特种加工__12第五、六章 激光加工与电子束、离子束加工

特殊加工技术，第五章激光加工，laserbeammaching(lbm )是1960年代初发展起来的新兴科学，可用于冲孔、切割、电子器件的微调、焊接、热处理、激光存储等，激光加工是光能通过透镜达到焦点高能量密度，光热效应激光加工不需工具，加工速度快，表面变形小，可加工各种材料。 为什么可以把激光用于加工？ 普通的太阳光会聚后，可以点燃木材和纸张，但不能用于加工。 原因如下：1)地面太阳光的能量密度不高；2 )太阳光不是单色光，而是聚焦后在同一平面内不受激光控制的单色光，强度高，能量密度大，能够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、激光发生原理激光加工的特点、一激光发生原理、光物理概念原子发射激光发生、光物理概念、光具有波动性和微粒子二象性的电磁学表明，光在一定波长范围内的电磁波根据量子学表明， 光是具有一定能量以光速运动的粒子流(光子)的电磁波光谱图、可见光光谱图、原子的发光、原子的激发、过渡基态下原子长时间存在，激发状态下原子的滞留时间短。 一些原子在一些能级停留的时间很长。 这些能级被称为能级稳定能级的存在是形成激光的重要条件原子的迁移以光子的形式为能量物质的发光自发放射和激发放射两种，激光的产生，具有某种能级稳定能级的物质通过外来光子的激发吸收光能， 当处于高能级的原子数将低能级原子数个粒子的数量反转时，光子的能量是与这两个能量对应的差，这是产生激发辐射、输出大量光能的双激光器特性，激光器具有光的共同性(反射、折射、衍射、干涉等) 所发出的光波的方向、相位、偏振状态不同。 激光被激发而发射，有组织，相互关联地发射，所发射的光波具有相同的频率、方向、偏振状态和严格的相位。 激光强度高，单色性好，相干性好，方向性好。 3激光加工的原理和特点，激光加工的原理在透镜聚焦后，焦点达到高能量密度，光能转化为热能，光热效应加工。 激光加工的特征1 )对焦时，激光功率密度高，光能变为热能，几乎可以溶解任何材料。 2 )激光光斑的大小可达到微米级，输出功率可调，可用于精密的微细加工。 3 )工具为激光束，无损耗，无接触，无明显机械力。 加工速度快，热影响区小，自动化容易，激光加工的原理和特点(续)，4 )加工装置比电子束简单5 )激光加工是瞬时、局部熔融、汽化的热加工，影响因素多。 难以保证微细加工时的精度，特别是重复精度和表面粗糙度。 由于光的反射作用，表面光泽和透明材料的加工需要先进的颜色化和打毛处理。 激光不能加工非常光泽的表面。 6 )加工中产生的金属气体和火星等飞散物必须注意通风。 操作人员必须佩戴防护眼镜。第二节激光加工的基本设备，激光加工机构激光的重要设备，将电能庄改为光能激光电源光学系统的焦点和瞄准系统的机械系统，是三坐标数控系统中常用的激光固体激光玻璃、钕玻璃、 掺钕铝石榴石的气体激光CO2、氩离子，应用于第三节激光加工技术，激光穿孔激光切割激光切割其他激光加工，激光穿孔主要影响因素是输出和照射时间的焦距和发散角焦点位置点内的能量分布多次照射工件材料焦点位置与孔的截面形状、光斑内的能量分布对冲孔品质的影响、光管效应(多次照射)、工件材料、不同材料吸收的光谱不同，因此需要根据材料选择激光。 表面粗糙度影响加工深度，双激光切割与激光穿孔基本相同，工件只需移动，需要数控系统。 3其他激光加工、激光打印激光焊接再生激光热处理激光雕刻、本章节、激光加工的原理和特征激光的特性激光加工的基本设备激光加工技术和应用，电子束加工(简称EBM )和离子束加工(简称IBM )是近年来发展迅速的新兴特殊加工。 这两种加工主要用于微加工领域，特别是微电子领域。 第六章电子束和离子束加工是利用高功率密度电子束撞击工件时产生的热能使材料熔融、汽化的特殊加工方法，简称EBM。 电子束加工是德国科学家K.H .史蒂格瓦尔特在1948年发明的。 第一节电子束加工、1、电子束加工的基本原理：真空中从灼热的灯丝阴极发射出的电子在高电压(30200千伏)下加速至非常快的速度，通过电磁透镜会聚成高输出密度的电子束。 撞击工件时，电子束的动能立即转化为热能，产生极高的温度，任何材料都能瞬间熔融、汽化，进行焊接、穿孔、开槽、切割等加工。 电子束与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-电源和控制系统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、电子束加工的特征和应用， 电子束加工的主要特点是电子束可聚焦成小斑点(直径一般为0.010.05 )，适用于微小圆孔、异形孔、槽的加工功率密度高，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， 能够加工半导体材料等没有机械接触作用，没有工具损失的问题加工速度快，在厚度0.1mm的不锈钢板上开细孔，每秒3000个，切厚度1mm的钢板的速度可达到240mm/分钟。 因此，电子束加工是微细加工，加工范围广，加工品质好，生产率高的加工工艺容易自动化。 使用高电压会产生强x射线，因此必须采取相应的安全对策需要用真空装置进行加工设备成本高。 主要缺点是：3，3 .电子束加工的应用1 )高速开孔2 )加工型孔及特殊表面3 )蚀刻4 )焊接5 )热处理6 )电子束光刻，第二节离子束加工，1 )离子束加工的原理和特征离子束加工的物理基础是离子(正离子)束在材料表面离子束加工装置的主要系统是离子源，图为其中之一，称为考夫曼型离子源。 离子束加工分类： 1、离子蚀刻：0.5-5KeV氩离子梯度原子剥离、(纳米加工) 2、离子溅射沉积：0.5-5KeV氩离子梯度碰撞靶原子与工件垂直堆积. 3、离子镀：0.5-5KeV的氩离子同时冲击靶和工件表面。 目的： 4、离子注入：5-500Ke