高能束及复合加工技术

特种加工技术的现代应用及其发展研究摘要：特种加工技术是直接借助电能、热能、声能、光化学能或者复合能实现材料切削的加工方法，是难切削材料、复杂型面、低刚度零件及模具加工中的重要工艺方法。

本文介绍了概念、特点、分类以及近些年应用于特种加工的一些新方法、新工艺。

关键词：特种加工电火花加工电化学加工高能束流加工超声波加工复合加工1、特种加工技术的特点现代特种加工（SP，SpciaI Machining）技术是直接借助电能、热能、声能、光能、电化学能、化学能及特殊机械能等多种能量或其复合以实现材料切除的加工方法。

与常规机械加工方法相比它具有许多独到之处。

1.1以柔克刚。

因为工具与工件不直接接触，加工时无明显的强大机械作用力，故加工脆性材料和精密微细零件、薄壁零件、弹性元件时，工具硬度可低于被加工材料的硬度。

1.2用简单运动加工复杂型面。

特种加工技术只需简单的进给运动即可加工出三维复杂型面。

特种加工技术已成为复杂型面的主要加工手段。

1.3不受材料硬度限制。

因为特种加工技术主要不依靠机械力和机械能切除材料，而是直接用电、热、声、光、化学和电化学能去除金属和非金属材料。

它们瞬时能量密度高，可以直接有效地利用各种能量，造成瞬时或局部熔化，以强力、高速爆炸、冲击去除材料。

其加工性能与工件材料的强度或硬度力学性能无关，故可以加工各种超硬超强材料、高脆性和热敏材料以及特殊的金属和非金属材料，因此，特别适用于航空产品结构材料的加工。

1.4可以获得优异的表面质量。

由于在特种加工过程中，工件表面不产生强烈的弹、塑性变形，故有些特种加工方法可获得良好的表面粗糙度。

热应力、残余应力、冷作硬化、热影响区及毛刺等表面缺陷均比机械切削表面小。

各种加工方法可以任意复合，扬长避短，形成新的工艺方法，更突出其优越性，便于扩大应用范围。

由于特种加工技术具有其它常规加工技术无法比拟的优点，在现代加工技术中，占有越来越重要的地位。

许多现代技术装备，特别是航空航天高技术产品的一些结构件，如工程陶瓷、涡轮叶片、燃烧室的三维型腔、型孔的加工和航空陀螺、传感器等精细表面尺寸精度达0. 001Pm 或纳米（nm）级精度，表面粗糙度#$ <0. 01Pm 的超精密表面的加工，非采用特种加工技术不可。

超精密加工技术结课作业摘要超精密加工技术是现代机械制造业中先进制造技术最主要的发展方向，已经成为在全球市场竞争中取胜的关键技术，体现了一个国家的综合国力。

超精密加工技术已直接影响到一个国家尖端科技和国防工业的发展，发展国防航空工业，研发高端精密仪器设备等都需要具有超精密加工技术的制造设备。

同时超精密加工技术也代表了现代制造技术的前沿，是发展未来先进制造技术的基础，因此，发展超精密加工技术受到了世界各国的高度重视。

目前，超精密加工技术的发展趋势是：高精度、高效率、高稳定性、高自动化。

随着时代的发展，现在超精密加工技术日趋成熟，主要分为超精密切削、超精密磨削、超精密特种加工等。

虽然超精密加工迄今尚无确切的定义，但是它仍然在向更高的层次发展。

我相信在人类的创新思维以及先进制造模式的促进下，超精密技术必定会得到不断的完善。

关键词：先进制造技术超精密加工加工精度加工类型发展趋势1概述通常，按加工精度划分，机械加工技术可分为一般加工、精密加工、超精密加工三种，随着时代的发展和社会的进步，先进制造技术不断革新，超精密加工技术的发展已是社会所趋。

超精密加工技术，在现代机械制造业中占据着重要地位，在提高机械产品的性能、质量，提高其稳定性和可靠性，提高生产效率等方面发挥着至关重要的作用。

超精密加工是一个十分广泛的加工领域，它包括了所有能使零件的形状、位置和尺寸精度达到微米和亚微米范围的机械加工方法，一般主要指加工精度为0.1µm，表面粗糙度小于Ra0.01µm的加工方法，同时目前超精密加工也正在向纳米级加工技术发展。

目前，超精密加工的核心技术主要掌握在西方发达国家手中，在超精密加工技术领域处于领先地位的国家主要是美国、英国和日本。

美国是开始超精密加工技术研究最早的国家，也是迄今在超精密加工仍处于领先地位的国家。

英国的克兰菲尔德精密工程研究所在超精密加工方面的研究成果也是享誉全球，是当今世界上超精密工程的研究中心之一。

高能束焊接技术的发展和应用高能束焊接技术（EBW）是一种先进的焊接方法，它利用高速电子束来熔化和连接金属材料。

这种焊接技术具有高能量密度、高焊接速度、优质的焊接效果和适用于各种金属材料等优点，因此在航空航天、汽车制造、核工业和电子行业等领域得到了广泛的应用。

本文将从高能束焊接技术的发展历程和原理、应用领域、优势和挑战等方面进行介绍。

一、高能束焊接技术的发展历程和原理高能束焊接技术最早是在20世纪50年代发展起来的，最初是用于核工业和航天航空领域。

1958年，美国杜邦公司开发出了第一台商用的电子束焊接机，这标志着电子束焊接技术开始走向工业化生产。

高能束焊接技术通过电子枪产生高速电子束，电子束击中工件表面时，产生的能量将工件表面瞬间加热到熔化温度，然后通过电子束辐照区域产生高温熔池，从而实现熔化和连接金属材料的目的。

高能束焊接技术的原理是利用高速电子束的能量瞬间加热金属材料，使其熔化并形成熔池，然后利用合适的焊接工艺来实现金属材料的连接。

与传统的焊接方法相比，高能束焊接技术具有能量密度高、焊接速度快、热影响区小、热输入低等优点，因此可以实现高质量的焊接效果。

二、高能束焊接技术的应用领域高能束焊接技术在航空航天、汽车制造、核工业和电子行业等领域得到了广泛的应用。

在航空航天领域，高能束焊接技术被广泛应用于飞机结构件、发动机零部件、航天器壳体等关键部件的焊接，以提高焊接质量和生产效率。

在汽车制造领域，高能束焊接技术通常应用于汽车车身焊接、汽车零部件焊接等工艺环节，以提高焊接强度和减少成本。

在核工业领域，高能束焊接技术被用于核反应堆压力容器、核燃料元件等核设备的焊接，以保证核设备的安全可靠性。

在电子行业领域，高能束焊接技术通常应用于电子器件的微细焊接和包装，以提高器件的性能和可靠性。

高能束焊接技术相对传统焊接方法有很多优势，主要包括以下几点：1. 高能量密度：高能束焊接技术的能量密度很高，可以实现瞬间加热和快速熔化金属材料，从而提高焊接速度和效率。

高能束流加工技术的现状及发展一、引言高能束流加工技术是一种先进的制造加工技术，其利用高能束流对材料进行加工处理，可以实现高精度、高效率、低损伤的加工效果。

随着科技的不断进步和应用领域的不断扩展，高能束流加工技术已经成为了当前最具前景和潜力的制造加工技术之一。

二、高能束流加工技术的基本原理1. 高能束流的产生高能束流包括电子束、离子束和激光束等。

其中，电子束和离子束是通过电子枪或离子源产生，并通过磁场聚焦形成细小且密集的束流；激光束则是通过激光器产生，并通过透镜系统聚焦形成极小直径的光斑。

2. 高能束流与材料相互作用当高能束流与材料相互作用时，会发生以下几种物理过程：撞击效应、热效应、化学效应和辐射效应。

其中，撞击效应主要指由于高速粒子与固体表面发生碰撞而导致表面变形或破裂；热效应主要指由于高能束流的能量被转化为材料内部的热能而导致材料熔化或蒸发；化学效应主要指由于高能束流与材料发生化学反应而导致表面化学性质的改变；辐射效应主要指由于高能束流所产生的辐射而导致材料受到辐射损伤。

3. 高能束流加工技术的基本过程高能束流加工技术包括预处理、加工和后处理三个基本过程。

其中，预处理主要是对待加工材料进行表面清洗和处理，以确保其表面光洁度和化学性质符合加工要求；加工过程则是将高能束流对材料进行精细加工，包括切割、打孔、雕刻等多种形式；后处理则是对已经完成的产品进行表面处理和质量检测，以确保其符合产品标准。

三、高能束流加工技术在各领域中的应用1. 航空航天领域在航空航天领域中，高能束流加工技术被广泛应用于制造发动机喷口、涡轮叶片等关键部件。

这些部件需要高精度、高强度和高温性能，而高能束流加工技术可以实现对这些部件的精细加工和表面处理，提高其性能和寿命。

2. 电子信息领域在电子信息领域中，高能束流加工技术被广泛应用于制造微电子器件、光学器件等高精度产品。

这些产品需要极高的精度和表面光洁度，而高能束流加工技术可以实现对这些产品的微米级别加工和表面处理。

高能束焊接技术的发展和应用高能束焊接技术是一种高效、高精度的焊接方法，它利用高能束作为热源，将工件上的两个或多个金属材料焊接在一起。

随着工业技术的不断发展，高能束焊接技术在航空航天、汽车制造、电子器件制造等领域得到了广泛应用。

本文将就高能束焊接技术的发展历程、工作原理和应用前景进行介绍。

一、高能束焊接技术的发展历程高能束焊接技术的发展可以追溯到20世纪40年代，当时人们开始尝试利用电子束、激光束和等离子束等高能源来进行焊接。

20世纪60年代，随着激光技术的进步，激光束焊接技术逐渐成熟，取得了一系列重要进展。

1970年代，电子束焊接技术也得到了快速发展，成为了航空航天领域、核能工程领域最主要的焊接方法之一。

随着科学技术的不断进步，高能束焊接技术变得更加精确、高效，应用领域也不断扩大。

二、高能束焊接技术的工作原理高能束焊接技术是利用高能束的热源对工件进行加热，使其达到熔化状态，然后将两个或多个工件进行熔汇从而实现焊接。

根据高能束的种类不同，高能束焊接技术又可分为激光束焊接、电子束焊接和等离子束焊接。

激光束焊接是指利用激光器产生的激光束对工件进行加热，通过激光束的高能量密度，将工件表面局部加热至熔化状态，然后使两个或多个工件在熔融态时迅速相互融合，从而完成焊接。

激光束焊接技术由于其高能量密度、热输入小、热影响区小等特点，逐渐成为了航空航天、汽车制造、电子器件制造等领域的主要焊接方法。

电子束焊接则是利用电子发射器产生的电子束对工件进行加热，在高能电子束的作用下，工件表面的金属被迅速加热至熔点，然后实现焊接。

电子束焊接技术由于其高能量密度、焊接速度快等特点，被广泛应用于核能工程、宇航工程、航空制造等高端领域。

等离子束焊接是一种利用等离子束对材料进行加热的焊接方法，通常利用等离子束切割机产生的等离子束对工件进行加热，然后实现焊接。

等离子束焊接技术由于其对材料的热输入小、热影响区小等特点，被广泛应用于微电子器件制造、微细连接技术等领域。

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：。

高能束流加工技术高能束流(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材料。

高能束流加工技术是当今制造技术发展的前沿领域，是当今世界高科技与制造技术相结合的产物，是制造工艺发展的前沿。

它具有常规加工方法无可比拟的优点。

①能量密度极高，可以实现厚板的深穿透加工、焊接和切割，一次可焊透300mm厚的钢板。

②可聚焦成极细的束流，达到微米级的焦点，用于制造微孔结构和精密刻蚀。

③可超高速扫描(速度达900m／s)，实现超高速加热和超高速冷却(冷却速度达104℃/S)，可以进行材料表面改性和非晶态化，实现新型超细、超薄、超纯材料的合成和金属基复合材料的制备。

④能量密度可在很大范围内进行调节，束流受控偏转柔性好，可进行全方位加工。

⑤适合于金属、非金属材料加工，可实现高质量、高精度、高效率和高经济性加工。

随着航空航天、微电子、汽车、轻工、医疗以及核工业等的迅猛发展，对产品零件的材料性能、结构形状、加工精度和表面完整性要求越来越高，传统的机械加工方法在高技术制造领域所占比重日益减少，高能束加工方法得到了广泛的应用。

例如，把高能束加工技术的深穿透特点用于重型装备厚壁结构、压力容器、运载工具、飞行器的焊接；把精密控制的微焦点高能量密度的热源用于微电子和精密器件的制造，高质量、高效率地实现超大规模集成元件、航空航天航海仪表、陀螺、膜盒的制造和核动力装置燃料棒的封装；利用高能束加工技术的可控高速扫描，实现航宇动力装置上气膜冷却小孔层板结构的高效率、高质量制造；利用高能束加工技术可在真空、高压条件下全方位加工的特点，实现在太空条件下的加工作业；利用高能束加工技术高速加热和高速冷却的特点，对金属材料表面改性和非晶态化，制备特殊功能的涂层和新型材料。

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。