高能束流加工技术

南京航空航天大学机电学院052系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）南京航空航天大学机电学院052系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。南京航空航天大学机电学院052系高能束流加工概述(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IBM）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。南京航空航天大学机电学院052系激光束加工技术发展概述1LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation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。南京航空航天大学机电学院052系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。南京航空航天大学机电学院052系激光器拆解图南京航空航天大学机电学院052系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。南京航空航天大学机电学院052系CMA-2016F型激光切割机南京航空航天大学机电学院052系YMRF-MV100型成衣激光雕花机南京航空航天大学机电学院052系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。南京航空航天大学机电学院052系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。南京航空航天大学机电学院052系真空电子束炉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。南京航空航天大学机电学院052系真空电子束焊接南京航空航天大学机电学院052系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。南京航空航天大学机电学院052系离子束刻蚀机南京航空航天大学机电学院052系数码离子束设备南京航空航天大学机电学院052系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。南京航空航天大学机电学院052系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。南京航空航天大学机电学院052系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，战技术性能优良。南京航空航天大学机电学院052系Theend南京航空航天大学机电学院052系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。南京航空航天大学机电学院052系激光束加工原理图南京航空航天大学机电学院052系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。/m南京航空航天大学机电学院052系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。2222)1()1(rrrrknknR南京航空航天大学机电学院052系材料的加热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：)1(0Rqqizeqzq0)(南京航空航天大学机电学院052系材料破坏的条件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。南京航空航天大学机电学院052系材料破坏的条件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南京航空航天大学机电学院052系材料破坏的条件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，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。南京航空航天大学机电学院052系材料破坏的条件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，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。南京航空航天大学机电学院052系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。南京航空航天大学机电学院052系一.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化连续打孔，如加工钟表行业红宝石轴承上0.12～0.18mm、深0.6～1.2mm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。南京航空航天大学机电学院052系激光打孔样品南京航空航天大学机电学院052系激光打孔样品南京航空航天大学机电学院052系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。南京航空航天大学机电学院052系孔的成形影响因素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。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。南京航空航天大学机电学院052系孔的成形影响因素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。南京航空航天大学机电学院052系孔的成形影响因素33.焦点位置南京航空航天大学机电学院052系孔的成形影响因素44.光斑内的能量分布激光能量分布对打孔质量的影响关系图如下：南京航空航天大学机电学院052系孔的成形影响因素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。南京航空航天大学机电学院052系孔的成形影响因素5多次照射能在不扩大孔径的情况下