电子束离子束激光束加工

单击此处编辑母版标题样式,第七章 其他特种加工技术,电子束、离子束和激光束加工,1.1 电子束加工,1.加工原理,电子束加工是利用高速电子的冲击动能来加工工件的，如图1所示。在真空条件下，将具有很高速度和能量的电子束聚焦到被加工材料上，电子的动能绝大部分转变为热能，使材料局部瞬时熔融、汽化蒸发而去除。,图1 电子束加工原理,控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，就可以达到不同的加工目的。如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以进行电子束焊接；提高电子束能量密度，使材料熔化和汽化，就可进行打孔、切割等加工；利用较低能量密度的电子束轰击高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特点与应用,电子束加工的特点如下：,(1)电子束能够极其微细地聚焦(可达l0.1 m)，故可进行微细加工。,(2)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、汽化且机械力的作用极小，不易产生变形和应力，故能加工各种力学性能的导体、半导体和非导体材料。,(3)可通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦等进行控制，所以整个加工过程便于实现自动化。,(4)电子束的能量密度高，加工效率很高。,(5)加工在真空中进行，污染少，加工表面不易被氧化。,(6)电子束加工需要整套的专用设备和真空系统，价格较贵，故在生产中受到一定程度的限制。,3电子束加工的应用,1）高速打孔,目前电子束打孔的最小直径可达,0.003mm左右。例如喷气发动机套上的冷却孔，机翼的吸附屏的孔。在人造革、塑料上用电子束打大量微孔，可使其具有如真皮革那样的透气性。电子束打孔还能加工小深孔，如在叶片上打深度5mm、直径0.4mm的孔，孔的深径比大于10：1。,图2 电子束加工的异形孔,2）加工型孔及特殊表面,图3 电子束加工曲面、穿孔,3）刻蚀,在微电子器件生产中，为了制造多层固体组件，可利用电子束对陶瓷或半导体材料刻出许多微细沟槽和孔。如在硅片上刻出宽2.5,m，深0.25m的细槽，在混合电路电阻的金属镀层上刻出40m宽的线条。电子束刻蚀还可用于刻板，在铜制印刷滚筒上按色调深浅刻出许多大小与深浅不一样的沟槽或凹坑，其直径为70120m，深度为540m，小坑代表浅色，大坑代表深色。,4）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面时，使焊件接头处的金属熔融，在电子束连续不断地轰击下，形成一个被熔融金属环绕着的毛细管状的熔池，如果焊件按一定速度沿着焊件接缝与电子束作相对移动，则接缝上的熔池由于电子束的离开而重新凝固，使焊件的整个接缝形成一条焊缝。,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，焊件热影响区小，变形小。,5）热处理,电子束热处理也是把电子束作为热源，但适当控制电子束的功率密度，使金属表面加热而不熔化，达到热处理的目的。电子束热处理的加热速度和冷却速度都很高，在相变过程中，奥氏体化时间很短，只有几分之一秒乃至千分之一秒，奥氏体晶粒来不及长大，从而能获得一种超细晶粒组织，可使工件获得用常规热处理不能达到的硬度，硬化深度可达0.30.8mm。,1.2 离子束加工,1加工原理,离子束加工也是一种新兴的特种加工，它的加工原理与电子束加工原理基本类似，也是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速、聚焦后投射到工件表面的加工部位以实现加工的。所不同的是离子带正电荷，其质量比电子大数千倍乃至数万倍，故在电场中加速较慢，但一旦加至较高速度，就比电子束具有更大的撞击动能。离子束加工是靠微观机械撞击能量转化为热能进行的。,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。离子束加工可分为四类。,1)离子刻蚀,离子轰击工件，将工件表面的原子逐个剥离，又称离子铣削，其实质是一种原子尺度的切削加工。,2)离子溅射沉积,离子轰击靶材，将靶材原子击出，沉积在靶材附近的工件上，使工件表面镀上一层薄膜。,3)离子镀(又称离子溅射辅助沉积),离子同时轰击靶材和工件表面，目的是为了增强膜材与工件基材之间的结合力。,4)离子注入,离子束直接轰击被加工材料，由于离子能量相当大，离子就钻入被加工材料的表层。工件表面层含有注入离子后，就改变了化学成分，从而改变了工件表面层的机械物理性能。,2特点及应用,离子束加工有如下特点：,(1)离子束加工是目前特种加工中最精密、最微细的加工。离子刻蚀可达纳米级精度，离子镀膜可控制在亚微米级精度，离子注入的深度和浓度亦可精确地控制。,(2)离子束加工在高真空中进行，污染少，特别适宜于对易氧化的金属、合金和半导体材料进行加工。,(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件零件进行加工。,在目前的工业生产中，离子束加工主要应用于刻蚀加工(如加工空气轴承的沟槽，加工极薄材料等)、镀膜加工(如在金属或非金属材料上镀制金属或非金属材料)、注入加工(如某些特殊的半导体器件)等。,1)刻蚀加工,离子刻蚀是从工件上去除材料，是一个撞击溅射过程。当离子束轰击工件，入射离子的动量传递到工件表面的原子，传递能量超过了原子间的键合力时，原子就从工件表面撞击溅射出来，达到刻蚀的目的。,离子刻蚀用于加工陀螺仪空气轴承和动压马达上的沟槽，分辨率高，精度、重复一致性好。离子束刻蚀应用的另一个方面是刻蚀高精度的图形，如集成电路、光电器件和光集成器件等微电子学器件亚微米图形。,2)镀膜加工,离子镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种。离子镀膜附着力强、膜层不易脱落。这首先是由于镀膜前离子以足够高的动能冲击基体表面，清洗掉表面的占污和氧化物，从而提高了工件表面的附着力。其次是镀膜刚开始时，由工件表面溅射出来的基材原子，有一部分会与工件周围气氛中的原子和离子发生碰撞而返回工件。这些返回工件的原子与镀膜的膜材原子同时到达工件表面，形成了膜材原子和基材原子的共混膜层。而后，随膜层的增厚，逐渐过渡到单纯由膜材原子构成的膜层。混合过渡层的存在，可以减少由于膜材与基材两者膨胀系数不同而产生的热应力，增强了两者的结合力，是膜层不易脱落，镀层组织致密，针孔气泡少。,离子镀的可镀材料广泛，可在金属或非金属表面上镀制金属或非金属材料，各种合金、化合物、某些合成材料、半导体材料、高熔点材料等。,离子镀已用于镀制润滑膜、耐热膜、耐蚀膜、耐磨膜、装饰膜和电气膜等。用离子镀方法在切削工具表面镀氮化钛、碳化钛等超硬层，可以提高刀具的耐用度。,3)离子注入加工,离子注入加工是将所要注入的元素进行电离，并将正离子分离和加速，形成具有数十万电子伏特的高能离子流，轰击工件表面，离子因动能很大，被打入表层内，其电荷被中和，成为置换原子或晶格间的填隙原子，被留于表层中，使材料的化学成分、结构、性能产生变化。,离子注入可提高材料的耐腐蚀性能，改善金属材料的耐磨性能，提高金属材料的硬度，改善金属材料的润滑性能等。,1.3 激光束加工,1.激光加工的原理与特点,1)激光加工的原理,激光是一种强度高、方向性好、单色性好的相干光。由于激光的发散角小和单色性好，理论上可以聚焦到尺寸与光的波长相近的(微米甚至亚微米)小斑点上，加上它本身强度高，故可以使其焦点处的功率密度达到1071011 W/cm2，温度可达10 000以上。在这样的高温下，任何材料都将瞬时急剧熔化和汽化，并爆炸性地高速喷射出来，同时产生方向性很强的冲击。因此，激光加工(如图1所示)是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过程。,图1 激光加工示意图,2)激光加工的特点,激光加工的特点主要有以下几个方面：,(1)几乎对所有的金属和非金属材料都可以进行激光加工。,(2)激光能聚焦成极小的光斑，可进行微细和精密加工，如微细窄缝和微型孔的加工。,(3)可用反射镜将激光束送往远离激光器的隔离室或其它地点进行加工。,(4)加工时不需用刀具，属于非接触加工，无机械加工变形。,(5)无需加工工具和特殊环境，便于自动控制连续加工，加工效率高，加工变形和热变形小。,2.激光加工基本设备及其组成部分,激光加工的基本设备由激光器、导光聚焦系统和加工机(激光加工系统)三部分组成。,1)激光器,激光器是激光加工的重要设备，它的任务是把电能转变成光能，产生所需要的激光束。按工作物质的种类可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器四大类。由于He-Ne(氦氖)气体激光器所产生的激光不仅容易控制，而且方向性、单色性及相干性都比较好，因而在机械制造的精密测量中被广泛采用。而在激光加工中则要求输出功率与能量大，目前多采用二氧化碳气体激光器及红宝石、钕玻璃、YAG(掺钕钇铝石榴石)等固体激光器。,2)导光聚焦系统,根据被加工工件的性能要求，光束经放大、整形、聚焦后作用于加工部位，这种从激光器输出窗口到被加工工件之间的装置称为导光聚焦系统。,3)激光加工系统,激光加工系统主要包括床身、能够在三维坐标范围内移动的工作台及机电控制系统等。随着电子技术的发展，许多激光加工系统已采用计算机来控制工作台的移动，实现激光加工的连续工作。,3.激光加工的应用,1)激光打孔,随着近代工业技术的发展，硬度大、熔点高的材料应用越来越多，并且常常要求在这些材料上打出又小又深的孔，例如，钟表或仪表的宝石轴承，钻石拉丝模具，化学纤维的喷丝头以及火箭或柴油发动机中的燃料喷嘴等。这类加工任务，用常规的机械加工方法很困难，有的甚至是不可能的，而用激光打孔，则能比较好地完成任务。,激光打孔中，要详细了解打孔的材料及打孔要求。从理论上讲，激光可以在任何材料的不同位置，打出浅至几微米，深至二十几毫米以上的小孔，但具体到某一台打孔机，它的打孔范围是有限的。所以，在打孔之前，最好要对现有的激光器的打孔范围进行充分的了解，以确定能否打孔。,激光打孔的质量主要与激光器输出功率和照射时间、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因素有关。在实际加工中应合理选择这些工艺参数。,2)激光切割,激光切割(如图2所示)的原理与激光打孔相似，但工件与激光束要相对移动。在实际加工中，采用工作台数控技术，可以实现激光数控切割。,激光切割大多采用大功率的CO,2,激光器，对于精细切割，也可采用YAG激光器。,激光可以切割金属，也可以切割非金属。在激光切割过程中，由于激光对被切割材料不产生机械冲击和压力，再加上激光切割切缝小，便于自动控制，故在实际中常用来加工玻璃、陶瓷、各种精密细小的零部件。,图2 CO,2,气体激光器切割钛合金示意图,激光切割过程中，影响激光切割参数的主要因素有激光功率、吹气压力、材料厚度等。,3)激光打标,激光打标是指利用高能量的激光束照射在工件表面，光能瞬时变成热能，使工件表面迅速产生蒸发，从而在工件表面刻出任意所需要的文字和图形，以作为永久防伪标志(如图3所示)。,图3 振镜式激光打标原理,激光打标的特点是非接触加工，可在任何异型表面标刻，工件不会变形和产生内应力，适于金属、塑料、玻璃、陶瓷、木材、皮革等各种材料；标记清晰、永久、美观，并能有效防伪；标刻速度快，运行成本低，无污染，可显著提高被标刻产品的档次。,激光打标广泛应用于电子元器件、汽(摩托)车配件、医疗器械、通讯器材、计算机外围设备、钟表等产品和烟酒食品防伪等行业。,4)激光焊接,当激光的功率密度为105107 W/cm2，照射时间约为1/100 s左右时，可进行激光焊接。激光焊接一般无需焊料和焊剂，只需将工件的加工区域“热熔”在一起即可，如图4所示。,激光焊接速度快，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，还可透过玻璃进行焊接。,图4 激光焊接过程示意图,5)激光表面处理,当激光的功率密度约为103105 W/cm2时，便可实现对铸铁、中碳钢，甚至低碳钢等材料进行激光表面淬火。淬火层深度一般为0.71.1 mm，淬火层硬度比常规淬火约高20%。激光淬火变形小，还能解决低碳钢的表面淬火强化问题。图5为激光表面淬火处理应用实例。,图5 激光表面强化处理应用实例,6)