激光、电子束、离子束三束区别要点
先进制造技术——三束加工—激光束、电子束、离子束共29页文档
11、获得的成功越大，就越令人高兴 。野心 是使人 勤奋的 原因， 节制使 人枯萎 。 12、不问收获，只问耕耘。如同种树 ，先有 根茎， 再有枝 叶，尔 后花实 ，好好 劳动， 不要想 太多， 那样只 会使人 胆孝懒 惰，因 为不实 践，甚 至不接 触社会 ，难道 你是野 人。(名 言网) 13、不怕，不悔(虽然只有四个字，但 常看常 新。 14、我在心里默默地为每一个人祝福 。我爱 自己， 我用清 洁与节 制来珍 惜我的 身体， 我用智 慧和知 识充实 我的头 脑。 15、这世上的一切都借希望而完成。 农夫不 会播下 一粒玉 米，如 果他不 曾希望 它长成 种籽； 单身汉 不会娶 妻，如 果他不 曾希望 有小孩 ；商人 或手艺 人不会 工作， 如果他 不曾希 望因此 而有收 益。-- 马钉路 德。
谢谢
11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我
三束加工的名词解释
三束加工的名词解释三束加工（triple-beam processing）是一种先进的制造技术，主要应用于材料加工和表面处理领域。
本文将从三束加工的定义、工作原理和应用前景等方面进行详细解释。
一、定义三束加工是指利用三束能量进行材料加工和表面处理的一种高效技术。
其中的三束指的是激光束、等离子束和电子束，它们通过相互作用实现对材料的微观形态和性质进行控制和改变。
二、工作原理三束加工系统由激光束发生器、等离子束发生器和电子束发生器组成，通过控制这三个能量束的频率、功率和时间等参数，实现对材料的加工和表面处理。
具体工作原理如下：1. 激光束：激光束通过高能量光子的作用产生瞬间高温，使材料表面迅速熔化或蒸发。
这种热源可用于雕刻、切割和钻孔等加工，也可用于表面深度改性和纳米结构调控。
2. 等离子束：等离子束是通过加速带电粒子产生的高速离子流。
当等离子束与材料表面相互作用时，会发生碰撞和电离，产生复杂的化学反应和能量传递。
这种能量束可用于表面硬化、合金沉积和陶瓷涂层等处理。
3. 电子束：电子束是通过加速带负电荷的电子产生的高速电子束流。
电子束与材料相互作用时，会发生电子与原子间的碰撞和电离，从而引起材料基因的改变。
电子束广泛应用于改性材料制备、电子雕刻和微纳加工等领域。
三、应用前景三束加工技术的出现，将会给传统的材料加工和表面处理带来革命性的改变。
其主要应用前景如下：1. 新材料研发：通过三束加工技术，可以精确控制材料的微观形态和晶体结构，从而实现新材料的研发和优化。
这对于改善材料的力学性能、导电性能和光学性能等方面具有重要意义。
2. 高效制造：三束加工技术具有高效、精确和可靠的特点，可以实现复杂零件的快速加工和表面处理。
在制造业中广泛应用该技术，将大大提高产品的质量和生产效率。
3. 环境友好：相比传统的化学涂层和腐蚀处理方法，三束加工技术更加环境友好。
它能够减少有害废气和废液的产生，同时还可以节约能源和原材料的使用，有利于可持续发展。
表面改性技术
应用：常用于大尺寸和重量大的工件，尤其适用于批量少品种多的零件或局部区域的
表面淬火，如大型齿轮、轴、轧辊和导轨等。
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三、 金属表面化学热处理
金属表面化学热处理：利用元素扩散性能，使合金元素渗入金
属表层的一种热处理工艺。
(一)金属表面化学热处理过程
其基本工艺过程是： 首先将工件置于含有渗入元素的活性介质中加热到一定温度，使活性介
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二 、 表面热处理强化
强化基本思想:
当工件表面层快速加热时，工件截面上 的温度分布是不均匀的，工件表层温度高且
由表及里逐渐降低。
如果表面的温度超过相变点以上达到奥 氏体状态时，随后的快冷可获得马氏体组织，
而心部仍保留原组织状态。 结果: 得到硬化的表面层，即通过表面层的相 变达到强化工件表面的目的。
有色金属激光涂履
利用激光进行铝合金表面涂覆可以从根本上改善工 件的表面的耐磨、耐蚀和抗疲劳性能，很少受基体材 料的限制。
如: 西安交通大学等对ZL101铝合金发动机缸体内 壁进行激光涂覆硅粉和MoS2，获得0．1～0．2mm的 硬化层，其硬度可达基体的3．5倍。
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四、三束表面改性处理
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三、 金属表面化学热处理
(3)渗金属。 使工件表面形成一层金属碳化物的一种工艺方法，即渗入
元素与工件表层中的碳结合形成金属碳化物的化合物层，如(Cr、Fe)7C3、 VC、NbC、TaC等。
(4) 渗其他元素。如材料表面渗硅、渗硫等。渗硅的主要目的是提高
工件的耐蚀性、稳定性、硬度和耐磨性。渗硫的目的是在钢铁零件表面 生成FeS薄膜，以降低摩擦系数，提高抗咬合性能。
电子 离子 激光束加工的区别
电子束加工、离子束加工和激光束加工的区别：
⏹一、原理不同：①电子束加工：在真空中从灼热的灯丝阴极发射出的电子,在高电
压(30～200千伏)作用下被加速到很高的速度，通过电磁透镜会聚成一束高功率密度的电子束。
当冲击到工件时，电子束的动能立即转变成为热能，产生出极高的温度，。
②离子束加工：当离子（正离子）束打击到材料表面上，会产生所谓撞击效应、溅
射效应和注入效应，从而达到不同的加工目的。
③激光加工：经过透镜聚焦后,在焦点上达到很高的能量密度，光能转化为热能，靠光热效应来加工的
⏹二、应用不同：①电子束加工：1）高速打孔2）加工型孔及特殊表面4）焊接5）
热处理6）电子束光刻②离子束加工：1）刻蚀加工2）镀膜加工3）离子注入加工
③激光加工：1）激光切割2）激光打孔3）激光打标4)激光焊接5）激光热处理
6)激光雕刻
⏹三、装置不同：与电子束和离子束加工装置比起来，激光束加工装置比较简单。
⏹。
激光、电子束、离子束三束区别
电子束、离子束、激光束是表面工程领域内的三大载体，号称三束改性。
都具有高能量密度特性。
顾名思义电子束加工是以激发电子作为载体，离子束则以离子。
离子束加工是一种元素注入过程，具有辐照损伤、喷丸作用、表面压缩、形成表面非晶态，形成弥散化合物质点等效应，而电子束与激光束的主要作用在高能量，没有辐照、表面压缩等特性。
电子束、离子束、激光束是表面工程领域内的三大载体，号称三束改性。
都具有高能量密度特性。
顾名思义电子束加工是以激发电子作为载体，离子束则以离子。
离子束加工是一种元素注入过程，具有辐照损伤、喷丸作用、表面压缩、形成表面非晶态，形成弥散化合物质点等效应，而电子束与激光束的主要作用在高能量，没有辐照、表面压缩等特性电子束聚焦点最细最深，激光束次之，离子束最粗。
电子束聚焦直径（打孔）最小可以小于1um。
电子束由电子组成，而离子束一般由金属粒子组成，本质的原理是一样的。
都有溅射作用，对样品损伤也没一定的规律。
但对于石英材料来讲，损伤很明显。
电子束不会造成成分污染，但离子束会，相当于离子注入。
3.加工特点：电子束：（1）.束径小、能量密度高；（2）.非接触加工，加工过程中工具与加工工件之间不存在明显的机械切削力，不产生宏观应力和变形；（3）.被加工对象范围广；（4）.电子束能量高，加工速度快、效率高；（5）.电子束加工需要一套专用设备和真空系统，价格昂贵。
离子束：（1）.加工精度和表面质量高；（2）.加工材料广泛；（3）.加工方法丰富；（4）.性能好，易于实现自动化；（5）.应用范围广泛，可根据加工要求选择。
激光束：（1）.加工精度高；（2）.加工材料范围广；（3）.加工性能好；（4）.加工速度快、效率高；（5）.价格昂贵加工方法：电子束;（1）.电子束扫描曝光；（2）.电子束投影曝光；（3）.电子束表面改性。
离子束：（1）.离子束溅射去除加工；（2）.离子束溅射镀膜加工；（3）.离子束注入加工；（4）.离子束曝光加工。
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。
高能束
一、分别简述离子束、电子束、激光束的定义及产生原理，并作示意图。
离子束定义：离子束以近似一致的速度沿几乎同一方向运动的一群离子产生原理：在离子源中，通过气体放电产生等离子体。
从宏观上看，等离子体是电中性的，即离子总电荷数与电子总电荷数基本相当。
等离子体中的离子由引出电极引出，进入质量分析器。
不同质量数或不同电荷数的离子经质量分析，分离出同一种类带有同样电荷的离子进入加速段。
加速系统将离子加速到所要求的能量，注入处于靶室中样品上。
电子束定义：电子束在真空汇集成束。
可采用静电场聚焦,磁场聚焦等方法产生原理：电子经过汇集成束。
具有高能量密度。
它是利用电子枪中阴极所产生的电子在阴阳极间的高压（25-300kV）加速电场作用下被加速至很高的速度（0.3-0.7倍光速），经透镜会聚作用后，形成密集的高速电子流。
激光定义：激光束是利用原子受激辐射的原理，使工作物质受激发而产生的一种单色性高、方向性强、光亮度的光束。
产生原理：a受激吸收、：处于较低能级的粒子在受到外界的激发，吸收了能量，跃迁到较高能级。
b.自发辐射：粒子自发地从高能级激发态（E2）向低能级基态（E1）跃迁，同时辐射出能量为（E2-E1）的光子。
c受激辐射（激光）: 当频率为=ν（E2-E1）/h的光子入射时，迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子。
二、论述激光与材料的相互作用、金属材料对激光的吸收、光致等离子体。
金属材料的激光加工主要是基于光热效应的热加工，激光辐照材料表面时，在不同的功率密度下，材料表面区域将发生各种不同的变化，包括表面温度升高、熔化、汽化、形成匙孔以及产生光致等离子体等。
而且材料表面区域物理状态的变化极大地影响材料对激光的吸收。
随功率密度与作用时间的增加，金属材料将会发生固态加热、表层熔化、形成稀薄等离子体、形成匙孔及致密等离子体等物态变化。
就材料对激光的吸收而言，材料的汽化是一个分界限。
电子束离子束加工讲解
特别是易氧化材料及纯度要求高半导体材料
4. 可控性好，易实现自动化
通过磁场或电场对电子束强度、位置、聚焦等直接控制
5. 需专用设备和真空系统，价格较贵
主要用于精密微细加工，应用有一定局限性
三、电子束加工设备
电子枪
阴极、控制栅极、加速阳极
真空系统
避免电子与气体分子碰撞减速
最小孔径或缝宽１μ m，深孔的深径比大于15
加工速度快，变形小，每秒几千到几万个，
取决于板厚孔径及复杂程度，EDM的50倍，LBM的5倍
专用塑料皮革打孔机将片状电子束分割成数 百条细束，速度达每秒５万孔
２. 加工异型孔及特殊表面（切割）
切割复杂型面 切口宽度可达 ３～６μm， 边缘表面粗糙 度控制在 ±0.5 μm
四、离子束加工的应用
4. 离子束曝光 具有高分辩率和灵敏度，能对线宽小于0.1μm 的精密微细图形曝光，在相同抗蚀剂时，离子 束曝光的灵敏度比电子束曝光高一个数量级以 上，曝光时间大为缩短。 离子束将成为微细图形写图和复印的重要手段， 但目前电子束曝光技术比较成熟。
作业与思考题
问答题: 1.快速成形的工艺原理与常规加工工艺有何不同？ 具有什么特点？
一、离子束加工原理
与电子束加工类似，在真空条件下，将离子束 经加速和聚焦后冲击到工件表面上实现加工。
不同的是离子质量是电子的数千数万倍，在同 电场中加速慢，而一旦加到高速，具有更大动 能，撞击材料引起原子分子分离溅射或注入。
所利用的是离子束微观的机械撞击作用（弹性 碰撞、微观力效应），而不是热效应。
四、离子束加工的应用
1. 精微加工
加工非球面透镜, 金刚石刀具刃磨 精微打孔，玻璃、 镍铂上打几微米孔， 孔壁光滑 高精度图形刻蚀， 集成电路、微电子元 件、硬掩膜等 抛光致薄压电晶体
8电子束离子束加工
第八章电子束和离子束加工8.1 电子束加工概述电子束作为高能量密度热源，早已为人们所注意。
但直到1949年，联邦德国的斯太格瓦尔德才在0.5mm厚的不锈钢薄板上，用电子束钻出直径为0.2mm的孔。
1952年，研制出加速电压为125kV、功率为2.5kW的电子束装置，并钻出人造纤维喷丝板。
1957年，法国原子能委员会的斯托尔研制成功世界第一台用于生产的电子束焊接机。
原来用氩弧焊接的原子反应堆燃料元件锆包装封口，废品率高达30%，而采用电子束焊接后，所制产品全部合格。
这一成果显示出电子束加工的潜在前景，引起了世界各国重视。
1959年，联邦德国研制出多种用途的电子束加工机，可以用来钻孔、铣切和焊接。
20世纪60年代初，电子束打孔、铣切、焊接、镀膜、熔炼、区熔等技术，已成功地应用到原子能、航天、航空、电子和精密机械等部门中，促进了尖端技术的发展。
20世纪60年代中期，电子束加工技术又在新的领域内得到应用。
这一新技术就是电子束曝光。
随着微电子学的发展、集成度的提高，要突破常规光刻工艺所能达到的最小线宽——2μm的极限，必须探索新的光刻工艺。
受到扫描电镜高分辨率的启发，人们利用扫描电镜在光致抗蚀剂上进行曝光，终于得到了高分辨率的线条。
当时，单线条宽度可以达到45nm。
1967年，日本电子公司研制成JBX-2型扫描电子束曝光机。
此后，法国、美国等也研制出了扫描电子束曝光机。
70年代，人们开始致力于扫描电子束曝光机在电子器件生产线上的实用化研究，以提高微电子器件的生产效率和产品率。
目前扫描电子束曝光技术在微电子学工艺中制作掩膜或器件所能达到的最小线宽小于0.1μm。
我国对电子束加工技术的研究始于1960年。
最初是从电子束焊接和打孔着手。
60年代初先后研制出电子束焊接机、电子束打孔机以及人造纤维喷丝板电子束打孔机。
60年代中期，还研制出多种电子束熔炉、区域熔炼炉、镀膜机等设备。
70年代又进行了电子束曝光技术的研究，取得了许多领先的研究成果。
先进制造技术——三束加工—激光束、电子束、离子束
在目前的工业生产中，离子束加工主要应用于刻蚀加工(如加工空气轴承 的沟槽，加工极薄材料等)、镀膜加工(如在金属或非金属材料上镀制金属或 非金属材料)、注入加工(如某些特殊的半导体器件)等。
图1.激光加工示意图
激光束加工设备
激光机工的基本设备由激光器、导光聚焦系统和加工机（激光 机工系统）三部分组成。 1.激光器：激光器是激光加工的重要设备，他的任务是把电能 转换为光能，产生所需要的激光束。按工作物质的种类可分为 固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器四大类。 2.导光聚焦系统：根据被加工工件的性能要求，光束经过放大、 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 工工件之间的装置成为导光聚焦系统。 3.激光加工系统：激光加工系统主要包括床身、能够在三维坐 标范围之内移动的工作台及机电控制系统等。
抽真 空系 统
聚焦系统
电子束
工件 电源 及控 制系 统
图2.电子束加工装置的结构示意
电子束加工的特点
(1) 电子束能够极其微细地聚焦(可达l～0.1 μ m)，故可进行微细加工。 (2) 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。
①激光打孔
利用激光束可对各种材料加工小孔和微孔，最小孔径达几微米，
深度可达直径的 50倍。激光打孔时，用高功率密度脉冲激光源，影响加工 质量的因素有激光束的参数（能量、脉宽）、波形、焦距、偏焦量、脉冲次 数、被加工材料等。
②激光切割 激光切割常用二氧化碳气体激光器，连续或脉冲方式，所切割 的切缝窄、边缘质量好，几乎无切割残渣，切割速度高，也可切割金属，也 可切割非金属；既可切割无机物，也可切割有机物。可代替刀具切割木材， 代替剪刀切割布料、纸张，还可切割无法进行机械接触的工件。由于激光加 工对被切材料几乎不产生机械冲击力和压力，故适合切割玻璃、陶瓷和半导 体材料。
激光、电子束、离子束三束区别要点
电子束、离子束、激光束是表面工程领域内的三大载体，号称三束改性。
都具有高能量密度特性。
顾名思义电子束加工是以激发电子作为载体，离子束则以离子。
离子束加工是一种元素注入过程，具有辐照损伤、喷丸作用、表面压缩、形成表面非晶态，形成弥散化合物质点等效应，而电子束与激光束的主要作用在高能量，没有辐照、表面压缩等特性。
电子束、离子束、激光束是表面工程领域内的三大载体，号称三束改性。
都具有高能量密度
特性。
顾名思义电子束加工是以激发电子作为载体，离子束则以离子。
离子束加工是一种元素
注入过程，具有辐照损伤、喷丸作用、表面压缩、形成表面非晶态，形成弥散化合物质点等
效应，而电子束与激光束的主要作用在高能量，没有辐照、表面压缩等特性
电子束聚焦点最细最深，激光束次之，离子束最粗。
电子束聚焦直径（打孔）最小可以小于1um。
电子束由电子组成，而离子束一般由金属粒子组成，本质的原理是一样的。
都有溅射作用，
对样品损伤也没一定的规律。
但对于石英材料来讲，损伤很明显。
电子束不会造成成分污染，但离子束会，相当于离子注入。
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：。
电子束与激光比较
电子束焊接与激光焊接的比较
一、前言
在汽车制造中，无论是发动机、变速箱等零部件生产，还是车身制造与装配，焊接工艺都是重要的加工手段。
除电弧焊、电阻焊等传统焊接技术被普遍采用外，现代汽车生产过程中，以电子束和激光焊为代表的新一代焊接技术的应用也越来越广泛，并凭借精密和高效，成为汽车生产企业提升产品质量、降低生产成本、增加产品竞争力的有力工具。
电子束技术起源于20世纪50年代，10年后激光器诞生，激光加工技术的研究与应用随即展开。
电子束与激光加工的应用领域大体相同，这是因为他们同属于高能密度束流加工技术，其能量密度在同一段数量级，远高于其他热源。
同时，他们与材料的作用原理也极其相近。
二、电子束与激光加工的原理
电子束加工（electron beam machining，EBM）是在真空条件下，利用电子枪中产生的电子经加速、聚焦后能量密度为106～109W/cm2的极细束流，高速（光速的60%~70%）冲击到工件表面，并在极短的时间内，将电子的动能大部分转换为热能，形成“小孔”效应，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，达到焊接目的。
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。
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105～1011W/cm2，温度可达一万摄氏度，将材料在瞬间熔化和蒸发。
激光焊接分为热导焊和深熔焊，在深熔焊中，巨大的能量同样可以形成“小孔”效应，并随着工件的移动，“小孔”身后的材料迅速冷却凝固成为焊缝。
电子束离子束激光束加工
耐用度。
•
3)离子注入加工
•
离子注入加工是将所要注入的元
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
•
0.03～ 0.07 mm
图2 电子束加工的异形孔
3
1
2
(a)
(b)
3
1—工 件 ； 2—工 件 运 动 方 向 ； 3—电 子 束
(c)
(d)
图3 电子束加工曲面、穿孔
•
3）刻蚀
使焊件的整个接缝形成一条焊缝。
•
5）热处理
•
电子束热处理也是把电子束作为
热源，但适当控制电子束的功率密度，
使金属表面加热而不熔化，达到热处理
的目的。电子束热处理的加热速度和冷
却速度都很高，在相变过程中，奥氏体
化时间很短，只有几分之一秒乃至千分
之一秒，奥氏体晶粒来不及长大，从而
能获得一种超细晶粒组织，可使工件获
电子束、离子束和激光束加工
• 1.1 电子束加工
•
1. 加工原理
•
电子束加工是利用高速电子的冲
击动能来加工工件的，如图1所示。在真
空条件下，将具有很高速度和能量的电
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。
电子枪系统
聚焦系统
抽真 空系
统
电源 及控 制系
•
在微电子器件生产中，为了制造
多层固体组件，可利用电子束对陶瓷或
半导体材料刻出许多微细沟槽和孔。如
在硅片上刻出宽2.5μm，深0.25μm的细
电子束与激光比较
电子束焊接与激光焊接的比较一、前言在汽车制造中，无论是发动机、变速箱等零部件生产，还是车身制造与装配，焊接工艺都是重要的加工手段。
除电弧焊、电阻焊等传统焊接技术被普遍采用外，现代汽车生产过程中，以电子束和激光焊为代表的新一代焊接技术的应用也越来越广泛，并凭借精密和高效，成为汽车生产企业提升产品质量、降低生产成本、增加产品竞争力的有力工具。
电子束技术起源于20世纪50年代，10年后激光器诞生，激光加工技术的研究与应用随即展开。
电子束与激光加工的应用领域大体相同，这是因为他们同属于高能密度束流加工技术，其能量密度在同一段数量级，远高于其他热源。
同时，他们与材料的作用原理也极其相近。
二、电子束与激光加工的原理电子束加工（electron beam machining，EBM）是在真空条件下，利用电子枪中产生的电子经加速、聚焦后能量密度为106～109W/cm2的极细束流，高速（光速的60%~70%）冲击到工件表面，并在极短的时间内，将电子的动能大部分转换为热能，形成“小孔”效应，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，达到焊接目的。
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。
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105～1011W/cm2，温度可达一万摄氏度，将材料在瞬间熔化和蒸发。
激光焊接分为热导焊和深熔焊，在深熔焊中，巨大的能量同样可以形成“小孔”效应，并随着工件的移动，“小孔”身后的材料迅速冷却凝固成为焊缝。
与传统焊接技术比较，激光焊接与电子束焊接都具有更多优异的特性。
λ能量密度高（大于105W/cm2）；焊接速度高（一般可以达到5~10米/分钟）；λλ热影响区窄（仅为焊缝宽度的10%~20%）；热流输入少、工件变形小；λλ易实现自动控制、可在线检测焊缝质量；λ非接触加工、无后续加工。
三、电子束与激光焊的性能比较至今，电子束焊经过不断发展已经成为一种成熟的加工技术，无论是汽车制造，还是航空航天，都起着举足轻重的作用。
广州3D打印服务分析金属3D打印激光束、电子束和等离子束各自特点
广州3D打印服务分析金属3D打印激光束、电子束和等离子束各自特点激光束激光是一种强度高、方向性好、单色性好的相干光。
由于激光的发散角小和单色性好，理论上可以聚焦到尺寸与光的波长相近的(微米甚至亚微米)小斑点上，加上它本身强度高，故可以使其焦点处的功率密度达到107～1011W/cm2，温度可达10000℃以上。
在这样的高温下，任何材料都将瞬时急剧熔化和汽化，并爆炸性地高速喷射出来，同时产生方向性很强的冲击。
因此，激光3D打印是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过程。
激光加工的特点主要有以下几个方面：(1)几乎对所有的金属和非金属材料都可以进行激光加工。
(2)激光能聚焦成极小的光斑，可进行微细和精密加工，如微细窄缝和微型孔的加工。
(3)可用反射镜将激光束送往远离激光器的隔离室或其它地点进行加工。
(4)加工时不需用刀具，属于非接触加工，无机械加工变形。
(5)无需加工工具和特殊环境，便于自动控制连续加工，加工效率高，加工变形和热变形小。
(6)价格昂贵。
电子束电子束加工的原理是利用高速电子的冲击动能来加工工件的，在真空条件下，将具有很高速度和能量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。
电子束加工的特点如下：(1)电子束能够极其微细地聚焦(可达l～0.1 μm)，故可进行微细加工。
(2)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。
(3)可通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦等进行控制，所以整个加工过程便于实现自动化。
(4) 电子束的能量密度高，加工效率很高。
(5)加工在真空中进行，污染少，加工表面不易被氧化。
(6)电子束加工需要整套的专用设备和真空系统，价格较贵，故在生产中受到一定程度的限制。
(7)电子束加工需要一套专用设备和真空系统，价格昂贵。
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电子束、离子束、激光束是表面工程领域内的三大载体，号称三束改性。
都具有高能量密度特性。
顾名思义电子束加工是以激发电子作为载体，离子束则以离子。
离子束加工是一种元素注入过程，具有辐照损伤、喷丸作用、表面压缩、形成表面非晶态，形成弥散化合物质点等效应，而电子束与激光束的主要作用在高能量，没有辐照、表面压缩等特性。
电子束、离子束、激光束是表面工程领域内的三大载体，号称三束改性。
都具有高能量密度特性。
顾名思义电子束加工是以激发电子作为载体，离子束则以离子。
离子束加工是一种元素注入过程，具有辐照损伤、喷丸作用、表面压缩、形成表面非晶态，形成弥散化合物质点等效应，而电子束与激光束的主要作用在高能量，没有辐照、表面压缩等特性电子束聚焦点最细最深，激光束次之，离子束最粗。
电子束聚焦直径（打孔）最小可以小于1um。
电子束由电子组成，而离子束一般由金属粒子组成，本质的原理是一样的。
都有溅射作用，对样品损伤也没一定的规律。
但对于石英材料来讲，损伤很明显。
电子束不会造成成分污染，但离子束会，相当于离子注入。
3.加工特点：电子束：（1）.束径小、能量密度高；（2）.非接触加工，加工过程中工具与加工工件之间不存在明显的机械切削力，不产生宏观应力和变形；（3）.被加工对象范围广；（4）.电子束能量高，加工速度快、效率高；（5）.电子束加工需要一套专用设备和真空系统，价格昂贵。
离子束：（1）.加工精度和表面质量高；（2）.加工材料广泛；（3）.加工方法丰富；（4）.性能好，易于实现自动化；（5）.应用范围广泛，可根据加工要求选择。
激光束：（1）.加工精度高；（2）.加工材料范围广；（3）.加工性能好；（4）.加工速度快、效率高；（5）.价格昂贵加工方法：电子束;（1）.电子束扫描曝光；（2）.电子束投影曝光；（3）.电子束表面改性。
离子束：（1）.离子束溅射去除加工；（2）.离子束溅射镀膜加工；（3）.离子束注入加工；（4）.离子束曝光加工。
激光束：（1）.加工精度高；（2）.加工材料范围广；（3）.加工性能好；（4）.加工速度快、效率高；（5）.价格昂贵。
材料表面改性目的和意义材料表面改性是指不改变材料整体（基体）特性，仅改变材料近表面层的物理、化学特性的表面处理手段，材料表面改性也可以称为材料表面强化处理。
现代材料表面改性目的：是把材料表面与基体看作为一个统一的系统进行设计与改性，以最经济、最有效的方法改变材料近表面层的形态、化学成份和组织结构，赋予新的复合性能，以新型的功能，实现新的工程应用。
因此，现代材料表面改性一是可以使材料表面获得更好的表面特性，有效地延长零件使用寿命；二是可以用性能较差的合金钢代替优质合金钢，以节省优质合金钢材料；三是可以研制出新颖材料。
这种多功能综合化，用于提高材料表面性能的各种现代表面改性技术统称为现代表面改性技术。
现代表面改性技术适用于金属及其合金、陶瓷、玻璃、聚合物及半导体材料等多种现代材料。
现代材料表面改性技术的发展现代材料表面改性技术是一门由多种学科发展而来的技术组合，其发展经历了很长，很复杂的过程。
传统的表面改性技术，如表面热处理、表面渗碳等已有上百年的历史了。
上世纪50年代高分子涂装技术有了非常大的发展，由古老的刷涂、空气喷涂发展为静电喷涂、流化床涂装、电泳涂装及静电涂装。
60年代以来，传统的淬火已由火焰加热发展为高频加热。
后来，激光器与电子束装置的应用，出现了激光束、电子束的淬火技术。
电镀是一门古老的表面改性技术，相当长时间，电镀只能镀覆纯金属模，目前已能镀覆多种合金，也可以在表面上镀陶瓷和金刚石粉末，以增加表面的抗磨性。
70年代以来，化学镀有了很大的发展，它已成为一个有效的镀覆手段。
近30年来，热喷涂得到了迅速的发展，国内外形成了一种热喷涂技术热，使它在多种工业部门得到了广泛应用，而且发展出多种类型的热喷涂技术。
激光束、电子束成功地应用于现代材料表面改性，出现了如激光表面涂敷、激光表面合金化、激光表面淬火、电子束表面淬火、表面镀膜等等多种现代材料表面改性技术。
激光表面改性激光束的能量密度非常高，因而当它照射在物体表面时能够产生106~108K/cm非常高的温度梯度，使表面迅速熔化。
移去热源时，冷的基体又会使熔化部分以109~1011K/s的速度冷却，使表面迅速凝固。
由于激光的这种特性，它可用于材料的激光相变、激光表面合金化与激光熔覆处理，提高材料表面的硬度、抗磨性、抗蚀性。
激光束与金属的相互作用 1.金属对激光的吸收激光束照射金属时，激光束能量会很快转变为金属晶格的动能，从而使金属表层迅速熔化，激光束部分能量被吸收，部分能量被反射。
金属对激光的吸收因金属而异，金属的表面状态对于反射率极为敏感，表面越光滑反射率越高，表面杂质和氧化物会使反射率急剧变化。
激光透入金属的深度仅为表面下10-5cm的范围，所以激光对金属的加热可看作是一种表面热源，在表面层光能变为热能，此后，热能按热传导规律向金属深处传导。
图6.10各种激光加工方法使用的功率密度及时间范围激光相变硬化1.激光相变硬化的机理激光相变硬化得到超高硬度的机理主要是：由于高的加热和冷却速率使生成的马氏体针更加细化。
例如，Cr12中一般淬火的马氏体针长度约6 m，而激光淬火后马氏体针长度约2 m。
2激光相变硬化的特点加热和冷却速率高：加热速率可达105~109 0C/s，对应的加热时间为10-3~10-7 s，冷却速率可达104~107 0C/s。
扫描速率越快，冷却速率也越快。
高硬度：激光淬火层的硬度比常规淬火层提高15%~20%。
变形小：激光淬火表面有很大的残余压应力（可达4000MPa），有利于提高疲劳强度。
由于加热层薄，加热激光快，即使很复杂的零件，变形也非常小。
表层显微组织：由于激光加热速率极快，相变在很大的过热度下进行，形核率很大。
因加热时间又很短，碳原子的扩散及晶粒的长大受到限制，所以得到的奥氏体晶粒小而不均匀。
冷却速率也比使用任何淬火剂都快，因而易得到隐针或细针马氏体组织。
3激光熔化淬火如果提高激光功率，或减小光束直径、减小扫描速率，对金属扫描时，表面薄层被熔化，当光束离开时，由于冷的基体的散热作用，会产生固相相变硬化所类似的冷却作用，使表层可产生一层液体金属的激冷组织，这种硬化技术可称为激光熔化淬火。
4激光非晶化激光处理的急剧冷却速率是获得非晶态金属的一个重要手段，它也被称为激光上釉。
非晶体合金与对应的晶体相比，强度、韧性和硬度都高，导磁性可与镍铁铝超级导磁合金媲美，电阻为晶体的2~3倍，耐蚀性超过不锈钢，但耐疲劳性不及晶体。
这种工艺已成功地用于在航空发动机涡轮盘表面形成一非晶态层，使其重量减轻50%。
5激光退火激光退火用于半导体材料。
6.激光冲击硬化激光冲击硬化是以107W/mm2以上的高功率密度的脉冲激光照射金属表面，使金属表面急剧气化，形成的冲击波反作用于表面使表面硬化。
冲击波的力量可达104Pa，从而使表面产生强烈的塑性变形，增加位错的密度，提高材料的强度及疲劳寿命。
激光表面合金化与激光熔覆激光表面合金化激光表面合金化的基本目的也是为了提高表面的耐磨、防腐等性能。
激光表面合金化是指：把合金元素、陶瓷等粉末以一定方式涂覆到金属基体表面上，通过激光加热使涂覆层与基体表面共熔而混合，形成表面特种合金层。
它是通过熔化表面涂覆层A和部分基体B把涂覆层元素可控制地结合入基体B中，液态混合之后将发生快速的再凝固，从而使合金元素被结合到基体表面附近。
激光表面熔覆激光表面熔覆是指：在金属基体表面上预涂一层金属、合金或陶瓷粉末，在进行激光重熔时，控制能量输入参数，使添加层熔化并使基体表面层微熔，从而得到一外加的熔覆层。
激光表面熔覆与激光表面合金化的不同在于基体表面层微熔而添加物全熔，这样一来避免了熔化基体对添加层的稀释，可获得具有原来特性和功能的强化层。
电子束表面改性电子束表面改性原理电子束照射到材料表面时，入射电子会同材料的原子核及电子发生相互作用，由于入射电子与原子核的质量差别特别大，入射电子与原子核的碰撞基本上是弹性碰撞，因此入射电子能量传递主要是通过与基体的电子碰撞实现的，入射电子通过碰撞，入射电子的能量立即以热能形式传递给了点阵原子，入射电子的能量以极快速度沉积在材料表面层，使材料表面表面层迅速熔化，当电子束离开表面后，基体的热传导使熔化表面很快凝固。
用电子束照射时，能量沉积仅依赖于入射能量E，并与靶材原子序数（Z）有关，改变电子束的入射角，沉积能量也会随之改变。
电子束辐照与激光辐照的主要区别在于最高温度时的深度和最小熔化层厚度不同。
电子束辐照时，熔化层至少几微米厚；电子束能量沉积范围较激光辐照大；电子束辐照时的液相温度较激光辐照时低，因而温度梯度较小，而激光加热温度梯度较高，并能保持较长时间。
电子束在真空条件下可以象激光一样用于材料表面改性。
电子束表面改性电子束表面改性方法：电子束表面改性方法与激光相类似，电子束表面改性方法包括下列几种：电子束淬火：即利用钢铁材料的马氏体相变进行表面改性。
电子束表面合金化：如果提高电子束功率，材料表面会发生熔化，若在熔池中添加合金元素即可以进行电子束合金化。
电子束覆层：基材不熔化形成另一种材料的薄层。
制造非晶态层：使熔化表面层激冷而获得薄的微晶或非晶态层。
电子束改性的特点电子束改性与激光束改性有大致相同的特点，但在下几方面两者又有差异：能量利用率：金属对激光吸收率很低，而对电子束吸收率非常高，甚至可达99%，因此，电子束可获得更高密度的能量沉积。
电子束功率可比激光大一个数量级。
能量透入深度：激光的能量透入深度很小，一般为0.1 m，而电子束的能量透入深度大得多，一般为10 m。
因此，激光为表面热源，电子束为次表面热源。
气氛：激光在大气条件下进行，方便；电子束是在真空条件下进行，工件尺寸受限制，而可防止氧化。
对焦：激光的焦点是固定的，对焦必须移动工件；电子束对焦通过调节聚束透镜的电流即可，很方便。
束流偏转：激光必须更换反射镜；电子束可通过电流任意控制。
设备运转成本：激光要比电子束高10倍。
电子束改性的应用：电子束主要用于淬火，淬火件的类型有：V型件，如导轨的底板；空心件，如钢套、转动轴件、阀门密封面、精密齿轮表面、工模具等。