先进制造技术——三束加工.ppt

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1、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(High Energy Density Beam)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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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