先進制造技術3-268

3.2特種加工技術3.2.1概述

特種加工技術是指區(qū)別于傳統(tǒng)切削加工方法，利用化學、物理（電、聲、光、熱、磁）或電化學方法對工件材料進行加工的一系列加工方法的總稱。這些加工方法包括：化學加工（CHM）、電化學加工（ECM）、電化學機械加工（ECMM）、電火花加工（EDM）、電接觸加工（RHM）、超聲波加工（USM）、激光加工（LBM）、離子束加工（IBM）、電子束加工（EBM）、等離子體加工（PAM）、電液加工（EHM）、磨料流加工（AFM）、磨料噴射加工（AJM）、液體噴射加工（HDM）及各類復合加工等。

3.2特特種種加工技技術3.2..1概概述特種加工工的特點點：1）不用用機械能能，與加加工對象象的機械械性能無無關，有有些加工工方法，，如激光光加工、、電火花花加工、、等離子子弧加工工、電化化學加工工等，是是利用熱熱能、化化學能、、電化學學能等，，這些加加工方法法與工件件的硬度度強度等等機械性性能無關關，故可可加工各各種硬、、軟、脆脆、熱敏敏、耐腐腐蝕、高高熔點、、高強度度、特殊殊性能的的金屬和和非金屬屬材料。。

3.2特特種種加工技技術3.2..1概概述特種加工工的特點點：2）非接接觸加工工，不一一定需要要工具，，有的雖雖使用工工具，但但與工件件不接觸觸，因此此，工件件不承受受大的作作用力，，工具硬硬度可低低于工件件硬度，，故使剛剛性極低低元件及及彈性元元件得以以加工。。3）微細細加工，，工件表表面質量量高，有有些特種種加工，，如超聲聲、電化化學、水水噴射、、磨料流流等，加加工余量量都是微微細進行行，故不不僅可加加工尺寸寸微小的的孔或狹狹縫，還還能獲得得高精度度、極低低粗糙度度的加工工表面。。

3.2特特種種加工技技術3.2..1概概述特種加工工的特點點：4）不存存在加工工中的機機械應變變或大面面積的熱熱應變，，可獲得得較低的的表面粗粗糙度，，其熱應應力、殘殘余應力力、冷作作硬化等等均比較較小，尺尺寸穩(wěn)定定性好。。5）兩種種或兩種種以上的的不同類類型的能能量可相相互組合合形成新新的復合合加工，，其綜合合加工效效果明顯顯，且便便于推廣廣使用。。6）特種種加工對對簡化加加工工藝藝、變革革新產(chǎn)品品的設計計及零件件結構工工藝性等等產(chǎn)生積積極的影影響。

3.2特特種種加工技技術3.2..1概概述目前常用用特種加加工方法法的性能能與適用用范圍見見下表。。加工方法可加工材料尺寸精度/mm（平均/最高）表面粗糙度Ra/μm（平均/最高）主要適用范圍電火花加工任何導電的金屬材料，如硬質合金、不銹鋼、淬火鋼、鈦合金0.03/0.00310/0.04從數(shù)微米的孔、槽到數(shù)米的超大型模具、工件等，如圓孔、方孔、異形孔、微孔、彎孔、深孔及各種模具；還可以刻字、表面強化、涂覆加工電火花線切割加工0.02/0.0025/0.32切割各種模具及零件，各種樣板等；也常用于鉬、鎢、半導體材料或貴重金屬的切割電解加工0.1/0.011.25/0.16從細小零件到上噸重的超大型工件及模具，如儀表微型軸、蝸輪葉片、炮管膛線等電解磨削0.02/0.0011.25/0.04硬質合金等難加工材料的磨削以及超精光整研磨、珩磨超聲波加工任何脆性材料0.03/0.0050.63/0.16加工、切割脆硬材料，如玻璃、石英、寶石、金剛石、半導體等激光加工任何材料0.01/0.00110/1.25精密加工小孔、窄縫及成形加工、蝕刻；還可焊接、熱處理電子束加工0.01/0.00110/1.25在各種難加工材料上打微孔、切縫、蝕刻、焊接等，常用于中、大規(guī)模集成電路微電子器件離子束加工/0.01/0.01對零件表面進行超精密加工、超微量加工、拋光、蝕刻、鍍覆等

3.2特特種種加工技技術3.2..2激激光加加工3.2..2.1激激光加工工的主要要特點激光也是是一種光光，其除除了具有有光的一一般物性性（如反反射、折折射、繞繞射及干干涉等））外，還還具有四四大特點點：高亮亮度、高高方向性性、高單單色性和和高相干干性，這這四大優(yōu)優(yōu)異特性性是普通通光源望望塵莫及及的。因因此，就就給激光光加工帶帶來了如如下一些些其它方方法所不不具備的的可貴特特點：

3.2特特種種加工技技術3.2..2激激光加加工3.2..2.1激激光加工工的主要要特點（1）加加工方法法多、適適應性強強。在同同一臺設設備上可可完成切切割、焊焊接、表表面處理理、打孔孔等多種種加工；；即可分分步加工工，又可可在幾個個工位同同時進行行加工。?？杉庸すじ鞣N材材料，包包括高硬硬度、高高熔點、、高強度度及脆性性、柔性性材料。。即可在在大氣中中，也可可在真空空中進行行加工。。（2）加加工精度度，高質質量好。。由于高高能量密密度和非非接觸式式加工，，以及作作用時間間短，即即能量注注入速率率高。工工件熱變變形小，，且無機機械變形形，對精精密小零零件的加加工非常常有利。。

3）加工工效率高高，經(jīng)濟濟效益好好。在某某些情況況下，用用激光切切割可提提高效率率8~10倍；；用激光光進行深深溶焊接接的生產(chǎn)產(chǎn)效率比比傳統(tǒng)方方式提高高30倍倍。用激激光微調(diào)調(diào)薄膜電電阻，提提高工效效1000倍，，提高精精度1~~2個量量級。用用激光強強化電鍍鍍，其金金屬沉積積率可提提高1000倍倍。金剛剛石拉絲絲模用機機械方法法打孔需需要24h，用用YAG激器打打孔，只只需2s,提高高工效43200倍。。與其它它打孔方方法相比比，激光光打孔的的費用節(jié)節(jié)省25%~75%，，間接加加工費用用節(jié)省50%~~75%%。與其其它切割割方法相相比，激激光切割割鋼材降降低費用用70%%~90%。（4）節(jié)節(jié)約能源源與材料料，無公公害與污污染。激激光束的的能量利利用率為為常規(guī)熱熱加工工工藝的10~1000倍。激激光切割割可節(jié)省省15%%~30%。激激光束不不產(chǎn)生像像電子束束那樣的的射線，，無加工工污染。。

3.2特特種種加工技技術3.2..2激激光加加工3.2..2.1激激光加工工的主要要特點（5）加加工用的的是激光光束，無無“刀具具”磨損損及切削削力影響響的問題題。激光光加工技技術是利利用激光光束與物物質相互互作用的的特性對對材料（（包括金金屬與非非金屬））進行及及微加工工等的加加工技術術。激光光加工技技術是涉涉及到光光、機、、電、材材料及檢檢測等多多門學科科的一門門綜合技技術，它它的研究究范圍一一般可分分為：激激光加工工系統(tǒng)。。包括激激光器、、導光系系統(tǒng)、加加工機床床、控制制系統(tǒng)及及檢測系系統(tǒng)；激激光加工工工藝。。包括切切割、焊焊接、表表面處理理、打孔孔、打標標、劃線線、微調(diào)調(diào)等各種種加工工工藝。

3.2特特種種加工技技術3.2..2激激光加加工3.2..2.2現(xiàn)現(xiàn)狀及國國內(nèi)外發(fā)發(fā)展趨勢勢（1）目目前激光光加工技技術研究究開發(fā)的的重點可可歸納納為：①①新一代代工業(yè)激激光器研研究，目目前處在在技術上上的更新新時期，，其標志志是二極極管泵浦浦全固態(tài)態(tài)激光器器的發(fā)展展及應用用；②精精細激光光加工，，在激光光加工應應用統(tǒng)計計中微細細加工1996年只占占6％，，1997年翻翻了一倍倍達12％，1998年已增增加到19％；；③加工工系統(tǒng)智智能化，，系統(tǒng)集集成不僅僅是加工工本身，，而是帶帶有實時時檢測、、反饋處處理，隨隨著專家家系統(tǒng)的的建立，，加工系系統(tǒng)智能能化已成成為必然然的發(fā)展展趨勢。。3.2特特種種加工技技術3.2..2激激光加加工3.2..2.2現(xiàn)現(xiàn)狀及國國內(nèi)外發(fā)發(fā)展趨勢勢激光技術術在我國國經(jīng)過30多年年的發(fā)展展，取得得了上千千項科技技成果，，許多已已用于生生產(chǎn)實踐踐，激光光加工設設備產(chǎn)量量平均每每年以20％的的速度增增長，為為傳統(tǒng)產(chǎn)產(chǎn)業(yè)的技技術改造造、提高高產(chǎn)品質質量解決決了許多多問題，，如激光光毛化纖纖技術正正在寶鋼鋼、本鋼鋼等大型型鋼廠推推廣，將將改變我我國汽車車覆蓋件件的鋼板板完全依依賴進口口的狀態(tài)態(tài)，激光光標記機機與激光光焊接機機的質量量、功能能、價格格符合國國內(nèi)目前前市場的的需求，，市場占占有率達達90％％以上。。

3.2特特種種加工技技術3.2..2激激光加加工3.2..2.2現(xiàn)現(xiàn)狀及國國內(nèi)外發(fā)發(fā)展趨勢勢（2）存存在的主主要問題題科科研成成果轉化化為商品品的能力力差，許許多有市市場前景景的成果果停留在在實驗室室的樣機機階段；；激光加加工系統(tǒng)統(tǒng)的核心心部件激激光器的的品種少少、技術術落后、、可靠性性差；對對加工技技術的研研究少，，尤其對對精細加加工技術術的研究究更為薄薄弱，對對紫外波波激光進進行加工工的研究究進行的的極少。。激光加加工設備備的可靠靠性、安安全性、、可維修修性、配配套性較較差，難難以滿足足工業(yè)生生產(chǎn)的需需要。

3.2特特種種加工技技術3.2..2激激光加加工3.2..2.3激激光加工工的基本本原理（1）激激光物物質由由原子等等微觀粒粒子組成成，而原原子由一一個帶正正電荷的的原子核核和若干干個帶負負電荷的的電子組組成。原原子核所所帶的正正電荷與與各電子子所帶的的負電荷荷之和在在數(shù)量上上是相等等的。各各個電子子圍繞原原子核作作軌跡運運動。電電子的每每一種運運動狀態(tài)態(tài)對應著著原子的的一個內(nèi)內(nèi)部能量量值，原原子的內(nèi)內(nèi)能值一一般是不不連續(xù)的的，稱為為原子的的能級。。原子的的最低能能級稱為為基態(tài)，，能量比比基態(tài)高高的能級級均稱為為激發(fā)態(tài)態(tài)。光和和物質的的相互作作用可歸歸納為光光和原子子的相互互作用，，這些作作用會引引起原子子所處能能級狀態(tài)態(tài)的變化化。其過過程有以以下三種種主要情情況：光光的自發(fā)發(fā)發(fā)射、、光的受受激吸收收和光的的受激發(fā)發(fā)射。

3.2特特種種加工技技術3.2..2激激光加加工3.2..2.3激激光加工工的基本本原理光的自發(fā)發(fā)發(fā)射和和受激發(fā)發(fā)射都是是原子從從高能級級躍遷到到低能級級而發(fā)射射光子，，但它們們有很大大差別。。自發(fā)發(fā)發(fā)射的光光子射向向四面八八方，各各光子之之間的位位相、偏偏振方向向都是獨獨立的，，沒有聯(lián)聯(lián)系。普普通光源源的發(fā)射射都是自自發(fā)發(fā)射射。受激激發(fā)射的的光子與與外來光光子不但但具有完完全相同同的發(fā)射射方向和和頻率，，而且位位相和偏偏振態(tài)也也完全相相同。這這樣受激激發(fā)射過過程就起起到了增增強入射射光強度度的作用用。激光光正是利利用了受受激發(fā)射射的這一一特性，，實現(xiàn)了了光放大大的目的的，也就就是說，，激光就就是由于于受激發(fā)發(fā)射而放放大的光光。激光光和普通通光在本本質上都都是一種種電磁波波，但因因其產(chǎn)生生方法與與普通光光不同，，因而與與普通光光相比，，具有方方向性強強（幾乎乎是一束束平行準準直的光光束）、、單色性性好（光光的頻率率單一））、亮度度非常高高（比太太陽表面面的亮度度還高1010倍）、、能量高高度集中中、相干干性好及及閃光時時間可以以極短等等特點。。3.8..1激光加工工激光加工工原理激光是一一種受激激輻射產(chǎn)產(chǎn)生的加加強光，，當激光光照射到到工件表表面，光光能被工工件迅速速吸收并并轉化為為熱能，，工件在在光熱效效應下產(chǎn)產(chǎn)生的高高溫熔融融和沖擊擊波的綜綜合作用用達到加加工的目目的。固體激光光器結構構示意圖圖

3.2特特種種加工技技術3.2..2激激光加加工3.2..2.3激激光加工工的基本本原理（2）激激光器光光和和物質體體系相互互作用時時，總是是同時存存在著自自發(fā)發(fā)射射、受激激吸收和和受激發(fā)發(fā)射三個個過程。。在正常常情況下下，物質質體系中中處于低低能級的的原子數(shù)數(shù)總比處處于高能能級的原原子數(shù)多多，這樣樣，吸收收過程總總是勝過過受激過過程。要要使受激激發(fā)射過過程勝過過吸收過過程，實實現(xiàn)光放放大，就就必須以以外界激激勵來破破壞原來來粒子數(shù)數(shù)分布，，使處于于低能級級的粒子子吸收外外界能量量躍遷到到高能級級，實現(xiàn)現(xiàn)粒子數(shù)數(shù)的反轉轉，即使使高能級級上的原原子數(shù)多多于低能能級上的的原子數(shù)數(shù)，這個個過程稱稱為激勵勵。激勵勵過程是是所有激激光器工工作的基基礎和核核心。

3.2特特種種加工技技術3.2..2激激光加加工3.2..2.3激激光加工工的基本本原理激光器一一般有三三個基本本組成部部分，下下圖為紅紅寶石激激光器結結構示意意圖。1、11-冷卻卻水人口口2-工作作物質3、、9-冷冷卻水出出口4-部部分反射射鏡5-透透鏡6-工工件7-激光光束8-聚聚光器10-氙燈燈12-玻玻璃套管管13-電電源（含含電容組組和觸發(fā)發(fā)器）14-全反反射鏡1、11-冷卻卻水人口口2-工作作物質3、、9-冷冷卻水出出口4-部部分反射射鏡5-透透鏡6-工工件7-激光光束8-聚聚光器10-氙燈燈12-玻玻璃套管管13-電電源（含含電容組組和觸發(fā)發(fā)器）14-全反反射鏡

3.2特特種種加工技技術3.2..2激激光加加工3.2..2.3激激光加工工的基本本原理激光器工工作時，，從電源源的脈沖沖氙燈發(fā)發(fā)出的光光經(jīng)橢圓圓柱內(nèi)表表面反射射后聚到到晶體棒棒上，工工作物質質受到激激勵能源源的作用用后，接接收了外外界能量量，許多多原子從從基態(tài)躍躍遷到激激發(fā)態(tài)，，但它們們很快會會回到基基態(tài)。在在這個過過程中有有一個中中間激發(fā)發(fā)態(tài)存在在，即原原子先躍躍遷到這這一狀態(tài)態(tài)，然后后躍遷回回基態(tài)。。原子在在中間狀狀態(tài)停留留的時間間比在激激發(fā)態(tài)要要長得多多，因此此又稱這這一狀態(tài)態(tài)為亞穩(wěn)穩(wěn)態(tài)。亞亞穩(wěn)態(tài)的的存在，，使得處處于這一一狀態(tài)的的原子數(shù)數(shù)有可能能比處于于基態(tài)的的多。原原子從亞亞穩(wěn)態(tài)躍躍遷回基基態(tài)時自自發(fā)發(fā)射射光子，，這些光光子射向向四面八八方，其其大部分分光子很很快逸出出諧振腔腔，只有有方向沿沿工作物物質軸向向的光子子因受到到兩塊反反射鏡的的作用而而來回反反射，并并且感應應出其他他處于亞亞穩(wěn)態(tài)的的原子受受激發(fā)射射。因為為激勵能能源的作作用，工工作物質質已經(jīng)實實現(xiàn)了粒粒子數(shù)反反轉，所所有受激激發(fā)射過過程使光光波得到到放大，，放大的的光波與與起始的的光波具具有完全全相同的的性質。。當放大大到一定定程度，，腔內(nèi)光光波的放放大與損損耗保持持平衡，，形成穩(wěn)穩(wěn)定的振振蕩狀態(tài)態(tài)，這時時強大的的光波就就從諧振振腔的部部分反射射鏡一端端透射出出來，這這便是激激光。

3.2特特種種加工技技術3.2..2激激光加加工3.2..2.3激激光加工工的基本本原理自從1960年年制成第第一臺激激光器以以來，激激光器發(fā)發(fā)展到今今天已不不下數(shù)百百種，如如按工作作物質可可分為固固體、氣氣體、液液體、半半導體、、化學激激光器等等；按工工作方式式可分為為連續(xù)、、脈沖、、突變、、超短脈脈沖激光光器等等等。激光光加工常常用固體體激光器器。表3-2是是按工作作物質分分類的情情況。

3.2特特種種加工技技術3.2..2激激光加加工3.2..2.3激激光加工工的基本本原理激光器固體激光器氣體激光器液體激光器化學激光器半導體激光器優(yōu)點功率大，體積小，使用方便單色性、相干性、頻率穩(wěn)定性好，操作方便，波長豐富價格低廉，設備簡單，輸出波長連續(xù)可調(diào)體積小，重量輕，效率高，結構簡單緊湊不需外加激勵源，適合于野外使用缺點相干性和頻率穩(wěn)定性不夠，能量轉換效率低輸出功率低激光特性易受環(huán)境溫度影響，進入穩(wěn)定工作狀態(tài)時間長輸出功率較低，發(fā)散角較大目前功率較低，但有希望獲得巨大功率應用范圍工業(yè)加工、雷達、測距、制導、醫(yī)療、光譜分析、通信與科研等應用最廣泛，幾乎遍及各行各業(yè)醫(yī)療、農(nóng)業(yè)和各種科學研究通信、測距、信息存儲與處理等測距、軍事、科研等常用類型紅寶石激光器氦氖激光器染料激光器砷化鎵激光器氟氫激光器

3.2特特種種加工技技術3.2..2激激光加加工3.2..2.3激激光加工工的基本本原理（3）激激光加工工的基本本原理激光加工工就是利利用激光光器發(fā)射射出來的的具有高高方向性性和高亮亮度的激激光，通通過光學學系統(tǒng)把把激光束束聚焦成成一個極極小的光光斑（直直徑僅有有幾微米米或幾十十微米）），使光光斑處獲獲得極高高的能量量密度（（107～1011W/cm2），達到到上萬攝攝氏度的的高溫，，從而能能在很短短的時間間內(nèi)使各各種物質質熔化和和汽化，，達到蝕蝕除工件件材料的的目的。。

3.2特特種種加工技技術3.2..2激激光加加工3.2..2.3激激光加工工的基本本原理激光加工工是一個個高溫過過程，就就其機理理而言，，一般認認為，當當能量密密度極高高的激光光照射在在被加工工表面時時，光能能被加工工表面吸吸收并轉轉換成熱熱能，使使照射斑斑點的局局部區(qū)域域迅速熔熔化甚至至汽化蒸蒸發(fā)，并并形成小小凹坑，，同時也也開始了了熱擴散散，結果果使斑點點周圍金金屬熔化化，隨著著激光能能量的繼繼續(xù)吸收收，凹坑坑中金屬屬蒸氣迅迅速膨脹脹，壓力力突然增增加，熔熔融物被被爆炸性性地高速速噴射出出來。其其噴射所所產(chǎn)生的的反沖壓壓力又在在工件內(nèi)內(nèi)部形成成一個方方向性很很強的沖沖擊波。。這樣，，工件材材料就在在高溫熔熔融和沖沖擊波作作用下，，蝕除了了部分物物質，從從而打出出一個具具有一定定錐度的的小孔。。

3.2特特種種加工技技術3.2..2激激光加加工3.2..2.4激激光加工工的基本本規(guī)律盡管激光光是具有有高方向向性并近近似平行行光束，，但它們們?nèi)跃哂杏幸欢ǖ牡陌l(fā)散角角（約為為10-3rad）），這使使得激光光經(jīng)聚焦焦物鏡聚聚集在焦焦面上后后形成仍仍有一定定直徑的的小斑點點，且在在小斑點點其能量量的分布布是不均均勻的，而而是按貝貝賽函數(shù)數(shù)分布（如如圖所示示）。

3.2特特種種加工技技術3.2..2激激光加加工3.2..2.4激激光加工工的基本本規(guī)律在光斑中中心處光光強度I0最大，相相應能量量密度最最高，遠遠離中心心點的地地方就逐逐漸減弱弱。而激激光的波波長和焦焦距直接接影響光光斑面積積大小，，即影響響焦點中中心處最最大光強強。同時時，激光光加工是是一種熱熱加工，，加工過過程中有有熱傳導導損失，，因此，，增大激激光束的的功率也也是增大大焦點中中心強度度的主要要措施。?？梢?，，影響激激光加工工的因素素主要有有激光器器的輸出出功率、、焦距和和焦點位位置、光光斑內(nèi)能能量分布布及工件件吸光特特性等。。

3.2特特種種加工技技術3.2..2激激光加加工3.2..2.4激激光加工工的基本本規(guī)律激光的輸輸出功率率大、照照射時間間長時，，工件所所獲得的的激光能能量也大大。但當當激光能能量一定定時，照照射時間間太長會會使熱散散失增多多，時間間太短則則因功率率密度過過高而使使蝕除物物質以高高溫氣體體噴出，，這都會會降低能能量的使使用效率率，因此此激光照照射時間間一般為為幾分之之一毫秒秒到幾毫毫秒。

3.2特特種種加工技技術3.2..2激激光加加工3.2..2.4激激光加工工的基本本規(guī)律激光束發(fā)發(fā)散角越越小，聚聚焦物鏡鏡焦距越越短時，，在焦面面上可以以獲得更更小的光光斑及更更高的功功率密度度。所以以加工時時，一般般盡可能能減小激激光束發(fā)發(fā)散角和和采用短短焦距（（20mm左右右）物鏡鏡，只有有在一些些特殊的的情況下下才選用用較長的的焦距。。同時，，焦點位位置對于于孔的形形狀和深深度都有有很大影影響。

3.2特特種種加工技技術3.2..2激激光加加工3.2..2.4激激光加工工的基本本規(guī)律焦點位置置對孔剖剖面形狀狀的影響響如下圖圖所示

3.2特特種種加工技技術3.2..2激激光加加工3.2..2.4激激光加工工的基本本規(guī)律光斑內(nèi)的的能量分分布狀態(tài)態(tài)也是影影響激光光加工的的重要因因素。當當能量分分布以焦焦點為軸軸心越對對稱（（如圖a）時，，加工出出的孔效效果越好好；越不不對稱，，效果越越差(圖圖b)。。光的強強度分布布與工作作物質的的光學均均勻性及及諧振腔腔調(diào)整精精度直接相相關。

3.2特特種種加工技技術3.2..2激激光加加工3.2..2.4激激光加工工的基本本規(guī)律用激光加加工時，，照射一一次的加加工深度度僅為孔孔徑的五五倍左右右，而且且錐度較較大，因因此，常常用激光光多次照照射來擴擴大深度度和減小小錐度，，而孔徑徑幾乎不不變。但但孔深并并不與照照射次數(shù)數(shù)成正比比，因孔孔加工到到一定深深度后，，由于孔孔內(nèi)壁的的反射、、透射以以及激光光的散射射或吸收收、拋出出力減小小、排屑屑困難等等原因，，使孔的的前端能能量密度度不斷減減小，加加工量逐逐漸減小小，以致致不能繼繼續(xù)打下下去。

3.2特特種種加工技技術3.2..2激激光加加工3.2..2.4激激光加工工的基本本規(guī)律激光加工工時其能能量不可可能全部部被吸收收，有相相當部分分將被反反射或透透射而散散失掉，，其吸收收效率與與工件材材料的吸吸收光譜譜及激光光波長有有關。生生產(chǎn)實際際中，應應由工件件材料的的吸收光光譜的性性能去合合理選擇擇激光器器。對于于高反射射率和透透射率的的工件應應在加工工前作適適當處理理，如打打毛或黑黑化，以以增大其其對激光光的吸收收效率。。

3.2特特種種加工技技術3.2..2激激光加加工3.2..2.5激激光加工工的應用用在激光加加工中利利用激光光能量高高度集中中的特點點，可以以打孔、、切割、、雕刻及及表面處處理。利利用激光光的單色色性還可可以進行行精密測測量。（1）激光打孔孔激光打孔孔是激光光加工中中應用最最早和應應用最廣廣泛的一一種加工工方法。。利用凸凸鏡將激激光在工工件上聚聚焦，焦焦點處的的高溫使使材料瞬瞬時熔化化、汽化化、蒸發(fā)發(fā)，好像像一個微微型爆炸炸。汽化化物質以以超音速速噴射出出來，它它的反沖沖擊力在在工件內(nèi)內(nèi)部形成成一個向向后的沖沖擊波，，在此作作用下將將孔打出出。激光光打孔速速度極快快，效率率極高。。如用激激光給手手表的紅紅寶石軸軸承打孔孔，每秒秒鐘可加加工14～16個，合合格率達達99％％。目前前常用于于微細孔孔和超硬硬材料打打孔，如如柴油機機噴嘴、、金剛石石拉絲模模、化纖纖噴絲頭頭、卷煙煙機上用用的集流流管等。。

3.2特特種種加工技技術3.2..2激激光加加工3.2..2.5激激光加工工的應用用（2）激光切割割與激光打打孔原理理基本相相同，也也是將激激光能量量聚集到到很微小小的范圍圍內(nèi)把工工件燒穿穿，但切切割時需需移動工工件或激激光束（（一般移移動工件件），沿沿切口連連續(xù)打一一排小孔孔即可把把工件割割開。激激光可以以切割金金屬、陶陶瓷、半半導體、、布、紙紙、橡膠膠、木材材等，切切縫窄、、效率高高、操作作方便。。

3.2特特種種加工技技術3.2..2激激光加加工3.2..2.5激激光加工工的應用用（3）激激光焊接接激激光焊接接與激光光打孔原原理稍有有不同，，焊接時時不需要要那么高高的能量量密度使使工件材材料汽化化蝕除，，而只要要將工件件的加工工區(qū)燒熔熔，使其其粘合在在一起。。因此所所需能量量密度較較低，可可用小功功率激光光器。與與其他焊焊接相比比，具有有焊接時時間短、、效率高高、無噴噴渣、被被焊材料料不易氧氧化、熱熱影響區(qū)區(qū)小等特特點。不不僅能焊焊接同種種材料，，而且可可以焊接接不同種種類的材材料，甚甚至可以以焊接金金屬與非非金屬材材料。

3.2特特種種加工技技術3.2..2激激光加加工3.2..2.5激激光加工工的應用用（4）激光的表表面熱處處理利用激光光對金屬屬工件表表面進行行掃描，，從而引引起工件件表面金金相組織織發(fā)生變變化進而而對工件件表面進進行表面面淬火、、粉末粘粘合等。。用激光光進行表表面淬火火，工件件表層的的加熱速速度極快快，內(nèi)部部受熱極極少，工工件不產(chǎn)產(chǎn)生熱變變形。特特別適合合于對齒齒輪、汽汽缸筒等等形狀復復雜的零零件進行行表面淬淬火。國國外已應應用于自自動線上上對齒輪輪進行表表面淬火火。同時時由于不不必用加加熱爐，，是開式式的，故故也適合合于大型型零件的的表面淬淬火。粉粉末粘合合是在工工件表層層上用激激光加熱熱后熔入入其他元元素，可可提高和和改善工工件的綜綜合力學學性能。。此外，，還可以以利用激激光除銹銹、激光光消除工工件表面面的沉積積物等。。

3.2特特種種加工技技術3.2..2激激光加加工3.2..2.6激激光加工工技術的的發(fā)展趨趨勢（1）優(yōu)優(yōu)化激光光工作參參數(shù)。建建立加工工作業(yè)標標準和相相應的數(shù)數(shù)據(jù)庫，，通過控控制激光光照射的的能量密密度和照照射時間間可以實實現(xiàn)多種種類型的的加工。。為了充充分發(fā)揮揮激光加加工的優(yōu)優(yōu)點，需需針對不不同加工工對象和和加工類類型進一一步優(yōu)化化激光工工作參數(shù)數(shù)，以便便能獲得得高的效效率和加加工質量量。（2）發(fā)發(fā)展激光光多工位位分時綜綜合加工工。根據(jù)據(jù)激光加加工的特特點，利利用同一一激光源源，通過過靈活地地控制能能量密度度和照射射時間，，在不同同工位上上分時實實現(xiàn)多種種方式加加工，使使一些工工件的切切割、打打孔、刻刻劃、焊焊接和表表面處理理等可在在一臺設設備上集集成地進進行綜合合加工。。

3.2特特種種加工技技術3.2..2激激光加加工3.2..2.6激激光加工工技術的的發(fā)展趨趨勢（3）研研究大功功率、高高壽命和和小型化化的激光光裝置提提高高激光功功率需解解決以下下一系列列問題如如：l）研制制適用于于大功率率激光的的光學器器件材料料。由于于大功率率激光束束透過的的窗口材材料和透透鏡等光光學器件件時，它它們要承承受高壓壓的擊穿穿力，并并因吸收收激光使使溫度上上升而引引起破壞壞。因此此應根據(jù)據(jù)不同的的激光波波長研制制適用的的光學器器件材料料。2）提高高電源的的穩(wěn)定性性和壽命命，對于于CO2氣體激光光要解決決大功率率激光器器的放電電穩(wěn)定性性；對于于YAG固體激激光器要要研制大大容量、、長壽命命的光泵泵激勵光光源，如如采用半半導體光光泵可使使能量效效率大幅幅度地增增長。3）大功功率激光光裝置的的小型化化。同軸軸型CO2激光器結結構簡單單，增益益大而均均勻，放放電穩(wěn)定定，為了了加大輸輸出功率率需增大大長度，，雖可對對激光管管采用折折疊式和和應用高高速鼓風風機來加加速氣流流進行改改善，但但功率增增大仍受受限制。。雙軸直直交型增增大了放放電截面面積，可可以采用用折疊式式射束通通道使外外型縮小小，但需需超高速速送風（（50m/s～～150m/s）的鼓鼓風機，，并要求求反射鏡鏡結構穩(wěn)穩(wěn)定和防防止光損損失等。。3.3特特種種加工技技術3.2..3光光刻蝕蝕技術光刻蝕加加工又稱稱光刻加加工或刻刻蝕加工工，簡稱稱刻蝕。。目前，，光刻加加工技術術主要是是針對集集成電路路制作中中得到高高精度微微細線條條所構成成的高密密度微細細復雜圖圖形。是對薄膜膜表面及及金屬板板表面進進行精密密、微小小和復雜雜圖形加加工的技技術，用它制制造的零零件有：：刻線尺尺、微電電機轉子子、電路路印刷板板和細孔孔金屬網(wǎng)網(wǎng)板等。。據(jù)有關資資料說明明，集成成電路圖圖形的最最小線條條寬度W若減小為為原來的的1/n，它的的電流、、電壓和和電路工工作的延延遲時間間也將減減小為原原來的1/n，，耗電量量下降為為原來的的1/n2，單元芯芯（模））片上的的集成元元件數(shù)可可望增加加到n2倍。所以以精密光光刻技術術是集成成電路微微型化制制作工藝藝中的重重要課題題。統(tǒng)計計說明，，精密光光刻的圖圖形最小小線寬大大體上以以每年減減少80％的速速度縮小小。3.3特特種種加工技技術3.2..3光光刻蝕蝕技術1.光刻刻原理所謂光刻刻蝕就是是使用電電磁波頻頻譜中的的光束或或電子、、X射線線和離子子等射線線，將光光致抗蝕蝕劑（光光刻膠））形成規(guī)規(guī)定圖形形的微細細加工方方法?，F(xiàn)現(xiàn)代光刻刻技術是是對古老老的光刻刻技術的的革新。。光刻技技術早已已為印刷刷行業(yè)用用來完成成照相制制版工作作。采用光束束作曝光光光源的的集成電電路的精精密光刻刻工藝的的基本原原理與照照相制版版原理相相似，但但它要求求高、工工藝過程程復雜。。下圖所所示為集集成電路路一次光光刻的工工藝過程程原理圖圖。3.3特特種種加工技技術3.2..3光光刻蝕蝕技術目前在集集成電路路制作中中，光刻刻工藝是是制取掩掩膜和基基片上精精細圖形形的主要要工藝方方法。為為了VLSI電電路的制制作，其其光刻工工藝比上上述過程程又有更更多革新新。利用用圖形發(fā)發(fā)生器，，用光束束或電子子束、離離子束在在抗蝕劑劑上繪制制圖形的的曝光方方法稱為為寫圖（（Writing），，它主要要用于掩掩膜或基基片圖形形制作工工序。用用掩膜圖圖形形成成的光強強圖形，，使基片片上的光光刻膠曝曝光獲取取基片（（或掩膜膜）圖形形的光刻刻工藝，，稱為復復印技術術（Printing）。3.3特特種種加工技技術3.2..3光光刻蝕蝕技術2.集成成電路光光刻工藝藝的一般般過程光刻工藝藝過程一一般有兩兩大工序序，即掩掩膜制造造和光刻刻蝕加工工。（1）掩掩膜制造造。根據(jù)據(jù)集成電電路設計計布局圖圖，用繪繪圖機、、精縮照照像機，，經(jīng)放大大繪制、、分步重重復縮小小照像，，縮到和和元件尺尺寸相同同的掩膜膜（稱之之為母掩掩膜），，母掩膜膜經(jīng)翻拍拍復印成成工作（（光刻））掩膜，，制作電電路時只只用工作作掩膜。。（2）光光刻蝕加加工。光光刻工藝藝過程包包括以下下幾個步步驟：1）涂膠膠。4））腐（刻刻）蝕。。2）曝光光。5））剝膜與與檢查。。3）顯影影與烘片片。2、光刻加工工氧化硅晶片表表面形成成一層氧氧化層；；涂膠涂光致抗抗蝕劑；；曝光通過掩模模曝光；；顯影曝光部分分溶解去去除；腐蝕未被覆蓋蓋部分腐腐蝕掉；；去膠將光致抗抗蝕劑去去除；擴散--向需要雜雜質的部部分擴散散雜質，，以完成成整個光光刻加工工過程。。光刻加工工工藝示示例3.2特特種種加工技技術3.2..4電電子束束加工1.電子子束加工工的基本本原理電子束加加工是利利用電子子束的高高能量密密度進行行鉆孔、、切槽、、光刻等等工作。。電子是是一個非非常小的的粒子（（半徑為為2.8××10-12mm），質量量很?。ǎ?.8××10-29g），但其其能量很很高，可可達幾百百萬電子子伏（eV）。電子子束可以以聚焦到到直徑為為1~2μm，因此有有很高的的能量密密度，可可達106～109W/cm2。高速高高能量密密度的電電子束沖沖擊到工工件材料料上時，，在幾分分之一微微秒的瞬瞬時，入入射電子子與原子子相互作作用（碰碰撞），，在發(fā)生生能量變變換的同同時，有有一些向向材料內(nèi)內(nèi)部深入入，有些些電子發(fā)發(fā)生彈性性碰撞被被反射出出去，成成為反射射電子。。3.2特特種種加工技技術3.2..4電電子束束加工1.電子子束加工工的基本本原理在電子與與原子的的碰撞中中，使原原子振動動產(chǎn)生發(fā)發(fā)熱現(xiàn)象象，雖然然還產(chǎn)生生二次電電子、熒熒光、X射線等，，占有了了一部分分能量，，但可以以認為幾幾乎所有有的能量量都變成成了熱能能。由于于電子束束的能量量密度高高、作用用時間短短，所產(chǎn)產(chǎn)生的熱熱量來不不及傳導導擴散就就將工件件被沖擊擊部分局局部熔化化、氣化化、蒸發(fā)發(fā)成為霧霧狀粒子子而飛散散，這是是電子束束的熱效效應。電電子束加加工就是是靠電子子束的熱熱效應現(xiàn)現(xiàn)象。高高能電子子束具有有很強的的穿透能能力，穿穿透深度度為幾微微米甚至至幾十微微米，如如工作電電壓為50KV時加工鋁鋁的穿透透深度為為10μm，而且以以熱的形形式傳輸輸?shù)较喈敭敶蟮膮^(qū)區(qū)域。3.2特特種種加工技技術3.2..4電電子束束加工1.電子子束加工工的基本本原理通過控制制電子束束能量密密度的大大小和能能量注入入時間，，就可以以達到不不同的加加工目的的。如果果只使材材料局部部加熱就就可進行行電子束束熱處理理；使材材料局部部熔化可可進行電電子束焊焊接；提提高電子子束能量量密度，，使材料料熔化或或汽化，，便可進進行打孔孔、切割割等加工工；利用用較低能能量密度度的電子子束轟擊擊高分子子材料時時產(chǎn)生化化學變化化的原理理，進行行電子束束光刻加加工。3.2特特種種加工技技術3.2..4電電子束束加工2.電子子束加工工的特點點1）電子子束加工工是一種種精密細細微的加加工方法法。電子子束能夠夠極細微微聚焦（（聚焦直直徑一般般可達0.1～～100μm）），加工工面積可可以很小小，能夠夠加工細細微深孔孔、窄縫縫、半導導體集成成電路等等。2）加工工材料的的范圍較較廣。對對脆性、、韌性、、導體與與非導體體及半導導體材料料都可以以加工。。特別適適合加工工易氧化化的金屬屬及合金金材料，，以及純純度要求求極高的的半導體體材料，，因為是是在真空空中加工工，不易易被氧化化，而且且污染少少。

3.2特特種種加工技技術3.2..4電電子束束加工2.電子子束加工工的特點點3）加工工速度快快、效率率高。例例如，每每秒鐘可可以在2.5mm厚的的鋼板上上鉆50個直徑徑為0..4mm的孔。。4）加工工工件不不易產(chǎn)生生宏觀應應力和變變形。因因為電子子束加工工是非接接觸式加加工，不不受機械械力作用用。5）可以以通過磁磁場和電電場對電電子束強強度、位位置、聚聚焦等進進行直接接控制，，位置精精度可達達0.1μm左左右，而而且便于于計算機機自動控控制。6）設備備價格較較貴，成成本高，，同時應應考慮X射線的的防護問問題。

3.2特特種種加工技技術3.2..4電電子束束加工3.電子子束加工工裝置電子束加加工裝置置的基本本結構如如圖所示示，它主主要由電電子槍、、真空系系統(tǒng)、控控制系統(tǒng)統(tǒng)和電源源等部分分組成。。1-移動動工作臺臺2-帶窗窗真空室室門窗3-觀察察筒4-抽抽氣5-電電子槍6-加速速電壓控控制7-束束流強度度控制板板8-束流流聚焦控控制9-束束流位置置控制10-更更換工件件用載止止閥11--電子束束12-工工件13--驅動電電動機14-抽氣氣

3.2特特種種加工技技術3.2..4電電子束束加工3.電子子束加工工裝置電子束加加工裝置置的基本本結構如如圖所示示，它主主要由電電子槍、、真空系系統(tǒng)、控控制系統(tǒng)統(tǒng)和電源源等部分分組成。。（1）電電子槍電電子子槍是獲獲得電子子束的裝裝置，它它包括電電子發(fā)射射陰極、、控制柵柵極和加加速陽極極等。如如圖所示示，陰極極經(jīng)電流流加熱發(fā)發(fā)射電子子，帶負負電荷的的電子高高速飛向帶高高電位的的正極，，在飛向向正極的過程中中，經(jīng)過過加速極極加速，，又通過電磁透透鏡把電電子束聚聚焦成很很小的束流。

3.2特特種種加工技技術3.2..4電電子束束加工3.電子子束加工工裝置（2）真真空系統(tǒng)統(tǒng)真真空系統(tǒng)統(tǒng)是為了了保證在在電子束束加工時時達到1.33×10-2～1.33×10-4Pa的真真空度。。因為只只有在高高真空時時，電子子才能高高速運動動。為了了消除加加工時的的金屬蒸蒸氣影響響電子發(fā)發(fā)射而使使其產(chǎn)生生不穩(wěn)定定現(xiàn)象，，需要不不斷地把把加工中中產(chǎn)生的的金屬蒸蒸氣抽去去。（3）控控制系統(tǒng)統(tǒng)和電源源電電子束加加工裝置置的控制制系統(tǒng)包包括束流流聚焦控控制、束束流位置置控制、、束流強強度控制制以及工工作臺位位移控制制等部分分。

3.2特特種種加工技技術3.2..4電電子束束加工4.電子子束加工工的應用用如圖所示示。（1）高高速打孔孔（2）加加工型孔孔和特特殊表面面（3）焊焊接（4）刻刻蝕（5）熱熱處理

3.2特特種種加工技技術3.2..5離離子束束加工1.離子子束加工工原理、、分類和和特點（1）離離子束加加工的原原理和物物理基礎礎離離子束加加工的原原理和電電子束加加工基本本類似，，也是在在真空條條件下，，將離子子源產(chǎn)生生的離子子束經(jīng)過過加速聚聚焦，使使之打到到工件表表面。不不同的是是離子帶帶正電荷荷，其質質量比電電子大數(shù)數(shù)千、數(shù)數(shù)萬倍，，如氬離離子的質質量是電電子的7.2萬萬倍，所所以一旦旦離子加加速到較較高速度度時，離離子束比比電子束束具有更更大的撞撞擊動能能，它是是靠微觀觀的機械械撞擊能能量、而而不是靠靠動能轉轉化為熱熱能來加加工的。。

3.2特特種種加工技技術3.2..5離離子束束加工1.離子子束加工工原理、、分類和和特點離子束加加工的物物理基礎礎是離子子束射到到材料表表面時所所發(fā)生的的撞擊效效應、濺濺射效應應和注入入效應。。具有一定定動能的的離子斜斜射到工工件材料料（靶材材）表面面時，可可以將表表面的原原子撞擊擊出來，，這就是是離子的的撞擊效效應和濺濺射效應應。如果將工工件直接接作為離離子轟擊擊的靶材材，工件件表面就就會受到到離子刻刻蝕（也也稱離子子銑削））。如果果將工件件放置在在靶材附附近，靶靶材原子子就會濺濺射到工工件表面面而被濺濺射沉積積吸附，，使工件件表面鍍鍍上一層層靶材原原子的薄薄膜。如如果離子子能量足足夠大并并垂直工工件表面面撞擊時時，離子子就會鉆鉆進工件件表面，，這就是是離子的注注入效應應。

3.2特特種種加工技技術3.2..5離離子束束加工1.離子子束加工工原理、、分類和和特點（2）離離子束加加工分類類1）離子子刻蝕是是用能量量為0..5～5keV的氬離離子轟擊擊工件，，將工件件表面的的原子逐逐個剝離離。如圖圖a所示示。其實實質是一一種原子子尺度的的切削加加工，所所以又稱稱離子銑銑削。這這就是近近代發(fā)展展起來的的毫微米米加工工工藝。

3.2特特種種加工技技術3.2..5離離子束束加工1.離子子束加工工原理、、分類和和特點2）離子子濺射沉沉積也是采用用能量為為0.5～～5keV的氬氬離子，，轟擊某種種材料制制成的靶，離子子將靶材材原子擊出，沉沉積在靶靶材附近的工件件上，使使工件表表面鍍上上一層薄薄膜，如如圖3--13b所示。。所以濺濺射沉積積是一種種鍍膜工工藝。

3.2特特種種加工技技術3.2..5離離子束束加工1.離子子束加工工原理、、分類和和特點3）離子子鍍也稱稱離子濺濺射輔助助沉積，，是用0.5～～5keV的氬氬離子，，在鍍膜膜時，同同時轟擊擊靶材和和工件表表面，如如圖3--13c所示。。目的是是為了增增強膜材材與工件件基材之之間的結結合力。。也可將將靶材高高溫蒸發(fā)發(fā)，同時時進行離離子鍍。。

3.2特特種種加工技技術3.2..5離離子束束加工1.離子子束加工工原理、、分類和和特點4）離子子注入是是采用5～500keV能量量的離子子束，直直接轟擊擊被加工工材料，，由于離離子能量量相當大大，離子子就鉆進進被加工工材料的的表面層層，如圖圖3-13d所所示。工工件表面面層含有有注入離離子后，，就改變變了化學學成分，，從而改改變了工工件表面面層的機機械物理理性能。。根據(jù)不不同的目目的選用用不同的的注入離離子，如如磷、硼硼、碳、、氮等。。

3.2特特種種加工技技術3.2..5離離子束束加工1.離