高能束加工之激光加工解析
激光加工的基本原理
激光加工的基本原理
激光加工是一种利用高能激光束对材料进行切割、刻蚀、焊接等加工的技术。
其基本原理是利用激光器产生的高能激光束，通过光束发射装置将其聚焦成高能密集的光点，然后将光点扫过待加工材料表面，使材料在激光束的作用下发生熔化、汽化、氧化或剥离等反应，从而实现对材料的精密加工。
激光加工的原理主要涉及以下几个方面：
1. 激光器：利用激光介质（如气体、固体或半导体等）在外界激励下产生激光。
2. 光束发射装置：将激光束聚焦成一束高能密集的光点，可通过透镜、反射镜等光学元件实现。
3. 材料与激光的相互作用：激光束照射到材料表面后，其能量将被吸收、反射或透射。
吸收能量最多的材料通常是适合激光加工的材料。
4. 加工过程：激光束在加工材料表面形成极小的热源，使材料局部加热，进而发生熔化、汽化、氧化或剥离等反应。
加工方法包括切割、刻蚀、焊接等。
激光加工的优势主要有以下几个方面：
1. 高精度：激光束聚焦成极小的光点，可实现对材料的精细加工，具有较高的加工精度和分辨率。
2. 高效率：激光加工速度快，加工效率高，适用于批量生产和大规模加工。
3. 无接触加工：激光加工过程中，材料和激光之间没有物理接触，可避免材料的污染和变形。
4. 宽材料适应性：激光加工可适用于多种材料，包括金属、塑
料、陶瓷等。
5. 灵活性：激光加工可实现对复杂形状的加工，可根据需要进行定制和个性化设计。
总之，激光加工通过高能激光束对材料进行加工，具有高精度、高效率、无接触、宽材料适应性和灵活性等优势，广泛应用于制造业、电子工业、医疗器械、航空航天等领域。
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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N2
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激光加工原理及特点
激光加工原理及特点
激光加工是一种利用激光束对工件进行材料加工的技术。
它利用激光器产生的高能密度的激光束，通过对工件表面进行照射和烧蚀，来实现材料的切割、刻蚀、焊接和打孔等加工过程。
激光加工的原理基于光能的转化和热能的传递。
激光器产生的激光束具有高能量和高方向性，能够准确地照射到工件的特定位置。
当激光束照射到工件表面时，光能会被材料吸收并转化为热能，引起局部区域的升温。
当温度达到材料的熔点或汽化点时，材料就会融化或汽化，从而实现工件的加工。
激光加工具有以下特点：
1. 高精度：激光束的光斑尺寸小，其束腰直径可以达到微米级别，因此可以实现对工件的精细加工，保证加工精度。
2. 高速度：激光束具有高能量密度，能够快速地进行加热和材料去除，因此激光加工速度快，生产效率高。
3. 非接触性：激光加工是一种非接触性加工技术，激光束与工件无需直接接触，避免了传统加工中刀具与工件的摩擦和磨损，减少了工件的变形和损伤。
4. 材料适应性广：激光加工对不同种类的材料均具有较强的适应性，包括金属、非金属和复合材料等。
可以实现对多种材料的切割、焊接和打孔等加工。
5. 灵活性好：激光加工可以根据需要进行编程调整，能够实现复杂形状的加工，满足个性化和定制化需求。
6. 环保节能：激光加工是一种无废品、无污染的加工技术，不产生废气、废水和废渣，符合环保要求。
综上所述，激光加工具有高精度、高速度、非接触性、材料适应性广、灵活性好和环保节能等特点，使得它在工业生产和科学研究领域得到广泛应用。
《特种加工技术》课题四 xt (2)
《特种加工技术》课题四1. 如何利用高能束进行加工？高能束加工有几种类型？答：高能束加工是利用被聚焦到加工部位上的高能量密度射束，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是激光加工、电子束加工离子束加工等。
2. 简述激光加工的原理及特点。
答：激光加工（LBM）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靠光热效应来加各种材料的。
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，加工的热作用时间很短，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，便于组织自动化生产。
3）加工方法多、适应性强。
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。
3. 激光加工设备主要由几部分组成？各部分具有怎样的功能？答：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。
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。
激光器电源为激光器提供所需要的电能及控制功能。
光学系统是激光加工设备的主要组成部分之一。
是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，从激光器输出窗口到被加工工件之间的装置。
机械系统用来确定工件相对于加工系统的位置。
4. 简述电子束加工原理及应用。
答：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。
电子束加工按其功率密度和能量注入时间的不同，可用于打孔、切割、蚀刻、热处理和光刻加工等。
5. 简述离子束加工原理及应用。
答：离子束加工是靠离子束射向工件表面时的微观机械撞击能量，而不是靠动能转化为热能来加工工件的。
离子束加工能达到极高的加工精度（纳米级或亚微米级），是最有前途的超精密和微细加工方法，在微电子学领域得到较多应用。
高能束加工
电子束加工
电子束非热加工
电子束非热加工是基于电子束的非 热效应，利用功率密度比较低的电子束 和电子胶（又称电子抗蚀剂，由高分子 材料组成）相互作用，产生的辐射化学 或物理效应。
电子束热加工
通过加热发射材料产生电子，在热 发射效应下，电子飞离材料表面。在强 电场作用下，热发射电子经过加速和聚 焦，形成高速电子流。通过一级或多级 会聚产生高能束流，当它冲击工件表面
先进制造系统
主要功能： • 高压/磨料水射流切割，用高速密集的水射流对物体进行切割。
•统
水喷射加工样件
切割大理石
加工的零件
先进制造系统
先进制造系统
水喷射加工的特点:
适用范围广。既可用来加工金属材料，也可以加工非金属材料。 加工质量高。切缝窄（约为0.075~0.38mm），提高材料利用率；切口质量好，几乎
Water Jet），它是将具有一定粒度的磨料粒子加入高压水管路系统中，使其与高压水 进行充分混合后再经喷嘴喷出，从而形成具有极高速度的磨料射流，相对于纯水射流 来说，它成倍地提高了切割力，拓宽了切割材料的范围，几乎可以切割一切硬质材料。
先进制造系统
水喷射加工系统组成： 增压系统-供水系统-增 压恒压系统-喷嘴管路系统数控工作台系统-集水系统水循环处理系统。 如果是磨料射流加工 装置，则还有磨料与水的混 合系统。
激光加工是一种瞬时、局部熔化、汽化的热加工，影响因素很多。
先进制造系统
电子束加工
电子束加工原理：
电子束加工是利用高能电子束流轰击材料，使
其产生热效应或辐射化学和物理效应，以达到 预定的工艺目的。
电子束加工根据其所产生的效应可分为： 电子束热加工和电子束非热加工
电子束加工的原理图
激光加工概述
激光加工是一种利用高能量密度激光束进行材料加工的先进技术。
它在制造业中具有广泛应用，包括切割、焊接、打孔、雕刻和表面处理等领域。
激光加工的原理基于激光光束的特性。
激光是一种高强度、单色、相干和定向性很好的光束。
通过聚焦激光束，可以将其能量集中到非常小的区域，从而使材料发生熔化、蒸发或气化等反应，实现对材料的加工。
激光加工具有许多优点。
首先，激光加工非常精确，可以实现微米级甚至亚微米级的加工精度。
其次，激光加工无需直接接触材料，因此可以减少机械变形和污染。
此外，激光加工速度快、灵活性高，适用于各种材料，包括金属、塑料、陶瓷和玻璃等。
在激光加工中，常用的激光类型包括CO2激光、纤维激光和固态激光等。
不同类型的激光在加工过程中具有不同的特点和应用范围。
例如，CO2激光适用于金属切割和焊接，而纤维激光则适用于精细雕刻和打标。
总之，激光加工是一种高精度、高效率的材料加工技术，在制造业中扮演着重要角色。
随着激光技术的不断发展，激光加工将继续推动制造业的进步和创新。
1。
课题四高能束加工
课题四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；熟悉电子束和离子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）激光焊接图4-1-1 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。
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。
1960年美国研制成功世界上第一台可用于加工的激光器。
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。
特种加工(二)
料瞬时熔化、气化直到蒸发去除。
随着孔不断变深，电子束照射点
亦越深入。由于孔的内侧壁对电子束
产生“壁聚焦”，所以加工点可能到
达很深的深度，从而可打出很细很深
的微孔。
电子束加工具有以下的特点： 1）能量密度高 电子束聚焦点范围小，能量
密度高，适合于加工精微深孔和窄缝等。且
加工速度快，效率高。
2）工件变形小 电子束加工是一种热加工，
在激光出现前，单色性最好的光源 是氪灯，激光出现后单色性比氪灯提 高了上万倍。
（3）方向性好
光束的方向性是用光束的发散角来表征
的。普通光源由于各个发光中心是独立地
发光，而且各具有不同的方向，所以发射 的光束是很发散的；而激光的发光中心集
中为定向发射，所以可以把激光束压缩在
很小的立体角内。设想把激光射到月球上
在半导体方面，离子注入应用很普遍，用 硼、磷等杂质离子注入半导体，用以改变导电 形式和制造P-N结由于离子注入的数量、 P-N 结的浓度、离子注入的区域都可精确控制，所 以成为制作半导体器件和大面积集成电路的重 要手段。
利用离子注入可改变金属表面的物理化学性 能，可以制得新的合金，从而改善金属表面 的抗蚀性能、耐磨性能、硬度和润滑性能等。
达到比表面温度更高的温度，使材料内
部气化压力加大，促使材料外喷，把熔
融状的材料也一起喷了出来。
激光加工装臵由激光器、聚焦光
学系统、电源、光学系统监视器等组
成，见图8-18。
光阑
反射镜
激光器
聚焦镜 电源
工件
工作台
图7-18
激光加工原理图
激光加工的特点：
（1）功率密度高达108------1010W/cm2，几乎可
激光加工技术的原理及应用
激光加工技术的原理及应用激光加工技术是利用激光束对工件进行切割、刻蚀、打孔、焊接等加工的一种先进加工技术。
其原理是通过激光器发射出的高能量密度的激光束，通过光学传输系统将激光束聚焦到工件表面，使工件表面的材料蒸发、熔化或气化，从而实现加工目的。
激光加工技术的原理可以分为两个方面来解释。
首先是激光的特性，激光是一种具有单色性、高亮度、高直线度和高方向性的电磁波，激光束的能量密度非常高，因此可以对材料表面进行精细加工。
其次是激光与材料的相互作用机制，当激光束照射到材料表面时，激光能量被吸收，使得材料的温度升高，达到融化、汽化或烧蚀的程度，实现对材料的加工。
激光加工技术的应用非常广泛。
其中，最常见的应用是激光切割技术。
激光切割利用激光束的高能量密度和高方向性，可以实现对各种金属和非金属材料的精细切割，例如金属板材、塑料、纸张等。
激光切割具有切口小、切割质量好、工艺灵活等优点。
此外，激光打标技术也是激光加工技术的一个重要应用。
激光打标利用激光束对工件进行氧化、碳化或脱色等处理，实现对工件表面的标记加工。
激光打标技术可以应用于金属、塑料、玻璃、陶瓷等材料的标记，具有加工速度快、效率高、标记精细等特点。
此外还有激光焊接技术。
激光焊接利用激光束的高能量密度，通过熔化工件的表面，实现工件的焊接过程。
激光焊接技术广泛应用于汽车制造、航空航天、电子设备等领域，具有焊缝小、焊接质量好、焊接速度快等优势。
激光加工技术还可以应用于激光刻蚀、激光打孔、激光微加工等领域。
例如，在电子行业中，激光刻蚀技术可以用于PCB板的刻蚀、雕刻，激光打孔技术可以用于集成电路芯片的孔洞加工；而在微电子学领域，激光微加工技术可以实现微米级别的光阻剥离、微通道加工等微尺度的加工需求。
总之，激光加工技术是一种高精度、高效率、高质量的先进加工技术，其应用涵盖各个领域。
随着激光技术的不断发展和创新，激光加工技术在现代制造业中的地位将越来越重要。
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
先进制造技术之高能束及快速成型
电子束焊接
层流等离子喷涂
离子束工主要特点如下： 1.加工的精度非常高。 2.污染少。 3.加工应力、热变形等极小。 4.离子束需真空系统、加工设备费用高、 成本贵、加工效率低。
5.电子束加工需要一整套专用设备和真空系 统，价格较贵。
电子束加工的特点 1.是一种精密微细的加工方法。 2.非接触式加工，不会产生应力和变形。 3.加工速度很快，能量使用率可高90％。 4.在真空腔中进行，污染少，材料加工表面 不氧化
班级 姓名
先进加工技术
激光加工技术 高能束加工技术 快速成形制造技术
激光加工技术
激光的本质：受激辐射放大
E
外来能量激发，原子由基态跃迁到激发态。 处于激发态的原子不稳定，在外来辐射作用下， 发射一个光子并由激发态跃迁到基态。 受激辐射出的光子又激发另外的原子受激辐射， 光得到放大，且具有方向性。
搭建在一根头发上的体育场馆
采用离子束加工技术
快速成形制造技术
快速成形制造技术
是20世纪80年代末90 年代初兴起并迅速发展 起来的新的先进制造技 术。是由CAD模型直接 驱动的快速制造任意复 杂形状三维物理实体的 技术总称。
基本过程是：
设计出所需零件的计算机三维模型（数字模型、CAD 模型）； 根据工艺要求，按照一定的规律将该模型离散为一系 列有序的单元，通常在Z向将其按一定厚度进行离散 （习惯称为分层），把原来的三维CAD模型变成一系 列的层片； 根据每个层片的轮廓信息，输入加工参数，自动生成 数控代码； 由成形机成形一系列层片并自动将它们联接起来，得 到一个三维物理实体。
激光加工技术的基本原理
• 激光加工及改变材料的表面性质，从而达到加工的目的。
激光加工技术的应用
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。
7 高能束加工
2.离子束加工的分类 2.离子束加工的分类
离子束按照其所利用的物理效应和达到的目的不同可 以分为四类： 以分为四类： 离子刻蚀 撞击效应和 离子溅射沉积 溅射效应 离子束加工 离子镀 注入效应 离子注入
离子溅射与离子注入的区别就在于离子束的能量大小不同
5.1.2离子束 离子源（离子枪） 离子源（离子枪） 真空系统 控制系统 电源系统
离子源
离子源又称离子枪，其作用是产生离子束流。 离子源又称离子枪，其作用是产生离子束流。基 本工作原理是将要电离的气态原子注入电离室， 本工作原理是将要电离的气态原子注入电离室，然后 使该气体原子经过高频放电 电弧放电、 高频放电、 使该气体原子经过高频放电、电弧放电、等离子体放 电或电子轰击被电离为等离子体。 当轰击时， 电或电子轰击被电离为等离子体。(当轰击时，原子外 层的某些电子获得能量而脱离原子， 层的某些电子获得能量而脱离原子，原来呈中性的原 子因失去电子而成为正离子) 然后在电场作用下， 子因失去电子而成为正离子)，然后在电场作用下，将 正离子从离子源出口孔“引出”而成离子束。 正离子从离子源出口孔“引出”而成离子束。 根据离子产生的方式和用途不同， 根据离子产生的方式和用途不同，离子源有很多 型式，常用的有考夫曼型离子源 考夫曼型离子源、 型式，常用的有考夫曼型离子源、双等离子管型离子 高频放电离子源等 源和高频放电离子源等。
（2）物理基础 ）
物理基础是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、 物理基础是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射 撞击效应 效应和注入效应。 具有一定动能的离子射到工件材料（靶材）表面时， 具有一定动能的离子射到工件材料（靶材）表面时，可以将表面 的原子撞击出来，这就是离子的撞击效应和溅射效应 撞击效应和溅射效应。 的原子撞击出来，这就是离子的撞击效应和溅射效应。 如果将工件直接作为离子轰击的靶材， ① 如果将工件直接作为离子轰击的靶材，工件表面就会受到离 子刻蚀（也称为离子铣削）。 子刻蚀（也称为离子铣削）。 ② 如果将工件放置到靶材的附近，靶材原子就会溅射到工件表 如果将工件放置到靶材的附近， 面而被溅射沉积吸附，使工件表面镀上一层靶材原子的薄膜。 面而被溅射沉积吸附，使工件表面镀上一层靶材原子的薄膜。 如果离子能量足够大并垂直工件表面撞击时， ③ 如果离子能量足够大并垂直工件表面撞击时，离子就会钻进 工件表面，这就是离子的注入效应。 工件表面，这就是离子的注入效应。
高能束加工 (1)
激光加工
激光加工设备
1 3
2
1 ——激光器 2 ——导光聚焦系统 3 ——激光加工系统
激光加工
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激光加工设备
1
1、激光器 它的任务是把电能转变成光能，并产
生所需要的激光束。按工作物质的种类不 同，激光器可分为固体激光器、气体激光 器、液体激光器和半导体激光器。
离子刻蚀本质上是一种原子尺度的切削 加工，通常又称为离子铣削。
离子束加工
离子刻蚀
金刚石压头
金刚石刀具
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离子束加工
（2）刻蚀加工微细槽线
离子刻蚀
动压马达止推板
陀螺仪空气轴承
离子束加工
离子刻蚀 （3）加工大规模集成电路芯片
纯黄铜
硅片
离子束加工
离子溅射沉积
采用高能离子（约0.5~5keV）轰击某 种材料制成的靶材，靶材原子被溅射脱落后 其沉积到工件表面。
离子源
工件 吸引电极
离子束
靶材沉积，指在镀膜时 离子束同时轰击靶材和工件表面，以增强镀 层与基体之间的结合力。
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。
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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2、 激光切割
激光切割的原理与激光打孔相似，不同的是工件与激光束要 相对移动。在实际加工中，采用工作台数控技术，可以实 现激光数控切割。
激光切割大多采用大功率的CO2激光器，对于精细切割，也 可采用YAG激光器。
（1）方向性好
方向性即光束偏离轴线的发散角 ，常以平面角θ角大小来 评价。θ角愈小，光束发散愈小 ，方向性愈好。
利用这个特性制成激光测距机、激光雷达、激光制导武 器。
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（2）单色性好
单色性是指光源发出的光强按频率 (或波长)分布 曲线狭窄的程度。线宽愈窄，光源的单色性愈好 ，这 是激光获得广泛应用的物理基础之一。
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加工机理如下图所示：
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5.激光加工的应用
1、激光打孔
加工材料：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。
加工效率：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。
激光可以切割金属，也可以切割非金属。在激光切割过程 中，由于激光对被切割材料不产生机械冲击和压力，再加 上激光切割切缝小，便于自动控制，故在实际中常用来加 工玻璃、陶瓷、各种精密细小的零部件。
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3 激光焊接
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1—激 光 ； 2—被 焊 接 零 件 ； 3—被 熔 化 金 属 ； 4—已 冷 却 的 熔 池
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3.激光加工的特点
（1）易实现自动化。 （2）几乎可加工任何金属与非金属材料。 （3）可以提高金属的加工精度。 （4）加工过程无污染节能、环保。 (5) 无刀具磨损、及切削力的影响。
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4 激光加工基本组成部分及加工机理
激光加工的组成部分：激光器、聚焦系统和电气系统三部分 组成。 激光器主要包括：激光光源、光泵、聚光器和谐振腔组成。 聚焦系统主要有聚光镜组成。 电器系统主要有电源、发光灯等。
1.激光介绍 2.激光的特点 3.激光加工的特点 4.激光加工的基本组成及加工机理 5.激光加工的应用
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1 .激光介绍
激光的字面意思是“通过辐射的受激发射实现光放大”， 简单的说就是受激发射的光放大所产生的辐射。实质是光 的受激放大，简称为激光。
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2.激光的特点
普通光源的相干长度约为1毫米 至几十厘米，激光可达几十公里。
全息照相、全息存储等就利用 了相干性好的特点。
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全息照相
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（4）亮度高（强度高）
亮度是光源在单位面积上， 向某一方向范围内辐射功率的强 弱。
激光光束细（发散特别小）， 功率密度特别大，其亮度特别大。 把分散在180°范围内的光集中到 0.18 °范围，亮度提高100万倍。 而且通过压缩脉冲宽度，还可以 进一步提高亮度。
1-激光；2-被焊金属；3-被熔化金属；4-一冷却的金属
激光焊接过程示意图
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谢谢观看！
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计量工作的标准光源、激光通讯等利用了单色性好 的特点。
光缆
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激光通讯 6
（3）相干性好
相干性可用相干时间或相干长度来度量。 相干时间是指光源先后发出的两束光能够产生干涉现象的最大时 间间隔，在该时间内所走过的路程就是相干长度。 单色性愈好，相干长度愈大，方向性愈好，相干面积愈大。激光 集高度的单色性和方向性于一体，所以是优良的强相干光。
激光加工技术
激光的发展有很长的历史，它的原理早在 1917 年已被著名的物理学家爱因斯坦发现， 1958 年 激光首次成功制造。40年来，激光已经深入我们 生活的各个角落，打长途电话，看DVD，医院 里做手术……都用得着激光。有人说，激光是二 十世纪最伟大的发明之一。
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主要内容