高能束及复合加工技术.doc

第 三 章 高 能束及复合加工技 术一、概述1)高能束加工技术：利用高能量密度的束流作为热源，对材料或构件进行加工的先进的特种加工技术。包括焊接、切割、打孔、喷涂、表面改性、刻蚀和精细加工等各类工艺方法，并已扩展到新型材料制备领域。高能束加工技术利用高能束热源、高能量密度、可精密控制微焦点和高速扫描的技术特性，实现对材料和构件的深穿透、高速加热和高速冷却的全方位加工。高能束加工技术正朝着高精度、大功率、高速度和自动控制的方向发展。二激光加工三 电子束和离子束加工四磨料水射流加工五超声波复合加工一、概述1、常用的高能密度束流加工方法 :激光加工、电子束加工、离子束加工等。2、技术背景高新技术产品要求：高比强度，高精度、工作速度、功率，小型化，恶劣环境下可靠工作；传统机械加工难以胜任结构形状的复杂性、材料的可加工性、加工精度及表面完整性方面的要求。3、HEBM加工技术的应用广泛应用于焊接、切割、打孔和涂覆加工在表面改性、微细加工和新材料制备领域开拓和应用。4、复合加工及其应用1）复合加工应用机械、化学、光学、电力、磁力、流体力学和声波等多种能量，在加工过程中同时运用两种或者多种加工方法，通过不同的作用原理对加工部位进行改性和去除的加工技术。2）提高了加工效率，生产率一般大大高于单独用各种加工方法的生产率之和。3）在提高加工效率的同时，又兼顾了加工精度、加工表面质量和工具损耗等。2、 激光加工1、 激光 ： 受激辐射的光放大电子只有在最靠近原子核的轨道上转动时才是稳定的，称为“基态”。光照射或用高温或高压电厂激发原子，最外层电子激发到高能阶，称为“激发态”。原子从高能阶落到低能阶的过程称为“跃迁”。2、激光的特性方向性好：光束几乎在一条直线上传播,发散角几毫弧度单色性好: He-Ne激光的谱线宽度约2X10-9 nm相干性好：He-Ne的相干长度200Km，而普通光源中最好的氪灯为0.78m高亮度：普通激光的亮度比太阳高100亿倍可调谐：通过改变腔长可改变波长可调制：振幅、偏振方向及频率等参数可以调制（光通信采用）能量可压缩：激光脉冲的持续时间可以短到皮秒、飞秒、阿秒。3、激光加工原理激光加工（laser beam machining，LBM）是利用材料在在激光聚焦照射下瞬时急剧熔化和气化，并产生很强的冲击波，使被熔化的物质爆炸式地喷溅来实现材料去除的加工技术。是一种在光热效应下产生的高温熔融和冲击波的综合作用过程。激光加工是通过光学系统将激光束聚焦成尺寸与光波波长相近的极小光斑，其功率密度可达1071011w/cm2，温度可达一万摄氏度，将材料在瞬间（10-3s）熔化和蒸发，工件表面不断吸收激光能量，凹坑处的金属蒸汽迅速膨胀，压力猛然增大，熔融物被产生的强烈冲击波喷溅出去。2、复合加工及其应用复合加工应用机械、化学、光学、电力、磁力、流体力学和声波等多种能量，在加工过程中同时运用两种或者多种加工方法，通过不同的作用原理对加工部位进行改性和去除的加工技术。提高了加工效率，生产率一般大大高于单独用各种加工方法的生产率之和。在提高加工效率的同时，又兼顾了加工精度、加工表面质量和工具损耗等。 电子只有在最靠近原子核的轨道上转动时才是稳定的，称为“基态”。光照射或用高温或高压电厂激发原子，最外层电子激发到高能阶，称为“激发态”。原子从高能阶落到低能阶的过程称为“跃迁”。4、原子的辐射5、激光加工过程激光加工过程一般分为四个阶段：1）.激光束照射材料2）.材料吸收光能3）.光能转变为热能使材料加热4）.经由熔融和气化使材料去除或破坏。6、激光加工的特点1）激光加工属非接触加工，无明显机械力，也无工具损耗，工件不变形，加工速度快，热影响区小，可达高精度加工，易实现自动化。2）因功率密度是所有加工方法中最高的，所以不受材料限制，几乎可加工任何金属与非金属材料。3）激光加工可通过惰性气体、空气或透明介质对工件进行加工，如可通过玻璃对隔离室内的工件进行加工或对真空管内的工件进行焊接。4）激光可聚焦形成微米级光斑，输出功率大小可调节，常用于精密细微加工，最高加工精度可达0.001mm，表面粗糙度Ra值可达0.40.1。5）能源消耗少，无加工污染，在节能、环保等方面有较大优势。7、激光器激光器是激光加工设备的核心，它能把电能转换成光能，获得方向性好、能量密度高、稳定的激光束输出。激光器可分为：固体、气体、液体、半导体及自由电子激光器，常用的激光器有固体和气体两大类。8、激光打孔激光打孔主要用于特殊材料或特殊工件上的孔加工，如仪表中的宝石轴承、陶瓷、玻璃、金刚石拉丝模等非金属材料和硬质合金、不锈钢等金属材料的细微孔的加工。激光打孔效率非常高，功率密度通常为107108W/cm2，打孔时间甚至可缩短至传统切削加工的百分之一以下，生产率大大提高。激光打孔的尺寸公差等级可达IT7，表面粗糙度Ra值可达0.160.08。9、激光切割激光切割是利用聚焦后的高功率密度（105107w/cm2），激光束连续照射工件，光束能量以及活性气体辅助切割过程附加的化学反应热能均被材料吸收，引起照射点材料温度急剧上升，到达沸点后材料开始汽化，并形成孔洞，且光束与工件相对移动，使材料形成切缝，切缝处熔渣被一定压力的辅助气体吹除。激光切割是激光加工中应用最广泛的，其切割速度快、质量高、省材料、热影响区小、变形小、无刀具磨损、无接触能量损耗，噪音小，易实现自动化，且还可穿透玻璃切割真空管内的灯丝，不足之处是一次性投资较大，且切割深度受限。10、激光束焊接 激光束焊接是以聚集的激光束作为能源的特种熔化焊接方法。焊接用激光器有YAG固体激光器和CO2气体激光器，此外还有CO激光器、半导体激光器和准分子激光器等。激光器利用原子受激辐射的原理，使物质受激而产生波长均一，方向一致和强度非常高的光束。经聚焦后，激光束的能量更为集中，能量密度可达105-107W/cm2。如将焦点调节到焊件结合处，光能迅速转换成热能，使金属瞬间熔化，冷却凝固后成为焊缝。钢板11、激 光 打 标 /雕 刻12、激光打孔的典型值：几十到200 um，最小25um2000年以前全世界400多台激光钻孔打标设备，其中300台在日本13、激光表面热处理当激光能量密度在103105w/cm2左右时，对工件表面进行扫描，在极短的时间内加热到相变温度（由扫描速度决定时间长短），工件表层由于热量迅速向内传导快速冷却，实现了工件表层材料的相变硬化（激光淬火）。与其它表面热处理比较，激光热处理工艺简单，生产率高，工艺过程易实现自动化。一般无须冷却介质，对环境无污染，对工件表面加热快，冷却快，硬度比常温淬火高约15%20%；耗能少，工件变形小，适合精密局部表面硬化及内孔或形状复杂零件表面的局部硬化处理，但激光表面热处理设备费用高，工件表面硬化深度受限，因而不适合大负荷的重型零件。三、电子束和离子束加工1、电子束加工在真空条件下，利用电子枪中产生的电子经加速、聚焦后能量密度为106109w/cm2的极细束流高速冲击到工件表面上极小的部位，并在几分之一微秒时间内，其能量大部分转换为热能，使工件被冲击部位的材料达到几千摄氏度，致使材料局部熔化或蒸发，来去除材料。也可以利用能量密度较低的电子束轰击高分子材料，使其分子链切断或重新聚合，从而使高分子材料的化学性质和分子量 产生变化，进行加工。2、电子束加工应用3、电子枪4、电子束加工装置5、发射枪6、真空系统7、控制系统8、電子束加工的特點能量使用率可高達90電子束的直徑能夠聚焦到0.1m於真空腔中進行，污染少，材料加工表面不氧化利用磁場或電場對電子束，強度、位置、聚焦等直接控制可使材料衝擊部位的溫度超過材料的熔化和氣化溫度，使材料瞬時蒸發需要一套專用設備和真空系統，價格較貴9、电子束加工方法1）、 电 子 束 焊 接2）、 电 子 束 打 孔3）、 电 子 束 切 割4）、 电 子 束 表 面 改 性5）、 电 子 束 曝 光6）、 电 子 束 刻 蚀10、电子束焊接优点聚集的高速電子衝擊工件接縫處，使金屬迅速熔化和蒸發銲縫深寬比大，可達 60:1在真空中可以進行遠距離的焊接銲接速度快，熱影響區小可實現複雜接縫的自動銲接防止熔化金屬受到氧、氮等有害氣體的影響11、电子束焊接缺点易受電磁場干擾銲接時會產生X射線，有害人體被焊工件尺寸和形狀受到工作室的限制銲接前對接頭加工、裝配要求嚴格設備複雜，比較昂貴12、电子束打孔电子束打孔应用不锈钢、耐热钢、宝石、陶瓷、玻璃等各种材料上的小孔、深孔。最小加工直径可达0.003mm，最大深径比可达10。像机翼吸附屏的孔、喷气发动机套上的冷却孔，此类孔数量巨大（高达数百万），且孔径微小，密度连续分布而孔径也有变化，非常适合电子束打孔，塑料和人造革上打许多微孔，令其象真皮一样具有透气性。一些合成纤维为增加透气性和弹性，其喷丝头型孔往往制成异形孔截面，可利用脉冲电子束对图形扫描制出。还可凭借偏转磁场的变化使电子束在工件内偏转方向加工出弯曲的孔，13、电子束切割 可对各种材料进行切割，切 口 宽 度 仅 有 3 6m 。利用电子束再配合工件的相对运动，可加工所需要的曲面。14、离子束加工 离子束加工（IBM）是在真空条件下利用离子源（离子枪）产生的离子经加速聚焦形成高能的离子束流投射到工件表面，使材料变形、破坏、分离以达到加工目的。因为离子带正电荷且质量是电子的千万倍，且加速到较高速度时，具有比电子束大得多的撞击动能，因此，离子束撞击工件将引起变形、分离、破坏等机械作用，而不像电子束是通过热效应进行加工。15、離子束加工主要特點16、離子束加工的基本原理離子束加工是在真空條件下，先由電子槍產生電子束，再引入已抽成真空且充滿惰性氣體之電離室中，使低壓惰性氣體離子化。由負極引出陽離子又經加速、集束等步驟，最後射入工件表面。 离子束加工主要特点：適於加工易氧化金屬，合金材料和半導體材料採 微量加 工方式 ，故加工應力 、熱變形等極小、加工精度高加工的精度非常高； 離子蝕刻可達毫微米 (0.00l m)級加工精度離子鍍膜可控制在次微米級精度成本高，加工效率低，但可進行自動化加工17、离子束加工的应用1）、离子蚀刻2）离子镀膜3）离子溅射沉积4）离子注入18、離子束蝕刻加工当所带能量为0.15keV、直径为十分之几纳米的的氩离子轰击工件表面时，此高能离子所传递的能量超过工件表面原子（或分子）间键合力时，材料表面的原子（或分子）被逐个溅射出来，以达到加工目的。这种加工本质上属于一种原子尺度的切削加工，通常又称为离子铣削。离子束刻蚀可用于加工空气轴承的沟槽、打孔、加工极薄材料及超高精度非球面透镜，还可用于刻蚀集成电路等的高精度图形。四、高压水射流加工水射流加工技术起源“水滴石穿”体现了在人们眼中秉性柔弱的水本身潜在的威力.作为一项独立而完整的加工技术高压水射流(Waterjet, WJ)、磨料水射流(Abrasive Waterjet, AWJ)的产生却是最近三十年的事.利用高压水为人们的生产服务始于十九世纪七十年代左右，用来开采金矿，剥落树皮直到二战期间，飞机运行中“雨蚀”使雷达舱破坏这一现象启发了人们思维。直到本世纪五十年代，高压水射流切割的可能性才源于苏联，但第一项切割技术专利却在美国产生，即1968年由美国密苏里大学林学教授诺曼弗兰兹博士获得。在最近十多年里，水射流(WJ、AWJ)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。许多大学、公司和工厂竞相研究开发，新思维、新理论、新技术不断涌现，形成了一种你追我赶的势头。目前已有3000多套水射流切割设备在数十个国家几十个行业应用，尤其是在航空航天、舰船、军工、核能等高、尖、难技术上更显优势。高压水射流切割技术已可用于切割500余种材料，其设备年增长率超过20。高压水射流切割是近些年来国际上兴起的一项高科技冷加工切割技术。高压水射流是将普通自来水通过高压泵加压到数百乃至数千大气压力，然后通过特殊的喷嘴（孔径只有1-2毫米），以极高的速度（200-500米/秒）喷出的一股能量高度集中的水流。这一股一股的小水流如同小子弹一样具有巨大的打击能量，它能够进行钢板和钢筋混凝土的切割、铸件清砂、金属除锈、破碎岩石作业以及石油钻井等方面。 高压磨料水切割机在作为切割工具的一种在今后的冷加工工程中将发挥越来越重要的作用。研究涉及到材料学、机械设计学、液压技术等多门学科的综合应用，集中反映了水压切割的许多关键技术难点，其相关基础理论的研究成果将对冷加工技术的发展起到积极的推动作用，具有十分重要的意义。由于水具有腐蚀性强、粘性低、润滑性差、汽化压力高等特点，要研制出高性能的水切割机，必须解决各类摩擦副的腐蚀、磨损、疲劳破坏、气蚀冲击等严重问题。1、高压水射流基本原理高压水射流是运用液体增压原理，通过特定的装置（增压泵或高压泵）,将动力源(电动机)的机械能转换成压力能，具有巨大压力能的水在通过小孔喷嘴(又一换能装置)，再将压力能转变成动能，从而形成高速射流(WJ)。因而又常叫高速水射流。2、 高压水射流加工之特点冷加工1.作為切割介質的水具有良好的散熱性，並對發熱工件具有冷卻作用。2.工件切口處的溫度小，不會造成工件的燒蝕、氧化及金相組織變化，被切工件無熱變形和熱影響區，亦沒有熔渣和鑄層產生。3. 不會起火爆炸或產生危險氣體。點切割1.切割可以在任意點開始和停止切削。2.工件切縫很窄 (0.075 0.40mm)，切割造成的材料損耗少，適於切割各種貴重材料。3.切縫寬度均勻、細窄。4.可進行穿孔、修邊、雕花等多種切割。作 用 力小1.射流穿透力強，有效切割易變形材料，如海綿、橡膠製品。2.側向作用力小，避免產生切口變形。3.可高效率地切割各種非金屬複合材料、蜂窩結構材料，以及泡沫塑料和波紋紙板、石棉瓦等特殊材料。4. 可切割銅、鉛、鋁等薄軟金屬，及塑料、木材和紙張等非金屬材料。綜 合 使用性1.切割不同硬度合成材料時，可去除軟的部位，保留硬的部分。2.通過控制水壓，可進行切割深度調整並完成切割、清洗作業。3.切割的廢液可排屑、故無灰塵、無污染。4. 加工精度較高， 一般可達 0.0750 075 0.1mm0 1mm。安 全 、方便、高效率1.用水切割時無任何有害氣體或物質產生。2.操作簡單。3.噴嘴和加工表面無機械接觸，可用於高速加工。4.可透過數控進行複雜形狀的自動加工。成本低1.加工液 水的費用低，在缺水的情況下可循環使用。2.噴嘴等零件可在清洗後重複使用。3.設備維護費低。3、切除与切断机理高速射流本身具有较高的刚性，在与靶物碰撞时，产生极高的冲击动压(p=vc)和涡流的形成，从微观上看相对于射流平均速度存在着超高速区和低速区(有时可能为负值)，因而高压水射流表面上虽为圆柱模型，而内部实际上存在刚性高和刚性低的部分，刚性高的部分产生的冲击动压使传播时间也减少，增大了冲击强度，宏观上看起快速楔劈作用，而低刚度部分相对于高刚度部分形成了柔性空间，起吸屑、排屑作用，这两者的结合正好象使得其切割材料时犹如一把轴向“锯刀”加工。 高速水射流破坏材料的过程是一个动态断裂过程，对脆性材料(如岩石)等主要是以裂纹破坏及扩散为主；而对塑性材料符合最大的拉应力瞬时断裂准则，即一旦材料中某点的法向拉应力达到或超过某一临界值y时，该点即发生断裂。根据弹塑性力学，动态断裂强度与静态断裂强度相比要高出一个数量级左右，主要是因为动态应力作用时间短，材料中裂纹来不及发展，因而这个动态断裂不仅与应力有关，还与拉伸应力的作用时间相关。4、高压水射流 (WJ、AWJ)切割应用范围高压水射流切割是利用具有很高动能的高速射流进行的(有时又称为高速水射流加工)与激光、离子束、电子束一样是属于高能束加工范畴。高压水射流切割作为一项高新特技术在某种意义上讲是切割领域的一次革命，有着十分广阔的应用前景，随着技术的成熟及某些局限的克服，对其它切割工艺是一种完美补充。目前其用途和优势主要体现在难加工材料方面：如陶瓷、硬质合金、高速钢、模具钢、淬火钢、白口铸铁、钨钼钴合金、耐热合金、钛合金、耐蚀合金、复合材料（frm、frp等）、锻烧陶瓷、高速钢（hrc30以下）、不锈钢、高锰钢、模具钢和马氏体钢（hrc30）、高硅铸铁、可锻铸铁等一般工程材料，高压水射流除切割外，稍降低压力或增大靶距和流量还可以用于清洗、破碎、表面毛化和强化处理。在美国，几乎所有的汽车和飞机制造厂都有应用。目前已在以下行业获得成功应用：汽车制造与修理、航空航天、机械加工、国防、军工、兵器、电子电力、石油、采矿、轻工、建筑建材、核工业、化工、船舶、食品、医疗、林业、农业、市政工程等方面。5、应用前景五、超声波加工超声波加工 Ultrasonic Machining (USM)1、超声波2、超声波加工原理3、超声波加工装备4、超声波加工应用1、声波 声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。超声波是指振动频率大于20KHz以上的，人在自然环境下无法听到和感受到的声波。频率高于人的听觉上限（约为20000赫）的声波，称为超声波，或称为超声。2、超声波具有如下特性：1）超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。2）超声波可传递很强的能量。3）超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。4）超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。3、超声效应当超声波在介质中传播时，由于超声波与介质的相互作用，使介质发生物理的和化学的变化，从而产生一系列力学的、热的、电磁的和化学的超声效应。机械效应。超声波的机械作用可促成液体的乳化、凝胶的液化和固体的分散。空化作用。超声波作用于液体时可产生大量小气泡。热效应。由于超声波频率高，能量大，被介质吸收时能产生显著的热效应。化学效应。超声波的作用可促使发生或加速某些化学反应。4、超声波加工原理 超 声 波 加 工 （ ultrasonicmachining，USM）是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种加工方法。超声波加工是磨料在超声波振动作用下的机械撞击和抛磨作用与超声波空化作用的综合结果，其中磨料的连续冲击是主要的。5、超声波加工基本原理电振荡转换为超声机械振动振幅放大至0.050.1mm工具推动磨料冲击工件冲击、抛磨、空化现象的综合切蚀作用6、超声波加工设备7、超声波加工设备历史超声机械加工的原理在1927年就有记录，超声波工艺技术的第一次有用的描述直到在大约1940年，才在工业文献上出现。从那时以来 ，超声机械加工已经吸引了大量的注意，并且已经发现在相当广的范围内进入工业领域。在1953-1954年，第一个超声机械工具已经建立起来，它多数是基于钻和铣的机器。大约1960年，有了用于各种用途的各种类型和尺寸的超声机械加工工具，并且已经开始进入正常生产。8、超声波发生器作用：将工频交流电转换为超声频电振荡9、超声振动系统作用：将超声频电振荡信号转换为超声频机械振动能，经变幅杆推动工具作高频振动10、超声波换能器作用：将超声频电振荡信号转换为超声频机械振动分类 ：压电式换能器（利用压电效应制成）磁致伸缩式换能器（利用磁致伸缩效应制成）12、磁致伸缩效应镍、铁钴钒合金、铝铁合金或铁氧体等铁磁材料在磁场强度变化下发生形变。或者相反的情况。13、压电效应石英晶体、钛酸钡（BaTiO3）陶瓷、锆钛酸铅（ZrPbTiO3）压电陶瓷等物质受外力变形时，在界面上产生电势。或者相反的情况。14、扩大振幅的原因通过变幅杆任一截面的振动能量不变（传播损耗不记）截面小的地方能量密度大能量密度与振幅的平方成正比15、工具作用：推动磨料和悬浮液冲击工件表面，加工出形状和尺寸材料：45 钢、碳素工具钢一般硬脆材料硬质合金、淬火钢加工精度高金刚石镀覆 特殊要求16、工作液和磨料工作液：常用、效果较好水表面质量要求高 煤油或机油17、磨料：碳化硼、碳化硅或氧化铝生产率要求高颗粒大加工精度、表面质量要求高颗粒18、超声波加工应用型腔、型孔成型加工：加工各种硬脆材料的圆孔、型孔、型腔、沟槽、异形贯通孔、弯曲孔、微细孔、套料等。其加工精度和表面质量优于电火花和电解加工。19、超声波切割加工 超声切割硬脆性材料，比用金刚石刀具切割具有切片薄、切口窄、精度高、生产率高、经济性好的优点切割单晶硅片示意图，一次可切割10-20片20、超声波焊接加工利用超声频作用，去除氧化膜，在两个被焊工件表面分子的高速振动撞击下粘结在一起焊接尼龙、塑料、铝制品，在陶瓷等表面涂覆熔化的金属涂层焊接一般很难焊接的稀有金属，如钛、钼、钍、锝等21、超声波复合加工超声加工有它的应用特点、范围和加工局限性在一个加工过程中运用两种或两种以上不同类型的加工方法，使之相辅相成，优势互补，此即复合加工和超声波加工相结合的复合加工主要有：超声放电加工、超声电解加工、超声振动切削加工、超声激光加工超声振动切削加工辅以超声振动的以切削或磨削为主的复合加工