高能束及复合加工技术

《高能束及复合加工技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高能束及复合加工技术（12页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、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、

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

3、工表面质量和工具损耗等。二、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

4、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 107 1011w/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、

5、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

6、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 0.4 0.1 。5）能

7、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 107 108W/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.

8、16 0.08 。9、激光切割激光切割是利用聚焦后的高功率密度（ 105 107w/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

9、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 25um 2000 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 1

10、03 105w/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、

11、聚焦后能量密度为106 109w/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 0.1 m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

12、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

13、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

14、 宽 度 仅 有 3 6 m 。 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

15、。 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 0.1 5keV、 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

16、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