属、（3）离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的，是一种微观作用，所以加工应力和变形极小，适宜于对各种材料和低刚度零件进行加工。（4）加工应力小、变形小。离子束加工是依靠离子撞击工件表面的原子而实现的，是的半导体、高分子等各种材料的工件进行微细加工，加工适应性好。3.离子束加工装置等部分。主要的不同部分是离子源系统。离子源用以产生离子束流，产生离子束流的基本原理和方法是使原子电离。具体办法是把要电离的气态原子（如氩等惰性气体或金属蒸气）注入电离室，经高频放电、电弧放电、据离子束产生的方式和用途不同，离子源有很多种形式，常用的有考夫曼型离子源。图4.2-6考夫曼型离子源示意图一、电子束加工的应用深径比大于15∶1。打孔的速度主要取决于板厚和孔径，通常每秒可加工几十至几万个孔，可以连续变化，孔数达数百万个，而且有时还可改变孔径。高速打孔可在工件运动中进行，电子束加工的喷丝头异形孔截面的一些实例如图4-2-7所示。出丝口的窄缝宽度为3）弯孔和曲面加工电子束不仅可以加工各种直的型孔和型面，而且也可以加工弯孔和曲面，图4-2-8所示3312331工件；2.电子束焊接电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接工艺。当高能量密度的电子束轰击焊件表缝形成一条焊缝。由于电子束的能量密度高，焊接速度快，所以电子束焊接的焊缝深而窄，热影响区小，变形小。电子束焊接一般不用填充焊接材料，焊接过程在真空中进行，因此焊缝化学成分纯净，焊接接头的强度往往高于母材。化时，熔透深度也随之波动，因此，电子束焊接过程中，焊室