现代加工技术高能束流加工技术解析.pptx

第六章第六章 高能束流加工技术高能束流加工技术现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室第六章 高能束流加工技术n.1 激光加工技术激光加工技术n.2 电子束加工技术电子束加工技术n.3 离子束加工技术离子束加工技术n.4 水射流及磨料射流加工技术水射流及磨料射流加工技术现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 .1 激光加工技术激光加工技术 .1.1 激光及激光加工原理激光及激光加工原理 1、激光、激光 自自然然界界存存在在着着自自发发辐辐射射和和受受激激辐辐射射两两种种不不同同的的发发光光方方式式，前者发出的光是随处可见的普通光，后者发出的光便是激光。前者发出的光是随处可见的普通光，后者发出的光便是激光。原原子子由由原原子子核核和和电电子子组组成成。电电子子在在靠靠近近原原子子核核最最近近的的轨轨道道上上运运动动时时是是最最稳稳定定的的，这这时时原原子子所所处处的的能能级级状状态态称称为为基基态态。当当外外界界传传给给原原子子一一定定的的能能量量，原原子子的的内内能能增增加加，外外层层电电子子的的轨轨道道半半径径增增大大，被被激激发发到到高高能能级级，称称为为激激发发态态或或高高能能态态。被被激激发发到到高高能能级级的的原原子子不不稳稳定定，从从高高能能级级回回落落到到低低能能级级的的过过程程，称称为为“跃迁跃迁”。一一般般处处于于激激发发状状态态的的各各种种高高能能级级的的原原子子停停留留时时间间一一般般都都较较短短，在在0.01us左左右右。但但有有些些原原子子或或离离子子的的高高能能级级或或次次高高能能级级却却有有较较长长的的寿寿命命，这这种种寿寿命命较较长长的的较较高高能能级级，称称为为亚亚稳稳态态能能级级。如如氦氦原原子子、二二氧氧化化碳碳分分子子以以及及钕钕离离子子等等具具有有亚亚稳稳态态能能级级。亚亚稳稳态能级的存在是形成激光的重要条件。态能级的存在是形成激光的重要条件。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 当原子从高能态跃迁回低能级或基态时，常常会以光子当原子从高能态跃迁回低能级或基态时，常常会以光子的形式辐射出光能量，所放出光的频率的形式辐射出光能量，所放出光的频率与高能态与高能态En和低能和低能态态E1之差的关系为：之差的关系为：原子从高能态自发地跃迁到低能态，称为自发辐射，如原子从高能态自发地跃迁到低能态，称为自发辐射，如日光灯等。由于各个受激原子自发跃迁回低能态或基态时日光灯等。由于各个受激原子自发跃迁回低能态或基态时在时序上先后不一，辐射的光子在各个方向上，辐射出的在时序上先后不一，辐射的光子在各个方向上，辐射出的光的频率和波长大小不一，所以单色性很差，方向性也差。光的频率和波长大小不一，所以单色性很差，方向性也差。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 某些具有亚稳态能级结构的物质，在一定外来光某些具有亚稳态能级结构的物质，在一定外来光子能量激发的条件下，会吸收光能，使处于高能级子能量激发的条件下，会吸收光能，使处于高能级的原子数目大于处于低能级的原子数目，这种现象的原子数目大于处于低能级的原子数目，这种现象称为称为“粒子数反转粒子数反转”。在粒子数反转的状态下，如。在粒子数反转的状态下，如有一束光子照射该物体，而光子的能量恰好等于这有一束光子照射该物体，而光子的能量恰好等于这两个能级对应的能量差，这时就能产生受激辐射，两个能级对应的能量差，这时就能产生受激辐射，产生大量的光能。产生大量的光能。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 人工晶体红宝石的基本成分是氧化铝人工晶体红宝石的基本成分是氧化铝+0.05%的氧化铬，的氧化铬，能发射激光的是正铬离子。当脉冲氖灯照射红宝石时，处能发射激光的是正铬离子。当脉冲氖灯照射红宝石时，处于基态于基态E1的铬离子被大量激发到的铬离子被大量激发到En状态，由于状态，由于En寿命很短，寿命很短，En状态的铬离子快速跳到寿命较长的亚稳态状态的铬离子快速跳到寿命较长的亚稳态Es。如照射光。如照射光足够强，就能把半数以上的原子激发到足够强，就能把半数以上的原子激发到Es，从而在，从而在Es和和E1之之间实现了粒子数反转。这时若有频率间实现了粒子数反转。这时若有频率 的光子照射的光子照射它时，就可以产生从能级它时，就可以产生从能级E1到到E2的受激辐射跃迁，出现雪的受激辐射跃迁，出现雪崩式连锁反应，发出频率为崩式连锁反应，发出频率为 的单色性好的光，这的单色性好的光，这就是激光。就是激光。由于激光是一种受激辐射产生的加强光，发出的光波具由于激光是一种受激辐射产生的加强光，发出的光波具有相同的频率、方向、偏振态和严格的相位关系。因此激有相同的频率、方向、偏振态和严格的相位关系。因此激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性等综合性光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性等综合性能。能。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 2、激光加工、激光加工 激激光光加加工工是是把把具具有有足足够够能能量量的的激激光光束束聚聚焦焦后后照照射射到到材材料料的的加加工工部部位位，在在极极短短的的时时间间内内，光光能能转转变变为为热热能能，被被照照部部位位迅迅速速升升温温，材材料料发发生生汽汽化化、熔熔化化、金金相相组组织织变变化化，实实现现工工件件材料的去除、连接、改性或分离等加工。材料的去除、连接、改性或分离等加工。激激光光加加工工过过程程大大体体可可分分为为：激激光光束束照照射射材材料料材材料料吸吸收收光光能能光光能能转转变变为为热热能能使使材材料料加加热热通通过过汽汽化化或或熔熔融融溅溅出使材料去除或破坏等。出使材料去除或破坏等。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 不同的加工工艺有不同的加工过程：不同的加工工艺有不同的加工过程：（1）激光对材料加热并去除材料：打孔、切割等；）激光对材料加热并去除材料：打孔、切割等；（2）激光将材料加热到熔化程度而不要求去除：焊）激光将材料加热到熔化程度而不要求去除：焊接；接；（3）激光加热到一定温度使材料产生相变：热处理）激光加热到一定温度使材料产生相变：热处理等。等。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 激光加工特点：激光加工特点：（1）聚焦后，激光加工的功率密度可高达（）聚焦后，激光加工的功率密度可高达（1081010 W/cm2），），光能转化为热能，几乎可以熔化、汽化任何材料。光能转化为热能，几乎可以熔化、汽化任何材料。（2）激光光斑大小可以聚焦到微米级，输出功率可以调节，因）激光光斑大小可以聚焦到微米级，输出功率可以调节，因此可用于精密微细加工。此可用于精密微细加工。（3）加工所用工具是激光束，是非接触加工，所以没有明显的）加工所用工具是激光束，是非接触加工，所以没有明显的机械力，没有工具损耗问题。加工速度快、热影响区小，容易机械力，没有工具损耗问题。加工速度快、热影响区小，容易实现加工过程自动化。实现加工过程自动化。（4）激光可通过玻璃等透明材料进行加工。）激光可通过玻璃等透明材料进行加工。（5）激光加工是一种瞬时、局部熔化、汽化的热加工，影响因）激光加工是一种瞬时、局部熔化、汽化的热加工，影响因素很多。素很多。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室.1.2 激光加工设备激光加工设备（1）激光器：产生激光束）激光器：产生激光束（2）电电源源：为为激激光光器器提提供供所所需需要要的的能能量量，包包括括电电压压控控制、储能电容组、时间控制及触发器等。制、储能电容组、时间控制及触发器等。（3）光光学学系系统统：光光学学系系统统是是将将光光束束聚聚焦焦并并观观察察和和调调整整焦焦点点位位置置，包包括括显显微微镜镜瞄瞄准准、激激光光束束聚聚焦焦及及加加工工位位置在投影仪上显示等。置在投影仪上显示等。（4）机机械械系系统统：主主要要包包括括床床身身、能能够够在在三三坐坐标标范范围围内内移动的工作台及机电控制系统等。移动的工作台及机电控制系统等。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 .1.3 激光器激光器 按激活介质种类划分，激光器可分为固体激光器、气体激按激活介质种类划分，激光器可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器；按激光器的工作方式，光器、液体激光器和半导体激光器；按激光器的工作方式，可分为连续激光器和脉冲激光器。可分为连续激光器和脉冲激光器。（1）固体激光器）固体激光器 固体激光器常用的工作物质有红宝石、钕玻璃和掺钕钇固体激光器常用的工作物质有红宝石、钕玻璃和掺钕钇石榴石等。石榴石等。固体激光器包括工作物质、光泵、玻璃套管、滤光器和固体激光器包括工作物质、光泵、玻璃套管、滤光器和冷却水、聚光器及谐振腔等部分。当激光工作物质受到光泵冷却水、聚光器及谐振腔等部分。当激光工作物质受到光泵（激励脉冲氙灯）的激发后，吸收具有特定波长的光，在一（激励脉冲氙灯）的激发后，吸收具有特定波长的光，在一定的条件下可导致工作物质产生粒子数反转。此时一旦有少定的条件下可导致工作物质产生粒子数反转。此时一旦有少量激发粒子产生受激辐射跃迁，就会造成光放大，再通过谐量激发粒子产生受激辐射跃迁，就会造成光放大，再通过谐振腔内全反射镜和部分反射镜的反馈作用产生振荡，最后由振腔内全反射镜和部分反射镜的反馈作用产生振荡，最后由谐振腔的一端输出激光。谐振腔的一端输出激光。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 固体激光器工作原理固体激光器工作原理现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 (2)气体激光器气体激光器 气体激光器一般直接采用电激励，因其效率高、气体激光器一般直接采用电激励，因其效率高、寿命长、连续输出功率大，可达数千瓦，所以广泛用寿命长、连续输出功率大，可达数千瓦，所以广泛用于切割、焊接、热处理等加工，常用于材料加工的气于切割、焊接、热处理等加工，常用于材料加工的气体激光器有二氧化碳激光器、氩离子激光器等。体激光器有二氧化碳激光器、氩离子激光器等。二氧化碳激光器是以二氧化碳气体为工作物质的分二氧化碳激光器是以二氧化碳气体为工作物质的分子激光器，最大连续输出功率可达万瓦，是目前连续子激光器，最大连续输出功率可达万瓦，是目前连续输出功率最高的气体激光器。输出功率最高的气体激光器。氩离子激光器是惰性气体氩通过气体放电，使氩氩离子激光器是惰性气体氩通过气体放电，使氩原子电离并激发，实现离子数反转而产生激光。由于原子电离并激发，实现离子数反转而产生激光。由于氩激光器波长短、发散角小，能聚焦成更小的光斑，氩激光器波长短、发散角小，能聚焦成更小的光斑，所以可用于精密微细加工。所以可用于精密微细加工。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 .1.4 激光加工应用激光加工应用 1、激光打孔、激光打孔 利用激光几乎可在任何材料上打微型小孔，目前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、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。金刚石拉丝模加工等方面。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 2、激光切割、激光切割 CO2气体激光器切割钛合金板材气体激光器切割钛合金板材激光切割的功率一般在105W/cm2-107W/cm2左右，工件与激光束要相对移动，一般是工件移动。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 3、激光焊接、激光焊接 激光焊接一般无需焊料和焊剂，只需将工件的加工激光焊接一般无需焊料和焊剂，只需将工件的加工区域区域“热熔热熔”在一起。焊接过程迅速，热影响区小，焊在一起。焊接过程迅速，热影响区小，焊接质量高，既可焊接同种材料，也可焊接异种材料，还接质量高，既可焊接同种材料，也可焊接异种材料，还可透过玻璃进行焊接。可透过玻璃进行焊接。激光焊接过程示意图激光焊接过程示意图1-激光；激光；2-被焊接零件；被焊接零件；3-被熔化金属；被熔化金属；4-已冷却的熔已冷却的熔池池现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 4、激光表面处理、激光表面处理 激光表面合金化：在工件基体的表面采用沉积法预先涂一激光表面合金化：在工件基体的表面采用沉积法预先涂一层合金，然后用激光束照射涂层表面，合金层和基体薄层被层合金，然后用激光束照射涂层表面，合金层和基体薄层被熔化，基体与合金混合而形成合金。采用这种工艺能使贵金熔化，基体与合金混合而形成合金。采用这种工艺能使贵金属如铬、钴等熔入低级而廉价的钢表面，能节省大量的贵金属如铬、钴等熔入低级而廉价的钢表面，能节省大量的贵金属。属。激光表面合金化激光表面合金化现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 表面表面激光熔覆：当激光对工件表面进行处理时，用气动喷激光熔覆：当激光对工件表面进行处理时，用气动喷注法把粉末注入熔池中，连同工件表层一起熔化形成表面融注法把粉末注入熔池中，连同工件表层一起熔化形成表面融覆层。表面熔覆可在低熔点工件上熔覆一层高熔点的合金，覆层。表面熔覆可在低熔点工件上熔覆一层高熔点的合金，并能局部熔覆，具有良好的接触性；微观结构细致，热影响并能局部熔覆，具有良好的接触性；微观结构细致，热影响区小，熔覆层均匀无缺陷。区小，熔覆层均匀无缺陷。激光表面熔覆激光表面熔覆现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室5、选区激光烧结、选区激光烧结 选区激光烧结（选区激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）又）又称选择性激光烧结、粉末材料选择性烧结等。称选择性激光烧结、粉末材料选择性烧结等。1989年，由年，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard研制成功。研制成功。A、工艺原理、工艺原理 SLS成形机的主体结构是安装两个活塞机构的成形工成形机的主体结构是安装两个活塞机构的成形工作缸，一个用于供粉，一个用于成形。成形过程开始前，作缸，一个用于供粉，一个用于成形。成形过程开始前，用红外线板将粉末材料加热到恰好低于烧结点某一温度，用红外线板将粉末材料加热到恰好低于烧结点某一温度，之后，供粉缸活塞上移一给定量，铺粉滚筒将粉末均匀铺之后，供粉缸活塞上移一给定量，铺粉滚筒将粉末均匀铺在成形缸加工表面上，激光束在计算机的控制下以给定的在成形缸加工表面上，激光束在计算机的控制下以给定的速度和能量对第一层信息进行扫描，激光束扫过之后粉末速度和能量对第一层信息进行扫描，激光束扫过之后粉末被烧结固化为片层，被烧结的粉末被用来作为支撑，这样被烧结固化为片层，被烧结的粉末被用来作为支撑，这样零件的第一层被制作出来。成形缸活塞下移一给定量，供零件的第一层被制作出来。成形缸活塞下移一给定量，供料缸活塞上移，铺粉滚筒再次铺粉，激光束按第二层信息料缸活塞上移，铺粉滚筒再次铺粉，激光束按第二层信息进行扫描，所形成的第二层同时被烧结固化在第一层上，进行扫描，所形成的第二层同时被烧结固化在第一层上，如此逐层叠加，烧结完后去掉多余的粉末，进行打磨烘干如此逐层叠加，烧结完后去掉多余的粉末，进行打磨烘干处理得到三维实体零件。处理得到三维实体零件。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室SLS工艺原理现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室B、工艺过程、工艺过程 1）粉末原料的烧结）粉末原料的烧结 （1）金属粉末的烧结）金属粉末的烧结 单一成分金属粉末单一成分金属粉末 金属混合粉末金属混合粉末 金属粉末与金属粉末与 有机黏结剂粉末的混合体有机黏结剂粉末的混合体（2）陶瓷粉末的烧结）陶瓷粉末的烧结（3）塑料粉末的烧结）塑料粉末的烧结 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 2）烧结件的后处理）烧结件的后处理 坯体的后处理方法有多种，如高温烧结、热等静压烧结、坯体的后处理方法有多种，如高温烧结、热等静压烧结、熔浸和浸渍等。熔浸和浸渍等。（1）高温烧结：金属和陶瓷坯体可用高温烧结的方法进行处理。）高温烧结：金属和陶瓷坯体可用高温烧结的方法进行处理。经高温烧结后，坯体内部孔隙减少，密度、强度增加。经高温烧结后，坯体内部孔隙减少，密度、强度增加。（2）热等静压：热等静压是通过流体介质将高温和高压同时均匀）热等静压：热等静压是通过流体介质将高温和高压同时均匀地作用于坯体表面，消除其内部气孔，提高密度和强度，并改地作用于坯体表面，消除其内部气孔，提高密度和强度，并改善其他性能。善其他性能。（3）熔浸：熔浸是将金属或陶瓷制件与另一种低熔点的液体金属）熔浸：熔浸是将金属或陶瓷制件与另一种低熔点的液体金属接触或浸埋在液态金属内，让金属填充制件内部孔隙，冷却后接触或浸埋在液态金属内，让金属填充制件内部孔隙，冷却后得到致密的零件。得到致密的零件。（4）浸渍：浸渍与熔浸相似，所不同的是浸渍是将液态非金属物）浸渍：浸渍与熔浸相似，所不同的是浸渍是将液态非金属物质浸入多孔的坯体的空隙，制件尺寸变化小。质浸入多孔的坯体的空隙，制件尺寸变化小。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 3）工艺参数的影响）工艺参数的影响 SLS的工艺参数主要包括铺粉层厚、预热温度、激光功的工艺参数主要包括铺粉层厚、预热温度、激光功率、光斑直径、扫描速度等。率、光斑直径、扫描速度等。（1）激光能量和扫描速度：成型零件的致密度和强度随着）激光能量和扫描速度：成型零件的致密度和强度随着激光输出能量的增大而增大，随着扫描速度的增大而减激光输出能量的增大而增大，随着扫描速度的增大而减小。小。（2）预热温度和铺粉层厚：粉末的预热能明显地改善成型）预热温度和铺粉层厚：粉末的预热能明显地改善成型制品的性能，但预热温度不能超过粉末材料的最低熔点。制品的性能，但预热温度不能超过粉末材料的最低熔点。薄的铺粉层能提高烧结质量，改善制品的致密度，但薄薄的铺粉层能提高烧结质量，改善制品的致密度，但薄的铺粉层会使激光能量对先前烧结层产生较大的影响。的铺粉层会使激光能量对先前烧结层产生较大的影响。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室C、成型材料、成型材料目前用于激光选区烧结的材料主要有以下几种：目前用于激光选区烧结的材料主要有以下几种：（1）高分子粉末材料）高分子粉末材料（2）金属粉末材料）金属粉末材料（3）陶瓷粉末材料）陶瓷粉末材料（4）覆膜砂粉末材料）覆膜砂粉末材料D、选区激光烧结成型系统：、选区激光烧结成型系统：一般由主机、控制系统和冷却器一般由主机、控制系统和冷却器3部分组成。部分组成。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室AFS-500激光快速成形机（北京隆源公司）激光快速成形机（北京隆源公司）现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室激光烧结成形件激光烧结成形件现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 5、选区激光烧结工艺特点选区激光烧结工艺特点n可采用多种材料可采用多种材料。n成本较低，制造工艺比较简单，适应面广。成本较低，制造工艺比较简单，适应面广。n高精度。高精度。n成形速度较慢，成形件结构一般较疏松、多孔，表面质成形速度较慢，成形件结构一般较疏松、多孔，表面质量不高，强度较低量不高，强度较低。n选区激光烧结一般只适合于中小件的快速成形。选区激光烧结一般只适合于中小件的快速成形。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室.2 电子束加工电子束加工.2.1 电子束加工原理电子束加工原理 电子束加工是利用高能电子束流轰击材料，使其产生热效电子束加工是利用高能电子束流轰击材料，使其产生热效应或辐射化学和物理效应，以达到预定的工艺目的。电子束应或辐射化学和物理效应，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。加工两类。1、电子束热加工、电子束热加工 通过加热发射材料产生电子，在热发射效应下，电子飞通过加热发射材料产生电子，在热发射效应下，电子飞离材料表面。在强电场作用下，热发射电子经过加速和聚焦，离材料表面。在强电场作用下，热发射电子经过加速和聚焦，形成高速电子流。通过一级或多级会聚产生高能束流，当它形成高速电子流。通过一级或多级会聚产生高能束流，当它冲击工件表面时，电子的动能瞬间转变为热能。由于光斑直冲击工件表面时，电子的动能瞬间转变为热能。由于光斑直径很小，电子束具有极高的功率密度，可使材料的温度在几径很小，电子束具有极高的功率密度，可使材料的温度在几分之一微秒内升高到几千摄氏度，局部材料快速汽化、蒸发分之一微秒内升高到几千摄氏度，局部材料快速汽化、蒸发而实现加工的目的。这种利用电子束热效应的加工方法，被而实现加工的目的。这种利用电子束热效应的加工方法，被称为称为电子束热加工电子束热加工。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室电子束加工的原理图现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 （2）电子束非热加工）电子束非热加工 电子束非热加工是基于电子束的非热效应，利用功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，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由高分子材料组成）相互作用，产生的辐射化学或物理效应。理效应。该类工艺方法广泛应用于集成电路、微电子器件、该类工艺方法广泛应用于集成电路、微电子器件、集成光学器件、表面声波器件的制作，也适用于某些集成光学器件、表面声波器件的制作，也适用于某些精密机械零件的制造。精密机械零件的制造。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，可达控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，可达到不同的加工目的。只使材料局部加热就可进行电子到不同的加工目的。只使材料局部加热就可进行电子束热处理；使材料局部熔化就可进行电子束焊接；提束热处理；使材料局部熔化就可进行电子束焊接；提高电子束能量密度，使材料熔化和汽化，就可进行打高电子束能量密度，使材料熔化和汽化，就可进行打孔、切割等加工；利用较低能量密度的电子束轰击高孔、切割等加工；利用较低能量密度的电子束轰击高分子光敏材料时产生化学变化的原理，可进行电子束分子光敏材料时产生化学变化的原理，可进行电子束光刻加工。光刻加工。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 电子束加工特点：电子束加工特点：（1）加工面积和切缝小，是一种精密微细的加工方法。）加工面积和切缝小，是一种精密微细的加工方法。（2）是一种非接触式加工）是一种非接触式加工,工件不受机械力作用，不产生宏工件不受机械力作用，不产生宏观应力和变形。观应力和变形。（3）电子束的能量密度高，因而加工生产率高）电子束的能量密度高，因而加工生产率高。（4）可以通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦等）可以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，所以整个加工过程便于实现自动化。进行直接控制，所以整个加工过程便于实现自动化。（5）由于电子束加工是在真空中进行，因而污染少，加工）由于电子束加工是在真空中进行，因而污染少，加工表面不会氧化，特别适用于加工易氧化的金属及合金材料，表面不会氧化，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。以及纯度要求极高的半导体材料。（）电子束加工需要一整套专用设备和真空系统，价格较）电子束加工需要一整套专用设备和真空系统，价格较贵，生产应用有一定的局限性。贵，生产应用有一定的局限性。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 .2.2 电子束加工设备电子束加工设备 电子束加工装置主要由电子枪、真空系统、控制系电子束加工装置主要由电子枪、真空系统、控制系统和电源等部分组成。统和电源等部分组成。（1）电子枪：是获得电子束的装置，包括电子发射阴）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等。极、控制栅极和加速阳极等。（2）真空系统：是为了保证电子束加工维持在）真空系统：是为了保证电子束加工维持在1.410-2Pa-1.410-4Pa的真空度，只有在高真空中，电子才能的真空度，只有在高真空中，电子才能高速运动。高速运动。（3）控制系统和电源：控制系统包括束流聚焦控制、）控制系统和电源：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台位置控制等。束流位置控制、束流强度控制以及工作台位置控制等。电子束加工装置对电源电压的稳定性要求较高，常用电子束加工装置对电源电压的稳定性要求较高，常用稳压设备。稳压设备。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 .2.2 电子束加工设备电子束加工设备电子束加工装置电子束加工装置现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 .2.3 电子束加工工艺电子束加工工艺（1）打打孔孔：无无论论是是何何种种材材料料，如如金金属属、陶陶瓷瓷、金金刚刚石石、塑料等都可以用电子束加工工艺加工出小孔和窄缝；塑料等都可以用电子束加工工艺加工出小孔和窄缝；（2）电电子子束束焊焊接接：电电子子束束的的能能量量高高，焊焊接接速速度度快快，焊焊接接的焊缝深而窄，焊件热影响区小，变形小。的焊缝深而窄，焊件热影响区小，变形小。（3）刻刻蚀蚀：在在微微电电子子器器件件生生产产中中，可可利利用用电电子子束束对对半半导导体材料刻出许多微细沟槽和孔来。体材料刻出许多微细沟槽和孔来。（4）电电子子束束曝曝光光：在在集集成成电电路路、微微电电子子器器件件、微微机机电电系系统统等等元元器器件件的的图图形形制制作作技技术术中中，通通常常采采用用电电子子束束曝曝光光处理，作为刻蚀前置工序。处理，作为刻蚀前置工序。（5）电电子子束束热热处处理理和和表表面面改改性性处处理理：把把电电子子束束作作为为热热源源，适适当当控控制制电电子子束束的的功功率率密密度度，使使金金属属表表面面加加热热而而不不熔熔化，达到热处理的目的。化，达到热处理的目的。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室.3 离子束加工离子束加工 .3.1 离子束加工原理离子束加工原理 离子束加工原理与电子束加工相似，也是在真空条离子束加工原理与电子束加工相似，也是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦，使之撞击件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦，使之撞击工件表面。由于离子质量比电子大的多，所以一旦离子工件表面。由于离子质量比电子大的多，所以一旦离子加速到较高速度时，离子束比电子束具有更大的撞击动加速到较高速度时，离子束比电子束具有更大的撞击动能，它是靠微观的机械撞击能量实现加工的。能，它是靠微观的机械撞击能量实现加工的。离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应。发生的撞击效应、溅射效应和注入效应。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室（a）（b）（c）（d）各类离子束加工示意图（a）离子束刻蚀；（b）溅射镀膜；（c）离子镀；（d）离子注入。1离子流；2吸极（吸收电子，引出离子）；3一离子束；4一工件；5靶材现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室离子束加工特点：离子束加工特点：（1）离子束可通过电子光学系统进行聚焦扫描，离子束轰击）离子束可通过电子光学系统进行聚焦扫描，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，离子刻蚀可以达到毫微米级的加工精度。离子束是控制，离子刻蚀可以达到毫微米级的加工精度。离子束是所有特种加工方法中最精密、最微细的加工方法；所有特种加工方法中最精密、最微细的加工方法；（2）离子束是在高真空中进行的，污染少；）离子束是在高真空中进行的，污染少；（3）离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的，加）离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的，加工应力、热变形极小，加工质量高；工应力、热变形极小，加工质量高；（4）离子束加工设备费用贵、成本高、加工效率低，应用范）离子束加工设备费用贵、成本高、加工效率低，应用范围受到一定限制。围受到一定限制。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 .3.2 离子束加工装置离子束加工装置 离子束加工装置与电子束加工装置类似，也包括离子离子束加工装置与电子束加工装置类似，也包括离子源、真空系统、控制系统和电源等部分。主要的不同部分源、真空系统、控制系统和电源等部分。主要的不同部分是离子源系统。是离子源系统。下图为考夫曼型离子源示意图。它由灼热的灯丝下图为考夫曼型离子源示意图。它由灼热的灯丝2发射发射电子，在阳极电子，在阳极9的作用下向下方移动，同时受线圈的作用下向下方移动，同时受线圈4磁场的磁场的偏转作用，作螺旋运动前进。惰性气体氩从注入口偏转作用，作螺旋运动前进。惰性气体氩从注入口3注入注入电离室电离室10，在电子的撞击下被电离成等离子体，阳极，在电子的撞击下被电离成等离子体，阳极9和和引出电极（吸极）引出电极（吸极）8上各有上各有300个直径为个直径为0.3 mm的小孔，的小孔，上下位置对齐。在引出电极上下位置对齐。在引出电极8的作用下，将离子吸出，形的作用下，将离子吸出，形成成300条准直的离子束，再向下则均匀分布在直径为条准直的离子束，再向下则均匀分布在直径为50 mm的圆面积上。的圆面积上。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室考夫曼型离子源示意图1一真空抽气口；2一灯丝；3惰性气体注入口；4一电磁线圈；5离子束流；工件；7阴极；8引出电极；9阳极；10电离室。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 .3.3 离子束加工方法离子束加工方法1、刻蚀加工：离子束轰击工件，入射离子与靶原子碰撞时将动、刻蚀加工：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，从工件表面溅射出来，达到刻蚀的目的；靶原子发生溅射，从工件表面溅射出来，达到刻蚀的目的；2、溅射镀膜加工、溅射镀膜加工：离子束在电场或磁场的加速下飞向阴极靶材，：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到靶材附近的工件表面，形成镀膜；阴极表面靶原子溅射到靶材附近的工件表面，形成镀膜；3、离离子子镀镀加加工工：离离子子镀镀是是真真空空蒸蒸镀镀和和溅溅射射镀镀膜膜基基础础上上发发展展起起来来的的一一种种镀镀膜膜技技术术。是是在在真真空空镀镀膜膜过过程程中中镀镀层层在在沉沉积积的的同同时时又又受到高能离子束的轰击，使界面和膜层的性能发生变化；受到高能离子束的轰击，使界面和膜层的性能发生变化；4、离离子子注注入入加加工工：是是将将高高速速离离子子直直接接注注入入工工件件表表面面，通通过过离离子子的的注注入入，改改变变基基体体表表面面层层的的成成分分和和组组织织结结构构，造造成成表表面面性性能能变化。变化。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室.4.1水射流加工的起源n“水滴石穿水滴石穿”体现了在人们眼中秉性柔弱的水本身体现了在人们眼中秉性柔弱的水本身潜在的威力。潜在的威力。n十九世纪七十年代人们利用高压水开采金矿，剥落十九世纪七十年代人们利用高压水开采金矿，剥落树皮。直到树皮。直到198198年由美国密苏里大学林学教授诺曼年由美国密苏里大学林学教授诺曼弗兰兹博士获得第一项切割技术专利。弗兰兹博士获得第一项切割技术专利。.4水射流及磨料射流加工技术现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室n 而在而在8080年代末才由莫斯科金属切削机床实验科年代末才由莫斯科金属切削机床实验科学研究所开始深入研究。学研究所开始深入研究。19971997年的汉诺威和年的汉诺威和19991999年年的巴黎的巴黎EMOEMO展览会上证明，该方法有了很大发展，展览会上证明，该方法有了很大发展，且在该领域中的技术进步十分显著。仅在巴黎就展且在该领域中的技术进步十分显著。仅在巴黎就展出出3 3台大型的工作装置，它们是德国、瑞士台大型的工作装置，它们是德国、瑞士和和法国法国的机械公司的机械公司。后来后来开始在研制水射流切割装置。开始在研制水射流切割装置。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室n 在最近十多年里，高压水射流在最近十多年里，高压水射流(WJ)(WJ)、磨料水射、磨料水射流流(AWJ)(AWJ)切割技术和设备有了长足进步，其应用遍切割技术和设备有了长足进步，其应用遍及工业生产和人们生活各个方面。及工业生产和人们生活各个方面。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室.4.2水喷射加工定义 n 水喷射加工（水喷射加工（Water Jet MachiningWater Jet Machining）又称水射流加）又称水射流加工、水力加工或水刀加工，它是利用超高压（数十至数工、水力加工或水刀加工，它是利用超高压（数十至数百兆帕）水射流对各种材料进行切割、穿孔和工件表层百兆帕）水射流对各种材料进行切割、穿孔和工件表层材料去除等加工。材料去除等加工。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 人们利用高压水服务于生产始于人们利用高压水服务于生产始于19世纪世纪70年年代，当时主要用来开采金矿、剥落树皮等。代，当时主要用来开采金矿、剥落树皮等。20世纪世纪50年代前苏联科学家对高压水射流加工技术进行了年代前苏联科学家对高压水射流加工技术进行了研究，并利用纯水液的高压射流进行煤层开采和隧研究，并利用纯水液的高压射流进行煤层开采和隧道开挖，但在机械加工领域还是在解决了高压喷射道开挖，但在机械加工领域还是在解决了高压喷射装置的性能和可靠性后，才作为一项独立而完整的装置的性能和可靠性后，才作为一项独立而完整的加工技术，首先在美国的飞机和汽车行业中成功应加工技术，首先在美国的飞机和汽车行业中成功应用于复合材料的切割和缸体毛刺的去除。用于复合材料的切割和缸体毛刺的去除。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室n 后来在此基础上又发展起一项新技术后来在此基础上又发展起一项新技术混合磨混合磨料射流加工技术（料射流加工技术（AWJAWJ，Abrasive Water JetAbrasive Water Jet），它是），它是将具有一定粒度的磨料粒子加入高压水管路系统中，将具有一定粒度的磨料粒子加入高压水管路系统中，使其与高压水进行充分混合后再经喷嘴喷出，从而形使其与高压水进行充分混合后再经喷嘴喷出，从而形成具有极高