特种加工--12第五、六章 激光加工与电子束、离子束加工.ppt

1、特种加工技术第五章第五章 激光加工激光加工nLaser Beam Laser Beam Maching(LBMMaching(LBM)n2020世纪世纪6060年代初发展起来的一门新兴科年代初发展起来的一门新兴科学学,可以用于打孔、切割、电子器件的微可以用于打孔、切割、电子器件的微调、焊接、热处理以及激光存储等调、焊接、热处理以及激光存储等n激光加工是利用光的能量经过透镜聚焦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，靠后在焦点上达到很高的能量密度，靠光光热效应热效应来加工的。来加工的。n激光加工不需要工具、加工速度快、表激光加工不需要工具、加工速度快、表面变形小，可加工各

2、种材料。面变形小，可加工各种材料。为什么激光可以用于加工？n普通太阳光普通太阳光n聚焦后可以点燃木材、纸张，但不能用于加聚焦后可以点燃木材、纸张，但不能用于加工，原因是：工，原因是：1）地面上的太阳光的能量密）地面上的太阳光的能量密度不高；度不高；2）太阳光不是单色光，聚焦后不）太阳光不是单色光，聚焦后不在同一平面内在同一平面内n激光激光n可控的可控的单色光单色光，强度高，能量密度大，强度高，能量密度大，可以在空气介质中高速加工各种材料。可以在空气介质中高速加工各种材料。第一节第一节 激光加工的原理和特点激光加工的原理和特点1.激光的产生原理激光的产生原理2.激光的特性激光的特性3.激光加工的

3、原理激光加工的原理4.激光加工的特点激光加工的特点1 激光的产生原理激光的产生原理n光的物理概念光的物理概念n原子的发光原子的发光n激光的产生激光的产生光的物理概念光的物理概念n光既具有波动性、又具光既具有波动性、又具有微粒性有微粒性波粒二象波粒二象性性n根据电磁学，光是在一根据电磁学，光是在一定波长范围内的定波长范围内的电磁波电磁波n根据量子学，光是一种根据量子学，光是一种具有一定能量得以光速具有一定能量得以光速运动的运动的粒子流粒子流（光子）（光子）紫蓝0.400.430.45青绿黄橙红0500.570.600.630.76波长um10410-710-610-14宇宙射线射线x射线紫外线红

4、外线微波无线电波波长m电磁波波谱图可见光波谱图原子的发光原子的发光n原子的激发、跃迁原子的激发、跃迁n基态时原子可长时间存在，激发基态时原子可长时间存在，激发态时原子停留时间很短。态时原子停留时间很短。n有些原子在某些能级上停留时间有些原子在某些能级上停留时间较长，这些能级称为较长，这些能级称为亚稳态能级亚稳态能级n亚稳态能级的存在是形成激光的亚稳态能级的存在是形成激光的重要条件重要条件n原子的跃迁是以光子的形式释放原子的跃迁是以光子的形式释放能量能量n物质发光物质发光自发辐射自发辐射和和受激辐射受激辐射两两种种激光的产生激光的产生n某些具有亚稳态能级的物质，某些具有亚稳态能级的物质，在外来光

5、子的激发下会吸收在外来光子的激发下会吸收光能，使处于高能级原子的光能，使处于高能级原子的数目大于低能级原子的数数目大于低能级原子的数目目粒子数反转粒子数反转n若有一束光照射，光子的能若有一束光照射，光子的能量等于这两个能相对应的差，量等于这两个能相对应的差，这是就会产生受激辐射，输这是就会产生受激辐射，输出大量的光能。出大量的光能。2 激光的特性激光的特性n激光具有光的共性（反射、折射、绕射及干激光具有光的共性（反射、折射、绕射及干涉等等）涉等等）n普通光源的发光是自发辐射，基本上是无秩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。发出的光波序的、相互独立地产生光发射。发出

6、的光波的方向、相位和偏振状态都不同。的方向、相位和偏振状态都不同。n激光是受激辐射，有组织、相互关联地产生激光是受激辐射，有组织、相互关联地产生发射，发出的光波具有发射，发出的光波具有相同的频率、方向、相同的频率、方向、偏振状态和严格的相位偏振状态和严格的相位。所以激光具有强度。所以激光具有强度高、单色性好、相干性好和方向性好。高、单色性好、相干性好和方向性好。3 激光加工的原理和特点激光加工的原理和特点n激光加工的原理激光加工的原理经过透镜聚焦后经过透镜聚焦后,在焦点上达到很高的能量密度，在焦点上达到很高的能量密度，光能转化为热能，靠光能转化为热能，靠光热效应光热效应来加工的。来加工的。n激

7、光加工的特点激光加工的特点1)1)聚焦后，激光的功率密度很高，光能转化为聚焦后，激光的功率密度很高，光能转化为热能，热能，几乎几乎可以熔化任何材料。可以熔化任何材料。2 2）激光光斑大小可以达到微米级，输出功率可）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。调，可以用于精密微细加工。3 3）工具是激光束，无损耗，无接触，无明显的）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，机械力。加工速度快、热影响区小，容易实容易实现自动化现自动化激光加工的原理和特点（续）4 4）与电子束相比，加工装置较简单）与电子束相比，加工装置较简单5 5）激光加工是一种）激

8、光加工是一种瞬时、局部熔化、气化瞬时、局部熔化、气化的热的热加工，加工，影响因素很多影响因素很多。n精微加工时的精度，尤其是重复精度和表面精微加工时的精度，尤其是重复精度和表面粗糙度不易保证。粗糙度不易保证。n由于光的反射作用，对于表面光泽或透明的由于光的反射作用，对于表面光泽或透明的材料的加工，需要先进行材料的加工，需要先进行色化或打毛色化或打毛处理。处理。激光激光无法无法加工出加工出非常光泽的表面非常光泽的表面。6 6）加工中产生的金属气体及火星等飞溅物，要）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。注意通风抽走，操作者应戴防护眼镜。第二节第二节 激光加工的基

9、本设备激光加工的基本设备n激光加工机的组成激光加工机的组成n激光器激光器 重要设备，把电能庄变为光能重要设备，把电能庄变为光能n激光器电源激光器电源n光学系统光学系统 聚焦和瞄准系统聚焦和瞄准系统n机械系统机械系统 应该是三坐标数控系统应该是三坐标数控系统n常用的激光器常用的激光器n固体激光器固体激光器 红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石n气体激光器气体激光器 COCO2 2 、氩离子氩离子第三节第三节 激光加工工艺及应用激光加工工艺及应用n激光打孔激光打孔n激光切割激光切割n其他激光加工其他激光加工1 激光打孔激光打孔n主要影响因素主要影响因素n输出功率和照射时间输

10、出功率和照射时间n焦距与发散角焦距与发散角n焦点的位置焦点的位置n光斑内的能量分布光斑内的能量分布n多次照射多次照射n工件材料工件材料焦点位置与孔的剖面形状光斑内的能量分布对打孔质量影响光斑内的能量分布对打孔质量影响光管效应（多次照射）工件材料n不同的材料吸收的光谱不同，需要根据材料选不同的材料吸收的光谱不同，需要根据材料选择激光器。择激光器。n表面粗糙度对加工深度有影响表面粗糙度对加工深度有影响2 激光切割n与激光打孔差不多，只不过工件需要移与激光打孔差不多，只不过工件需要移动，即需要数控系统。动，即需要数控系统。3 其他激光加工n激光打标激光打标n激光焊接激光焊接 播放播放n激光热处理激光

11、热处理n激光雕刻激光雕刻本章小节n激光加工的原理和特点激光加工的原理和特点n激光的产生激光的产生n激光的特性激光的特性n激光加工的基本设备激光加工的基本设备n激光加工工艺及应用激光加工工艺及应用 电子束加工（简称电子束加工（简称EBMEBM）和离子束加工（简称）和离子束加工（简称IBMIBM）是）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。于精细加工领域，尤其是微电子领域。第六章第六章 电子束和离子束加工电子束和离子束加工 利用高功率密度的电子束冲击工件时所产生的热能使利用高功率密度的电子束冲击工件时所

12、产生的热能使 材料熔化、气化的特种加工方法材料熔化、气化的特种加工方法,简称为简称为EBMEBM。电子束加工。电子束加工是由德国的科学家是由德国的科学家K.H.K.H.施泰格瓦尔特于施泰格瓦尔特于19481948年发明的。年发明的。第一节第一节 电子束加工电子束加工 1、电子束加工的基本原理：、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真空中从灼热的灯丝阴极发射出的电子,在高电压在高电压(30(30200200千伏千伏)作用下被加速到很高的速度，通过电磁透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，电镜会聚成一束高功率密度的电子束。当冲

13、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量损失和散射，因此，加工一般在真空中进行.电子束加工原理图电子束加工原理图1电源及控制系统电源及控制系统 2抽真空系统抽真空系统 3电子电子枪系统枪系统 4聚焦系统聚焦系统 5电子束电子束 6工件工件 2 2、电子束加工的特点和应用、电子束加工的

14、特点和应用 电子束加工的主要特点是：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能聚焦成很小的斑点(直径一般为直径一般为 0.010.05毫米毫米)，适合于加，适合于加工微小的圆孔、异形孔或槽工微小的圆孔、异形孔或槽;功率密度高功率密度高,能加工高熔点和难加工材料如钨、钼、不锈钢、金刚石、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、蓝宝石、水晶、玻璃、陶瓷和半导体材料等；陶瓷和半导体材料等；无机械接触作用，无工具损耗问题；无机械接触作用，无工具损耗问题；加工速度快加工速度快,如在如在0.1毫米厚的不锈钢板上穿微小孔每秒可达毫米厚的不锈钢板上穿微小孔每秒可达3

15、000个个,切割切割1毫米厚的钢板速毫米厚的钢板速 度可达度可达240毫米分。毫米分。因此，电子束加工属于精细加工，因此，电子束加工属于精细加工，加工范围广加工范围广，加工质量好；生，加工质量好；生产率高；加工过程易于实现自动化。产率高；加工过程易于实现自动化。由于使用高电压，会产生较强由于使用高电压，会产生较强 X射线，必须采取相应射线，必须采取相应的安全措施；的安全措施；需要在真空装置中进行加工；需要在真空装置中进行加工；设备造价高等。设备造价高等。主要缺点是主要缺点是:3.电子束加工的应用电子束加工的应用 1）高速打孔高速打孔；2）加工型孔及特殊表面加工型孔及特殊表面；3）刻蚀刻蚀；4

16、4）焊接焊接；5 5）热处理；）热处理；6 6）电子束光刻）电子束光刻第二节第二节 离子束加工离子束加工n1、离子束加工原理和特点、离子束加工原理和特点 n 离子束加工的物理基础是，当离子离子束加工的物理基础是，当离子（正离（正离子）子）束打击到材料表面上，会产生所谓撞击效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，从而达到不同的加应、溅射效应和注入效应，从而达到不同的加工目的。工目的。（撞击动能）（撞击动能）n 离子束加工装置中的主要系统是离子源，如离子束加工装置中的主要系统是离子源，如图图是其中一种，称为考夫曼型离子源是其中一种，称为考夫曼型离子源。离子束加工分类：离子束加

17、工分类：1 1、离子刻蚀：、离子刻蚀：0.5-5KeV 0.5-5KeV 氩离子氩离子 倾斜倾斜 原子剥离，（纳原子剥离，（纳米加工）米加工）2 2、离子溅射沉积：、离子溅射沉积：0.5-5KeV 0.5-5KeV 氩离子氩离子 倾斜轰击出靶材倾斜轰击出靶材原子，垂直沉积在工件上。原子，垂直沉积在工件上。3 3、离子镀：、离子镀：0.5-5KeV 0.5-5KeV 氩离子氩离子 同时轰击靶材和工件表同时轰击靶材和工件表面。目的：面。目的：4 4、离子注入：、离子注入：5-500KeV5-500KeV离子束离子束 垂直轰击工件，离子注垂直轰击工件，离子注入表层，改变表层性质。入表层，改变表层性质。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2、离子束加工应用、离子束加工应用n 1）刻蚀加工；）刻蚀加工；n 2）镀膜加工；）镀膜加工；n 3）离子注入加工。）离子注入加工。