高能束流加工技术简析

1.3.4.3等离子加工技术最新进展
▪ 近代高技术的发展，尤其是航空、航天高技术发展的需求牵 引，给等离子加工技术注入了活力。等离子切割、等离子焊 接、等离子喷涂以及等离子体源离子注入和离子刻蚀技术都 得到迅速发展。国外对等离子体加工技术的研究和应用给予 了很大重视。俄罗斯新西伯利亚科学分院对等离子射流的研 究很深入，推动了等离子矩的发展，并且研制了等离子设备 软件。乌克兰巴顿焊接研究所在超音速火焰喷涂、微束等离 子喷涂、爆炸喷涂等方面开展了大量的研究、应用工作。90 年代后，等离子束流加工技术又从航空、航天动力装置特殊 功能涂层的真空喷涂，发展到制备特种整体机构件，即等离 子喷涂成形技术。预计，等离子加工技术在进入21世纪后将 会有新的发展。back
1.4高能束流加工技术纵向浅解
1.4.1高能束流焊接
1.4.1.1高能束流焊接简介及特点
▪ 作为高能束流加工技术中应用最广泛发展最 成熟的技术，高能束流焊接的功率密度 （Power Density）达到105W/cm2以上。 其束流由单一的电子、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）。
▪ 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
Байду номын сангаас
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）由于激光加工的功率密度高，几乎可以加工 任何材料；
1.4.2电子束焊接
1.4.2.1电子束焊接简介
▪ 电子束焊接因具有不用焊条、不易氧化、工艺重复 性好及热变形量小的优点而广泛应用于航空航天、 原子能、国防及军工、汽车和电气电工仪表等众多 行业。电子束焊接的基本原理是电子枪中的阴极由 于直接或间接加热而发射电子，该电子在高压静电 场的加速下再通过电磁场的聚焦就可以形成能量密 度极高的电子束，用此电子束去轰击工件，巨大的 动能转化为热能，使焊接处工件熔化，形成熔池， 从而实现对工件的焊接。
▪ 电子束是把电能通过聚焦用于穿孔等高速加工的一 种加工技术。
▪ 如果把这种思路反过来，将电子束不聚焦而作成极 粗状，通过放粗后，利用降低的单位面积电能使表 面极浅（2μm）层部分瞬间熔化。照射时间仅为 2μs。虽然表面层被瞬间熔化，但主体部分仍处于 低温，所以熔化部分将被迅速冷却下来。其结果， 表面将被非晶化即非定形化。若将这一过程沿着整 个表面反复进行就能获得非常光滑的镜面。如同溶 化后的黄油凝固时那样光滑的表面。而且，所形成 的非定形化表面难以产生氧化，即不易生锈。
1.3.4.2激光加工技术最新进展
▪ 近年来，激光焊接成为热点。薄件焊接主要用于宇 航业及汽车业，而激光焊接大厚件将主要用于核工 业、造船、石油、军用车辆、越野车等方面。目前， 在等离子+激光复合焊接，氩弧焊+激光复合焊接， 激光质量检测技术基础(如温度场、等离子体监测等) 等方面，对激光加工技术的机理开展了研究工作。 在应用方面，主要利用激光焊接镀锌板、铝板、核 电站散热管、高压气瓶、输油管道等，激光切割的 应用领域及材料范围也越来越广。
▪ 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 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～ 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， 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。
1.4.3等离子焊接简介及发展
▪ 国外在等离子弧焊接方面，变极性等离子弧焊以及 铝合金穿孔等离子立焊是关注点之一。
▪ 国内在等离子弧焊设备方面，西北工业大学开展了 脉动等离子喷焊技术研究，通过在工件和喷枪阳极 （喷嘴）间接入高频的 IGBT 无触点开关，成功地 实现了转移弧和非转移弧的高频交替工作，实现了 单一电源下的等离子喷焊。
1.3.3离子束加工
▪ 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
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。 ▪ 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。
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
▪ 非真空电子束焊接在汽车制造领域一直倍受重视。例如，手动变 速器中同步环与齿轮的非真空电子束焊接，生产率已超过500件/ 小时。
▪ 最近，德国和波兰的学者共同研制了真空电子束焊接时安装于真 空室中的非接触测温装置，测量点最小直径1.8 mm，主要用于 陶瓷和硬质合金的钎焊，该装置可排除随机的热流的干扰，测量 精度高。
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
▪ 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；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。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。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 而可节省材料。
1.3 高能束流加工技术横向详解
▪ 1.3.1 激光加工 ▪ 1.3.2 电子束加工 ▪ 1.3.3 离子束加工 ▪ 1.3.4 高能束流加工技术最新进展
1.3.1激光加工
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
一种新工艺（简称LBM）。
1.3.1.1激光加工的原理
1.4.2.2电子束焊接发展
电子束焊接发展可归结为：超高能 密度装置研制、设备智能化柔性化、 电子束流特性诊断、束流与物质作 用机制研究以及非真空电子束焊设
备及工艺的研究等。
▪ 在日本，加速电压600kV、功率300kW的超高压电子束焊机已问 世，一次可焊200 mm的不锈钢，深宽比达70：1。
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 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 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 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
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 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。
▪ 在国外已有专门的企业对一种划时代的加工 技术进行专门的研究，且已有产品面市 。可 见高能束流加工技术的前景远应比现在广阔， 而我国理应加强对高能束流加工技术的投入。
▪ 二十年后的高能束流加工技术会是什么样？ 请让我们拭目以待。
1.4.1.2高能束流焊接应用领域
▪ 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
高能束流加工技术简析
▪ 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. 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. 5尾语
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， 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。back
▪ 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；
▪ 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、 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 进行加工。
1.3.2电子束加工
利用高功率密度的电子束冲击工件 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
▪ 在重要的应用方面，西安航空发动机公司利用自制 的电源设备配以进口的等离子焊枪，实现了某航空 发动机工艺的改进。back
1.5尾语
▪ 作为特种加工技术的重要组成技术之一，高能束流 加工技术虽出现时间较晚，但经过数十年时间的发 展，已成为工业尤其是国防工业中的重点应用技术。 随着人类科技水平的超速发展，高能束流加工技术 将拥有越来越广阔的发展前景。正如前文所说的10 年前激光在工业上的主要应用还是切割和制孔，而 现在激光焊接已成为焊接工艺的重要组成部分。除 激光加工技术外电子束与离子束的应用也更加广泛。 尤其引起笔者注意的是用“极粗”电子束对模具实 施高速抛光的技术。
▪ 日、俄、德开展了双枪及填丝电子束焊技术的研究。在对大厚度 板第一次焊接的基础上，通过第二次填丝来弥补顶部下凹或咬边 缺陷；日本采用双抢实现了薄板的超高速焊接，反面无飞溅，成 形良好。
▪ 法国研制成功的双金属和三金属薄带材电子束焊接机也颇引人关 注。
▪ 关于非真空电子束焊接，德国实现了母材为Al Mg0.4 Si1.2的旋 转件的填丝焊接，加丝材料为AlMg4.5Mn，送丝速度35m/min， 焊接速度高达60m/min。该研究在斯图加特大学的25kW电子束 焊机上完成。
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）刻蚀加工； ▪ 2）镀膜加工； ▪ 3）离子注入加工。
1.3.4高能束流加工技术最新进展
▪ 1.3.4.1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 ▪ 1.3.4.3等离子加工技术最新进展
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
▪ 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 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.
▪ 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。现在这一技术日益得到西方的重视，例如美国P&W公 司与乌克兰巴顿焊接所成立了该项技术的合资公司，以尽快 在美国推广该项技术。