高能束加工
高能束焊接技术的发展和应用
高能束焊接技术的发展和应用高能束焊接技术（EBW）是一种先进的焊接方法，它利用高速电子束来熔化和连接金属材料。
这种焊接技术具有高能量密度、高焊接速度、优质的焊接效果和适用于各种金属材料等优点，因此在航空航天、汽车制造、核工业和电子行业等领域得到了广泛的应用。
本文将从高能束焊接技术的发展历程和原理、应用领域、优势和挑战等方面进行介绍。
一、高能束焊接技术的发展历程和原理高能束焊接技术最早是在20世纪50年代发展起来的，最初是用于核工业和航天航空领域。
1958年，美国杜邦公司开发出了第一台商用的电子束焊接机，这标志着电子束焊接技术开始走向工业化生产。
高能束焊接技术通过电子枪产生高速电子束，电子束击中工件表面时，产生的能量将工件表面瞬间加热到熔化温度，然后通过电子束辐照区域产生高温熔池，从而实现熔化和连接金属材料的目的。
高能束焊接技术的原理是利用高速电子束的能量瞬间加热金属材料，使其熔化并形成熔池，然后利用合适的焊接工艺来实现金属材料的连接。
与传统的焊接方法相比，高能束焊接技术具有能量密度高、焊接速度快、热影响区小、热输入低等优点，因此可以实现高质量的焊接效果。
二、高能束焊接技术的应用领域高能束焊接技术在航空航天、汽车制造、核工业和电子行业等领域得到了广泛的应用。
在航空航天领域，高能束焊接技术被广泛应用于飞机结构件、发动机零部件、航天器壳体等关键部件的焊接，以提高焊接质量和生产效率。
在汽车制造领域，高能束焊接技术通常应用于汽车车身焊接、汽车零部件焊接等工艺环节，以提高焊接强度和减少成本。
在核工业领域，高能束焊接技术被用于核反应堆压力容器、核燃料元件等核设备的焊接，以保证核设备的安全可靠性。
在电子行业领域，高能束焊接技术通常应用于电子器件的微细焊接和包装，以提高器件的性能和可靠性。
高能束焊接技术相对传统焊接方法有很多优势，主要包括以下几点：1. 高能量密度：高能束焊接技术的能量密度很高，可以实现瞬间加热和快速熔化金属材料，从而提高焊接速度和效率。
特种加工技术高能束加工
空气
的
钴基合金
2.5
有
石英
3
关
陶瓷
1
数
4.6
据
玻璃钢
1.5 2.7
有机玻璃
20
25
0.35 0.43 0.392 0.075 0.491 0.392 0.171 15
500 500 250 250 250 250 250 8000
O2 N2 N2 N2 N2 N2 N2 空气
木材（软）
25
木材（硬）
固体激光器的基本结构如图 1）激光工作物质 2）谐振腔 3）光泵浦灯 4）聚光腔
图5-4 固体激光器的基本结构
固体激光器
1）工作物质： 是由发光中心的激活离子和基质材料两部分组成的。工作物质的物理性能主要
取决于基质材料，光谱特性由激活离子内的能级结构来决定。 2）谐振腔：
是激光器的重要组成部件，作用是使工作物质受激辐射形成振荡与放大，它由 两块平面或球面发射镜按一定方式组合而成的。其中一端面是全反膜片，即反射 率接近100%；另一端面是具有一定透过率的部分反射膜片。谐振腔是决定激光输 出功率、振荡模式、发散角等激光输出参数的重要光学器件。 3）泵浦灯：
和液态物质喷射。
孔。
器和半导体泵浦激光器等。
激光切割
原理：与激 光打孔原理 基本相同， 不同之处在 于激光切割 时激光束与 工件材料需 相对移动， 最终使材料 形成宽度很 窄的切缝， 切缝处的熔 渣被一定的 辅助气体吹 除。
特点：
应用：激光切割占激光应用的60%左右，广泛应
1）无工具磨损。 用于许多工业部门。例如，电气机壳、木刀模
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2
2000
N2
1
2000
《高能束加工》课件
通过高能束对材料表面进行辐照，改变材料表面的化学成分和结 构，提高材料表面的耐腐蚀性和抗氧化性。
高能束表面涂层技术
通过高能束将涂层材料熔融并沉积在材料表面，形成具有特殊性 能的涂层，提高材料表面的防护和装饰性能。
05
高能束加工发展现状 与趋势
高能束加工技术发展现状
高能束加工技术是指利用高能量密度的束流对材料进行加工 的方法，包括激光束、电子束、离子束等。目前，高能束加 工技术在航空航天、能源、电子信息等领域得到了广泛应用 。
纯度的特点。
高能束加工控制系统
加工过程控制系统
对高能束加工过程进行实时监测 和控制，确保加工过程的稳定性
和可靠性。
加工结果检测系统
对加工后的工件进行检测和评估， 确保加工质量符合要求。
加工数据管理系统
对加工过程中的数据进行收集、整 理和分析，为加工过程的优化提供 支持。
04
高能束加工材料与工 艺
新型高能束源的研发和应用将进一步提高加工效率和精度 ，同时降低能耗和成本。高能束加工技术的智能化和数字 化也将成为未来的发展趋势，实现加工过程的自动化和智 能化控制。
高能束加工技术面临的挑战与机遇
高能束加工技术虽然具有很多优点，但也面临着一些挑战，如设备成本高、加工效率低、材料适应性差等问题。同时，随着 环保意识的提高，高能束加工技术的环保性能也需要得到进一步提高。
激光加工材料与工艺
激光加工材料
激光加工适用于各种材料，如金属、非金属、复 合材料等。
激光加工工艺
激光切割、激光打标、激光焊接、激光熔覆等。
激光加工特点
高精度、高效率、非接触式加工。
电子束加工材料与工艺
电子束加工材料
先进制造技术及装备
一、高能束流加工技术1.将激光加工（LBM）、电子束加工（EBM）和离子束加工（IBM）称为高能束加工，简称三束加工。
此外水射流加工及磨料流加工也可归为此类。
共同特点是以具有很高能量密度的束流，通过一定的装置在空间传输并在工件表面聚焦，从而去除工件材料或完成其他用途，不同点是能量的载体不同。
2.激光加工：1)原理：把具有足够能量的激光束聚焦后照射到工件的适当的部位，在极短的时间内，光能转变为热能，被照部位迅速升温，材料发生气化、熔化，金相组织变化及产生相当大的热应力，从而实现工件材料被去除、连接、改性或分离等加工。
2)特点：方向性好，光照强，精度高，表面有重铸层。
应用于打孔、切割、焊接、表面处理及半导体加工等。
3)影响因素：激光打孔（输出功率与照射时间、焦距与发散角、焦点位置、光斑内的能量分布、激光的多次照射、工件材料）、激光切割（工艺参数:切割速度、焦点位置、辅助气体、激光功率;因素：光束特性、工件特性、工件厚度）3.电子束加工技术1)基本原理：真空条件下，利用电流加热阴极发射电子书，经控制剡极初步聚焦后，由加速阳极加速，通过透镜聚焦系统进一步聚焦，使能量集中在直径极小的范围内，高速而能量密集的电子书冲击到工件上，被冲击形成瞬时高温，工件表面局部熔化，气化直至蒸发去除。
2)特点：电子束束径小，长度可大束径的几十倍，可加工微细深孔、窄孔；材料适应性广，特别适用于加工特硬、难熔金属和非金属材料；无切削力，加工时间段，工件无变形3)应用：电子书打孔、电子束焊接、电子书曝光4.离子束加工1)基本原理：是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速、聚焦后投射到工件表面的加工部位实现加工。
2)特点：污染少，适用于易氧化金属、合金和半导体材料；加工应力变形小，适用于低刚度零件的加工。
3)应用:刻蚀加工、溅射镀膜加工、离子镀加工、离子注入加工5.水射流加工1)原理：以一束从小口径孔中射出的高速水射流作用到材料上，通过将水射流的动能变成去除材料的机械能，对材料进行清洗、削层、切割的加工技术。
先进制造技术——三束加工—激光束、电子束、离子束
2．特点及应用
离子束加工有如下特点：
(1) 离子束加工是目前特种加工中最精密、最微细的加工。离子刻蚀可达纳 米级精度，离子镀膜可控制在亚微米级精度，离子注入的深度和浓度亦可精 确地控制。
(2) 离子束加工在高真空中进行，污染少，特别适宜于对易氧化的金属、合 金和半导体材料进行加工。 (3) 离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的，是一种微观作用， 所以加工应力和变形极小，适宜于对各种材料和低刚件零件进行加工。
4.束流控制方便，易实现加工过程自动化。
二、激光束加工
激光：源自在经过激励后由高能级院子跃迁到低能级而发射 的光子所产生的物理现象。
激光产生的原理：原子经过激励而发生跃迁现象。 激光加工:激光加工就是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点 上达到很高的能量密度产生的光热效应来加工各种材料。
加工原理
1）高速打孔 目前电子束打孔的最小直径可达Ø0.003mm左右。例如喷气发动机 套上的冷却孔，机翼的吸附屏的孔。在人造革、塑料上用电子束打大量微孔， 可使其具有如真皮革那样的透气性。电子束打孔还能加工小深孔，如在叶片 上打深度5mm、直径Ø0.4mm的孔，孔的深径比大于10：1。
2）加工型孔及特殊表面
激光加工的应用
激光加工是激光系统最常用的应用。根据激光束与材料相互作用的机理，大 体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。激光热加工是指利 用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊接、激 光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等；光化学反应加工是指 激光束照射到物体，借助高密度高能光子引发或控制光化学反应的加工过程。 包括光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。
0.03～ 0.07 mm
高能束流加工技术的现状及发展
高能束流加工技术的现状及发展一、引言高能束流加工技术是一种先进的制造加工技术，其利用高能束流对材料进行加工处理，可以实现高精度、高效率、低损伤的加工效果。
随着科技的不断进步和应用领域的不断扩展，高能束流加工技术已经成为了当前最具前景和潜力的制造加工技术之一。
二、高能束流加工技术的基本原理1. 高能束流的产生高能束流包括电子束、离子束和激光束等。
其中，电子束和离子束是通过电子枪或离子源产生，并通过磁场聚焦形成细小且密集的束流；激光束则是通过激光器产生，并通过透镜系统聚焦形成极小直径的光斑。
2. 高能束流与材料相互作用当高能束流与材料相互作用时，会发生以下几种物理过程：撞击效应、热效应、化学效应和辐射效应。
其中，撞击效应主要指由于高速粒子与固体表面发生碰撞而导致表面变形或破裂；热效应主要指由于高能束流的能量被转化为材料内部的热能而导致材料熔化或蒸发；化学效应主要指由于高能束流与材料发生化学反应而导致表面化学性质的改变；辐射效应主要指由于高能束流所产生的辐射而导致材料受到辐射损伤。
3. 高能束流加工技术的基本过程高能束流加工技术包括预处理、加工和后处理三个基本过程。
其中，预处理主要是对待加工材料进行表面清洗和处理，以确保其表面光洁度和化学性质符合加工要求；加工过程则是将高能束流对材料进行精细加工，包括切割、打孔、雕刻等多种形式；后处理则是对已经完成的产品进行表面处理和质量检测，以确保其符合产品标准。
三、高能束流加工技术在各领域中的应用1. 航空航天领域在航空航天领域中，高能束流加工技术被广泛应用于制造发动机喷口、涡轮叶片等关键部件。
这些部件需要高精度、高强度和高温性能，而高能束流加工技术可以实现对这些部件的精细加工和表面处理，提高其性能和寿命。
2. 电子信息领域在电子信息领域中，高能束流加工技术被广泛应用于制造微电子器件、光学器件等高精度产品。
这些产品需要极高的精度和表面光洁度，而高能束流加工技术可以实现对这些产品的微米级别加工和表面处理。
七.先进加工技术
生物工程
Bioengineering
制造工程
Manufacturing Engineering
生物制造
Biomanufacturing
组织和器官之假体与活体制造
பைடு நூலகம்
目的： 1. 提高生产率 2. 改善加工情况 实现： 1. 主轴的零传动：高速主轴单元——电主轴 2. 进给的零传动：直线电机
超高速加工的优点：
1. 显著提高生产效率 2. 切削力可以降低30%以上 3. 切削过程迅速，95%以上的切削热被切
屑带走，工件可以保持冷态。
4. 工作稳定振动小，远离了“机床——工 件——刀具”工艺系统的固有频率范围， 可加工非常精密，光洁的零件。
5. 表面残余应力很小。
不足： 目前只在铝合金和铸铁加工方面应用。 钢的超高速加工还有一些困难
四、超精密加工技术：
分为三种：一般加工、精密加工、超精密加工 动态变化的： 目前标准： 尺寸精度高于0.1μm 表面粗糙度高于0.025μm 形位精度高于0.1μm 从亚微米级向纳米级发展 机械去除法的极限：0.01μm。金刚刀车刀加工有
变形加工：热流动：锻造 粘滞流动：铸造、等静压成形、压铸、注塑 分子定向：液晶定向
超精密加工的要求： 高精度：静态和动态 高刚度：静刚度和动刚度 高稳定性 高度自动化，智能化：减少人为因素
目前超精密加工的主要手段： 1. 金刚石刀具超精密切削 2. 金刚石砂轮和CBN砂轮超精密磨削 3. 超精密研磨和抛光 4. 精密特种加工和复合加工
实现超精密加工的主要条件： 1. 超精密加工机床与装、夹具 2. 刀具、刀具材料、刃磨技术 3. 加工工艺 4. 加工环境控制（恒温、隔振、洁净控制等） 5. 测控技术
微细加工技术-高能束加工
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。
聚焦离子束加工
将被加速的离子聚焦成细 束(束斑直径为几个纳米到几 十纳米)，射到被加工表面上。 被加工表面受“轰击”后， 打出原子或分子，实现原子、 分子级去除加工。也可用于 离子束曝光：曝光灵敏度高、 没有邻近效应。 加工装置见图。三坐标工 作台可实现三坐标直线运动， 摆动装置可实现绕水平轴的 摆动和绕垂直轴的转动。
集成电子器件、集成光学器件、表面声波器以及微机械 元器件的图形制作技术中，通常将电子束曝光处理作为刻蚀 前置工序。 电子束曝光（electron beam lithography）指利用某 些高分子聚合物对电子敏感而形成曝光图形的，是光刻技术 的延伸。 紫外光 电子束
普通光刻
电子束曝光
电子束曝光分为直写曝光和投影曝光两大类： （1）投影曝光为电子束图形复印，它将电子束通过掩膜 图形平行地缩小投影到表面涂有光刻胶的衬底上，从而 将掩模图形缩小复印到衬底表面。 （2）直写曝光是电子束在工件面上扫描直接产生图形。 具有超高分辨率，无需昂贵的投影光学系统和费时的掩 膜制备过程。由于曝光过程中电子束斑在表面逐点扫描 ，每一个图形的像素点上需要停留一定的时间，因此限 制了图形曝光的速度。它在微电子工业中主要应用于掩 膜制备、原型化、小批量器件的制备和研发。
离子束加工特点
⑴离子束加工是所有特种加工方法中最精密、最微细的 加工方法，是纳米加工技术的基础。 ⑵污染少，特别适用于对易氧化的金属、合金材料和高 纯度半导体材料的加工。 ⑶加工应力、热变形等极小，加工质量高，适合于对各 种材料和低刚度零件的加工。 ⑷离子束加工设备费用贵、成本高，加工效率低，应用 范围受到一定限制。
特种加工
特种加工实例
水力切割机
水刀机切割加工
水刀机切割加工
液体喷射加工技术
水力切割过程
特种加工技术存在问题
不少特种加工的机理（如超声、激光等加 工）还不十分清楚，其工艺参数选择、加工 过程的稳定性均需进一步提高。 2. 有些特种加工（如电化学加工）加工过程 中的废渣、废气若排房不当，会产生环境污 染，影响工人健康。 3. 有些特种加工（如快速成形、等离子弧加 工等）的加工精度及生产率有待提高。 4. 有些特种加工（如激光加工）所需设备投 资大、使用维修费高，亦有待进一步解决。
OPS镜面电火花
AM30Lxs数控电火花
放电频率对火花机的影响
戴蒙-沙迪克SODICK电火花成型机
电火花加工产品
电火花加工样品
电化学加工技术
电化学加工是通过电化学反应去除工件材料 或在其上镀覆金属材料等的特种加工。
抛光等。
1. 电解加工适用于深孔、型孔、型腔、型面、倒角去毛刺、 2. 电铸加工适用于形状复杂、精度高的空心零件，如波导管；
CNC火花机
CNC火花机是指由电脑控制的火花机 火花机分为手调火花机,数码火花机，电脑手摇火花机也叫电脑ZNC火花 机,还有就是CNC火花机，CNC火花机通过电脑实现自动化控制,完成复杂的， 精密的放电加工.在实际加工过程,电脑发出指令控制火花机X,Y轴左右震荡 ，能够实现加工模具侧边和底边一样的效果.通过编程设定,CNC火花机也可 以像加工中心一样按照程序指令来工作. CNC火花机的功能特点 CNC火花机具有以下功能特点，也是其它类型火花机不具备的。 点对点移位功能、自动寻边靠模功能、自动移至模具中心位置功能、多 组坐标点设定功能、内置加工工艺参数功能、6方向放电加工工能、多种放 电回路功能、2D或3D摇动加工功能、G码编辑加工功能、内置多种路径加工 功能。 CNC火花机分类 CNC火花机以床身结构较可分为牛头式﹑龙门式结﹑工作台移动式，牛 头式及龙门式结构较为合理。 CNC火花机控制轴数可分为三轴﹑四轴﹑五轴3种类别。
高能束加工图文详解
（4） 加工精度高，质量好。
（5）
加工效率高，经济效益好。
（6）
能源消耗少，无加工污染，在节能、环保等方面有较大 优势。
四、激光加工设备
1. 激光器
4. 机械系统
拓展提高
1.数控化和综合化
把激光与数控技术，光 学技术或高精度、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。
拓展提高
2.典型的离子束加工机床
ME-3A 型多功能磁增强反应离子束刻蚀机
拓展提高
ME-3A 型多功能磁增强反应离子束刻蚀机的主要参数
（2）污染少。
二、离子束加工
考 夫 曼 型 离 子 源 示 意 图
3.离子束加工装置
1—真空抽气孔； 2—灯丝； 3—注入孔； 4—电磁线圈； 5—离子束流； 6—工件； 7—阴极； 8— 9—阳极； 10—电离室
拓展提高
1.典型的电子束加工机床
EB300 型电子束加工机床
拓展提高
EB300 型电子束加工机床的主要参数
4
2
束斑极小。
5
1
无污染。
6
加工的局限性。
7
一、电子束加工
电 子 束 加 工 装 置 的 基 本 结 构
3.电子束加工装置
一、电子束加工
电子枪
真空系统 真空系统
1）
2）
控制系统
3）
电源装置
4）
二、离子束加工
1.离子束加工原理
二、离子束加工
（3）加工应力小、变形小。
2.离子束加工特点
（1）易于精确控制，加 工精度高。
二、激光的产生及特性
光的受激辐射
高能束流加工技术的应用与发展
高能束流加工技术的应用与发展高能束流(High Energy Density Beam)加工是利用高能量密度的束流(激光束、电子束、等离子束)作为热源,对材料或构件进行特种加工的技术. 20世纪以来，航空科学技术迅速发展，为保证在高温、高压、高速、重载和强腐蚀等苛刻条件下的工作可靠性，在飞机、发动机和机载设备上大量采用了新结构、新材料和复杂形状的精密零件，这就使产品的制造性日趋恶化，对制造技术不断提出新的挑战。
鉴于对有特殊要求的零件用传统机械加工方法很难完成，难于达到经济性要求。
现在，工艺师们独辟蹊径，借助各种能量形式，探寻新的工艺途径，各种异于传统切削加工方法的新型特种加工方法应运而生，如高能束流加工、电火花加工、电解加工、化学加工、物料切蚀加工以及复合加工。
目前，特种加工技术已成为航空产品制造技术群中不可缺少的分支，在难切削材料、复杂型面、精细表面、低刚度零件及模具加工等领域中已成为重要的工艺方法。
1.现代特种加工技术的特点及发展趋势1.1特种加工技术的特点现代特种加工（SP,Special Machining）技术是直接借助电能、热能、声能、光能、电化学能、化学能及特殊机械能等多种能量或其复合以实现材料切除的加工方法。
与常规机械加工方法相比它具有许多独到之处。
① 以柔克刚。
因为工具与工件不直接接触，加工时无明显的强大机械作用力，故加工脆性材料和精密微细零件、薄壁零件、弹性元件时，工具硬度可低于被加工材料的硬度。
② 用简单运动加工复杂型面。
特种加工技术只需简单的进给运动即可加工出三维复杂型面。
特种加工技术已成为复杂型面的主要加工手段。
③ 不受材料硬度限制。
因为特种加工技术主要不依靠机械力和机械能切除材料，而是直接用电、热、声、光、化学和电化学能去除金属和非金属材料。
它们瞬时能量密度高，可以直接有效地利用各种能量，造成瞬时或局部熔化，以强力、高速爆炸、冲击去除材料。
其加工性能与工件材料的强度或硬度力学性能无关，故可以加工各种超硬超强材料、高脆性和热敏材料以及特殊的金属和非金属材料，因此， 特别适用于航空产品结构材料的加工。
高能束焊接技术的发展和应用
高能束焊接技术的发展和应用随着制造业的不断发展，高能束焊接技术逐渐成为一种越来越重要的工艺。
高能束焊接技术是一种利用高能量的电子、光子或离子束来完成焊接、切割和表面改性等工艺的技术。
它具有焊接速度快、能量密度高、变形小等优点，被广泛应用于航空航天、汽车制造、电子工业、医疗器械等领域。
高能束焊接技术的发展可以追溯到上世纪五十年代，当时主要应用于核工业领域。
随着国际间高能束技术的研究交流，高能束技术也逐渐得到了广泛的应用和发展。
在航空航天领域，高能束焊接技术可以用来制造航天器发动机、飞行器发动机喷气喉等重要部件。
在船舶制造领域，高能束焊接技术可以大幅缩短船体建造周期，提高船体质量和疲劳寿命。
在汽车制造领域，高能束焊接技术可以用来制造汽车车身和发动机等部件。
在电子工业领域，高能束焊接技术可以用来制造电子元器件、太阳能电池板等产品。
在医疗器械领域，高能束技术可以用来制造医疗器械的金属部件。
高能束技术的原理是利用高能量的电子、光子或离子束来加热和熔化工件表面，在保持焊接部位几乎不变形的同时完成焊接。
高能束焊接技术的能量密度极高，可以达到几千万到几亿焦/毫米，因此可以在很短的时间内完成焊接过程。
高能束焊接技术通常包括电子束焊、激光焊和离子束焊三种。
在这三种方法中，激光焊是应用最广泛的一种方法。
激光焊接可以完成多种材料的焊接，包括金属、塑料、玻璃等。
高能束焊接技术的应用带来了许多好处：首先，高能束焊接技术可以大大缩短制造周期和提高生产效率。
其次，在高能束焊接技术中，焊接区域的热影响区较小，因此可以减少材料的变形。
此外，高能束焊接技术还可以提高焊缝的质量，减少焊接缺陷和气孔等缺陷的产生。
然而，高能束焊接技术也存在一些局限性，例如高能束焊接设备的成本较高，操作难度较大，需要高技能人才进行操作等。
此外，大多数高能束焊接技术对材料的要求较高，材料的种类、大小等要求比较严格。
综上所述，高能束焊接技术是一种极具发展潜力的技术。
上海市ⅲ类高峰学科-材料科学与工程(高能束智能加工与绿色制造)
上海市Ⅲ类高峰学科-材料科学与工程（高能束智能加工与绿色制造）是一个重要的学科领域，它涉及高能束智能加工和绿色制造技术的研究与应用。
该学科领域的主要研究方向包括高能束连接技术及智能装备、智能机器人焊接技术及装备、高能束增材制造及区域凝固过程控制技术、数字化增材制造关键技术及装备、先进传感器件微纳制造、微纳新能源材料绿色制造及核心器件等。
这些研究方向紧密围绕高端装备重点产业发展需求，旨在推动材料科学与工程领域的技术创新和产业发展。
为了加强学科建设，该领域积极开展国内外学术交流与合作，引进和培养优秀人才，提升学科的科研水平和创新能力。
同时，该领域还注重产学研合作，加强与企业的合作与联系，推动科技成果的转化和应用。
未来，该学科领域将继续加强高能束智能加工和绿色制造技术的研究与应用，提升我国在该领域的国际竞争力，为我国制造业的高质量发展做出重要贡献。
同时，该领域还将不断拓展新的研究方向和技术领域，培养更多优秀人才，推动材料科学与工程领域的持续发展。
3 高能束流加工技术
激光切割样品－案图
电子束热加工原理图
真空电子束焊接
利用定向高速运动的电子束流
撞击工件使动能转化为热能而
使工件熔化，形成焊缝。
电子束光刻系统(E-Beam Lithiograpghy)
采用高亮度和高稳定性的TFE电子枪(thermal field emisssion) 出色的电子束偏转控制技术
采用场尺寸调制技术，电子束定位分辨率可达0.0012nm
采用轴对称图形书写技术，图形偏角分辨率可达0.01mrad
广泛应用于半导体制造领域
的原理还可以加工出弯曲孔和斜孔。
电子束打孔在多种精度要求过高的工
下图是加工成形的毛细管：。
模具数控加工技术考试全书名词解释整理打印
一、名词解释：模具---是一种专用工具，用于装在各种压力机上通过压力把金属或非金属材料制造成为所需要零件的形状制品。
快速原型制造（RPM）---采用离散和堆积成型的原理，由CAD 模型直接驱动的快速制造任意三维实体的技术总称。
脉冲单位：每接受一个变频进给脉冲时，工作台的移动距离。
数控加工技术包括数据机械加工技术、数控电加工技术和数控特种加工技术。
线电化磨削法(WECG)：用去离子水在低电流下去除极薄的表面层。
线放电磨削法加工(WEDG)---是一种微细电火花加工，它的独特的放电回路是放电仅为一般电火花加工的1/100.塑性磨削：塑性磨削主要是针对脆性材料而言，磨削脆性材料时，切屑形成与塑性材料相似，切屑通过剪切的形式被磨粒从基体上切除下来，这种磨削方式有时也称为剪切磨削。
规准设定—是指对脉宽、脉间、高压、低压、抬刀、高度、抬刀周期、快落高度、防碳和间隙的设定。
刀具长度补偿功能 --预先测量各刀具的长度，将其与基准刀具的差设定在数控系统中，这样即使更换刀具也可无需变换程序而进行加工。
刀具半径补偿—预先把所需的刀具中心轨迹与编程轨迹之间的距离设定在数控系统中，这种对于加工形状按照偏移刀具半径后的轨迹移动刀具的功能。
模具CAD／CAE／CAM技术—是模具设计的一体化加工技术，它以计算机软件的形式，为企业提供一种有效的辅助工具，使工程技术人员借助于计算机对产品性能、模具结构、成形工艺、数控加工及生产管理进行设计和优化。
覆盖效应：在材料放电过程中，一个电极的电腐产物转移到另一电极表面上，形成一定厚度的覆盖层，这种现象叫覆盖效应。
极性效应：电火花加工时，其中一个电极比另一个电极的蚀除量大，这种现象叫极性效应极性系数--阴极蚀除量与阳极蚀除量之比。
连续图形就是由若干条轨迹线首尾相连的一串轨迹线。
特种加工：直接利用电能，热能，光能，化学能。
电化学能和声能等进行加工的工艺方法。
电化学加工---是通过电化学反应去除工件材料或在上面涂覆金属材料的一种特种加工。
特种加工
特种加工特种加工方法区别于传统切削加工方法，而是利用化学、物理(电、声、光、热、磁)或电化学方法对工件材料进行去除的一系列加工方法的总称。
应用范围:具有高硬度、高强度、高脆性或高熔点的各种难加工材料零件的加工，具有较低刚度或复杂曲面形状的特殊零件的加工等。
主要技术:电火花加工、电解加工、超声波加工、高能束加工。
特点：1.不存机械切削应力。
2.加工用的工具硬度3.加工具有特殊要求的零部件。
4.加工出高精度之加工表面。
5.加工出复杂形状表面。
6.部分加工方法可以複合使用。
一.电火花加工原理：电火花加工是利用工具电极和工件电极间瞬时火花放电所产生的高温，熔蚀工件材料来获得工件成形的．电火花加工原理放电加工是将工件和电极同时浸入介电液中，用特殊电源供给直流脉冲，电源正负极各接于工件和电极上，电极与工件由伺服机构控制，而维持一小间隙，距离最短之处，因介电液的绝缘破坏而产生火花。
反复不停放电直到工件被加工出与电极形状相反之凹穴出现为止。
放电加工特点和应用范围优点：1.能导电即可进行放电加工2.避免硬化变形3.加工断裂在工件内之螺丝攻或钻头4.电极与工件不接触，故不产生切削应力5.没有毛边6.加工薄且脆之工件7.镜面加工8.可自动化，一个人可同时操作数台机器9.切削加工复杂复杂形状之工件10.可制作完全吻合之上下模缺点:1.工件需能导电2.加工是相当慢的3.生成较硬且脆的变质层，微细裂缝产生4.电极会消耗，需准备较多的电极5.操作人员需要相当经验放电加工用的脉冲电源1. 高低压复合波脉冲电源2. 矩形波分组脉冲电源3. 阶梯波脉冲电源放电加工机的种类其用途可分为雕模放电加工机、线切割放电加工机及深孔放电加工机三种，对特殊用途而制作放电切断加工机、轧辊刻印加工机、微放电加工机。
分类：电火花成形加工机床；电火花线切割机床．电火花产品1 产品2 电火花加工过程演示线切割加工二.电解加工利用金属在电解液中产生阳极溶解的原理，去除工件材料的特种加工。
第四节高能束加工
❖ 5）能源消耗少，无加工污染，在节能、环保等方面有较 大优势。
3.激光加工的应用
（1）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。
❖ 常用的高能密度束流加工方法主要是: ❖ 激光加工、电子束加工、离子束加工等。
高能密度束流加工的共同特点：
❖ 1.加工速度快，热流输入少，对工件热影响极少， 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、 电子束加工可使任何坚硬、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。
2.离子束加工特点
❖ 1）加工精度高。因离子束流密度和能量可得 到精确控制。
❖ 2）在较高真空度下进行加工，环境污染少。 特别适合加工高纯度的半导体材料及易氧化 的金属材料。
❖ 3）加工应力小，变形极微小，加工表面质量 高，适合于各种材料和低刚度零件的加工。
3.离子束加工的应用范围
❖ 离子束加工方式包括离子蚀刻、离子镀膜及 离子溅射沉积和离子注入等。
❖ 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，易实现加工过程自动化，
一、激光加工
1.激光加工原理
❖ 激光加工（laser beam machining，LBM）是
在光热效应下产生的高温熔融和冲击波的综合作用 过程。
❖ 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。
高能束流加工技术
高能束流加工技术高能束流(High Energy Density Beam)加工技术是利用激光束、电子束、离子束和高压水射流等高能量密度的束流(其中高压水射流是冷切割加工技术)，对材料或构件进行特种加工的技术。
它的主要技术领域有激光束加工技术、电子束加工技术、离子束及等离子体加工技术以及高能束流复合加工技术等。
它包括焊接、切割、制孔、喷涂、表面改性、刻蚀和精细加工等，用于加工制造具有先进技术指标的构件或制备新型材料。
高能束流加工技术是当今制造技术发展的前沿领域，是当今世界高科技与制造技术相结合的产物，是制造工艺发展的前沿。
它具有常规加工方法无可比拟的优点。
①能量密度极高，可以实现厚板的深穿透加工、焊接和切割，一次可焊透300mm厚的钢板。
②可聚焦成极细的束流，达到微米级的焦点，用于制造微孔结构和精密刻蚀。
③可超高速扫描(速度达900m／s)，实现超高速加热和超高速冷却(冷却速度达104℃/S)，可以进行材料表面改性和非晶态化，实现新型超细、超薄、超纯材料的合成和金属基复合材料的制备。
④能量密度可在很大范围内进行调节，束流受控偏转柔性好，可进行全方位加工。
⑤适合于金属、非金属材料加工，可实现高质量、高精度、高效率和高经济性加工。
随着航空航天、微电子、汽车、轻工、医疗以及核工业等的迅猛发展，对产品零件的材料性能、结构形状、加工精度和表面完整性要求越来越高，传统的机械加工方法在高技术制造领域所占比重日益减少，高能束加工方法得到了广泛的应用。
例如，把高能束加工技术的深穿透特点用于重型装备厚壁结构、压力容器、运载工具、飞行器的焊接；把精密控制的微焦点高能量密度的热源用于微电子和精密器件的制造，高质量、高效率地实现超大规模集成元件、航空航天航海仪表、陀螺、膜盒的制造和核动力装置燃料棒的封装；利用高能束加工技术的可控高速扫描，实现航宇动力装置上气膜冷却小孔层板结构的高效率、高质量制造；利用高能束加工技术可在真空、高压条件下全方位加工的特点，实现在太空条件下的加工作业；利用高能束加工技术高速加热和高速冷却的特点，对金属材料表面改性和非晶态化，制备特殊功能的涂层和新型材料。
先进制造技术——高能束加工
◆ 光刻加工（电子束光刻大规模集成电路）
电子束 氧化膜
光致抗蚀剂
掩膜
窗口
1. 涂胶 基片 （光致抗蚀剂） 离子束
2. 曝光 （投影或扫描）
3. 显影、烘片 （形成窗口）
4. 刻蚀 （形成沟槽）
5. 沉积 （形成电路）
6. 剥膜 （去除光致抗蚀剂）
图 电子束光刻大规模集成电路加工过程
激光加工
激光是20世纪60年代初出现的一种光源。“激光” （Laser,即Light Amplification by stimulated Emission of Radiation的缩写）,意思是利用辐射受激 得到的加强光。 相对于普通光，激光有强度高、单色性好，相干 性好和方向性好的特性。根据这些特性将激光高度集 中起来,聚焦成一个极小的光斑（直径＜1/100mm2,从 而获得功率密度极高100,000kW/cm2)这就能提供足够 的热量来熔化或汽化任何一种已知的高强度工程材料, 故可进行非接触加工,适合各种材料的微细加工。
离子束溅射去除加工
阴极
惰性气体入口
◎将被加速的离子聚焦 成细束，射到被加工表 面上。被加工表面受 “轰击”后，打出原子 或分子，实现分子级去 除加工。 ◎加工装置见右图。三 坐标工作台可实现三坐 标直线运动，摆动装置 可实现绕水平轴的摆动 和绕垂直轴的转动。
阳极
中间电极 电磁线圈 控制电极 绝缘子 引出电极
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
电子束加工原理图
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
电子束加工的特点
1、束斑极小 因为电子束可以微细地聚焦，是一种精 密微细的加工方法。 2、能量密度高、生产率高 是非接触式加工，不产生 应力和变形，加工材料范围广。 3、可控性好 可以通过电场或磁场对电子束的强度、 位置、聚焦等直接进行控制，整个加工系统易实现自动 化。 4、污染少、表面不氧化 特适合加工易氧化的材料。 5、整个加工系统价格较贵，生产中受到一定的限制。
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4.1 激光加工 4.2 电子束加工 4.3 离子束加工 4.4 等离子弧加工
• 激光加工（Lasser Beam Machining 简称 LBM）。可以用于打孔、切割、电子器件的 微调、焊接、热处理等各个领域。
• 优点：不需要加工工具、加工速度快、表 面变形小，可以加工各种材料
4.1.1.1激光加工原理
• 激光加工：把具有足够能量的激光束聚焦 后照射到所加工材料的适当部位，在极短 的时间内，光能转变为热能，被照部位迅 速升温，材料可以发生汽化、熔化、金相 组织变化以及产生相当大的热应力，从而 达到工件材料被去除、连接、改性或分离 等加工。
4.1.1.2激光加工的特点
• (1) 一机多能 在同 • (2) 适应性强 • (3) 加工质量好 • (4) 加工精度高 • (5) 加工效率高 • (6) 经济效益高 • (7) 节能和省材 • (8) 无公害和污染
4.1.4.2热传导焊接
• 1) 激光热传导焊接的原理 热传导激光焊接是将高强度激光束直接辐射至材料 表面，通过激光与材料的相互作用，使材料局部熔 化实现焊接。
• 2) 激光热传导焊接的应用范围和相关的工艺方法 可以焊接一般的金属、非金属材料，难熔或极易氧 化的材料，不同金属之间、金属与非金属材料之间 进行焊接，可焊接金属箔、板、丝、玻璃、硬质合 金等材料，还有诸如电子管、显像管等封闭器件内 部进行焊接。能适应恶劣的特殊环境，例如高温、 高压、低温、剧毒、水下及放射性等环境。
红 宝 石 激 光 跃 迁 图
• 2.钕玻璃激光器 钕玻璃激光器是四能级系统的激光器，钕玻璃棒 具有较高的光学均匀性，光线的发散角小，特别 适合于精密细微加工。其缺点是导热性差，必须 有合适的冷却装置。
钕 玻 璃 激 光 跃 迁
• 3.掺钕钇铝石榴石（YAG）激光器
属于四能级系统，产生激光的是钕离子， 发射 波长的红外激光。 广泛用于打孔、切割、微调等工作。
(1) 焊缝净化效应 (2) 光爆冲击效应 (3) 深熔焊的小孔效应 (4) 熔池中孔穴侧壁对激光的聚焦效应
激光焊接优点： (1) 激光照射时间短，焊接过程极为迅速，没有焊渣，
也不需去除工件的氧化膜，甚至可以透过玻璃进 行焊接，尤其适用于微型精密仪表中的焊接。 (2) 激光不仅能焊接同种金属材料，而且可以焊接异 种金属材料，甚至还可以焊接金属与非金属材料。
• 激光：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。
4.1 激光加工
4.1.1激光加工原理与特点 4.1.2材料加工用激光器简介 4.1.3激光切割和打孔技术 4.1.4激光焊接技术 4.1.5激光表面处理技术 4.1.6其他激光加工简介
4.1.1激光加工原理与特点
4.1.1.1激光加工原理 4.1.1.2激光加工的特点
4.1.4.1激光焊接的特点
• 激光焊接是用激光作为热源对材料进行加 热，使材料熔化而联结的工艺方法。
• 特点是焊缝的深宽比大。 • 固体激光焊接机正向着小型、紧凑、高效、
耐用和可靠性方向Байду номын сангаас展，并配有计算机、 可旋转透镜、多路分束及光纤传输等，以 提高操作灵活性和自动化水平。
激光焊接过程中会产生四种独特的效应：
COC2和O2N分2的子部的分振振动动图能级
• 2：氩离子激光器 氩离子激光器是惰性气体（Ar）通过气体放电， 使氩原子电离并激发，实现粒子数反转，而产生 激光。可用于精密细微加工，如用于激光存贮光 盘的蚀刻等。
氩 离 子 激 光 器
4.1.2.2固体激光器
• 1.红宝石激光器 红宝石激光器是三能级系统的激光器，主要是铬 离子起受激发射作用。
4.1.2材料加工用激光器简介
4.1.2.1气体激光器 4.1.2.2固体激光器 4.1.2.3光纤激光器
4.1.2.1气体激光器
气体激光器广泛应用于切割、焊接、热处理 等加工领域。
• 1：二氧化碳激光器 以二氧化碳气体为工作物质。 氙二（氧X化e）碳等激辅光助器气加体进和氮水（蒸N2汽）可、以氦提（高He激）、 光器的输出功率。 气体混合比对输出功率有很大影响，一般 采N2O用=的1：比1例.5~是2：：6C~O82：：0N.52：：0H.e1：Xe：
4.1.2.3光纤激光器
• 光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作 为增益介质的激光器。光纤激光器应用范 围非常广泛，包括激光光纤通讯、激光空 间远距通讯、工业造船、汽车制造、激光 雕刻激光打标激光切割、印刷制辊、金属 非金属钻孔/切割/焊接（铜焊、淬水、包层 以及深度焊接）、军事国防安全、医疗器 械仪器设备、大型基础建设等等。
双包层光纤及工作原理
【应用实例4-1】 光纤激光器在车身焊接加工领域的 应用
4.1.3激光切割和打孔技术
4.1.3.1激光切割 4.1.3.2激光打孔
4.1.3.1激光切割
• 特点：高速度、高质量
激光切割示意图
• 分类：汽化切割、熔化切割、氧助熔化切割和控 制断裂切割四类。
• 激光切割特色：切缝窄，工件变形小；非接触； 与计算机配合高速加工；切割非金属是其它方法 不可比的。
• 光纤激光器作为第三代激光技术的代表，具有以下 优势：
（1）小型化、集约化优势 （2）玻璃光纤对入射泵浦光不需要像晶体那样的严
格的相位匹配
（3）玻璃材料具有极低的体积面积比，散热快、损 耗低
（4）输出激光波长多 （5）可调谐性 （6）具有免调节、免维护、高稳定性的优点 （7）使机械系统的设计变得非常简单。 （8）胜任恶劣的工作环境 （9）不需热电制冷和水冷，只需简单的风冷。 （10）高的电光效率 （11）高功率,目前商用化的光纤激光器是六千瓦。
激 光 切 割 木 工 艺 品
4.1.3.2激光打孔
• 激光打孔是将聚焦的激光束射向工件，将其指定 范围“烧穿”。一般采用固体激光器，以脉冲方 式打孔。
激 孔 光 形 打 成 孔 示 示 意 意 图 图
【应用实例4-3】 涡轮叶片激光打孔应用
激光穿孔后的零件
4.1.4激光焊接技术
4.1.4.1激光焊接的特点 4.1.4.2热传导焊接 4.1.4.3激光深熔焊接