《材料工程计算机测控与仿真》第七讲（7-6） 高能束流及其加工过程的控制

第六讲高能束流及其加工过程 的控制 高能束流通常是指激光東、电子束及离子 束等载能粒子流,俗称“三束”;其功率密度 在103W/cm以上,定向作用在金属(材料) 的表面,使照射斑处瞬间产生物理、化学或结 构的变化。 谈及控制,自然涉及束流的强度,形状 及轨迹;工件(材料)的移动和两者之间的介 质(环境)等三个方面,本节主要介绍“三束” 相关这三个方面的内容

第六讲 高能束流及其加工过程 的控制 高能束流通常是指激光束、电子束及离子 束等载能粒子流，俗称“三束”；其功率密度 在103W/cm2以上，定向作用在金属（材料） 的表面，使照射斑处瞬间产生物理、化学或结 构的变化。 谈及控制，自然涉及束流的强度，形状 及轨迹；工件（材料）的移动和两者之间的介 质（环境）等三个方面，本节主要介绍“三束” 相关这三个方面的内容

主要内容 激光束流强度与轨迹控制 二电子束流强度与轨迹控制 离子束的控制 四束流加工中的工件位移控制 五束斑与工件间介质的控制 ?高能東斑可被看作是一刀具;分析以下加工 与机械加工的特征关系:作用在一转动的面 上;作用在一个面上:沿一条线作用;

主要内容 一 激光束流强度与轨迹控制 二 电子束流强度与轨迹控制 三 离子束的控制 四 束流加工中的工件位移控制 五 束斑与工件间介质的控制 ？高能束斑可被看作是一刀具；分析以下加工 与机械加工的特征关系：作用在一转动的面 上；作用在一个面上：沿一条线作用；

激光東流强度与轨迹控制 将受激活的工作物质放在两端有反射镜的光学 振膣中,并提供外界辐射(光泵),如氙灯、氪 灯或辉光放电等,则受激辐射将不断产生激光光子 其中运动方向与光腔不一致的光子从侧面逸出并转 换为热能;运动方向与光腔轴线一致的光子被两面 反射镜不断反射,这些光子穿过受激发处于粒子数 反转的工作物质时,将引发粒子产生受激辐射光, 使沿光腔轴方向的光子数不断迅速增多,当此光强 增大到超过光腔的光损耗阈值时,部分光子将从有 部分反射作用的窗口,透射出一束高光子兼并度的 激光。此激光束经反射镜的折射变向及透镜的聚焦 即可在工件上形成照射斑。其原理见图示

一 激光束流强度与轨迹控制 将受激活的工作物质放在两端有反射镜的光学 谐振腔中，并提供外界辐射（光泵），如氙灯、氪 灯或辉光放电等，则受激辐射将不断产生激光光子。 其中运动方向与光腔不一致的光子从侧面逸出并转 换为热能；运动方向与光腔轴线一致的光子被两面 反射镜不断反射，这些光子穿过受激发处于粒子数 反转的工作物质时，将引发粒子产生受激辐射光， 使沿光腔轴方向的光子数不断迅速增多，当此光强 增大到超过光腔的光损耗阈值时，部分光子将从有 部分反射作用的窗口，透射出一束高光子兼并度的 激光。此激光束经反射镜的折射变向及透镜的聚焦 即可在工件上形成照射斑。其原理见图示

激光束加工装置原理图 反射镜 反射镜 光学谐据照 激光東<反射镜 ,,,,,,,,,来 ∴ ∴ 辉光放电器 透镜 激光备 送粉 保护气 激光电源 工件 合金层 移动

激光束加工装置原理图

由于激光束流是以斑点形式照射在工 件上,因此,加工工艺的质量与束斑 强度(功率)、形状及轨迹相关。 光斑的强度控制主要是靠调节激光电源的功率来完 成;由于激光电源为直流或脉冲形式,带有变压、整 流环节;当其功率较小时,可采用上节所述的移相调 功方法对激光电源的功率进行调节。如果激光功率较 大,其电源采用磁调变压器,可对磁调环节的进行移 相调压,同样可以完成对激光斑强度的调节。 由于电源功率的阶跃变化较激光输出有一定的迟延 因此,光斑强度调节的频率不宜太高。对于需要光强 突然变化的要求,需用钨块遮挡方法;钨块的遮挡动 作控制属于位式控制,计算机的控制输出参见上述的 I/O隔离、驱动环节

由于激光束流是以斑点形式照射在工 件上，因此，加工工艺的质量与束斑 的强度（功率）、形状及轨迹相关。 光斑的强度控制主要是靠调节激光电源的功率来完 成；由于激光电源为直流或脉冲形式，带有变压、整 流环节；当其功率较小时，可采用上节所述的移相调 功方法对激光电源的功率进行调节。如果激光功率较 大，其电源采用磁调变压器，可对磁调环节的进行移 相调压，同样可以完成对激光斑强度的调节。 由于电源功率的阶跃变化较激光输出有一定的迟延， 因此，光斑强度调节的频率不宜太高。对于需要光强 突然变化的要求，需用钨块遮挡方法；钨块的遮挡动 作控制属于位式控制，计算机的控制输出参见上述的 I/O 隔离、驱动环节

激光束扫描轨迹控制方法示意 少激光束 激光束 Y振镜 振镜, x振镜 y 工件 +

激光束扫描轨迹控制方法示意

二电子東流强度与轨迹控制 电具有微粒性,同时也具有波动性。由此,它 和可见光是相同的,这就使得电子束可望成为 新的加热光源。m是电子静态时的质量;W 电子运动速度,此运动速度可表示为: 2el V= 式中e是电子所带的电荷;Ua为加速电压;两者 的积eU称之电子束的动能

二 电子束流强度与轨迹控制 电子具有微粒性，同时也具有波动性。由此，它 和可见光是相同的，这就使得电子束可望成为 新的加热光源。m0是电子静态时的质量；v是 电子运动速度，此运动速度可表示为： v= 式中e是电子所带的电荷；UB为加速电压；两者 的积eUB称之电子束的动能。 0 B m 2eU

电子束发生、 田 界D 控制装置 阴极 原喱图 聚束极 灯丝 加速电源 抽空 阳极 隔离阀 聚焦线圈 F翩 偏转线圈」 WP 电子束 试样抽空偏转电源

电子束发生、 控制装置 原理图

电子束的动能及其斑点轨迹控制 由以上介绍的动能概念eU可知,其中热电子e 數量取决于灯丝的温度和表面积:受到热激励,阴 吸材料中Ferm能极处的电子有可能克服功函数dw 的作用而逸出进入真空区。根据 Richardson定律,热 发射电流密度为 J=Aex(、ex KT 式中A是与材料相关的系数,T是阴极温度,eΦw是 阴极材料的逸出功,k是 Boltzman常数。由此可知, 当灯丝的材料与形状确定后,电子束的动能与灯丝 电压U及加速电压U呈正向关系。两种电压的调节 及其计算机控制方法可参见前面一节所述

电子束的动能及其斑点轨迹控制 由以上介绍的动能概念eUB可知，其中热电子e 数量取决于灯丝的温度和表面积：受到热激励，阴 极材料中Fermi能极处的电子有可能克服功函数ФW 的作用而逸出进入真空区。根据Richardson定律，热 发射电流密度为 J0=AT2exp（ ） 式中A是与材料相关的系数，T是阴极温度，eФW是 阴极材料的逸出功，k是Boltzmann常数。由此可知， 当灯丝的材料与形状确定后，电子束的动能与灯丝 电压UD及加速电压UB呈正向关系。两种电压的调节 及其计算机控制方法可参见前面一节所述。 KT − ew

斑点轨迹,前面所述的激光可以由光学透镜及折 射镜完成。本节介绍的电子束,却需靠静电场 (诪镜),磁场(透镜)及偏转电磁场的作用 线圈 0 a 线圈 磁力线 电子运行轨迹

斑点轨迹，前面所述的激光可以由光学透镜及折 射镜完成。本节介绍的电子束，却需靠静电场 （透镜），磁场（透镜）及偏转电磁场的作用