先进制造技术 电子束加工、离子束加工和激光束加工的区别.docx

电子束加工、离子束加工和激光束加工的区别20世纪70年代以来，以激光、电子束、离子束等高能束流为能 源的特种加工技术获得了迅速发展和广泛应用。电子束、离子束、激 光束是表面工程领域内的三大载体，号称三束改性。都具有高能量密 度特性。顾名思义电子束加工是以激发电子作为载体，离子束则以离子。 离子束加工是一种元素注入过程，具有辐照损伤、喷丸作用、表面压 缩、形成表面非晶态，形成弥散化合物质点等效应，而电子束与激光 束的主要作用在高能量，没有辐照、表面压缩等特性。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。 一、电子束加工的特点如下：(1)电子束能够极其微细地聚焦(可达10.1 Um),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。二、离子束加工原理、特点及应用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。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，又称离子铳削， 其实质是一种原子尺度的切削加工。2)离子溅射沉积离子轰击靶材，将靶材原子击出，沉积在靶材附近的工件上, 使工件表面镀上一层薄膜。3)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。4）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后，就改变了化学成 分，从而改变了工件表面层的机械物理性能。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（如力口 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。三、激光束加工1 .激光加工的原理与特点1）激光加工的原理激光是一种强度高、方向性好、单色性好的相干光。由于激光 的发散角小和单色性好，理论上可以聚焦到尺寸与光的波长相近的(微米甚至亚微米)小斑点上，加上它本身强度高，故可以使其焦点处 的功率密度达到1071011 W/cm2,温度可达10 000C以上。在这 样的高温下，任何材料都将瞬时急剧熔化和汽化，并爆炸性地高速喷 射出来，同时产生方向性很强的冲击。因此，激光加工(如图1所示) 是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过程。2)激光加工的特点激光加工的特点主要有以下几个方面：(1)几乎对所有的金属和非金属材料都可以进行激光加工。(2)激光能聚焦成极小的光斑，可进行微细和精密加工， 如微细窄缝和微型孔的加工。(3)可用反射镜将激光束送往远离激光器的隔离室或其它地 点进行加工。(4)加工时不需用刀具，属于非接触加工，无机械加工变形。(5)无需加工工具和特殊环境，便于自动控制连续加工，加工 效率高，加工变形和热变形小。2.激光加工基本设备及其组成部分激光加工的基本设备由激光器、导光聚焦系统和加工机(激光 加工系统)三部分组成。3.激光加工的应用1)激光打孔2)激光切割3)激光打标激光打标是指利用高能量的激光束照射在工件表面，光能 瞬时变成热能，使工件表面迅速产生蒸发，从而在工件表面刻出任意 所需要的文字和图形，以作为永久防伪标志。4）激光焊接5）激光表面处理6）激光存储高冉09级升研一班2012-03-25