3 高能束流加工技术
瞄准航空制造需求聚焦高能束流加工——走进高能束流加工技术国家级重点实验室
瞄准航空制造需求聚焦高能束流加工——走进高能束流加工技术国家级重点实验室佚名【期刊名称】《《航空制造技术》》【年(卷),期】2019(062)014【总页数】2页(P88-89)【正文语种】中文重要进展与课题任务（1）开展激光双光束焊接技术研究，突破了双光束激光焊接焊缝成形与缺陷控制、焊接过程稳定性与质量一致性控制、大尺寸复杂壁板结构应力变形控制等关键技术，保证了壁板内纵横交错的长桁、隔框的“净尺寸”连接，焊后变形量小于0.5mm，在国内首次实现了双光束焊接技术在飞机机体结构上的应用。
此技术的突破与应用，不仅增加了有效接合率，提高了结构强度，而且结构减重可达16%。
技术达到国际先进水平。
（2）在国内率先研发了电子束熔丝成形技术，建立了电子束熔丝增材制造技术成形功率、速度等关键成形参数与堆积形貌特征参量之间关系的数学模型；开发出具有自主知识产权的电子束增材制造近净成形工艺装备样机，最大稳定成形速度5kg/h。
根据强韧化理论研究成果，开发了900MPa、930MPa、960MPa、1000MPa、1050MPa、1100MPa 系列强度级别合金的性能调控技术体系，实现了钛合金结构力学性能调控。
（3）高质量高效率超短脉冲激光制孔技术研究。
该项技术主要针对我国现代高性能航空发动机对高质量、高效率气膜冷却小孔加工技术的迫切需求，尤其是热障涂层在发动机热端部件应用中先涂层后制孔的发展趋势，结合窄脉冲激光器，尤其是皮秒、飞秒等超短脉冲激光器技术的最新成果，开展高质量高效率超短脉冲激光制孔技术研究。
通过研究实现了纳秒脉冲激光高质量加工涡轮叶片气膜孔；实现了超短脉冲激光在表面制备热障涂层的高温合金材料上加工小孔无热致缺陷；突破了薄壁结构大倾角（＞80°）和大长径比（＞20）空间分布密集小孔加工技术。
研究成果为叶片气膜孔激光高质量加工提供了新的技术途径。
近年来，实验室共承担国家任务、国防任务等各类课题135 项。
特种加工技术高能束加工
空气
的
钴基合金
2.5
有
石英
3
关
陶瓷
1
数
4.6
据
玻璃钢
1.5 2.7
有机玻璃
20
25
0.35 0.43 0.392 0.075 0.491 0.392 0.171 15
500 500 250 250 250 250 250 8000
O2 N2 N2 N2 N2 N2 N2 空气
木材（软）
25
木材（硬）
固体激光器的基本结构如图 1）激光工作物质 2）谐振腔 3）光泵浦灯 4）聚光腔
图5-4 固体激光器的基本结构
固体激光器
1）工作物质： 是由发光中心的激活离子和基质材料两部分组成的。工作物质的物理性能主要
取决于基质材料，光谱特性由激活离子内的能级结构来决定。 2）谐振腔：
是激光器的重要组成部件，作用是使工作物质受激辐射形成振荡与放大，它由 两块平面或球面发射镜按一定方式组合而成的。其中一端面是全反膜片，即反射 率接近100%；另一端面是具有一定透过率的部分反射膜片。谐振腔是决定激光输 出功率、振荡模式、发散角等激光输出参数的重要光学器件。 3）泵浦灯：
和液态物质喷射。
孔。
器和半导体泵浦激光器等。
激光切割
原理：与激 光打孔原理 基本相同， 不同之处在 于激光切割 时激光束与 工件材料需 相对移动， 最终使材料 形成宽度很 窄的切缝， 切缝处的熔 渣被一定的 辅助气体吹 除。
特点：
应用：激光切割占激光应用的60%左右，广泛应
1）无工具磨损。 用于许多工业部门。例如，电气机壳、木刀模
25
2
2000
N2
1
2000
高能束流焊接方法学习要点总结
实训成绩批阅教师日期高能束流焊接方法学习要点总结课程名称焊接设备维修实训专业年级焊接1311学号2013118526113学生姓名张华荣指导教师李飞2016年4月13日高能束流焊接方法学习要点总结一．高能束流焊接方法基本概念：高能束流焊接是指以激光束、电子束、等离子体为热源，对金属、非金属材料进行焊接的精细加工工艺。
注：（1）高能束流焊接的功率密度（Power Density）达到105W/cm2以上。
（2）高能束流是由单一的电子、光子、电子和离子，或者二种以上的粒子组合而成。
（一）电子束焊焊接方法基本概念：电子束焊是利用会聚的高速电子轰击工作件接缝处所产生的热能，使金属熔合的一种焊接方法。
（二）激光焊焊接方法基本概念：利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效而且精密的焊接方法。
它是以聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生的热量而进行焊接的。
聚焦的激光束是指：利用大功率相干单色光子流聚焦而成的激光束。
（三）激光切割基本概念：激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现将工件割开。
（四）等离子弧焊焊焊接方法基本概念：等离子弧焊是以等离子弧为热源的一种高能速流焊接方法。
二．基本原理和分类（一）获得高能束流的基本原理：1.高功率密度激光束的获取激光器通过谐振腔的方向选择、频率选择以及谐振腔和工作物质共同形成的反馈放大作用，使输出的激光具有良好的方向性、单色性以及很高的亮度。
2.高功率密度电子束的获取阴极用以发射电子，阳极相对阴极施加高电压以加速电子，控制极用来控制电子束流的强度，聚焦线圈对电子束进行会聚，偏转线圈可使束流产生偏转以满足加工的需要。
3.高能束流的聚焦（1）激光束的聚集目前在激光焊中常用的聚集系统有三种：透镜聚集、反射镜聚集和改进型的。
（2）电子束的聚集电子束聚集是依据于电场和磁场对电子的作用。
高能束流焊接方法学习要点总结课件
等离子弧切割
此法是将混合气体通过高频电弧。气体可以是空气，也可以 是氢气、氩气和氮气的混合气体。高频电弧使一些气体"分解"或 离子化，成为基本的原子粒子，从而产生"等离子"。然后，电弧 跳跃到不锈钢工件上，高压气体把等离子从割炬烧嘴吹出，出口 速度为每秒800~1000米(约3马赫)。这样，结合等离子中的各种气 体恢复到正常状态时所释放的高能量产生2700℃的高温。该温度 几乎是不锈钢熔点的两倍。从而使不锈钢快速熔化，熔化的金属 由喷出的高压气流吹走。因此，需要用排烟和除渣设备。
14
与传统焊接技术比较，激光焊接与电
子束焊接都具有更多优异的特性：
□ 能量密度高（大于105W/cm2）；
□ 焊接速度高（一般可以达5~10m/min）
；
□ 热影响区窄（仅为焊缝宽度10%~20%）
；
□ 热流输入少、工件变形小；
□ 易实现自动控制、可在线检测焊缝质量
；
15
对比：
电子束焊接的优点是相当突出的： □ 电子束的能量转换效率非常高（80%~90%），可以研制出很高功率的大型焊接设备（在日本 ，加速电压600kV、功率300kW的超高压电子束焊机已问世）； □ 电子束焊接的焊缝很细，其深宽比很容易达到10∶1，甚至是20∶1（最新报道显示：日本在 焊接200 mm厚不锈钢时，深宽比达70∶1）； □ 电子束的可控性更好，甚至可以在工件内部形成曲线孔径； □ 电子束对不同材料、特殊材料的焊接更容易。 当然，电子束的缺点也十分明显： □ 需要高真空环境以防止电子散射，设备复杂，焊件尺寸和形状受到真空室的限制（非真空环 境的电子束焊，是重要的研究方向）； □ 由于真空室的存在，抽真空成为影响循环时间的主要障碍（目前用于齿轮焊接的单台电子束 设备循环时间很难做到60s以内）； □ 有磁偏移：由于电子带电，会受磁场偏转影响，故要求电子束焊工件焊前去磁处理； □ X射线问题：X射线在高压下特别强，需对操作人员实施保护； □ 对工件装配质量要求严格，同时工件表面清洁的要求也较高。
高能束加工1
2、特点： •纳米级精确控制 •污染少 •加工应力和变形极小 •易于实现自动化 •适合材料范围广 •设备成本高，效率低。
原子电离产生离子束流
气态原子
高频放电 电弧放电 等离子体 放电 电子轰击
等离子体
负电极引出等 离子体束流
3、离子束加工装置
磨蚀
抛磨
2、超声数控加工技术-----DMG公司 Ultrsonic系列产品
工作原理：通过超声加工主轴产生振动，根据主轴类型的不同， 金刚石刀具的振动频率在每秒17.5000—48,000次。这样就把工件 表面敲成微粒。这种方法比传统加工方法高出5倍。刀具和工件之 间不断的接触和分离，大大降低了加工作用力和热负荷，保护了 刀具和工件。在新研制的HSK 刀柄的基础上集成超声发射系统， 使传统的铣削加工与超声振动加工可以在同一机床上完成。
二氧化碳激光器是以CO2气体作为 工作物质的气体激光器。放电管通常是 由玻璃或石英材料制成，里面充以CO2 气体和其他辅助气体（主要是氦气和氮 气，一般还有少量的氢或氙气）；电极 一般是镍制空心圆筒；谐振腔的一端是 镀金的全反射镜，另一端是用锗或砷化 镓磨制的部分反射镜。当在电极上加高 电压（一般是直流的或低频交流的）， 放电管中产生辉光放电，锗镜一端就有 激光输出，其波长为10.6微米附近的中 红外波段；一般较好的管子。一米长左 右的放电区可得到连续输出功率40～60 瓦。CO2激光器具有比较大的功率和比 较高的能量转换效率，输出波段正好是 大气窗口，具有输出光束的光学质量高， 相干性好，线宽窄，工作稳定等优点。 这是一种重要的激光器。
三、电子束加工应用
1、高速打孔 直径极小，效率极高 2、加工型孔和特殊复杂型表面 3、电子束焊接 能量密度高，焊接速度快 4、电子束刻蚀
高能束流焊接方法
高能束流焊接方法〔一〕激光焊1. 高能焊概念：高能焊接是指以激光束、电子束、等离子体为热源，对金属、非金属材料进行焊接的精细加工工艺。
高能束流焊接的功率密度〔Power Density〕到达105W/cm2以上。
2.高能束流是由单一的电子、光子、电子和离子，或者二种以上的粒子组合而成。
3.激光焊概念：激光焊是高能焊的一种。
是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效而且精密的焊接方法。
它是以聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生的热量而进行焊接的，聚焦的激光束是指：利用大功率相干单色光子流聚焦而成的激光束。
3.激光焊特点：〔1〕功率密度高。
由于激光束的频谱宽度窄，经过会聚后的光斑直径可以小到，功率密度可以到达109W/cm2，可以焊接0.1~ 50mm厚的工件。
〔2〕脉冲激光焊加热时间短、焊点小、热影响区小。
〔3〕激光焊与电子束焊有许多相似之处，但它不需要真空室，不产生X射线，更适合生产中推广应用。
激光焊接已成为高能束焊接技术发展的主流。
缺点是激光焊接一些高反射率的金属还比较困难，另外设备投资大。
〔4〕激光能够反射、透射、能够在空间传播相当长的距离而衰减很小，激光焊能够远距离焊接，或者对难以接近的部位进行焊接，能够透过玻璃等其他透明物体进行焊接。
〔5〕激光不受电磁场的影响。
〔6〕激光的电光转换效率低〔约为0.1 % ~ 0.3 %〕。
工件的加工和组装精度要求高，夹具要求精密，因此焊接成本高。
〔7〕一台激光器可供多个工作台进行不同的工作，既可以用于焊接，又可以用于切割、合金化和热处理，一机多用。
4激光焊接的优点激光焊接具有以下优点：能量密度高，可聚焦，深穿透，高效率，高精度，适应性强等。
5激光焊设备组成激光焊接设备由以下设备组成：工作平台，激光器，光束检测系统，焊接过程检测系统，导光聚焦系统，电脑控制系统6激光器的组成激光器一般由以下这些部件组成：〔1〕激光工作物质：必须是一个具有假设干能级的粒子系统并且具备压稳态能级，使粒子数反转和受激辐射成为可能。
高能束加工
1、激光器 它的任务是把电能转变成光能，并产
生所需要的激光束。按工作物质的种类不 同，激光器可分为固体激光器、气体激光 器、液体激光器和半导体激光器。
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激光加工
激光加工设备
2、导光聚焦系统 从激光器输出窗口到被加工工件之
间的置称为导光聚焦系统
激光加工
激光加工的典型应用
激光打孔 激光雕刻
和激 热光 处焊 理接
激光切割
9.4 电子束和离子束加工
1. 电子束和离子束均属于高能束。 2. 电子束和离子束加工均需要在真空环境中运行。 3.电子与离子的属性不同，两种加工方法在应用方 面差别很大。
电子束加工
电子束加工机理
电子束加工是利用高速电子的冲击动能来加工工件。
电子束加工
电子束加工的应用
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。
1）如只使材料局部加热就可进行电子束热处理； 2）使材料局部熔化就可以进行电子束焊接； 3）提高电子束能量密度，使材料熔化和气化就 可进行电子束打孔切割等加工 4）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，可进行电子束光刻加工。
离子刻蚀本质上是一种原子尺度的切削 加工，通常又称为离子铣削。
离子束加工
离子刻蚀
采用高能离子（约0.5~5keV）轰击工件表面，当所传递的能量超 过工件表面原子（或分子）间键合力时，材料表面的原子（或分子）被逐 个剥离出来，以达到加工目的。
离子刻蚀本质上是一种原子尺度的切削加工，通常又称为离子铣削。
电子束加工
电子束加工的典型应用
喷丝头异形孔
曲面和弯孔
特种加工
高能束流焊接技术的最新进展
高能束流焊接技术的最新进展高能束流焊接的功率密度（Power Density）达到105W/cm2以上。
束流由单一的电子、光子、电子和离子或二种以上的粒子组合而成。
属于高功率密度的热源有：等离子弧、电子束、激光束及复合热源激光束+Arc（TIG、MIG、Plasma）。
当前高能束流焊接被关注的主要领域是：①高能束流设备的大型化—功率大型化及可加工零件（乃至零件集成）的大型化。
②新型设备的研制，诸如，脉冲工作方式以及短波长激光器等。
③设备的智能化以及加工的柔性化。
④束流品质的提高及诊断。
⑤束流、工件、工艺介质相互作用机制的研究。
⑥束流的复合。
⑦新材料的焊接。
⑧应用领域的扩展。
1、激光焊接的最新进展1.1 新型激光器（1）直流板条式（DC Slab）CO2激光器、（2）二极管泵浦的YAG激光器、（3）CO激光器、（4）半导体激光器、（5）准分子激光器。
1.2 激光器功率的大型化、脉冲方式以及高质量的光束模式以美国PRC公司为例，几年前，用于切割的CO2激光器功率主要是1500~2000W，而近期的主导产品是4000~6000W，6000W可切割的不锈钢厚度、碳钢厚度分别为35 mm和40 mm.1.3 设备的智能化及加工的柔性化尤其是对YAG激光，由于可用光纤传输，给加工带来了极大的方便。
其主要特点是：①一机多用。
②采用一台激光机可进行多工位（可达6个）加工。
③光纤长度最长可达60m.④开放式的控制接口。
⑤具有远距离诊断功能。
1.4 束流的复合最主要的是激光－电弧复合。
深熔焊接时，熔池上方产生等离子体，复合加工时，激光产生的等离子体有利于电弧的稳定；复合加工可提高加工效率；可提高焊接性差的材料诸如铝合金、双相钢等的焊接性；可增加焊接的稳定性和可靠性；通常，激光加丝焊是很敏感的，通过与电弧的复合，则变的容易而可靠。
激光－电弧复合主要是激光与TIG、Plasma以及GMA.通过激光与电弧的相互影响，可克服每一种方法自身的不足，进而产生良好的复合效应。
第5章 高能束加工
被排斥Ar离子 回弹溅射原子 真空 Ar离子
工件表面 工件 位移原子
格点间停留离子
格点置换离子
位移原子
离子碰撞过程模型图
5.1 离子束加工
碰撞效果 离子束加工与经过聚焦加速后，靠离子打 击加工件的动能，或将工件的原子撞击出来(撞击 效应)，或将靶材的原子撞出后飞溅沉积到工件表 面上（溅射效应），或直接将离子束中的离子打 入工件表层之内 ( 注入效应 ) 。可实现对材料的 “毫微米级”或“原子级加工”。
5.1 离子束加工
离子束镀膜加工
离子束镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种形式。 A.离子溅射沉积
• •
采用能量为0.1～5keV的氩离子轰击某种材料制成的靶材， 将靶材原子击出并令其沉积到工件表面上并形成一层薄膜。 实际上此法为一种镀膜工艺。
5.1 离子束加工
B.离子镀膜
离子镀膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉积，另
中间电极 电磁线圈 控制电极
绝缘子 引出电极 离子束 聚焦装置
工件
摆动装置 三坐标 工作台 图 离子束去除加工装置
5.1 离子束加工
◎离子束溅射去除加工可用于非球面透镜成形（需要5坐标 运动），金刚石刀具和冲头的刃磨（见下图），大规模集成 电路芯片刻蚀等。
离子束 离子束 r = 0.01μm 离子束 离子束 r = 0.01μm
5.3 电子束加 工加工
5.3 电子束加工
• 1.电子束加工的基本原理
真空条件下，由电子枪旁热阴极发射的电子，在 高电压（80-200kV）强电场作用下被加速到很高的 速度（1/2-1/3光速），然后通过电子透镜聚焦和
加速形成高能量密度(106-109W/mm2)的沿电场强度
高能束加工及其前景
高能束加工及其前景张炳生中恒数控设备制造有限公司高能束加工的概念高能束加工出现于上世纪60 ～70 年代，以解决复杂形状、薄壁、小孔、窄缝等特殊加工问题以及高强度、高硬度、高韧性和高脆性材料的加工。
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，将光、电、磁、水等物理能及化学能或其组合直接施加在工件被加工的部位上，从而使材料被去除、累加、变形或改变性能。
高能束加工去除材料的机理主要不是依靠机械能，工件和工具都不承受明显的切削力，从而使得工件的加工变形和加工应力小，整体发热少、热变形小，易于获得好的加工质量。
在机械制造领域，应用比较广泛而有发展前景的高能束加工主要有两种：激光加工和离子束加工。
图1 LaserTec 80 系列激光加工机床的外观激光是一种受激辐射而得到的加强光。
由于其强度高、亮度大，波长频率确定、单色性好，相干性好、相干长度长，方向性好、几乎是一束平行光，聚焦后能够将能量集中在一点。
当激光束照射到工件表面时，光能被吸收，转化成热能，使照射斑点处温度迅速升高、熔化、气化而形成小坑，由于热扩散，使斑点周围金属熔化，小坑内金属蒸气迅速膨胀，产生微型爆炸，将熔融物高速喷出并产生一个方向性很强的反冲击波，于是在被加工表面上打出一个锥孔。
将激光束聚焦于工件的不同深度就形成不同的激光加工工艺，如热处理、标记和纹理等表面加工、焊接、切割、打孔和铣削等。
离子束加工是在真空条件下，先由电子枪产生电子束，再引入已抽成真空且充满隋性气体（氩气）的电离室中，使隋性气体离子化，由负极引出阳离子，又经加速、集束等步骤，将获得具有一定速度的离子投射到材料表面（或被导入的高硬度金属粉末）上，产生溅射效应和注入效应。
由于离子带正电荷，其质量比电子大数千到数万倍，所以离子束比电子束具有更大的撞击动能，产生非常高的温度效应（30 000?K）。
因此，离子束加工的实质是靠微观撞击能量来实现的。
激光加工设备和工艺激光加工包括激光板材切割、复杂零件的打孔和铣削。
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激光切割样品－案图
电子束热加工原理图
真空电子束焊接
利用定向高速运动的电子束流
撞击工件使动能转化为热能而
使工件熔化，形成焊缝。
电子束光刻系统(E-Beam Lithiograpghy)
采用高亮度和高稳定性的TFE电子枪(thermal field emisssion) 出色的电子束偏转控制技术
采用场尺寸调制技术，电子束定位分辨率可达0.0012nm
采用轴对称图形书写技术，图形偏角分辨率可达0.01mrad
广泛应用于半导体制造领域
的原理还可以加工出弯曲孔和斜孔。
电子束打孔在多种精度要求过高的工
下图是加工成形的毛细管：。