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。