杜炳鑫06031113 高能束流加工技术简析(可编辑)
加速器中高质量束流的产生与控制
加速器中高质量束流的产生与控制加速器是用于将带电粒子加速到高能状态的设备。
在实验设备中，高能束流是非常关键的，因为它们提供了研究当今物理学的许多基础问题所需的高质量粒子束。
然而，要实现高质量束流仍然是一个重要的挑战。
本文将探讨在加速器中产生和控制高质量束流的方法和技术。
一、束流的定义束流指的是一堆粒子（电子、质子、重离子等等）以特定的速度和方向进行聚集所形成的流。
在加速器物理中，束流往往是由加速器中的电子鼓动所产生的。
束流的特性与产生它们的加速器、发射源和聚焦元件有关。
二、束流中质量的重要性高质量束流对于大多数实验室来说都是非常重要的，因为它们可以提供几个方面的优势，如：更高的粒子聚焦度、更好的粒子束跟踪能力、更小的束流周围环境扰动、更高的研究信噪比等等。
因此，高质量束流的生产和控制一直是加速器物理中的核心问题之一。
三、产生高质量束流的技术和方法实现高质量束流的两个基本步骤是产生和聚焦。
对于加速器，产生高质量束流往往是通过以下手段来实现的。
1.电子枪电子枪是利用金属极板上的光电效应来产生极低能量的电子。
这些电子可以在一定程度上被加速，并进一步聚焦到束流中。
电子枪的另一项优点是它们可以精确控制束流的时间结构，使这些束流高重复率的应用也得以实现。
2.离子注入离子源通常使用电离器，或者能够通过激光或加热获得离子的其他方法。
这些离子聚焦到束流中时它们必须与电子枪不同程度的电子束混合，因此同时也控制着初步束流的横向和纵向尺寸。
3.加速器关井加速器关井，也称之为“关井斗”或“束扇”，在加速器系统中的作用是让束流压缩或支持高质量束流的切片。
加速器关井通常是由金属几何设计得到的井形结构，然后通过电压梯度进行加速。
这些关井被定位在加速器的固定位置，以适当实现后续的聚焦和切出。
四、束流聚焦技术束流聚焦技术是实现高质量束流的另一项目标。
在此处，需要特定的元件用于维持束流的横向和纵向度。
两种类型的聚焦器——电子光学和磁学——被广泛地应用于加速器中。
国外高能束流加工技术的发展概况
国外高能束流加工技术的发展概况集团公司文件内部编码：（TTT-UUTT-MMYB-URTTY-ITTLTY-国外高能束流加工技术的发展概况高能束流加工技术是当今制造技术发展的前沿领域，是武器装备研制中不可缺少的特种加工技术。
高能束流加工技术是利用以光量子、电子、等离子体为能量载体的高能量密度束流对材料和构件进行加工。
它是一个典型的多学科交叉领域，研究内容极为丰富，涉及光学、电学、热力学、冶金学、金属物理、流体力学、材料科学、真空学、机械设计和自动控制以及计算机技术等多种学科。
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。
一、国外高能束流加工技术的发展概况美、日及西欧的发达国家在七八十年代就将高能束流加工技术做为先进制造技术的重要组成部分列入相应的工业发展计划，并先后成立了相应的开发研究机构。
日本大阪大学、德国阿亨大学的焊接研究所、英国焊接研究所、法国焊接研究所以及乌克兰巴顿焊接研究所等均有高能束流加工研究中心。
通过对上述研究中心的考察及资料研究，可看出高能束流加工技术在未来的发展趋势。
(一)电子束加工技术电子束加工技术的主要应用是电子束焊(EBW)，经过30多年的发展，现已成为较成熟的技术，处于平稳发展、扩大应用阶段。
目前的研究工作集中在焊缝实时跟踪、电子束加热温度场计算机模拟计算、大功率二极枪的研究(间热式阴极、高压放电保护)、电子束能量密度测试、电子束焊接专家系统等方面，在应用研究方面，主要是对大气条件下电子束焊接的设备和工艺的研究以及电子束焊接大厚件的研究。
另外在电子束加工设备开发中，采用了体积更小的高压电源，并采用当代先进的计算机控制以及工业电视监控等技术，使商品化的EBW 设备外形更美观，操作更方便。
电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术在航空发动机制造业日益受到重视。
俄罗斯、乌克兰等国先后把该技术用于航空发动机叶片的热障涂层以及叶片的制造、金属材料的制备等方面。
瞄准航空制造需求聚焦高能束流加工——走进高能束流加工技术国家级重点实验室
瞄准航空制造需求聚焦高能束流加工——走进高能束流加工技术国家级重点实验室佚名【期刊名称】《《航空制造技术》》【年(卷),期】2019(062)014【总页数】2页(P88-89)【正文语种】中文重要进展与课题任务（1）开展激光双光束焊接技术研究，突破了双光束激光焊接焊缝成形与缺陷控制、焊接过程稳定性与质量一致性控制、大尺寸复杂壁板结构应力变形控制等关键技术，保证了壁板内纵横交错的长桁、隔框的“净尺寸”连接，焊后变形量小于0.5mm，在国内首次实现了双光束焊接技术在飞机机体结构上的应用。
此技术的突破与应用，不仅增加了有效接合率，提高了结构强度，而且结构减重可达16%。
技术达到国际先进水平。
（2）在国内率先研发了电子束熔丝成形技术，建立了电子束熔丝增材制造技术成形功率、速度等关键成形参数与堆积形貌特征参量之间关系的数学模型；开发出具有自主知识产权的电子束增材制造近净成形工艺装备样机，最大稳定成形速度5kg/h。
根据强韧化理论研究成果，开发了900MPa、930MPa、960MPa、1000MPa、1050MPa、1100MPa 系列强度级别合金的性能调控技术体系，实现了钛合金结构力学性能调控。
（3）高质量高效率超短脉冲激光制孔技术研究。
该项技术主要针对我国现代高性能航空发动机对高质量、高效率气膜冷却小孔加工技术的迫切需求，尤其是热障涂层在发动机热端部件应用中先涂层后制孔的发展趋势，结合窄脉冲激光器，尤其是皮秒、飞秒等超短脉冲激光器技术的最新成果，开展高质量高效率超短脉冲激光制孔技术研究。
通过研究实现了纳秒脉冲激光高质量加工涡轮叶片气膜孔；实现了超短脉冲激光在表面制备热障涂层的高温合金材料上加工小孔无热致缺陷；突破了薄壁结构大倾角（＞80°）和大长径比（＞20）空间分布密集小孔加工技术。
研究成果为叶片气膜孔激光高质量加工提供了新的技术途径。
近年来，实验室共承担国家任务、国防任务等各类课题135 项。
高能束加工1
2、特点： •纳米级精确控制 •污染少 •加工应力和变形极小 •易于实现自动化 •适合材料范围广 •设备成本高，效率低。
原子电离产生离子束流
气态原子
高频放电 电弧放电 等离子体 放电 电子轰击
等离子体
负电极引出等 离子体束流
3、离子束加工装置
磨蚀
抛磨
2、超声数控加工技术-----DMG公司 Ultrsonic系列产品
工作原理：通过超声加工主轴产生振动，根据主轴类型的不同， 金刚石刀具的振动频率在每秒17.5000—48,000次。这样就把工件 表面敲成微粒。这种方法比传统加工方法高出5倍。刀具和工件之 间不断的接触和分离，大大降低了加工作用力和热负荷，保护了 刀具和工件。在新研制的HSK 刀柄的基础上集成超声发射系统， 使传统的铣削加工与超声振动加工可以在同一机床上完成。
二氧化碳激光器是以CO2气体作为 工作物质的气体激光器。放电管通常是 由玻璃或石英材料制成，里面充以CO2 气体和其他辅助气体（主要是氦气和氮 气，一般还有少量的氢或氙气）；电极 一般是镍制空心圆筒；谐振腔的一端是 镀金的全反射镜，另一端是用锗或砷化 镓磨制的部分反射镜。当在电极上加高 电压（一般是直流的或低频交流的）， 放电管中产生辉光放电，锗镜一端就有 激光输出，其波长为10.6微米附近的中 红外波段；一般较好的管子。一米长左 右的放电区可得到连续输出功率40～60 瓦。CO2激光器具有比较大的功率和比 较高的能量转换效率，输出波段正好是 大气窗口，具有输出光束的光学质量高， 相干性好，线宽窄，工作稳定等优点。 这是一种重要的激光器。
三、电子束加工应用
1、高速打孔 直径极小，效率极高 2、加工型孔和特殊复杂型表面 3、电子束焊接 能量密度高，焊接速度快 4、电子束刻蚀
先进制造技术-三束加工
02
电子束加工的异形孔
加工型孔及特殊表面
3）刻蚀 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的细槽，在混合电路电阻的金属镀层上刻出40μm宽的线条。电子束刻蚀还可用于刻板，在铜制印刷滚筒上按色调深浅刻出许多大小与深浅不一样的沟槽或凹坑，其直径为70～120μm，深度为5～40μm，小坑代表浅色，大坑代表深色。
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。 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。
四、离子束加工
离子束加工是利用惰性气体或其它元素的离子在电场中加速成高速离子束流，靠微观的机械撞击能量实现各种微细加工的一种新兴方法。离子加工的加工分辨率在亚微米甚至为微毫米级精度。
加工原理 离子束加工也是一种新兴的特种加工，它的加工原理与电子束加工原理基本类似，也是在真空条件下，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以实现加工的。所不同的是离子带正电荷，其质量比电子大数千倍乃至数万倍，故在电场中加速较慢，但一旦加至较高速度，就比电子束具有更大的撞击动能。离子束加工是靠微观机械撞击能量转化为热能进行的。
高能束流焊接技术研究论文
高能束流焊接技术研究论文高能束流焊接的功率密度（PowerDensity）达到105W/cm2以上。
束流由单一的电子、光子、电子和离子或二种以上的粒子组合而成。
属于高功率密度的热源有：等离子弧、电子束、激光束及复合热源激光束+Arc（TIG、MIG、Plasma）。
当前高能束流焊接被关注的主要领域是：①高能束流设备的大型化—功率大型化及可加工零件（乃至零件集成）的大型化。
②新型设备的研制，诸如，脉冲工作方式以及短波长激光器等。
③设备的智能化以及加工的柔性化。
④束流品质的提高及诊断。
⑤束流、工件、工艺介质相互作用机制的研究。
⑥束流的复合。
⑦新材料的焊接。
⑧应用领域的扩展。
1、激光焊接的最新进展1.1新型激光器（1）直流板条式（DCSlab）CO2激光器、（2）二极管泵浦的YAG 激光器、（3）CO激光器、（4）半导体激光器、（5）准分子激光器。
1.2激光器功率的大型化、脉冲方式以及高质量的光束模式以美国PRC公司为例，几年前，用于切割的CO2激光器功率主要是1500~2000W，而近期的主导产品是4000~6000W，6000W可切割的不锈钢厚度、碳钢厚度分别为35mm和40mm.1.3设备的智能化及加工的柔性化尤其是对YAG激光，由于可用光纤传输，给加工带来了极大的方便。
其主要特点是：①一机多用。
②采用一台激光机可进行多工位（可达6个）加工。
③光纤长度最长可达60m.④开放式的控制接口。
⑤具有远距离诊断功能。
1.4束流的复合最主要的是激光－电弧复合。
深熔焊接时，熔池上方产生等离子体，复合加工时，激光产生的等离子体有利于电弧的稳定；复合加工可提高加工效率；可提高焊接性差的材料诸如铝合金、双相钢等的焊接性；可增加焊接的稳定性和可靠性；通常，激光加丝焊是很敏感的，通过与电弧的复合，则变的容易而可靠。
激光－电弧复合主要是激光与TIG、Plasma以及GMA.通过激光与电弧的相互影响，可克服每一种方法自身的不足，进而产生良好的复合效应。
高能束流加工技术的课程改革与实践
高能束流加工技术的课程改革与实践随着科学技术的进步，高能束流加工技术在工业制造和科学研究中起着越来越重要的作用。
在高能束流加工技术领域，曾经意味着高昂的成本和高度专业的培训，然而现在，企业和研究机构通常都能够拥有这种技术，而且培训课程也已经成为普及的趋势。
本文将介绍高能束流加工技术的课程改革与实践。
高能束流加工技术是指利用高能的束流作用于材料表面或内部，以通过吸收和散射来加工和改变材料性质的一种技术。
该技术通过束流中的快速电子束、离子束、等离子束、激光束等加工工具，使材料表面或内部受到高能束的撞击和热作用，从而在材料表面或内部形成微细的结构变化，使材料表面或内部的性能得到改善。
目前，高能束流加工技术在航空、航天、汽车、机械、新材料等领域得到了广泛的应用。
例如，在生产过程中，可以利用高能束加工技术来制造出高强度、高硬度、高耐磨性和高精度的各种零部件，从而提高生产效率和产品质量。
在科学研究方面，高能束流加工技术可以用于研究物质结构和材料性质等领域。
为了提高高能束流加工技术的实践应用和推广，许多大专院校及相关机构开始开展相关的引导课程和实验室培训，适应当前工业制造和科学研究的需求，培养高能束流加工技术产业推广和应用研发的专门人才。
在高能束流加工技术的课程改革和实践方面，主要的工作重点包括：教材体系改革、师资队伍建设、实践教学方法创新等。
在教材体系改革方面，需要将工学、理论学型统一起来，建立起完整的高能束流加工技术科学体系。
在师资队伍建设方面，需要针对实际需求培养具有较强实践和经验的骨干教师。
在实践教学方法创新方面，需要引入各种现代化教育手段和技术手段，通过实践模拟的方式进行学习和练习，建立“学生主体、教师导师”的教育模式。
在高能束流加工技术的实践课程中，主要包括实验课、工程实践课、毕业实习等不同的学习方式。
实验课和工程实践课主要是基于高能束流加工技术的理论和实际操作，通过引导学生参与实验项目以获取更真实的实践操作经验。
5高能束加工
• 离子束加工的特点
• （1）易于精确控制 • 可以聚焦到毫微米（0.001μm）级的加工精度，离子镀可以 控制在亚微米级精度，离子注入也可以精确的控制。 • 可以这样说，离子束加工是所有特种加工方法中最精密，最 精细的加工方法，是当代毫微米级加工（纳米加工）技术的 基础。 • （2）加工时产生的污染小 • 由于离子束加工是在真空中进行的，所以污染少。特别适合 易氧化的金属、合金材料和高纯度的半导体材料的加工。 • （3）加工应力小、变形极小、对材料适应性强。 • 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，宏观压力很小，所以加工应力，热变形极小。加 工质量高，适合于对各种材料和低刚度零件的加工。 • （4）离子束加工设备的费用高，成本高，加工效率低，因 此应用范围受到一定的限制。
旁热阴极 控制栅极 加速阳极
聚焦系统
电子束斑点
工件
工作台
电子束加工原理图
• 电子束加工的物理过程
• 可以这样来认为：当入射的电子束与工件表面的原子相互作用时 ，将冲击能量转换成热能，加热被冲击部位。温度迅速升高到熔 点或沸点以上，使材料局部熔化、蒸发或成雾状粒子飞散、喷射 出来。随着孔不断加深，电子束冲击点也越深入。由于孔的内侧 壁对电子束产生“壁聚焦”，所以加工点可达很深，从而可打出 深径比很大微孔。 • 电子束加工的另一种是利用电子束流非热效应。功能密度较小的 电子束流和电子胶(又称电子抗蚀剂)相互作用，电能转化为化学 能，产生辐射化学或物理效应，使电子胶的分子链被切断或重新 组合而形成分子量的变化以实现电子束曝光。
• 注：电子束曝光 用具有一定能量的电子束照射抗蚀剂，经显影后在抗蚀剂中产生 图形的一种微细加工技术。对于正性抗蚀剂，在显影后经电子束照射区域的抗蚀剂被 溶解掉，而未经照射区域的抗蚀剂则保留下来；对负性抗蚀剂则情况相反。这样就在 抗蚀剂中形成了需要制作的图形，电子束曝光有扫描和投影两种工作方式。扫描电子 束曝光机是实现亚微米图形加工的最重要的一种设备，是研制微电子器件，特别是大 规模、超大规模集成电路的一项关键技术。
国外高能束流加工技术的发展概况
国外高能束流加工技术的发展概况随着制造业的快速发展，高能束流加工技术作为一种新型的加工工艺，逐渐受到了广泛的关注。
这种技术能够对任意形状、材质的工件进行高精度、无损伤的加工处理，被广泛应用于航空、航天、军工等领域。
本文将从国外的角度，简单介绍高能束流加工技术的发展概况。
高能束流加工技术的分类高能束流加工技术主要分为电子束加工、激光束加工和离子束加工三种类型。
电子束加工是利用电子加速器加速电子，形成高速电子束，然后通过一系列的磁透镜进行聚焦，将电子束集中在被加工的材料表面，使其瞬间蒸发或转化成等离子体，从而实现对材料的加工。
激光束加工是利用高能量、高光束质量的激光束，对被加工材料进行熔化、气化、消融和蒸馏等一系列物理化学反应，从而实现对材料的加工处理。
离子束加工是利用离子加速器将高能量离子束加速到极高速度，形成一条细束，在经过几次退火和淬火处理后，达到与材料界面的接触，并将材料表面的原子进行瞬间弹射、溅射，从而完成对材料表面的加工。
国外高能束流加工技术的发展高能束流加工技术源于上世纪50年代初期，当时主要是以电子束加工为主，但由于该工艺的限制和不稳定性，导致其无法得到广泛应用。
20世纪70年代中期，随着激光技术和计算机技术的发展，激光束加工逐渐成为了高能束流加工技术的主流技术。
至今，各种高能束流加工技术都得到了很大的发展。
在欧洲，德国是高能束流加工技术的领头羊。
在该领域的研究上，德国的大学和研究机构与企业合作得非常密切，他们采用多技术的交叉整合，推动了高能束流加工技术往更高端技术、更高加工精度和更复杂结构的方向发展。
在美国，高能束流加工技术从上世纪70年代开始进入快速发展时期，该领域的科研机构林立，如美国能源部、航空航天局和国防部等机构的高能束流加工实验室，致力于开发新型材料、新型加工工艺和高性能部件的制造。
在亚洲地区，日本是高能束流加工技术的开发最为活跃和成熟的国家之一。
日本工程院通过多年的技术积累和合作研发，成功研制了一系列高能束流加工设备，并将其应用于航空、航天、医疗等领域。
杜炳鑫06031113 高能束流加工技术简析(可编辑)
杜炳鑫06031113 高能束流加工技术简析（可编辑）杜炳鑫06031113 高能束流加工技术简析高能束流加工技术简析高能束流加工技术简析1 .1 高能束流加工技术简介1 .1 高能束流加工技术简介1 2 高能束流加工技术分类1 2 高能束流加工技术分类1 3 高能束流加工技术横向详解1 3 高能束流加工技术横向详解1 4 高能束流加工技术纵向浅解1 4 高能束流加工技术纵向浅解1 5 尾语1 5 尾语1 .1 高能束流加工技术简介1 .1 高能束流加工技术简介高能束流加工技术是当今制造技术发展的前沿领域,高能束流加工技术是当今制造技术发展的前沿领域, 是武器装备研制中不可缺少的特种加工技术。
高能是武器装备研制中不可缺少的特种加工技术。
高能束流加工技术是利用以光量子、电子、等离子体为束流加工技术是利用以光量子、电子、等离子体为能量载体的高能量密度束流对材料和构件进行加工。
能量载体的高能量密度束流对材料和构件进行加工。
它是一个典型的多学科交叉领域,研究内容极为丰它是一个典型的多学科交叉领域,研究内容极为丰富,涉及光学、电学、热力学、冶金学、金属物理、富,涉及光学、电学、热力学、冶金学、金属物理、流体力学、材料科学、真空学、机械设计和自动控流体力学、材料科学、真空学、机械设计和自动控制以及计算机技术等多种学科。
back制以及计算机技术等多种学科。
back 1.2 高能束流加工技术分类1.2 高能束流加工技术分类从横向看高能束流加工技术包括激光束加工从横向看高能束流加工技术包括激光束加工技术、电子束加工技术、离子束及等离子体技术、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。
从加工技术以及高能束流复合加工技术等。
从纵向看高能束流加工技术包括高能束流焊接、纵向看高能束流加工技术包括高能束流焊接、高能束流切割、高能束流打孔、高能束流热高能束流切割、高能束流打孔、高能束流热处理等领域。
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。
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。
第五讲 高能束加工
精密与特种加工
离子镀：
膜层在沉积的同时又受到高能粒子束的轰 击，可改变膜层与基体的附着力、膜层状态、密 度及内应力等。 应用：1、耐磨功能膜（刀具、模具等）。 2、润滑功能膜（发动机的转动部件等）。 3、抗蚀功能膜。 4、耐热功能膜。 5、装饰功能膜（手表带、表壳、装饰品等）。
HIGH EDUCATION PRESS
HIGH EDUCATION PRESS
精密与特种加工
靶可以倾斜和旋转。靶的倾斜是为了改变离子束轰击基 片的角度，以控制刻蚀图形侧壁的倾斜角度和改变刻蚀速率。 靶的旋转则可以改善刻蚀的均匀性。在离子束刻蚀机中，决 定刻蚀特性的主要参量是离子束的电流密度，离子能量和离 子束轰击基片的角度。
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◆ 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）
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离子束注入： 将工件放在离子注入机的真空靶中，在几十 至几百千伏的电压下，把所需元元素的离子注入 工件表面。 应用：1、半导体方面：制造特殊要求的半导体 器件。 2、表面改性：抗蚀、抗疲劳、润滑、耐 磨等。
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杜炳鑫06031113 高能束流加工技术简析（可编辑）杜炳鑫06031113 高能束流加工技术简析高能束流加工技术简析高能束流加工技术简析1 .1 高能束流加工技术简介1 .1 高能束流加工技术简介1 2 高能束流加工技术分类1 2 高能束流加工技术分类1 3 高能束流加工技术横向详解1 3 高能束流加工技术横向详解1 4 高能束流加工技术纵向浅解1 4 高能束流加工技术纵向浅解1 5 尾语1 5 尾语1 .1 高能束流加工技术简介1 .1 高能束流加工技术简介高能束流加工技术是当今制造技术发展的前沿领域,高能束流加工技术是当今制造技术发展的前沿领域, 是武器装备研制中不可缺少的特种加工技术。
高能是武器装备研制中不可缺少的特种加工技术。
高能束流加工技术是利用以光量子、电子、等离子体为束流加工技术是利用以光量子、电子、等离子体为能量载体的高能量密度束流对材料和构件进行加工。
能量载体的高能量密度束流对材料和构件进行加工。
它是一个典型的多学科交叉领域,研究内容极为丰它是一个典型的多学科交叉领域,研究内容极为丰富,涉及光学、电学、热力学、冶金学、金属物理、富,涉及光学、电学、热力学、冶金学、金属物理、流体力学、材料科学、真空学、机械设计和自动控流体力学、材料科学、真空学、机械设计和自动控制以及计算机技术等多种学科。
back制以及计算机技术等多种学科。
back 1.2 高能束流加工技术分类1.2 高能束流加工技术分类从横向看高能束流加工技术包括激光束加工从横向看高能束流加工技术包括激光束加工技术、电子束加工技术、离子束及等离子体技术、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。
从加工技术以及高能束流复合加工技术等。
从纵向看高能束流加工技术包括高能束流焊接、纵向看高能束流加工技术包括高能束流焊接、高能束流切割、高能束流打孔、高能束流热高能束流切割、高能束流打孔、高能束流热处理等领域。
此外随着科技的进步 , 高能束处理等领域。
此外随着科技的进步 , 高能束流加工在抛光等方面也有应用。
back流加工在抛光等方面也有应用。
back1.3 高能束流加工技术横向详解1.3 高能束流加工技术横向详解1.3.1 激光加工? 1.3.1 激光加工? 1.3.2 电子束加工1.3.2 电子束加工1.3.3 离子束加工 1.3.3 离子束加工 1.3.4 高能束流加工技术最新进展 1.3.4 高能束流加工技术最新进展 1.3.1 激光加工1.3.1 激光加工激光加工是利用光能经透镜聚焦以极高激光加工是利用光能经透镜聚焦以极高的能量密度靠光热效应加工各种材料的的能量密度靠光热效应加工各种材料的一种新工艺(简称LBM )。
一种新工艺(简称LBM )。
1.3.1.1 激光加工的原理 1.3.1.1 激光加工的原理激光是一束相同频率、相同方向和严格位相关系的激光是一束相同频率、相同方向和严格位相关系的高强度平行单色光。
由于光束的发散角通常不超过高强度平行单色光。
由于光束的发散角通常不超过 0.1? ,因此在理论上可聚焦到直径为光波波长尺寸 0.1? ,因此在理论上可聚焦到直径为光波波长尺寸相近的焦点上,焦点处的能量密度可达108 ~ 相近的焦点上,焦点处的能量密度可达108 ~ 1010W/cm2 ,温度可高达摄氏1 万度,从而使任何 1010W/cm2 ,温度可高达摄氏1 万度,从而使任何材料均在瞬时(<10 -3s )被急剧熔化乃至汽化, 材料均在瞬时(<10 -3s )被急剧熔化乃至汽化, 并产生强烈的冲击波被喷发出去,从而达到切除材并产生强烈的冲击波被喷发出去,从而达到切除材料的目的。
料的目的。
常用的激光器按激活介质的种类可分为固体激光常用的激光器按激活介质的种类可分为固体激光器和气体激光器。
如图8-6 为固体激光器结构示意图器和气体激光器。
如图8-6 为固体激光器结构示意图固体激光器结构示意图1? 全反射镜 2? 工作物质 3? 玻璃套管4? 部分反射镜 5? 聚光镜 6? 氙灯 7? 电源1.3.1.2. 激光加工的特点和应用1.3.1.2. 激光加工的特点和应用 1 )由于激光加工的功率密度高,几乎可以加工1 )由于激光加工的功率密度高,几乎可以加工任何材料;任何材料;2 )激光束可调焦到微米级,其输出功率可以调2 )激光束可调焦到微米级,其输出功率可以调节,因此,激光可用于精细加工;节,因此,激光可用于精细加工;3 )激光属非接触式加工,无明显机械切削力,3 )激光属非接触式加工,无明显机械切削力,因而具有无工具损耗、加工速度快、热影响区小、因而具有无工具损耗、加工速度快、热影响区小、热变形和加工变形小,易实现自动化等优点;热变形和加工变形小,易实现自动化等优点;4 )能透过透视窗孔对隔离室或真空室内的零件4 )能透过透视窗孔对隔离室或真空室内的零件进行加工。
进行加工。
1.3.2 电子束加工1.3.2 电子束加工利用高功率密度的电子束冲击工件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。
泰格瓦尔特于1948 年发明的。
1.3.2.1 电子束加工的加工原理1.3.2.1 电子束加工的加工原理? 电子束加工的基本原理是:在真空中从灼热的灯丝电子束加工的基本原理是: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、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,加工一般在真空中会产生能量损失和散射,因此,加工一般在真空中进行进行. 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 1.3.2.2 电子束加工的特点和应用1.3.2.2 电子束加工的特点和应用? 电子束加工的主要特点是: ? 电子束能聚焦成很小的斑点电子束加工的主要特点是: ?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; ?功率密度高, 能加工高熔点和难加工材料如钨、形孔或槽; ? 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、钼、不锈钢、金刚石、蓝宝石、水晶、玻璃、陶瓷和半导体陶瓷和半导体材料等; ? 无机械接触作用,无工具损耗问题; ?加工速度材料等;? 无机械接触作用,无工具损耗问题; ?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。
主要缺点是: ? 由割1 毫米厚的钢板速度可达240 毫米/分。
主要缺点是: ?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;?需要在真空装置中进行加工; ?设备造价高等。
电子施;?需要在真空装置中进行加工;?设备造价高等。
电子束加工广泛用于焊接(见电子束焊),其次是薄材料的穿孔束加工广泛用于焊接(见电子束焊),其次是薄材料的穿孔和切割。
穿孔直径一般为0.03 ~1.0 毫米, 最小孔径可达和切割。
穿孔直径一般为0.03 ~1.0 毫米, 最小孔径可达0.002 毫米。
切割0.2 毫米厚的硅片,切缝仅为0.04 毫米,因 0.002 毫米。
切割0.2 毫米厚的硅片,切缝仅为0.04 毫米,因而可节省材料。
而可节省材料。
1.3.3 离子束加工1.3.3 离子束加工1.3.3.1 离子束加工原理和特点1.3.3.1 离子束加工原理和特点离子束加工的物理基础是 , 当离子束打击离子束加工的物理基础是 , 当离子束打击到材料表面上 , 会产生所谓撞击效应、溅射到材料表面上 , 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。
效应和注入效应 , 从而达到不同的加工目的。
离子束加工装置中的主要系统是离子源 ,离子束加工装置中的主要系统是离子源 ,如图8-8 是其中一种 , 称为考夫曼型离子源。
如图8-8 是其中一种 , 称为考夫曼型离子源。
考夫曼型离子源1? 真空抽气口 2? 灯丝 3? 惰性气体注入口4? 电磁线圈 5? 离子束流6? 工件 7? 阴极 8? 引出电极 9? 阳极 10?电离室1.3.3.2 离子束加工应用1.3.3.2 离子束加工应用1 ) 刻蚀加工 ;1 ) 刻蚀加工 ;2 ) 镀膜加工 ;2 ) 镀膜加工 ;3 ) 离子注入加工。
3 ) 离子注入加工。
1.3.4 高能束流加工技术最新进展1.3.4 高能束流加工技术最新进展1.3.4.1 电子束加工技术最新进展1.3.4.1 电子束加工技术最新进展1.3.4.2 激光加工技术最新进展1.3.4.2 激光加工技术最新进展1.3.4.3 等离子加工技术最新进展1.3.4.3 等离子加工技术最新进展1.3.4.1 电子束加工技术最新进展1.3.4.1 电子束加工技术最新进展电子束加工技术的主要应用是电子束焊EBW ,经过30 多年电子束加工技术的主要应用是电子束焊EBW ,经过30 多年的发展,现已成为较成熟的技术,处于平稳发展、扩大应用的发展,现已成为较成熟的技术,处于平稳发展、扩大应用阶段。
目前的研究工作集中在焊缝实时跟踪、电子束加热温阶段。
目前的研究工作集中在焊缝实时跟踪、电子束加热温度场计算机模拟计算、大功率二极枪的研究度场计算机模拟计算、大功率二极枪的研究间热式阴极、间热式阴极、高压放电保护高压放电保护、电子束能量密度测试、电子束焊接专家系、电子束能量密度测试、电子束焊接专家系统等方面,在应用研究方面,主要是对大气条件下电子束焊统等方面,在应用研究方面,主要是对大气条件下电子束焊接的设备和工艺的研究以及电子束焊接大厚件的研究。