电子束加工技术

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1、电子束加工技术摘要：简述了电子束加工技术工作原理， 工作特点及应用，并简要介绍了国内外电 子束焊接及其他电子束加工技术的现状及发展趋势。关键词 ：电子束；原理；特点；应用；发展ABSTRACT: In this article ,the current situation and the developing trend of EB welding as well as other EB processing technologies at home and abroad are briefly described.一.简介 利用电子束的热效应可以对材料进行表面热处理、焊 接、刻蚀、钻孔、熔炼

2、，或直接使材料升华。电子束曝光 则是一种利用电子束辐射效应的加工方法(见电子束与离 子束微细加工)。作为加热工具，电子束的特点是功率高和功率密度大 能在瞬间把能量传给工件，电子束的参数和位置可以精确 和迅速地调节，能用计算机控制并在无污染的真空中进行 加工。根据电子束功率密度和电子束与材料作用时间的不 同，可以完成各种不同的加工。二.电子束加工原理电子束加工(electron beam machining, EBM)是在 真空条件下，利用电子枪中产生的电子经加速、聚焦后能 量密度为106109w/cm2的极细束流高速冲击到工件表面E. 】卷*首*11沖“旷 1上极小的部位，并在几分之一微秒时间

3、内，其能量大部分转换为热能，使工件被冲击部位的材料达到几千摄氏度，致使材料局部熔化或蒸发，来去除材料。三. 电子束加工的优缺点1. 优点1）高功率密度 属非接触式加工，工件不受机械力作用，很少产生宏观应力变形，同 时也不存在工具损耗问题。2）电子束强度、位置、聚焦可精确控制，电子束通过磁场和电场可在工件上以任何速 度行进，便于自动化控制。3）环境污染少 适合加工纯度要求很高的半导体材料及易氧化的金属材料。4）加工速度快，如在 0.1 毫米厚的不锈钢板上穿微小孔每秒可达 3000 个，切割 1 毫 米厚的钢板速度可达 240毫米分。5）设备的使用具有高度灵活性 ,并可使用同一台设备进行电子束焊接

4、、 表面改善处 理和其他电子束加工;6）电子束加工是在真空状态下进行 ,对环境几乎没有污染;7）对于各种不同的被处理材料，其效率可高达75%98%，而所需的功率则较低；8. 能量的发生和供应源可精确地灵活移动 ,并具有高的加工生产率;9） 可方便地控制能量束 ， 实现加工自动化；2. 缺点1）由于使用高电压，会产生较强 X 射线，必须采取相应的安全措施；2）需要在真空装置中进行加工；3） 设备造价高等。电子束加工对设备和系统的真空度要求较高， 使得电子束加工 价格昂贵 ，一定程度上限制了其在生产中的应用.。由于电子束流具有以上特点 ， 目前已被广泛地应用于高硬度、易氧化或韧性材料的微 细小孔的

5、打孔，复杂形状的铣切，金属材料的焊接、熔化和分割，表面淬硬、光刻和抛光 ，以 及电子行业中的微型集成电路和超大规模集成电路等的精密微细加工中。随着研究的不断 深入 ， 电子束加工已成为高科技发展不可缺少的特种加工手段之一。电子束加工广泛用于焊接（见电子束焊），其次是薄材料的穿孔和切割。穿孔直径一般 为0.031.0毫米，最小孔径可达0.002毫米。切割0.2毫米厚的硅片，切缝仅为0.04毫 米，因而可节省材料。最重要的是，这些特性具有高的分解力和长的电场深度，电场是由于高能电子的短波产 生的。电子束加工按其功率密度和能量注入时间的不同，可用于打孔、切割、蚀刻、焊接、 热处理和光刻加工等。四.

6、电子束加工的应用1. 电子束钻孔用聚焦方法得到很细的、功率密度为 1010 瓦/厘米的电子束周期地轰击材料表面的 固定点，适当控制电子束轰击时间和休止时间的比例，可使被轰击处的材料迅速蒸发而避 免周围材料的熔化，这样就可以实现电子束刻蚀、钻孔或切割。同电子束焊接相比，电了束 刻蚀、钻孔、切割所用的电子束功率密度更大而作用时间较短。电子束可在厚度为0.16 毫米的任何材料的薄片上钻直径为 1 至几百微米的孔，能获得很大的深度孔径比，例如 在厚度为 0. 3毫米的宝石轴承上钻直径为25微米的孔。电子束还适合在薄片（例如燃气轮 机叶片）上高速大量地钻孔。不锈钢、耐热钢、宝石、陶瓷、玻璃等各种材料上的

7、小孔、深孔。最小加工直径可达0.003mm，最大深径比可达10。像机翼吸附屏的孔、喷气发动机套上的冷却孔，此类孔数量巨大（高达数百万），且孔 径微小，密度连续分布而孔径也有变化，非常适合电子束打孔，塑料和人造革上打许多微孔，令其象真皮一样具有透气性。 一些合成纤维为增加透气性和弹性，其喷丝头型孔往往制成异形孔截面，可利用脉冲 电子束对图形扫描制出。还可凭借偏转磁场的变化使电子束在工件内偏转方向加工出弯曲的孔，2. 电子束切割可对各种材料进行切割，切口宽度仅有36“m。利用电子束再配合工件的相对运动，可加工所需要的曲面3. 光刻当使用低能量密度的电子束照射高分子材料时，将使材料分子链被切断或重新

8、组合， 引起分子量的变化即产生潜象，再将其浸入溶剂中将潜象显影出来。把这种方法与其它处理工艺结合使用，可实现在金属掩膜或材料表面上刻槽。4. 电子速焊接电子束功率密度达 1010 瓦/厘米时，电子束轰击处的材料即局部熔化；当电子束相 对工件移动,熔化的金属即不断固化,利用这个现象可以进行材料的焊接。电子束焊具有深 熔的特点，焊缝的深宽比可达20:1甚至50:1。这是因为当电子束功率密度较大时，电子束 给予焊接区的功率远大于从焊接区导走的功率。利用电子束焊的这一特点可实现多种特殊 焊接方式。利用电子束几乎可以焊接任何材料，包括难熔金属（W、Mo、Ta、Nb）、活泼金属 （Be、Ti、Zr、U）、

9、超合金和陶瓷等。此外，电子束焊接的焊缝位置精确可控、焊接质量 高、速度快，在核、航空、火箭、电子、汽车等工业中可用作精密焊接。在重工业中，电 子束焊机的功率已达100千瓦，可平焊厚度为200毫米的不锈钢板。对大工件焊接时须采 用大体积真空室，或在焊接处形成可移动的局部真空。5. 电子束熔炼电子束熔炼法发明于 1907 年，但直到 50 年代才用于熔炼难熔金属，后来又用于熔炼 活泼金属（如Ti锭）和高级合金钢。电子束加热可使材料在真空中维持熔化状态并保持很 长时间，实现材料的去气和杂质的选择性蒸发，可用来制备高纯材料。电子束加热是电能 转为热能的有效方式之一，大约有50%功率用于熔化和维持液化。

10、功率在60千瓦以下的电 子束熔炼机可用直热式钨丝作为电子枪的阴极。 60千瓦以上熔炼机的电子枪则用间热式块 状钽阴极，它由背后的钨丝所发射的电子轰击加热到2700K，可有每平方厘米为几安的发 射电流密度。电子枪加速电压约30千伏，这样容易防止电击穿和减弱X射线辐射，电子束 用磁聚焦和磁偏转。电子枪和熔炼室用不同的真空泵抽气，真空度分别维持在 10 和 10 帕 左右。 80 年代已生产出 600 千瓦级的电子枪。如需更大功率，可用几支电子枪同时工作。 利用电子束加热可铸造100吨的坯料。五. 国外电子束加工技术现状电子束加工技术起源于德国。德国物理学家StelgerwaldK. H. 1948

11、年发明了第一台电 子束加工设备（主要用于焊、接）经过几十年的发展，目前全世界已有几千台设备在核工业、 航空宇航工业、精密加工业及重型机械等工业部门应用。世界上电子束加工技术较先进的国 家是德国、日本、美国、独联体以及法国等。1 .电子束焊接技术1）电子束焊接设备电子束加工设备中以电子束焊接设备最为多见。目前在工业中实际应用的电子束焊接设 备的功率一般小于120kW。加速电压在200kV以内。一次可焊最大厚度为：钢板近300mm, 铝台金近 50mm。近年独联体制造了一台真空室为2000m彳的特大型中压电子束焊机，此焊机配有56 个电子枪，每十枪功率60kW以下，加速电压为60kV，用于焊接“暴

12、风雪号”航天飞机及其 他航空飞机部件。另外，西欧制造了一台直径为10m，长1lm的800m 真空室的电子束焊机，功率为 50kW.焊接铝、钛及钢的熔深分别达到200mm，150mm和130mm。西欧还采用偏转电子束设备焊接铜制射频器的内径，得到光滑无凸起的内环焊缝。 10kW 的电子束通过一个磁棱镜和二个磁透镜偏转90完成内径焊接.为了适应更广泛的工业要求.出现了局部真空和非真空的电子束焊接设备：局部真空和 非真空避免了庞大的真空系统及真空室，主要用于大型、不太厚零件（一般小于30mm）或小 型薄件大批量生产.其束功率一般在 15 45kW ，加速电压 100kV 左右，德国 PTR 公司生

13、产的双金属带电子束焊接生产线设备即为局部真空，在美国，非真空电子束焊接应用最广泛， 取代了部分埋弧焊，用于汽车、轮船等。获得了良好的技术经济效益。英国焊接研究所（TWI）开发了 11OkW . 300kV非真空焊接设备，用于焊接EU86部件。 在此设备上试验表明，水平的电子束焊在功率50kW时可焊钢50mm厚，铜40mm厚。2）电子束焊接工艺电子束焊接由于具有改善接头机械性能、减少缺陷、保证焊接稳定性和重复性、大大减 少生产时间等优点因而用途很广，既可焊接贵重零部件（如航空航天发动机部件），又可焊 廉价部件（如汽车齿轮）；既可焊微型传感器，也可焊接结构庞大的飞机机身；既适用于大批 量生产（如汽

14、车、电子元件）也适用于单件生产（如核反应堆）；既可焊极薄的铝片也可焊极 厚的压力容器：它能焊普通的结构钢，也可焊多种特殊金属材料（如超高强钢、钛合金、高 温台金及其他稀有金属）；另外电子束焊接还可用于异种金属之间的连接。在焊接大型铝合金零件中，电子束焊接也具优势7020， 2219 等铝合金应用其他焊接 方法往往得不到良好机械性能接头。西欧采用电子束代替过去的氩弧焊焊接了直径为 2m、 长3m、厚65mm的铝合金简体，提高生产效率的同时得到了良好的焊接接头质量。2.其他电子束加工技术除了电子束焊接外，其他电子束加工技术在工业上也有一定的应用：1）电子束物理气相沉积（EB-PVD）70 年代始，

15、前苏联（现乌克兰）巴顿焊接研究所开始了 EB-PVD 设备及工艺的研究，随 后美国、德国等也开展了这方面的研究。EB-PVD主要应用于飞机发动机的涡轮叶片热障涂层，涂层厚度最大可达300仇m，EB-PVD 涂层寿命大大高于等离子喷涂涂层寿命。美国普惠公司利用EB- PVD法沉积的PW2040发动 机第一级涡轮叶片涂层经150h耐久性的地面运行后，涂层仍处于良好状态在JT9D第一级 涡轮叶片上，EB PVD陶瓷涂层在飞行试验中经1500h后仍处于良好状态。另外， EB-PVD 还可用于结构涂层，倒如叶片的冷却槽、激光反射镜的冷却槽等也可采 用 EB- PVD 方法加工出来，刀具、带材，医用手术刀

16、、耳机保护膜、射线靶子等均可用到 EB PVD 方法EB-PVD 除了用于涂层外还可用于材料提纯、制造难加工的多种材料组成的叶盘、拉 拔带材（钼带）、钛丝，制造钛粉等。纳米基材料的获得也可采用此种方法。2）电子束打孔 在西方国家，电子束打孔应用于航空、核工业以及电子、化学等工业。如喷气发动机的 叶片及其他零件的冷却孔，涡轮发动机燃烧室头部及燃气涡轮和核工业的过滤器，化纤喷丝 头、电子电路印刷板等。电子束打孔效率高、质量好、无毛刺、无再铸层等缺陷。3）电子束表面处理 电子束与其他热化学工艺如渗碳化氮、镀硼等相结合、可对零件进行表面处理、增加零 件表面硬度。在德国，SICHISCHEELEKTRONENSTRAHL公司