特种加工_12第五六章激光加工与电子束.PPT课件

原子的跃迁是以光子的形式释放 能量
物质发光自发辐射和受激辐射两
种
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激光的产生
某些具有亚稳态能级的物质， 在外来光子的激发下会吸收 光能，使处于高能级原子的 数目大于低能级原子的数 目——粒子数反转
若有一束光照射，光子的能 量等于这两个能相对应的差， 这是就会产生受激辐射，输 出大量的光能。
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电子束加工原理图
1—电源及控制系统 2—抽真空系统 3—电子 枪系统 4—聚焦系统 5—电子束 6—工件
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2、电子束加工的特点和应用
电子束加工的主要特点是：
①电子束能聚焦成很小的斑点(直径一般为 0.01～0.05毫米)，适合于加 工微小的圆孔、异形孔或槽;
②功率密度高,能加工高熔点和难加工材料如钨、钼、不锈钢、金刚石、 蓝宝石、水晶、玻璃、 陶瓷和半导体材料等；
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1 激光打孔
主要影响因素
输出功率和照射时间 焦距与发散角 焦点的位置 光斑内的能量分布 多次照射 工件材料
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焦点位置与孔的剖面形状
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光斑内的能量分布对打孔质量影响
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光管效应（多次照射）
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工件材料
不同的材料吸收的光谱不同，需要根据材料选 择激光器。
表面粗糙度对加工深度有影响
青
x射线
050
紫外线 红外线
绿
10-7 10-6 0.57
0.60
黄
微波
0.63
橙
红
无线电波
104 0.76
电磁波波谱图
可见光波谱图
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原子的发光
原子的激发、跃迁
基态时原子可长时间存在，激发 态时原子停留时间很短。
有些原子在某些能级上停留时间 较长，这些能级称为亚稳态能级
亚稳态能级的存在是形成激光的 重要条件
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为什么激光可以用于加工？
普通太阳光
聚焦后可以点燃木材、纸张，但不能用于加 工，原因是：1）地面上的太阳光的能量密 度不高；2）太阳光不是单色光，聚焦后不 在同一平面内
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。
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第一节 激光加工的原理和特点
1. 激光的产生原理 2. 激光的特性 3. 激光加工的原理 4. 激光加工的特点
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3 激光加工的原理和特点
激光加工的原理
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。
激光加工的特点
1)聚焦后，激光的功率密度很高，光能转化为 热能，几乎可以熔化任何材料。
2）激光光斑大小可以达到微米级，输出功率可 调，可以用于精密微细加工。
3）工具是激光束，无损耗，无接触，无明显的 机械力。加工速度快、热影响区小，容易实 现自动化
特种加工技术
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第五章 激光加工
Laser Beam Maching(LBM) 20世纪60年代初发展起来的一门新兴科
学,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
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激光加工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 热效应来加工的。
激光加工不需要工具、加工速度快、表 面变形小，可加工各种材料。
③无机械接触作用，无工具损耗问题； ④加工速度快,如在0.1毫米厚的不锈钢板上穿微小孔每秒可达3000个,
切割1毫米厚的钢板速 度可达240毫米／分。 因此，电子束加工属于精细加工， 加工范围广 ，加工质量好；生
产率高；加工过程易于实现自动化。
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主要缺点是:
①由于使用高电压，会产生较强 X射线，必须采取相 应的安全措施； ②需要在真空装置中进行加工； ③设备造价高等。
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2 激光的特性
激光具有光的共性（反射、折射、绕射及干涉 等等）
普通光源的发光是自发辐射，基本上是无秩序 的、相互独立地产生光发射。发出的光波的方 向、相位和偏振状态都不同。
激光是受激辐射，有组织、相互关联地产生发 射，发出的光波具有相同的频率、方向、偏振 状态和严格的相位。所以激光具有强度高、单 色性好、相干性好和方向性好。
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激光加工的原理和特点（续）
4）与电子束相比，加工装置较简单 5）激光加工是一种瞬时、局部熔化、气化的热
加工，影响因素很多。 精微加工时的精度，尤其是重复精度和表面
粗糙度不易保证。 由于光的反射作用，对于表面光泽或透明的
材料的加工，需要先进行色化或打毛处理。
激光无法加工出非常光泽的表面。
6）加工中产生的金属气体及火星等飞溅物，要 注意通风抽走，操作者应戴防护眼镜。
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第二节 激光加工的基本设备
激光加工机的组成
激光器 重要设备，把电能庄变为光能 激光器电源 光学系统 聚焦和瞄准系统 机械系统 应该是三坐标数控系统
常用的激光器
固体激光器 红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石 气体激光器 CO2 、氩离子
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第三节 激光加工工艺及应用
激光打孔 激光切割 其他激光加工
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2 激光切割
与激光打孔差不多，只不过工件需要移 动，即需要数控系统。
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3 其他激光加工
激光打标 激光焊接 播放 激光热处理 激光雕刻
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本章小节
激光加工的原理和特点
激光的产生 激光的特性
激光加工的基本设备 激光加工工艺及应用
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第六章 电子束和离子束加工
电子束加工（简称EBM）和离子束加工（简称IBM）是 近年来得到高速发展的新兴特种加工。这两种加工主要用 于精细加工领域，尤其是微电子领域。
利用高功率密度的电子束冲击工件时所产生的热能使 材料熔化、气化的特种加工方法,简称为EBM。电子束加工
是由德国的科学家K.H.施泰格瓦尔特于1948年发明的。
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第一节 电子束加工
1、电子束加工的基本原理：
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，足以 使任何材料瞬时熔化、气化，从而可进行焊接、穿孔、刻 槽和切割等加工。由于电子束和气体分子碰撞时会产生能 量损失和散射，因此，加工一般在真空中进行.
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1 激光的产生原理
光的物理概念 原子的发光 激光的产生
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光的物理概念
光既具有波动性、又具 有微粒性——波粒二象 性
根据电磁学，光是在一 定波长范围内的电磁波
根据量子学，光是一种 具有一定能量得以光速 运动的粒子流（光子）
波长m 波长um
10-14 0.40
紫
宇宙射线
0.43
蓝
射线
0.45