高能束加工

1）激光加工属非接触加工，无明显机械力，也无工具损 耗，工件不变形，加工速度快，热影响区小，可达高精度 加工，易实现自动化。 2）因功率密度是所有加工方法中最高的，所以不受材料 限制，几乎可加工任何金属与非金属材料。 3）激光加工可通过惰性气体、空气或透明介质对工件进 行加工，如可通过玻璃对隔离室内的工件进行加工或对真 空管内的工件进行焊接。 4）激光可聚焦形成微米级光斑，输出功率大小可调节， 常用于精密细微加工，最高加工精度可达0.001mm，表面 粗糙度Ra值可达0.4～0.1。 5）能源消耗少，无加工污染，在节能、环保等方面有较 大优势。
电子束加工曲面、弯孔
2）电子束切割 可对各种材料进行切割，切口宽度仅有3～ 6μm。 利用电子束再配合工件的相对运动，可加工 所需要的曲面

3）光刻 当使用低能量密度的电子束照射高分子材料 时，将使材料分子链被切断或重新组合，引 起分子量的变化即产生潜象，再将其浸入溶 剂中将潜象显影出来。 把这种方法与其它处理工艺结合使用，可实 现在金属掩膜或材料表面上刻槽。

激光切割是激光加工中应用最广泛的一种， 主要是其切割速度快、质量高、省材料、热 影响区小、变形小、无刀具磨损、没有接触 能量损耗，噪音小，易实现自动化，而且还 可穿透玻璃切割真空管内的灯丝，由于以上 诸多优点，深受各制造领域欢迎，不足之处 是一次性投资较大，且切割深度受限。
（4）激光表面热处理
（3）激光切割

激光切割是利用聚焦以后的高功率密度 （105～107w/cm2）激光束连续照射工件，光 束能量以及活性气体辅助切割过程附加的化 学反应热能均被材料吸收，引起照射点材料 温度急剧上升，到达沸点后材料开始汽化， 并形成孔洞，且光束与工件相对移动，使材 料形成切缝，切缝处熔渣被一定压力的辅助 气体吹除。
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。 激光打孔的效率非常高，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。 激光打孔的尺寸公差等级可达IT7，表面粗糙度Ra 值可达0.16～0.08。
激光器是激光加工设备的核心，它能把电能 转换成激光束输出。 常用的激光器有固体和气体两大类。 固体激光器常由主体光泵（激励源）及谐振 腔（由全反射镜、半反射镜组成）、工作物 质（一些发光材料如钇铝石榴石、红宝石、 钕玻璃等）、聚光器、聚焦透镜等组成。图 中激光器的工作物质为钇铝石榴石

2.激光加工的特点
（2）激光焊接


激光束焊接是以聚集的激光束作为能源的特种熔化焊接方法。 焊接用激光器有YAG固体激光器和CO2气体激光器，此外还有 CO激光器、半导体激光器和准分子激光器等。 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。经聚焦后，激光束的能 量更为集中，能量密度可达105~107W/cm2。 如将焦点调节到焊件结合处，光能迅速பைடு நூலகம்换成热能，使金属 瞬间熔化，冷却凝固后成为焊缝。

当激光能量密度在103～105w/cm2左右时，对 工件表面进行扫描，在极短的时间内加热到 相变温度（由扫描速度决定时间长短），工 件表层由于热量迅速向内传导快速冷却，实 现了工件表层材料的相变硬化（激光淬火）。

与其它表面热处理比较，激光热处理工艺简单，生 产率高，工艺过程易实现自动化。一般无须冷却介 质，对环境无污染，对工件表面加热快，冷却快， 硬度比常温淬火高约15%～20%；耗能少，工件变形 小，适合精密局部表面硬化及内孔或形状复杂零件 表面的局部硬化处理，但激光表面热处理设备费用 高，工件表面硬化深度受限，因而不适合大负荷的 重型零件。
（5）其它应用

近年来，各行业中对激光合金化、激光抛光、 激光冲击硬化法、激光清洗模具技术也在不 断深入研究及应用中。
二、电子束加工
1.电子束加工原理

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 冲击到工件表面上极小的部位， 并在几分之一微秒时间内，其 能量大部分转换为热能，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，来去除材料。
1）离子刻蚀


当所带能量为0.1～5keV、直径为十分之几纳米的的氩离子 轰击工件表面时，此高能离子所传递的能量超过工件表面原 子（或分子）间键合力时，材料表面的原子（或分子）被逐 个溅射出来，以达到加工目的 这种加工本质上属于一种原子尺度的切削加工，通常又称为 离子铣削。 离子束刻蚀可用于加工空气轴承的沟槽、打孔、加工极薄材 料及超高精度非球面透镜，还可用于刻蚀集成电路等的高精 度图形。
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。
2）离子溅射沉积
采用能量为0.1～5keV的氩离子轰击某种材料 制成的靶材，将靶材原子击出并令其沉积到 工件表面上并形成一层薄膜。 实际上此法为一种镀膜工艺。

3）离子镀膜


离子镀膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉 积，另一方面还有高速中性粒子打击工件表面以增 强镀层与基材之间的结合力（可达10～20MPa）， 此法适应性强、膜层均匀致密、韧性好、沉积速度 快，目前已获得广泛应用。
4）离子注入


用5～500keV能量的离子束，直接轰击工件表面，由于离子 能量相当大，可使离子钻进被加工工件材料表面层，改变其 表面层的化学成分，从而改变工件表面层的机械物理性能。 此法不受温度及注入何种元素及粒量限制，可根据不同需求 注入不同离子（如磷、氮、碳等）。 注入表面元素的均匀性好，纯度高，其注入的粒量及深度可 控制，但设备费用大、成本高、生产率较低。
第四节
高能束 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。 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，

4）其它应用 用计算机控制，对陶瓷、半导体或金属材料 进行电子刻蚀加工；异种金属焊接；电子束 热处理等。

三、离子束加工
1.离子束加工原理


离子束加工（ion beam machining，IBM）是在 真空条件下利用离子源（离 子枪）产生的离子经加速聚 焦形成高能的离子束流投射 到工件表面，使材料变形、 破坏、分离以达到加工目的。 因为离子带正电荷且质量是 电子的千万倍，且加速到较 高速度时，具有比电子束大 得多的撞击动能，因此，离 子束撞击工件将引起变形、 分离、破坏等机械作用，而 不像电子束是通过热效应进 行加工。
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
2.电子束加工的特点
1）高功率密度 属非接触式加工，工件不受 机械力作用，很少产生宏观应力变形，同时 也不存在工具损耗问题。 2）电子束强度、位置、聚焦可精确控制，， 电子束通过磁场和电场可在工件上以任何速 度行进，便于自动化控制。 3）环境污染少 适合加工纯度要求很高的半 导体材料及易氧化的金属材料。
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。

3.电子束加工的应用




1）电子束打孔 不锈钢、耐热钢、宝石、陶瓷、玻璃等各种材料上的小孔、 深孔。最小加工直径可达0.003mm，最大深径比可达10。 像机翼吸附屏的孔、喷气发动机套上的冷却孔，此类孔数量 巨大（高达数百万），且孔径微小，密度连续分布而孔径也 有变化，非常适合电子束打孔， 塑料和人造革上打许多微孔，令其象真皮一样具有透气性。 一些合成纤维为增加透气性和弹性，其喷丝头型孔往往制成 异形孔截面，可利用脉冲电子束对图形扫描制出。 还可凭借偏转磁场的变化使电子束在工件内偏转方向加工出 弯曲的孔，