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特种加工技术第五章激光加工LaserBeamMaching(LBM)20世纪60年代初发展起来的一门新兴科学,可以用于打孔、切割、电子器件的微调、焊接、热处理以及激光存储等激光加工是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度，靠光热效应来加工的。激光加工不需要工具、加工速度快、表面变形小，可加工各种材料。为什么激光可以用于加工？普通太阳光聚焦后可以点燃木材、纸张，但不能用于加工，原因是：1）地面上的太阳光的能量密度不高；2）太阳光不是单色光，聚焦后不在同一平面内激光可控的单色光，强度高，能量密度大，可以在空气介质中高速加工各种材料。第一节激光加工的原理和特点1.激光的产生原理2.激光的特性3.激光加工的原理4.激光加工的特点1激光的产生原理光的物理概念原子的发光激光的产生光的物理概念光既具有波动性、又具有微粒性——波粒二象性根据电磁学，光是在一定波长范围内的电磁波根据量子学，光是一种具有一定能量得以光速运动的粒子流（光子）紫蓝0.400.430.45青绿黄橙红0500.570.600.630.76波长um10410-710-610-14宇宙射线射线x射线紫外线红外线微波无线电波波长m电磁波波谱图可见光波谱图原子的发光原子的激发、跃迁基态时原子可长时间存在，激发态时原子停留时间很短。有些原子在某些能级上停留时间较长，这些能级称为亚稳态能级亚稳态能级的存在是形成激光的重要条件原子的跃迁是以光子的形式释放能量物质发光自发辐射和受激辐射两种激光的产生某些具有亚稳态能级的物质，在外来光子的激发下会吸收光能，使处于高能级原子的数目大于低能级原子的数目——粒子数反转若有一束光照射，光子的能量等于这两个能相对应的差，这是就会产生受激辐射，输出大量的光能。2激光的特性激光具有光的共性（反射、折射、绕射及干涉等等）普通光源的发光是自发辐射，基本上是无秩序的、相互独立地产生光发射。发出的光波的方向、相位和偏振状态都不同。激光是受激辐射，有组织、相互关联地产生发射，发出的光波具有相同的频率、方向、偏振状态和严格的相位。所以激光具有强度高、单色性好、相干性好和方向性好。3激光加工的原理和特点激光加工的原理经过透镜聚焦后,在焦点上达到很高的能量密度，光能转化为热能，靠光热效应来加工的。激光加工的特点1)聚焦后，激光的功率密度很高，光能转化为热能，几乎可以熔化任何材料。2）激光光斑大小可以达到微米级，输出功率可调，可以用于精密微细加工。3）工具是激光束，无损耗，无接触，无明显的机械力。加工速度快、热影响区小，容易实现自动化激光加工的原理和特点（续）4）与电子束相比，加工装置较简单5）激光加工是一种瞬时、局部熔化、气化的热加工，影响因素很多。精微加工时的精度，尤其是重复精度和表面粗糙度不易保证。由于光的反射作用，对于表面光泽或透明的材料的加工，需要先进行色化或打毛处理。激光无法加工出非常光泽的表面。6）加工中产生的金属气体及火星等飞溅物，要注意通风抽走，操作者应戴防护眼镜。第二节激光加工的基本设备激光加工机的组成激光器重要设备，把电能庄变为光能激光器电源光学系统聚焦和瞄准系统机械系统应该是三坐标数控系统常用的激光器固体激光器红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石气体激光器CO2、氩离子第三节激光加工工艺及应用激光打孔激光切割其他激光加工1激光打孔主要影响因素输出功率和照射时间焦距与发散角焦点的位置光斑内的能量分布多次照射工件材料焦点位置与孔的剖面形状光斑内的能量分布对打孔质量影响光管效应（多次照射）工件材料不同的材料吸收的光谱不同，需要根据材料选择激光器。表面粗糙度对加工深度有影响2激光切割与激光打孔差不多，只不过工件需要移动，即需要数控系统。3其他激光加工激光打标激光焊接播放激光热处理激光雕刻本章小节激光加工的原理和特点激光的产生激光的特性激光加工的基本设备激光加工工艺及应用电子束加工（简称EBM）和离子束加工（简称IBM）是近年来得到高速发展的新兴特种加工。这两种加工主要用于精细加工领域，尤其是微电子领域。第六章电子束和离子束加工利用高功率密度的电子束冲击工件时所产生的热能使材料熔化、气化的特种加工方法,简称为EBM。电子束加工是由德国的科学家K.H.施泰格瓦尔特于1948年发明的。第一节电子束加工1、电子束加工的基本原理：在真空中从灼热的灯丝阴极发射出的电子,在高电压(30～200千伏)作用下被加速到很高的速度，通过电磁透镜会聚成一束高功率密度的电子束。当冲击到工件时，电子束的动能立即转变成为热能，产生出极高的温度，足以使任何材料瞬时熔化、气化，从而可进行焊接、穿孔、刻槽和切割等加工。由于电子束和气体分子碰撞时会产生能量损失和散射，因此，加工一般在真空中进行.电子束加工原理图1—电源及控制系统2—抽真空系统3—电子枪系统4—聚焦系统5—电子束6—工件2、电子束加工的特点和应用电子束加工的主要特点是：①电子束能聚焦成很小的斑点(直径一般为0.01～0.05毫米)，适合于加工微小的圆孔、异形孔或槽;②功率密度高,能加工高熔点和难加工材料如钨、钼、不锈钢、金刚石、蓝宝石、水晶、玻璃、陶瓷和半导体材料等；③无机械接触作用，无工具损耗问题；④加工速度快,如在0.1毫米厚的不锈钢板上穿微小孔每秒可达3000个,切割1毫米厚的钢板速度可达240毫米／分。因此，电子束加工属于精细加工，加工范围广，加工质量好；生产率高；加工过程易于实现自动化。①由于使用高电压，会产生较强X射线，必须采取相应的安全措施；②需要在真空装置中进行加工；③设备造价高等。主要缺点是:3.电子束加工的应用1）高速打孔；2）加工型孔及特殊表面；3）刻蚀；4）焊接；5）热处理；6）电子束光刻第二节离子束加工1、离子束加工原理和特点离子束加工的物理基础是，当离子（正离子）束打击到材料表面上，会产生所谓撞击效应、溅射效应和注入效应，从而达到不同的加工目的。（撞击动能）离子束加工装置中的主要系统是离子源，如图是其中一种，称为考夫曼型离子源。离子束加工分类：1、离子刻蚀：0.5-5KeV氩离子倾斜原子剥离，（纳米加工）2、离子溅射沉积：0.5-5KeV氩离子倾斜轰击出靶材原子，垂直沉积在工件上。3、离子镀：0.5-5KeV氩离子同时轰击靶材和工件表面。目的：4、离子注入：5-500KeV离子束垂直轰击工件，离子注入表层，改变表层性质。考夫曼型离子源1—真空抽气口2—灯丝3—惰性气体注入口4—电磁线圈5—离子束流6—工件7—阴极8—引出电极9—阳极10—电离室2、离子束加工应用1）刻蚀加工；2）镀膜加工；3）离子注入加工。