高能束及复合加工技术

高能束及复合加工技术 The latest revision on November 22, 2020

第三章高能束及复合加工技术

一、概述

1)高能束加工技术：

①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。

②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。③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。

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

①方向性好：光束几乎在一条直线上传播,发散角几毫弧度

②单色性好: He-Ne激光的谱线宽度约2X10-9 nm

③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

④高亮度：普通激光的亮度比太阳高100亿倍

⑤可调谐：通过改变腔长可改变波长

⑥可调制：振幅、偏振方向及频率等参数可以调制（光通信采用）

⑦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

①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。

②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、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0.4～0.1。

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0.16～0.08。

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

①当激光能量密度在103～105w/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）。

②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