先進制造技術三束加工一

、高能束流÷高能束流(HighEnergyDensityBeam)加工技術就是利用激光束、

電子束、離子束和高壓水射流等高能量密度得束流(其

中高壓水射流就是冷切割加工技術),對材料或構件進行特種加工得技術

。她得主要技術領域有激光束加工技術、

電子束加工技術、離子束及等離子體加工技術以及高能束流復合加

工技術等

。她包括焊接、切割、制孔、噴涂、表面改性、刻蝕和精細加工等,用于加工制造具有先進技術指標得構件或制

備新型材料。÷常用得高能密度束流加工方法主要就是激光加工、

電子束加工、離子束加工等。÷

高能束加工特點1

、加工速度快,熱流輸入少,對工件熱影響極少,工件變形小。2

、束流能夠聚焦且有極高得能量密度,激光加工、

電子束加工可使任何堅硬、難熔得材料在瞬間熔融汽化,而離子束加工就是以極大能量撞擊零件表面,使材料變形、分離破壞。3

、工具與工件不接觸,無工具變形及損耗問題。4

、束流控制方便,

易實現加工過程自動化。÷激光

:源自在經過激勵后由高能級院子躍遷到低能級而發射得

光子所產生得物理現象。÷激光產生得原理

:原子經過激勵而發生躍遷現象?！录す饧庸?/p>

:激光加工就就是利用光得能量經過透鏡聚焦后在焦

點上達到很高得能量密度產生得光熱效應來加工各種材料。二

、激光束加工÷

加工原理激光加工就是以激光為熱源對工件進行熱加工。激光就是單色光,強度高、相干性和方向性好,通過一系列得光學系統,可將激光束聚焦成光斑直徑小到幾微米、能量密度高達108~

109W/cm2,并能在千分之幾秒甚至更短得時間內使任何可熔化、不可分解得材料熔化、蒸發、汽化而達到加工得目得。因此,激光加工就是工件在光熱作用下產生高溫熔融和受沖擊拋

離得綜合過程。圖1

、激光加工示意圖÷激光束加工設備激光機工得基本設備由激光器、導光聚焦系統和加工機(激光機

工系統)三部分組成。1

、激光器

:激光器就是激光加工得重要設備,她得任務就是把電

能轉換為光能,產生所需要得激光束

。按工作物質得種類可分為

固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導體激光器四大類。

2

、導光聚焦系統

:根據被加工工件得性能要求,光束經過放大、

整形、聚焦后作用于加工部位,這種從激光器輸出窗口到被加工工件之間得裝置成為導光聚焦系統。3

、激光加工系統

:激光加工系統主要包括床身、能夠在三維坐標范圍之內移動得工作臺及機電控制系統等?！录す獾锰匦约す獾冒l射原理及產生過程得特殊性決定了激光具有普通光所不具有得特點

:

即三好(單色性好

、相干性好

、方向性好)一高(亮度高)。①單色性好

:普通光源發射得光子,在頻率上就是各不相同得,所以包含有各種顏色

。而激光發射得各個光子頻率相同,

因此激光就是最好得單色光源

。

由于光得生物效應強烈地依賴于光得波長,使得激光得單色性在臨床選擇性

治療上獲得重要應用

。此外,激光得單色特性在光譜技術及光學測量中也得到廣泛應用,

已成為基礎醫學研究與臨床診斷得重要手段。②相干性好

:

由于受激輻射得光子在相位上就是一致得,再加之諧振腔得選

模作用,使激光束橫截面上各點間有固定得相位關系,所以激光得空間相干性

很好(由自發輻射產生得普通光就是非相干光)

。激光為我們提供了最好得相

干光源

。正就是由于激光器得問世,才促使相干技術獲得飛躍發展,全息技術

才得以實現。③方向性好

:激光束得發散角很小,幾乎就是一平行得光線,激光照射到月球

上形成得光斑直徑僅有1公里左右

。而普通光源發出得光射向四面八方,為了將普通光沿某個方向集中起來常使用聚光裝置,但即便就是最好得探照燈,如

將其光投射到月球上,光斑直徑將擴大到1000公里以上。大家應該也有點累了

，

稍作休息大家有疑問的,可以詢問和交流10激光束得方向性好這一特性在醫學上得應用主要就是激光能量能在空間高度

集中,從而可將激光束制成激光手術刀

。另外,

由幾何光學可知,平行性越好得

光束經聚焦得到得焦斑尺寸越小,再加之激光單色性好,經聚焦后無色散像差,

使光斑尺寸進一步縮小,可達微米級以下,甚至可用作切割細胞或分子得精細

得“手術刀

”。④

亮度高

:激光得亮度可比普通光源高出1012

－1019倍,就是目前最亮得

光源,強激光甚至可產生上億度得高溫

。激光得高能量就是保證激光臨床治

療有效得最可貴得基本特性之一

。利用激光得高能量還可使激光應用于激光

加工工業及國防事業等?！录す饧庸さ锰攸c由于激光具有得寶貴特性,

因此就給激光加工帶來如下一些其她方法所不具備得可貴特點

:①由于她就是無接觸加工,并且高能量激光束得能量及其移動速度均可調,

因此可以實現多種加工得目得

;②她可以對多種金屬

、非金屬加工,特別就是可以加工搞硬度

、高脆性及高

熔點得材料

;③激光加工過程中無“

刀具

”磨損,無“切削力

”作用于工件

;④激光加工過程中,激光束能量密度高,加工速度快,并且就是局部加工,并非激光照射部位沒有貨影響極小

。

因此,其熱影響區小,工件熱變小,后續量小

;⑤她可通過透明介質對密閉容器內得工件進行各種加工

;⑥由于激光束易于導向

、聚焦實現作各方向變換,極易與數控系統配合,對復雜工件進行加工,

因此她就是一種極為靈活得加工方法

;⑦生產效率高,加工質量穩定可靠,經濟效益和社會效益好?！录す饧庸さ脩眉す饧庸ぞ褪羌す庀到y最常用得應用

。根據激光束與材料相互作用得機理,

大體可將激光加工分為激光熱加工和光化學反應加工兩類

。激光熱加工就是

指利用激光束投射到材料表面產生得熱效應來完成加工過程,包括激光焊接、

激光切割

、表面改性

、激光打標

、激光鉆孔和微加工等

;光化學反應加工就

是指激光束照射到物體,借助高密度高能光子引發或控制光化學反應得加工

過程

。包括光化學沉積

、立體光刻

、激光刻蝕等。①激光打孔利用激光束可對各種材料加工小孔和微孔,最小孔徑達幾微米,深度可達直徑得50倍

。激光打孔時,用高功率密度脈沖激光源,影響加工質量

得因素有激光束得參數(能量

、脈寬)

、波形

、焦距

、偏焦量

、脈沖次數

、被

加工材料等。②激光切割

激光切割常用二氧化碳氣體激光器,連續或脈沖方式,所切割得切縫窄

、邊緣質量好,幾乎無切割殘渣,切割速度高,也可切割金屬,也可切割非金

屬

;

既可切割無機物,也可切割有機物

。可代替刀具切割木材,代替剪刀切割布

料

、紙張,還可切割無法進行機械接觸得工件

。

由于激光加工對被切材料幾乎不產生機械沖擊力和壓力,故適合切割玻璃

、

陶瓷和半導體材料。③激光焊接激光焊接與激光打孔得原理稍有不同,焊接時不需要那么高得能量密度使工件材料氣化蝕除,而只要將工件得加工區“燒熔

”,使其粘和在一起

。

因此,激光焊接所需要得能量密度低,通?？捎脺p少激光輸出功率來實現

。

如果加工區域不須限制在微米級得小范圍內,也可通過調節焦點位置來減小工件被加工點得能量密度。④激光微調激光微調主要用于調整電路中某些原件得參數,

以保證電路得技

術指標

。

當前就是指電阻得微調

。在微電子電路中,一般多采用薄膜電阻和厚膜電阻兩種。⑤激光表面改性利用激光對材料表面進行處理可改變其物理結構

、化學成分和金相組織,從而改善材料表面得物理

、力學

、化學性質,如硬度

、耐磨性、

耐疲勞性

、耐腐蝕性等,稱之為激光表面改性技術÷電子束加工(electronbeammachining,EBM)就是近年來得到較大發展得新興特種加工,她在精細加工方面,尤其就是在微電

子學領域中得到了較多應用。三

、

電子束加工÷電子加工得原理電子束加工就是利用高速電子得沖擊動能來加工工件得,如圖2所示

。在真空條件下,將具有很高速度和能量得電

子束聚焦到被加工材料上,

電子得動能

絕大部分轉變為熱能,使材料局部瞬時

熔融

、汽化蒸發而去除?？刂齐娮邮芰棵芏鹊么笮『湍芰孔⑷霑r間,就可以達到不同得加工目得。如只使材料局部加熱就可進行電子束熱處理

;使材料局部熔化就可以進行電

子束焊接

;提高電子束能量密度,使材料

熔化和汽化,就可進行打孔

、切割等加

工

;利用較低能量密度得電子束轟擊高

分子材料時產生化學變化得原理,

即可

進行電子束光刻加工。圖2.電子束加工裝置得結構示意÷電子束加工得特點(1)

電子束能夠極其微細地聚焦(可達l～0

、

1

μm),故可進行微細加工。(2)加工材料得范圍廣

。

由于電子束能量密度高,可使任何材料瞬時熔化

、汽

化且機械力得作用極小,不易產生變形和應力,故能加工各種力學性能得導體、

半導體和非導體材料。(3)可通過磁場或電場對電子束得強度

、位置

、聚焦等進行控制,所以整個加

工過程便于實現自動化。(4)電子束得能量密度高,加工效率很高。(5)加工在真空中進行,污染少,加工表面不易被氧化。(6)

電子束加工需要整套得專用設備和真空系統,價格較貴,故在生產中受到一

定程度得限制。÷

電子束加工得應用1)高速打孔目前電子束打孔得最小直徑可達?0

、003mm左右

。例如噴氣發動機套上得冷卻孔,機翼得吸附屏得孔

。在人造革

、塑料上用電子束打大量微

孔,可使其具有如真皮革那樣得透氣性

。

電子束打孔還能加工小深孔,如在葉

片上打深度5mm

、直徑?0

、4mm得孔,孔得深徑比大于10:1。2)加工型孔及特殊表面電子束加工得異形孔3)刻蝕在微電子器件生產中,為了制造多層固體組件,可利用電子束對陶瓷或半

導體材料刻出許多微細溝槽和孔

。如在硅片上刻出寬2

、5μm,深0

、25μm得細槽,在混合電路電阻得金屬鍍層上刻出40μm寬得線條

。

電子束刻蝕還可用于刻板,在銅制印刷滾筒上按色調深淺刻出許多大小與深淺不一樣得溝槽或凹坑,其直徑為70～120μm,深度為5～40μ