高能束加工技术详解

高能束加工

知识目标

了解高能束加工的特点；

理解激光产生的原理：

掌握激光特性及激光加工的原理与特点：

理解电子束和离子束加工的原理。

技能目标

理解激光加工设备的组成；

掌握激光加工的应用；

熟悉电了束和离了束加工的原理及应用。

任务一熟悉激光加工的应用

任务描述

激光加工(LBM)是利用激光经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度，靠光热

效应来加各种材料的。激光加工已经在生产实践中愈来愈多地显示其优越性，很受人们的重

视。图4-1-1所示为激光加工的各种应用。

(a)激光打孔(b)激光切割

(c)激光打标(b)激光焊接

S4-1-1激光加工的应用

任务分析

激光具有方向性、相干性、单色性好和光强度高的特点，因此，激光加工可以用于打孔、

切割、电子器件的微调、焊接、热处理以及激光存储等各个领域C

知识准备

一、高能束加工

高能束加工是利用被聚焦到加工部位上的高能密度束流去除工件上多余材料的加工方

法。常用的高能密度束流加工方法主要有激光加工、电子束加工、离子束加工等。

高能密度束流加工的特点如下。

(1)加工速度快，热流输入少，对工件热影响极小，工件变形小。

(2)束流能够聚焦且有极高的能量密度，激光加工、电子束加工可使高硬度、难熔的

材料在瞬间熔融汽化，而离子束加工是以极大能量撞击零件表面，使材料变形、分离破坏。

(3)工具与工件不接触，无工具变形及损耗问题。

(4)束流控制方便，易实现加工过程的自动化.

二、激光的产生及特性

人们曾用透镜将太阳光聚焦，把纸张、木材引燃，但无法用作材料加工。其主要原因：

地面上太阳光的能量密度不高；太阳光不是单色光，而是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫多种

不同波长的多色光，聚焦后焦点并不在同一平面内。

激光是可控的单色光，强度高、能量密度大，可以在空气介质中高速加工各种材料。I960

年美国研制成功世界上第一台可用「加工的激光器。目前激光加工已成为一种重要的新兴产

业，激光加工技术已广泛用于机械工业、电子工业、国防和人民生活等许多领域

激光最初被译为“莱塞"，即英语“Laser"，是"Lighiamplificationbystimulatedemission

ofradiation”（译为“辐射的受激发射光放大”）的缩写。20世纪60年代初期，钱学森建议,

把“光受激发射器”改称为“激光”或“激光器”。

世界上第一台红宝石激光器由美国科学家梅曼于I960年研制成功，随后各种激光器不

断涌现，我国科学家王之江于1961年在长春光机所研究成功我国第一台激光器。激光器作

为20世纪四大发明之一，为人们科学研究、生产提供了新的方法，也给人类的生活带来了

很大方便，特别在是进入2（）世纪80年代以来，激光加工技术在工业上获得广泛的应用，成

为工业上不可缺少的一种方法。

1.激光的产生

原子是由一个带正电的原子核和围绕它运动的Z个电子组成「就像太阳系一样，原子

核相当于太阳，电子相当于周围的行星。电子公转轨道称为电子壳层，不同的电子壳层的电

子能量E不相同,从而形成了分立的能级结构,电子在不同能级之间发生跃迁,就会伴随

光的吸收或发射。

I）光的自发辐射

由于电子在原子外层的分布不同，具有不同的内部能量，从而形成能级。若原子处于内

部能量最低的状态，则称原子处于基态。其他比基态能量高的状态，都称为激发态。在热平

衡情况下，绝大多数原子都处于基态。处于基态的原子，从外界吸收能量以后，将跃迁到能

量较高的激发态。

当原子被激发到高能级E?时，它在高能级上是不稳定的，即使在没有任何外界作用的

情况下，它也有可能从高能级&跃迁到低能级用，并把相应的能量释放出来，如图4-1-2

所示。这种在没有外界作用的情况下，原子从高能级向低能级跃迁过程中释放的能量通过光

辐射形式放出，这种跃迁过程称为自发辐射。

区一•---------4纥——O——

自发再射光=加£~后

居---------------仆身—育—

图4.1-2光的自发辐射

2）光的受激吸收

当原子受到外来能量为6的光子作用（激励）时，处于低能级片上的原子由于吸收一

个能最为的光子而受到激发，跃迁到高能级G上去，这种过程称为光的受激吸收，如图

4-1-3所示。

卜・；--------------------n2E?

（»

入射光hv=E2£（原子状迁

Ei-----•-------/E[--------Q------

图4.1.3光的受激吸收

3）光的受激辐射

当原子受到外来能量为的光子作用（激励）时，处在高能级马上的原子也会在能量

为/”的光子诱发下，从高能级巳跃迁到低能级用，这时原子发射一个与外来光子一模一

样的光子，这种过程称为光的受激辐射，如图4-1-4所示。

E,------•--------.邑-------Q-

|入射光hv=E2-E]

入射光hv=Ei-E].受激辐射光hv=E?-Ei

&------------------勺刍---------j-----

图4.1-4光的受激辅射

2.激光的特性

激光首先也是一种光，具有普通光的特性，如反射、折射、绕射和相干特性。除此之外，

还具有•些独特的性能，如单色性好、相干性好、方向性好和能量密度高等。激光的这些特

性不是彼此独立的，实际上，正是由于激光的受激辐射本质决定了它是一个相干光源，因此

其单色性和方向性好，能量集中。

1）单色性

激光具有其他光源的光所难以达到的、极高的单色性，这是由于构成激光的谐振腔的反

射镜具有波长选择性，并且利用原子固有能级跃迁的结果。激光是受激发射的，它的频率宽

度很窄，比普通光源（如鼠灯）的频率宽度要窄几个数量级。因此，激光单色性比普通光源

单色性要好得多。

2）方向性

光源的方向性由光束的发散角〃来描述，普通光源发出的光是各向传播的，发散角很大，

激光的发散角却很小，它几乎是一束平行光。在各类激光器中，气体激光器的方向性最好，

固体激光器次之，半导体激光器最差。

3）相干性

相干性是区别激光与普通光源的重要特性。当两列振动方向相同、频率相同、相位固定

的单色光叠加后，光的强度在叠加区域不是均匀分布的，而是在一些地方有极大值，一些地

方有极小值。这种在叠加区域出现的强度稳定的强弱分布现象称为光的干涉现象，即这两列

光波具有相干性。在普通光源中，各发光中心是自发辐射，彼此相互独立，基本上没有相位

关系，因此很难有恒定的相位差，相干性很差；而激光是受激辐射占优势，加上谐振腔的作

用，各发光中心相互联系密切，在较长时间内有恒定的相位差，能形成稳定的干涉条纹，所

以激光的相干性好。

激光束的方向性和空间相干性对它的聚焦性能有重要影响。

4）高密度

激光束和其他光束一样，可以通过凸镜或金属反射镜加以聚焦。经聚焦后，可以将激光

的巨大能曷聚焦到直径为光波波长量级的光斑上，形成极高的能量密度，可达到IO5-1O13W

/cm2的功率密度c

三、激光加工的原理与特点

1.激光加工的原理

激光加工的原理如图4-1-5所示。

通过光学系统可将激光束聚焦成直径为几十微米到几微米的极小光斑，从而获得极高的

能量密度（lOLlOiOW/cn?）。激光束照射到工件表面上时，光能被工件吸收并迅速转化成

热能（焦点温度高达10000℃以上），使照射斑点处局部区域温度迅速升高，将材料瞬间熔

化和蒸发，工件表面不断吸收激光能量，凹坑处的金属蒸气迅速膨胀，压力猛然增大，熔融

物被产生的强烈冲击波喷溅出去。

激光蚀除加工的物理过程大致可分为材料对激光的吸收和能量转换，材料的加热熔化、

气化，蚀除产物的抛出等连续过程。

1）材料对激光的吸收和能量转换

激光入射到材料表面上的能量，其中一部分被材料吸收用于加工，另一部分能量被反射、

透射等损失掉。材料对激光的吸收与波长、材料性质、温度、表面状况、偏振特性等因素有

关。

对于一般激光加工，均可认为材料吸收的光能向热能的转换是瞬间发生的。在这个瞬间，

热能仅作用于材料的激光辐照区，随后通过热传导使热量由高温区流向低温区。

2）材料的加热熔化、气化

材料吸收激光能并转化为热能后，其受射区的温度迅速升高。开始时，蒸气在大的立体

角范围内，逐渐形成深的圆坑，圆坑形成之后，蒸气便以一条较细的气流喷出，这时熔融材

料也伴随着蒸气流溅出。

3）蚀除产物的抛出

由自激光束照射加工区域内材料的瞬时急剧熔化、气化作用，加工区内的压力迅速增加，

并产生爆炸冲击波，使金属蒸气和熔融产物高速地从加工区喷射出来，熔融产物高速喷射时

所产生的反冲力，又在加工区形成强烈的冲击波，进一步加强了蚀除产物的抛出效果,

2.激光的加工特点

激光加工具有以下特点。

（1）激光加工属于高能束加工，其能量密度高，加工的热作用时间短，热影响区小，

几乎可以加工任何材料。

（2）激光加工不需要工具，无明显机械力，不存在工具损耗，加工速度快，热影响区

小，便丁组织自动化生产。并且激光可以通过聚焦形成微米级的光斑，输出功率可以调节，

因此，激光加工可用于精密微细加工。

（3）加工方法多、适应性强。在同一台设备上可完成切割、打孔、焊接、表面处理等

多种加工，既可分步加工，又可在几个工位同时进行加工。可加工各种材料，包括高便度、

高熔点、高强度及脆性、柔性材料。既可在大气中加工，也可在真空中进行加工。激光可通

过玻璃等透明材料进行加工，如可对真空管内部进行激光焊接加工。

（4）加工精度高，质量好。平均加工精度为0.01mm,最高加工精度为0.001mm,表

面粗糙度可达0.卜0.4pm。对微型陀螺转子，采用激光动平衡技术，其平衡精度可达百

分之一或千分之几微米的质量偏心值。

（5）加工效率高，经济效益好。在某些情况下，用激光切割可提高效率8〜20倍，用激

光进行深熔焊接的生产效率比传统方法提高了30倍。用激光微调薄膜电阻，可使加工效率

提高1000倍，精度提高10~100倍。用激光强化电镀，其金属沉积率可提高100（）倍。金刚

石拉丝模用机械方法打孔需要24h,用YAG激光器打孑」只需要2s,提高工效43200倍。

与其他打孔方法相比，激光打孔的直接费用可节省25%~75%，间接费用可节省50%~75%。

与其他切割方法相比，激光切割钢材可节省费用70%~90%.

（6）能源消耗少，无加工污染，在节能、环保等方面有较大优势。激光束不产生像电

子束那样的射线，无加工污染，其能量利用率为常规热加工工艺的10~1000倍，且加工用

的激光束无“刀具”磨损及切削力影响的问题，激光切割可节省材料15%~30%。

四、激光加工设备

激光加工的基本设备包括激光器、电源、光学系统及机械系统等。

1.激光器

激光发射器简称激光器，用来将电能转变成光能，产生激光束，是激光加工的重要设备。

按工作物质的形态可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器及半导体激光器，按激光输

出的方式可分为密封式激光器、纵向流动式激光器、横向流动式激光器。加工中常用的激光

器见表4-1-1。

收4-1-1加工中常用的激光器

波长

种类工作物质输出方式能量或功率主要用途

红宝石（AI93，C产）0.69脉冲几至几1焦耳打孔、焊接

铉玻璃（Nd3"）1.06脉冲儿至几十焦耳打孔、焊接

固体激光器

掺铉忆铝石榴石脉冲几至几十焦耳打孔、焊接、

1.06

YAG连续几至上百焦耳微调、切割

脉冲几焦耳打孔、焊接、

二氧化碳CO210.6

连续几至几十千瓦切割、热处理

气体激光器

0.5145

氢(Ar+)——光盘刻存储

0.4880

固体激光器结构示意图如图4-1由所示。固体激光相（如红宝石激光器）的优点是机械

强度大，能承受高功率密度，可获得大能量输出。气体激光器以气体或蒸气为工作物质，其

中，氮-笈激光器是目前应用最广泛的典型原子激光器，具有频率稳定性好、寿命长、价格

低等优点，适用于全息照相、准直测量和激光干涉测量等。

图4.1-6固体激光器结构示意图

对激光器的基本要求是高效率、长寿命、长期稳定和低运转成本，不同的应用环境对光

束的质量和波长有不同的要求。波长越短，金属表面对激光的吸收越大。就材料加工而言，

波长为5的CO激光器兼具CO?激光器与YAG激光器的优点,既能达到「6激光器的

高效运转和高功率输出，又能像YAG激光器那样用光纤传输。所以，CO激光器在材料加

工方面有独到之处，试验证明，CO激光器切割低碳钢的效率比CO?激光器高5倍，切割不

锈钢的效率比C6激光器高2倍。

2.电源

激光器电源为激光器提供所需要的电能及控制功能。大功率激光器•般用特殊负教的电

源来激励工作物质。在气体激光器中，电源直接激励气体放电管；在固体激光器中，激励工

作物质的是泵浦灯。根据激光器的不同工作状态，电源可在连续或脉冲状态下运转。

3.光学系统

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光学系统。在加工系统中，光学系统的作用如入

（1）将激光束从激光器输出窗口引导至被加工工件的表面匕并在加工部位获得所需

的光斑形状、尺寸及功率密度。

（2）指示加工部位。

（3）观察加工过程及加工零件。

4.机械系统

机械系统包括工件定位夹紧装置、机械运动系统、工件的上料和下料装置等。机械系统

用来确定工件相对于加工系统的位置。

激光加工中激光束与工件位置的控制，可用以下三种方式实现。

（1）工件移动，而激光头和光束制导装置固定不动。

（2）激光头和光束制导装置移动，工件固定不动。

（3）光束制导装置移动，激光头和工件不动。

任务实施

1.激光打孔

激光打孔的功率密度一般为w/cm，激光打孔主要应用于在特殊零件或特殊材

料上加工孔，如火箭发动丸和柴油机的喷油嘴、化学纤维的喷丝板、钟表上的宝石轴承和聚

晶金刚石拉丝模零件上的微细孔加工。激光打孔的效率很高，例如加工直径为0.12~0.18mm,

深度为0.6〜1.2mm的宝石轴承孔，若工件自动传送，每分钟可加工数十件。在聚晶金刚石

拉丝模坯料的中央加工直径为0.04mm的小孔，仅需十几秒。

I）激光打孔过程

为叙述方便，图4-1-7所示把瞬时的激光脉冲分成五个连续的小段，1段为前缘，2、3、

4段为稳定输出，5段为尾缘。

当激光的1段进入材料后，材料开始被加热，由于材料表面有反射，加热显得缓慢无力,

由于热量向材料内部传导，造成较大区域材料的温升。相变以熔化为主，相变区面积大而深

度浅。

当激光的2段进入材料后，因材料相变使加热显得剧烈得多，熔融区面积比相变区缩小

而深度增加，开始形成小的孔径。

当激光的3、4段进入材料后，打孔过程相对稳定。材料的气化比例剧增至最大程度，

形成了孔的圆柱段。当进入材料后，材料的加热已临近终止，5段后气化及熔化趋于结束，

从而形成了孔的尖锥形孔底。

图4.1・7孔形成过程示意图

2）影响激光打孔的主要因素

打孔主要是用于各种材料的小孔、窄缝等微细加工，它虽然也有生产率和表面粗糙度的

要求，但首要的是精度要求，如孔和窄缝的大小、深度及几何形状等。由于工艺对象他最小

尺寸只有几十微米，因而它的精度属于微米级。为达到这样高的精度要求，除保证光学系统

和机械方面的精度外，还必须了解影响激光加工的因素。

影响激光打孔的主要因素有输出功率与照射时间、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。

（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。实践表明，当焦点固定在表面时，输出的激光能量越大，所打的孔就越大、越深，

且锥度越小。

激光的照射时间一般为0.2~12。当激光能量一定时，照射时间太长会使热量传到非加

工区，照射时间太短则会因功率密度过高而使蚀除物都以高温气体喷出，从而使能量的使用

效率降低。

（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，要尽量减小激光

束的发散角，并尽可能采用短焦距物镜（焦距为20mm左右），只有在一些殊殊情况下，才

选用较长的焦距。

（3）焦点位置°焦点位置对干孔的形状和深度都有很大影响•如图4-1-8所示.当焦

点位置很低时，见图4-1-8(a),透过工件表面的光斑面积很大，此时孔呈锥形。由图4-1-8

(a)至(c)焦点逐步提高，孔深也增加，但如果焦点过高，会使能量密度分散而无法继续

加工。因此，一般激光的实际焦点在工件的表面或略低于工件表面为宜。

图4.1-8焦点位苴与孔的剖面形状

(4)光斑内能量分布。激光束经聚焦后光斑内各处的光强是不同的。若光强以焦点中

心对称分布，称为基模光束，这时能量最集中，能聚焦成极高的能量密度，在激光加工中最

为有利，其能量以焦点为轴心对称分布，所以光束加工出的孔是正圆形的，如图4-1-9(a)

所示。当激光束不是基模输出时，其能量分布不以焦点为轴心对称，加工出的孔也必然不对

称，如图4-1-9(b)所示。如果在焦点附件有两个光斑,则加工出的孔如图4-1-9(c)所示。

a)b)c)

图4.1-9激光能量分布对打孔质量的影响

如果对孔的圆度要求特别高，就必须在激光器中加上限制振荡的措施，使它仅能产生基

模输出。

(5)激光照射次数。用激光照射一次，加工的深度约是孔径的5倍左右，且锥度较大。

如果用激光多次照射，不仅深度可以大大增加，锥度可以减少，而且孔径几乎不变，但是孔

的深度并不与照射次数成比例。图4-1-10所示是用红宝石激光器加工蓝宝石时获得的试验

曲线。从图中可知，照射2(卜30次以后，孔的深度到达饱和值，如果单脉冲能量不变，则不

能继续加工。

照射次数

图4.1-10照射次数与孔深关系

多次照射能在不扩大孔径的情况下将孔逐渐打深，如图4-1-11所示。笫一次照刖后加

工出一个不太深且带锥度的孔；第二次照射后加工出的孔是原孔形的延伸，孔径基本不变，

所以多次照射能加工出深而锥度小的深孔。多次照射的焦点位置宜固定在工件表面而不应逐

渐移动。

（6）工件材料的影响。由于各种工件材料对能量的吸收光谱不同，经透镜聚焦到工件

上的激光能量不可能全部被吸收，其中有相当一部分能量被反射或透射而散失掉，其吸收效

率与工件材料的吸收光谱及激光波长有关。在生产实践中，必须根据工件材料性能（吸收光

谱）选择合适的激光器。

图4-1-12所示是用红宝石激光器照射钢表面时所获得的工件表面微观不平度与加工深

度的关系曲线。结果表明，工件表面质量越好，其对光的吸收效率越低，加工出的孔也越浅。

当表面微观不平度大于5pm时，打孔深度与微观不平度关系不大；当表面微观不平度小于

5Hm时，影响则十分明显，特别是在镜面（表面粗糙度R。〈0.025囚］】）时，孔的加工几乎

无法进行。

75

ia

m50

法

M25

~6o*iitoioo

工件表而微观不平度///m

图4.1-12加工表面微观不平度对加工深度的影响

3）激光打孔的加工特点

（1）非接触性加工。

（2）孔径容易控制。

（3）百分之几秒的短时间内完成。

（4）深度与孔径比值大。

（5）适用于高硬度、高融点材料的开孔。

（6）弯曲不平、脆质材料的开孔也容易加工。

2.激光切割

激光切割是激光加工中应用最广泛的一种，与传统的机械切割方式和其他切割方式（如

等离子切割、水切割、氟溶剂电弧切割、冲裁等）相比，激光切割具有如下优点：切口组I小,

可以实现几乎任意轮廓线的切割；无接触式的加工，没有“刀具”磨损，没有接触能量损耗,

也不会破坏精密工件的表面；切割速度快；质量高，切口的垂直度和平行度好，表面质量好;

节省材料、热影响区小、变形小；噪声小，无公害；几乎不受切割材料的限制，能切割易碎

的脆性材料和极软、极硬的材料，既可切割金属，也可以切割非金属如玻璃、陶瓷、木材、

布料、纸张等；具有高度的适应性、加工柔性，可以实现小批量、多品种的高效自动化加工。

由于以上诸多优点，激光叨割广泛用于制造领域，其不足之处是一次性投资较大，且切割深

度受限。

固体激光器输出的脉冲式激光常用于半导体硅片的切割和化学纤维喷丝头异形孔的加

工等。而大功率的COz气体激光器输出的连续激光不但广泛用于切割钢板、钛板、石英和

陶瓷，还用于切割塑料、木材、纸张和布匹等。图4-1-13所示为CO2气体激光器切割钛合

金板材示意图。

平面镜

图4.1-13CO?气体激光器切割轨合金示意图

激光切割是利用聚焦以后的高功率密度(KF-IO7W/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玻材料吸收，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，目光束与工件相对移动，使材料形成引口，

切口处熔渣被一定压力的辅助气体吹出。

3.激光焊接

在激光出现后不久激光焊接技术的研究就已开始，激光焊接技术是激光在工'业中应用的

一个重要方面。激光焊接技术的应用领域不断扩展，从小功率薄板焊接到大功率厚件的焊接，

从单工件焊接到多工作台、多工件同时焊接，以及由简单焊缝向复杂焊缝发展。FI前激光焊

接技术已经广泛应用于武器制造、船舶工业、汽车制造、压力容器制造、民用及医用等多个

领域。

激光束焊接是以聚集的激光束作为能源的特种熔叱焊接方法。当激光的功率密度为

105~i()7w/cm2、照射时间约为l/100s时，可进行激光焊接。如将激光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。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4-1-14所示。激光焊接过程迅

速，热影响区小，焊接质量高，既可以焊接同种材料，也可焊接异种材料，还可以透过玻璃

进行焊接。

图4.1-14激光焊接过程示意图

1-激光：2-被焊接零件；3-被熔化金属；4-已冷却的熔池

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。YAG固体激光器由于具有较高的平均功率，在它出现之后就成为

激光点焊和激光缝焊的优选设备。

激光焊接以高能量密度的激光作为光源，对金属进行熔化形成焊接接头。与一般焊接方

法相比，激光焊接具有以下特点：激光加热范围小，在同等功率和焊接厚度条件下，焊接速

度高，热输入小，热影响区小，焊接应力和变形小；激光可通过光导纤维、棱镜等光学方法

弯曲传输、偏转、聚焦，特别适合于微型零件和远距离或一些难以接近的部位的焊接；一台

激光器可供多个工作台进行不同的工作，既可用于焊接，又可用于切割、合金化和热处理，

一机多用；激光在大气中殒耗不大，可以穿过玻璃等透明物体，适用于在玻璃制成的密封容

器中焊接会对人体产生伤害的材料；激光不受电磁场影响，不需要进行射线防护，也不需要

进行真空保护；可以焊一般焊接方法难以焊接的材料，如高熔点金属等，甚至可用于非金属

材料的焊接，如陶骁、有机玻璃；焊后无需热处理，适合于某些对热输入敏感材料的焊接；

属r非接触焊接。

4.激光表面技术

采用激光高能束流集中作用在金属表面，通过表面扫描或伴随有附加填充材料的加热，

使金属表面由于加热、熔化、汽化而产生冶金的、物理的、化学的或相结构的转变，达到金

属表面改性的目的，这种加工技术称为激光表面技术。根据激光加热和处理工艺方法的特征，

激光表面处理的种类很多，图4-1-15所示为几种典型的激光表面处理工艺。

常用的表面处理方法有四种，即激光相变硬化、激无重熔、激光合金化和激光熔覆。图

4-1-16(a)所示为表面硬化示意图，这种工艺仅适用于黑色金属，并且在工件的处理过程

中，表面的温度必须低于其熔点。图4-1-16(b)所示为表面重熔示意图，加工中要把材料

表面加热到熔点以上，并在材料表面生成一个重熔层。图4-1-16(c)所示为激光熔覆示意

图，其特点是激光加热是伴随着新材料的填充所进行的，激光表面合金化从机理上也属「这

个范畴。

(a)硬化(b)重熔(c)熔覆

图4.1-16激光表面处理示意图

1)激光相变硬化

激光相变硬化的应用很广，包括平面类零件，如导轨、刀片、叶片及板状等零件；圆环

类零件，如活塞环、汽缸胀圈、汽室胀圈、油封座、进气门、排气门、缸盖座II、各类轴承

环等，以提高硬度和耐磨性为目的；套筒类零件，如汽车、拖拉机、船舶等发动机缸套或缸

体、汽阀导管、电锤套筒、各类衬套和泵筒等：各种轴类、长杆导柱等；异形类零件，如齿

轮、模具、针布、钟表的擒纵叉、发动机飞锤、刀具、离合器连接件、花键套等。

激光相变硬化也称为激光淬火，是利于激光辐照的能量把金属材料表面快速加热至相变

温度与熔点温度之间，然后利用材料本身对加热表面进行快速冷却使其发生固态相变产生硬

化层的一种工艺方法。激光硬化从本质上讲与传统的高频感应线圈加热硬化(高频淬火)类

似。材料表面吸收激光束辐照的光能，并在瞬间把它转变成热能，通过将热量在基材上的快

速传导实现被处理材料表面的自淬火。激光硬化属于自淬火，它与传统淬火的最大不同点是

在整个激光硬化的过程中不需要使用任何冷却介质。

2)激光重熔

激光重熔是在激光作用下使材料表面局部区域快速加热至熔化，随后借助于冷态的金属

基体的热传导作用，使熔化区域快速凝固，形成结构极其细小的非平衡铸态组织的工艺技术。

经激光重熔的零件表面硬度高，耐磨性、耐蚀性好。

激光重熔硬化在含有格的碳钢、工具钢(包括高速钢)及不锈钢、轴承钢的应用上具有

明故的优越性。激光重熔硬化对改善材料性能具有明显的效果，工作寿命可相应延长数倍,

特殊情况下工作寿命延长可达10倍。经预热处理后激光重熔硬化的高速钢其耐磨损性能是

原来的1.5~3倍。激光重熔硬化可以对铸态合金零部件作表面处理，如灰铸铁、球墨铸铁、

铸态铝合金等。灰铸铁重熔硬化广泛应用「汽车工业，月以强化滑动环和发动机汽缸、汽轮

机部件、凸轮和齿轮，使工作寿命延长。目前，采用激光重熔硬化处理的铸造铝合金主要是

铝-硅系合金，一方面是因为这类合金综合性能好，应用广泛；另一方面是由于这些近共晶

成分的合金经激光重熔后可以获得显著的强化效果。

3）激光表面合金化

激光不仅可用作单一的表面淬火处理，而且可对工件表面进行复合处理，这就是激光表

面合金化和表面激光熔覆工艺。

激光表面合金化如图4-1-17所示，在工件基体的表面采用沉积法预先涂一层合金，然

后用激光束照射涂层表面。当激光转化为热量后，合金层和基体薄层被熔化，使基体与合金

混合而形成新的合金.采用这种工艺方法能使馍等贵重金属熔入低级而廉价的钢表面实现表

面合金化，与整体合金化相比，表面合金化能节省大量贵重金属。

工件移动方向

图4.1-17激光表面合金化示意图

4）激光熔覆

激光表面熔覆如图4-1-18所示。当激光对工件表面进行处理时，用气动喷注法把粉末

注入熔池中，连同工件表层一起熔化形成表面熔覆层。除用气动喷注法把粉末注入熔池外，

还可以在工件表面预先放置松散的粉末涂层，然后用激光熔化。前一种方法能效较高，因为

激光束与材料的相互作用区被熔化的粉末层所覆盖，这样可提高对激光能量的吸收能力。激

光表面熔覆可在低熔点工件上熔覆一层高熔点的合金，并能局部熔覆，具有良好的接触性。

熔覆层微观结构细致，热影响区小、均匀、无缺陷。

图4.1-18激光表面熔覆示意图

激光熔覆的主要目的是在廉价金属材料表面形成高性能的合金层，达到降低成本、提高

零件表面耐磨、耐蚀及耐高温抗氧化等综合性能。激光熔覆的合金材料包括自熔性合金材料、

碳化物弥散、复合材料和陶瓷材料等。这类材料具有很好的耐磨性、耐蚀性，通常以粉末的

形式使用。在激光熔覆工艺中还有单道、多道、单层、多层等多种形式。通过多道搭界和多

层叠加，可以实现宽度和厚度的增加。激光熔覆时常出现气孔和裂纹等现象，应尽量防止。

激光熔覆目前已经广泛用于各种大型轴类零件、大型轧琨、大型铸件和汽轮机叶片的修复。

拓展提高

激光加工设备的发展趋势

目前，激光加工设备的发展主要体现在数控化和综合化、小型化和组合化，以及高重第

性和高可靠性等方面。

1.数控化和综合化

把激光与数控技术、光学技术及与高精度、自动化的工件装卸、定位系统结合，研制和

生产各种加工中心，已成为激光加工设备发展的一个重要趋势。

激光加工中心的特点是自动化程度高、能完成多种加工、能加工多种材料和多种规格的

产品。美国阿波罗公司生产的CO2激光加工机，既可打孔焊接，又可进行切割、划线、微

调、动平衡等加工。随着激光加工技术系统化研究的发展，出现了人工智能最佳化的激光加

工系统（激光机器人），也已研制出三维视觉的闭合回路自动激光焊接/切割加工设备。

2.小型化和组合化

把激光切割和模具冲压两种加工工艺有机地组合成一台机床，称为激光冲床。它兼有激

光切割多功能性和冲压加工高速、高效的特点，以完成复杂外形、尖角、细小孔、成形、刻

字、划线等加工。此外还有激光车床、激光柔性制造系统等。

3.高重复性和高可靠性

激光加工虽然已经有很高的加工效率，但还有很大的上升空间。继续提高激光的重复频

率可进一步提高加工速度，目前高速打孔的加工速度己叁10个/s。美国阿符迪•康莱明公

司根据生产计划要求，研制出了全自动激光焊接机，能在每天两班制16h完成2500m长的

焊缝，焊完9()0()个接头,除了确保质量外，还要求整机的故障率低，以确保工作的长期稳

定可靠。

任务二了解电子束和离子束加工的应用

任务描述

电子束加工和离子束加工是近年来得到较大发展的新兴特种加工，它们在精密加工方

面，尤其是微电子学领域中得到较多的应用，如图4-2-1、图4-2-2所示。

(a)焊接(b)打孔(c)表面处理

图4-2-1电子束加工应用

(a)离子束注入(b)离子束镀膜

图4-2-2离子束加工应用

任务分析

电子束加工按其功率密度和能量注入时间的不同，可分别用于打孔、切割、蚀刻、热处

理和光刻加工等。离子束加工主要是用于离子蚀刻、离子镀膜和离子注入等加工。

知识准备

一、电子束加工

1.电子束加工原理

电子束加工是利用高速电子撞击工件表面产生的热量进行加工的。在真空条件下，将具

有很高速度和能审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。

电子束的电热效应很早就被人们认识和使用，最早是用电子束熔炼难熔金属，后来乂广

泛地用电子束进行精密焊接。近几十年来，电子束才越来越多地应用于打孔、切割、光刻等

加工。电子束加工原理如图4-2-3所示。

图4.2-3电子束加工原理

1-发射阴极；2-控制栅极;3-加速阳极；4-聚焦系统；5-电子束斑点；6.工件:7-工作台

将阴极加热，井在电子枪的两极间施加高压直流电（通常高ihv）,于是由阴极产生

的电子在巨大的电场力的作用下高速射向阳极。同时，由于控制栅极能在阴极前形成一定形

状的电场，从而迫使发射的电子成束，并通过电磁透镜。而电磁透镜是•个通以直流电的多

匝线圈，电流流过时形成磁场，磁场力迫使电了•束聚焦。聚焦后的电子束能量密度极高

（10^109w/cm2）,并以极高的速度冲击到工件表面的极小面积上，在极短的时间（几分之

一微秒）内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的

高温，从而引起材料的局部融化和汽化，被真空系统抽走，实现材料的去除。

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.电子束加工的特点

（1）束斑极小。电子束能够极其微细地聚焦（可达0.1-1gm）,所以加工面积可以很

小，是一种精密微细的加工方法。

（2）电子束加工是非接触式加工，因此，工件不受机械力作用，不产生宏观应力和变

形。

（3）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

料八

（4）能量密度很高。由于电子束的能量密度高，而且能量利用率可达90%以上，因而

加工生产率很高。例如，每秒可以在2.5mm厚的钢板上钻50个直径为0.4mm的孔。

（5）可控性好。可以通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦等进行直接控制，

所以整个加T.过程便于•采用计算机控制，实现加T.过程刍动化。

（6）无污染。加工在真空中进行，污染少，加工表面不易被氧化，特别适用于加工易

氧化的金属及合金材料，以及纯度要求极高的半导体材料。

（7）加工的局限性。电子束加工需要整套专用设卷和真空系统，价格较高，故在生产

中受到一定程度的限制。并且在电子束加工中，当电子束撞击到金属、气体或金属蒸气时，

会产生X射线，伤害人体，因此，需要配置足够厚的钢壁或外壁包铅以防止射线外溢。

3.电子束加工装置

电子束加工装置的基本结构如图4-2＜所示，主要由电子枪、真空系统、控制系统和电

源等部分组成。

电源

及控

制系

意图

构示

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束加

电子

24

图4

枪

电子

1）

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