先进制造技术三束加工

先进制造技术——高能束流技术激光束、电子束、离子束本次课程内容高能束流激光束加工电子束加工离子束加工一、高能束流高能束流(HighEnergyDensityBeam)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。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。高能束加工特点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。二、激光束加工激光：源自在经过激励后由高能级院子跃迁到低能级而发射的光子所产生的物理现象。激光产生的原理：原子经过激励而发生跃迁现象。激光加工:激光加工就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产生的光热效应来加工各种材料。加工原理激光加工是以激光为热源对工件进行热加工。激光是单色光，强度高、相干性和方向性好，通过一系列的光学系统，可将激光束聚焦成光斑直径小到几微米、能量密度高达108~109W/cm2，并能在千分之几秒甚至更短的时间内使任何可熔化、不可分解的材料熔化、蒸发、汽化而达到加工的目的。因此，激光加工是工件在光热作用下产生高温熔融和受冲击抛离的综合过程。图1.激光加工示意图激光束加工设备激光机工的基本设备由激光器、导光聚焦系统和加工机（激光机工系统）三部分组成。1.激光器：激光器是激光加工的重要设备，他的任务是把电能转换为光能，产生所需要的激光束。按工作物质的种类可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器四大类。2.导光聚焦系统：根据被加工工件的性能要求，光束经过放大、整形、聚焦后作用于加工部位，这种从激光器输出窗口到被加工工件之间的装置成为导光聚焦系统。3.激光加工系统：激光加工系统主要包括床身、能够在三维坐标范围之内移动的工作台及机电控制系统等。激光的特性激光的发射原理及产生过程的特殊性决定了激光具有普通光所不具有的特点：即三好（单色性好、相干性好、方向性好）一高（亮度高）。①单色性好：普通光源发射的光子，在频率上是各不相同的，所以包含有各种颜色。而激光发射的各个光子频率相同，因此激光是最好的单色光源。由于光的生物效应强烈地依赖于光的波长，使得激光的单色性在临床选择性治疗上获得重要应用。此外，激光的单色特性在光谱技术及光学测量中也得到广泛应用，已成为基础医学研究与临床诊断的重要手段。②相干性好：由于受激辐射的光子在相位上是一致的，再加之谐振腔的选模作用，使激光束横截面上各点间有固定的相位关系，所以激光的空间相干性很好（由自发辐射产生的普通光是非相干光）。激光为我们提供了最好的相干光源。正是由于激光器的问世，才促使相干技术获得飞跃发展，全息技术才得以实现。③方向性好：激光束的发散角很小，几乎是一平行的光线，激光照射到月球上形成的光斑直径仅有1公里左右。而普通光源发出的光射向四面八方，为了将普通光沿某个方向集中起来常使用聚光装置，但即便是最好的探照灯，如将其光投射到月球上，光斑直径将扩大到1000公里以上。激光束的方向性好这一特性在医学上的应用主要是激光能量能在空间高度集中，从而可将激光束制成激光手术刀。另外，由几何光学可知，平行性越好的光束经聚焦得到的焦斑尺寸越小，再加之激光单色性好，经聚焦后无色散像差，使光斑尺寸进一步缩小，可达微米级以下，甚至可用作切割细胞或分子的精细的“手术刀”。④亮度高：激光的亮度可比普通光源高出1012－1019倍，是目前最亮的光源，强激光甚至可产生上亿度的高温。激光的高能量是保证激光临床治疗有效的最可贵的基本特性之一。利用激光的高能量还可使激光应用于激光加工工业及国防事业等。激光加工的特点由于激光具有的宝贵特性，因此就给激光加工带来如下一些其它方法所不具备的可贵特点：①由于它是无接触加工，并且高能量激光束的能量及其移动速度均可调，因此可以实现多种加工的目的;②它可以对多种金属、非金属加工，特别是可以加工搞硬度、高脆性及高熔点的材料；③激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件；④激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，并非激光照射部位没有货影响极小。因此，其热影响区小，工件热变小，后续量小；⑤它可通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工；⑥由于激光束易于导向、聚焦实现作各方向变换，极易与数控系统配合，对复杂工件进行加工，因此它是一种极为灵活的加工方法；⑦生产效率高，加工质量稳定可靠，经济效益和社会效益好。激光加工的应用激光加工是激光系统最常用的应用。根据激光束与材料相互作用的机理，大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。激光热加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等；光化学反应加工是指激光束照射到物体，借助高密度高能光子引发或控制光化学反应的加工过程。包括光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。①激光打孔利用激光束可对各种材料加工小孔和微孔，最小孔径达几微米，深度可达直径的50倍。激光打孔时，用高功率密度脉冲激光源，影响加工质量的因素有激光束的参数（能量、脉宽）、波形、焦距、偏焦量、脉冲次数、被加工材料等。②激光切割激光切割常用二氧化碳气体激光器，连续或脉冲方式，所切割的切缝窄、边缘质量好，几乎无切割残渣，切割速度高，也可切割金属，也可切割非金属；既可切割无机物，也可切割有机物。可代替刀具切割木材，代替剪刀切割布料、纸张，还可切割无法进行机械接触的工件。由于激光加工对被切材料几乎不产生机械冲击力和压力，故适合切割玻璃、陶瓷和半导体材料。③激光焊接激光焊接与激光打孔的原理稍有不同，焊接时不需要那么高的能量密度使工件材料气化蚀除，而只要将工件的加工区“烧熔”，使其粘和在一起。因此，激光焊接所需要的能量密度低，通常可用减少激光输出功率来实现。如果加工区域不须限制在微米级的小范围内，也可通过调节焦点位置来减小工件被加工点的能量密度。④激光微调激光微调主要用于调整电路中某些原件的参数，以保证电路的技术指标。当前是指电阻的微调。在微电子电路中，一般多采用薄膜电阻和厚膜电阻两种。⑤激光表面改性利用激光对材料表面进行处理可改变其物理结构、化学成分和金相组织，从而改善材料表面的物理、力学、化学性质，如硬度、耐磨性、耐疲劳性、耐腐蚀性等，称之为激光表面改性技术三、电子束加工电子束加工（electronbeammachining,EBM）是近年来得到较大发展的新兴特种加工，它在精细加工方面，尤其是在微电子学领域中得到了较多应用。电子加工的原理电子束加工是利用高速电子的冲击动能来加工工件的，如图2所示。在真空条件下，将具有很高速度和能量的电子束聚焦到被加工材料上，电子的动能绝大部分转变为热能，使材料局部瞬时熔融、汽化蒸发而去除。控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，就可以达到不同的加工目的。如只使材料局部加热就可进行电子束热处理；使材料局部熔化就可以进行电子束焊接；提高电子束能量密度，使材料熔化和汽化，就可进行打孔、切割等加工；利用较低能量密度的电子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理，即可进行电子束光刻加工。电子枪系统聚焦系统电子束工件抽真空系统电源及控制系统图2.电子束加工装置的结构示意电子束加工的特点(1)电子束能够极其微细地聚焦(可达l～0.1μm)，故可进行微细加工。(2)加工材料的范围广。由于电子束能量密度高，可使任何材料瞬时熔化、汽化且机械力的作用极小，不易产生变形和应力，故能加工各种力学性能的导体、半导体和非导体材料。(3)可通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦等进行控制，所以整个加工过程便于实现自动化。(4)电子束的能量密度高，加工效率很高。(5)加工在真空中进行，污染少，加工表面不易被氧化。(6)电子束加工需要整套的专用设备和真空系统，价格较贵，故在生产中受到一定程度的限制。电子束加工的应用1）高速打孔目前电子束打孔的最小直径可达Ø0.003mm左右。例如喷气发动机套上的冷却孔，机翼的吸附屏的孔。在人造革、塑料上用电子束打大量微孔，可使其具有如真皮革那样的透气性。电子束打孔还能加工小深孔，如在叶片上打深度5mm、直径Ø0.4mm的孔，孔的深径比大于10：1。2）加工型孔及特殊表面0.03～0.07mm电子束加工的异形孔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。4）焊接电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接工艺。当高能量密度的电子束轰击焊件表面时，使焊件接头处的金属熔融，在电子束连续不断地轰击下，形成一个被熔融金属环绕着的毛细管状的熔池，如果焊件按一定速度沿着焊件接缝与电子束作相对移动，则接缝上的熔池由于电子束的离开而重新凝固，使焊件的整个接缝形成一条焊缝。由于电子束的能量密度高，焊接速度快，所以电子束焊接的焊缝深而窄，焊件热影响区小，变形小。5）热处理电子束热处理也是把电子束作为热源，但适当控制电子束的功率密度，使金属表面加热而不熔化，达到热处理的目的。电子束热处理的加热速度和冷却速度都很高，在相变过程中，奥氏体化时间很短，只有几分之一秒乃至千分之一秒，奥氏体晶粒来不及长大，从而能获得一种超细晶粒组织，可使工件获得用常规热处理不能达到的硬度，硬化深度可达0.3～0.8mm。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。1．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。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。离子束加工的应用离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应。离子束加工可分为四类。1)离子刻蚀离子轰击工件，将工件表面的原子逐个剥离，又称离子铣削，其实质是一种原子尺度的切削加工。2)离子镀(又称离子溅射辅助沉积)离子同时轰击靶材和工件表面，目的是为了增强膜材与工件基材之间的结合力。3)离子注入离子束直接轰击被加工材料，由于离子能量相当大，离子就钻入被加工材料的表层。工件表面层含有注入离子