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1、商丘科技职业学院毕业论文（设计）摘要 特种加工之电子束加工技术在国际上日趋成熟，应用范围广。国外定型生产的40kV300kV的电子枪(以60kV、150kV为主)，已普遍采用CNC控制，多坐标联动，自动化程度高。电子束焊接已成功地应用在特种材料、异种材料、空间复杂曲线、变截面焊接等方面。目前正在研究焊缝自动跟踪、填丝焊接、非真空焊接等，最大焊接熔深可达300mm，焊缝深宽比20：1。电子束焊已用于运载火箭、航天飞机等主承力构件大型结构的组合焊接，以及飞机梁、框、起落架部件、发动机整体转子、机匣、功率轴等重要结构件和核动力装置压力容器的制造。如：F-22战斗机采用先进的电子束焊接，减轻了飞机重量
2、，提高了整机的性能；“苏-27”及其它系列飞机中的大量承力构件，如起落架、承力隔框等，均采用了高压电子束焊接技术。电子束加工技术是近年发展起来的一种先进制造技术，其在材料表面改性、机械加工等方面的应用已受到广泛关注。主要介绍电子束在表面工程、打孔和焊接等方面的应用。 关键词：电子束 加工原理 工业应用目录 摘要.第一章 电子束技术在国内外的发展现状1第二章 电子束加工原理和特点22.1电子束的分类22.1.1电子束热加工22.1.2电子束非热加工32.2 电子束的特点3第三章 电子束技术在材料加工的应用53.1电子束技术在表面工程中的应用53.1.1电子束表面改性53.1.2电子束物理气相沉积
3、53.2电子束技术在其他工业领域中的应用63.2.1电子束打孔63.2.2电子束焊接73.2.3电子束刻蚀和电子束钻孔73.2.4电子束熔炼7结束语9参考文献10I第一章电子束技术在国内外的发展现状电子束加工是利用高功率密度的电子束冲击工件时所产生的热能使材料熔化、气化的特种加工方法，简称为EBM。电子束加工是由德国的科学家K.H.施泰格瓦尔特于1948年发明的，当时主要用于焊接。1949年,德国首次利用电子束在厚度为0. 5mm的不锈钢板上加工出直径为0. 2mm的小孔。从而开辟了电子束在材料加工领域的新天地。1957年法国原子能委员会萨克莱核子研究中心研制成功世界上第一台用于生产的电子束焊
4、接机,其优良的焊接质量引起人们广泛重视。 20世纪60年代初期,人们已经成功地将电子束打孔、铣切、焊接、镀膜和熔炼等工艺技术应用到各工业部门中,促进了尖端技术的发展。微电子学的发展对集成电路元件的集成度要求不断提高,因而对光刻工艺提出了更高的要求,扫描电子束曝光机研制成功并在20世纪70年代进入市场,使得制造掩膜或器件所能达到的最小线宽已小于0. 5m。近年来,国外对电子束焊接及其他电子束加工技术的研究主要在于以下几个方面: 1)完善超高能密度电热源装置; 2)掌握电子束品质及与材料的交换行为特性,改进加工工艺技术; 3) 通过计算机CNC控制提高设备柔性以扩大应用领域。我国自20世纪60年代
5、初期开始研究电子束加工工艺,经过多年的实践,在该领域也取得了一定成果。大连理工大学三束材料改性国家重点实验室,采用电子束对材料表面进行照射,研究其对材料表面的改性。吉林大学关庆丰教授带领的科研小组,对于强流脉冲电子束作用下金属材料微观组织结构的形成与性能进行研究。张万金教授对于采用电子束辐照对新型质子交换膜的合成及性能的影响进行研究等。第二章电子束加工原理和特点 电子束流是由高压加速装置在真空条件下形成束斑极小的高能电子流,属于高能密度束流(HEDB) ,真空电子束的功率密度大于106W / cm2 ,极限功率为300 kW。电子束加工是以高能电子束流作为热源,对工件或材料实施特殊的加工,是一
6、种完全不同于传统机械加工的新工艺,其加工原理如图2-1所示。 图 2-1电子束原理2.1电子束的分类 按照电子束加工所产生的效应,可以将其分为两大类:电子束热加工和电子束非热加工。2.1.1电子束热加工电子束热加工是将电子束的动能在材料表面转化成热能,以实现对材料的加工,其中包括: 1)电子束精微加工。可完成打孔、切缝和刻槽等工艺,这种设备一般都采用微机控制,并且常为一机多用; 2)电子束焊接。与其他电子束加工设备不同之处在于,除高真空电子束焊机之外,还有低真空、非真空和局部真空等类型; 3)电子束镀膜。可蒸镀金属膜和介质膜;4)电子束熔炼。包括难熔金属的精炼,合金材料的制造以及超纯单晶体的拉
7、制等; 5)电子束热处理。包括金属材料的局部热处理以及对离子注入后半导体材料的退火等。上述各种电子束加工总称为高能量密度电子束加工。 电子由电子枪的阴极发出,通过聚束极汇聚成电子束,在电子枪的加速电场作用下,电子的速度被提高到接近或达到光速的一半,具有很高的动能。电子束再经过聚焦线圈和偏转线圈的作用,汇聚成更细的束流。束斑的直径为数微米至1mm,在特定应用环境,束斑的直径甚至可以小到几十纳米,其能量非常集中。电子束的功率密度可高达109W /mm2 。 当电子束轰击材料时,电子与金属碰撞失去动能,大部分能量转化成热能,使材料局部区域温度急剧上升并且熔化,甚至气化而被去除,从而实现对材料的加工。
8、2.1.2电子束非热加工电子束非热加工是基于电子束的非热效应,利用功率密度比较低的电子束和电子胶(又称电子抗蚀剂,由高分子材料组成)相互作用产生的辐射化学或物理效应对材料进行加工。其应用领域主要是电子束曝光。电子束曝光原理如图2-2所示,是先在待加工材料表面,涂上具有高分辨率和高灵敏度的化学抗腐蚀涂层,然后通过计算机控制电子束成像电镜及偏转系统,聚焦形成高能电子束流,轰击涂有化学抗腐蚀涂层的材料表面,形成抗腐蚀剂图形,最后通过离子注入、金属沉淀等后续工艺将图形转移到材料表面。 2.2 电子束的特点 根据电子束流的产生原理,电子束加工具有如下特点: 1)电子束发射器发射的电子束流束斑极小,且可控
9、,可以用于精密加工; 2)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; 3)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;图2-2电子束曝光原理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、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)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。第三章 电子束技术在材料加工的应用3.1电子束技术在表面工程中的应用3.1.1电子束表面改性电子束表面改性是利用电子束的高能、高热特点对材料表面进行改性处理。
10、主要的改性手段有:电子束表面合金化、电子束表面淬火、电子束表面熔覆、电子束表面熔凝以及制造表面非晶态层。经过改性后的材料表面组织结构得到改善,强度和硬度得到大幅提高,耐腐蚀性和防水性也相应地得到增强。3.1.2电子束物理气相沉积电子束物理气相沉积( EB2PVD)是电子束技术与物理气相沉积技术的有机结合,是利用高能电子轰击沉积材料,使其迅速升温气化而凝聚在基体材料表面的一种表面加工工艺。 根据沉积材料的性质,可以使涂层具有优良的隔热、耐磨、耐腐蚀和耐冲刷性能,对基体材料产生一定的保护作用。 该技术目前主要应用于以下几个方面。1)耐磨涂层:选用硬度高的耐磨涂层材料沉积于工具和模具表面,可以大幅度
11、提高工具和模具的使用寿命。2)防腐涂层:由于EB2PVD技术制备出的涂层致密程度高,对于在腐蚀环境下工作零件,其防腐效果非常好。除此之外, EB2PVD得到的涂层形貌良好,残余应力也明显地提高了基体材料的防腐性能。3)热障涂层:热障涂层( TBCs)是由绝热性能良好的陶瓷材料构成,它沉积在耐高温金属或超合金表面,热障涂层对于基底材料起到隔热作用,降低基底温度,使得用其制成的器件(如发动机涡轮叶片) 能在高温下运行,并且可以使器件(发动机等)热效率达60%以上。同时, TBCs还具有抗腐蚀和抗氧化的作用。4)航空和航天发动机方面的应用:现在, EB2PVD工艺已经成功地将氧化物涂层和多层金属/陶
12、瓷涂层,以较高的沉积速率应用于涡轮发动机等大型零件。由EB2PVD所制备的涂层可以提高其与基体的结合力,克服了传统喷涂工艺所带来的涂层组织结构不均匀、颗粒未熔化,以及孔隙与基体结合强度较差等缺陷,从而使零件的使用寿命大幅度提高。5)制备微层材料:微层材料(纳米和微米多层材料)具有可设计性强的特点,可通过选择材料体系、设计多层结构、调整制备工艺以及主要工艺参数,对材料的基本性能进行控制,以获得满足各种不同用途的材料。EB2PVD可以蒸发多种高熔点的材料,还可以精确控制薄膜厚度和均匀性,并可利用该工艺制备不同层间距及层厚比的多层材料。3.2电子束技术在其他工业领域中的应用3.2.1电子束打孔 用电
13、子束对材料进行打孔加工时,要求电子束的能量密度需大于108W / cm2 ,每个电子束脉冲打一个孔,脉冲宽度一般只有几毫秒,脉冲的速率快,打孔的速度可以达到每秒几个到3000个孔。电子束脉冲的能量高,不受材料硬度的限制,没有磨损,可以对难熔、强度和非导电材料进行打孔加工。并且电子束的束斑形状可控,能加工包括异形孔(见图3-1、图3-2) 、斜孔(见图3-3) 、锥孔(见图3-4)和弯孔在内的各种孔,加工效率高,加工材料的适应范围广,加工精度高、质量好,无缺陷,一般不需要二次加工。目前,电子束打孔的范围是: 实际生产中,加工直径为0. 10. 8mm,最大深度为5mm;在实验室中,加工直径为0.
14、 051. 5mm,最大深度10mm。 图3-1 图3-2 图3-3 图3-4 3.2.2电子束焊接 电子束焊接技术是将高能电子束作为加工热源,用高能量密度的电子束轰击焊件接头处的金属,使其快速熔融,然后迅速冷却来达到焊接的目的。电子束焊接的特点:1)电子束焊接的能量密度,可焊接一般电弧焊难以实现的焊缝;2)电子束焊是在真空中进行,焊缝的化学成分稳定且纯净,接强度高,焊缝质量高; 3)电子束焊接速度快,热影响区小,焊接热变形小;4)电子束焊接适用于焊接几所有的金属材料; 5)电子束焊接可获得深宽比大的缝(20 1 50 1) ,焊接厚件时可以不开坡口一次形 ; 6)电子束焊接结合计算机技术,实
15、现了工艺参数的精确控制,使焊接过程完全自动化。3.2.3 电子束刻蚀和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。3.2.4 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
