电子束加工技术

一、简介

电子束加工技术原理[1]：电子束加工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，或直接使材料升华，是一种完全不同于传统机械加工的新工艺。电子束曝光则是一种利用电子束辐射效应的加工方法。

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。

电子束加工包括焊接、打孔、热处理、表面加工、熔炼、镀膜、物理气相沉积、雕刻以及电子束曝光等，其中电子束焊接是发展最快、应用最广泛的一种电子束加工技术。电子束加工的特点是功率密度大，能在瞬间将能量传给工件，而且电子束的能量和位置可以用电磁场精确和迅速地调节，实现计算机控制。因此，电子束加工技术广泛应用于制造加工的许多领域，如航空、航天、电子、汽车、核工业等，是一种重要的加工方法。

近年来，随着电磁场控制技术的发展，并结合电子束在磁场中易控的特点，开发了一种新型的电子束加工方法——快速扫描电子束加工技术。这种通过电磁场的控制实现电子束的快速偏转扫描的方法越来越显出其技术的优势，在航空航天制造领域中获得了广泛的应用。

二、电子束加工技术的原理

电子束加工的基本原理是：在真空中从灼热的灯丝阴极发射出的电子，在高电压(30～200千伏)作用下被加速到很高的速度，通过电磁透镜会聚成一束高功率密度（105～109w/cm2）的电子束。当冲击到工件时，电子束的动能立即转变成为热能，产生出极高的温度，足以使任何材料瞬时熔化、气化，从而可进行焊接、穿孔、刻槽和切割等加工。由于电子束和气体分子碰撞时会产生能量损失和散射，因此，加工一般在真空中进行。

电子束加工机由产生电子束的电子枪、控制电子束的聚束线圈、使电子束扫描的偏转线圈、电源系统和放置工件的真空室，以及观察装置等部分组成。先进的电子束加工机采用计算机数控装置，对加工条件和加工操作进行控制，以实现高精度的自动化加工。电子束加工机的功率根据用途不同而有所不同，一般为几千瓦至几十千瓦。

按照电子束加工所产生的效应，可以将其分为两大类：电子束热效应和电子束化学效应[2]。电子束热效应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。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[3]。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。电子束化学效应是利用电子束代替常规的紫外线照射抗蚀剂以实现曝光，其中包括 1）扫描电子束曝光，用电子束按所需的图形，以微机控制进行扫描曝光，其特点是图形变换的灵活性好，分辨率高；2）投影电子束曝光，这是一种大面积曝光法，由光电阴极产生大面积平行束进行曝光，其特点是效率高，但分辨率较差；3）软 X 射线曝光，软 X 射线由电子束产生，是一种间接利用电子束的投影曝光法。

三、电子束加工技术的特点

电子束加工的主要优点有：

1. 电子束能聚焦成很小的斑点(直径一般为0.01～0.05毫米)，且可控 ,可以用于精密加工适合于加工微小的圆孔、异形孔或槽；

2. 功率密度高，能加工高熔点和难加工材料如钨、钼、不锈钢、金刚石、蓝宝石、水晶、玻璃、陶瓷和半导体材料等；

3. 无机械接触作用，无工具损耗问题；

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、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;

其主要缺点有:

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。

四、电子束加工技术的应用

电子束加工主要用在以下几个方面上：1、电子束表面改性，电子束表面改性是利用电子束的加热和熔化技术对材料进行表面改性。例如电子束表面淬火，电子束表面熔凝，电子束表面合金化，电子束表面熔覆和制造表面非晶态层。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[4]。2、电子束物理气相沉积，电子束物理气相沉积(EB—PVD)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[5]。3、电子束打孔，电子束打孔用电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、高强度和非导电材料进行打孔加工[6]。并且电子束的束斑形状可控，能加工各种孔，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。4、电子束焊接，电子束焊接具有焊缝深宽比大，焊接速度快，工件热变形小，焊缝物理性能好，工艺适应性强等优点，并且能改善接头机械性能减少缺陷，保证焊接稳定性和重复性,因而具有极为广阔的应用前景[7]。

五、电子束加工技术在国内外的应用

基于电子束加工的这种原理，它在加工中得到了广泛应用。这里我将重点谈谈它在焊接方面的技术应用。电子束加工是利用电能转化为热能，通过热能使经书局部熔化。而在现代的传统焊接技术当中也是将常用的220V电压或者380V

的工业用电通过电焊机里的减压器降低了电压，增强了电流，利用电能产生的巨大热量融化钢铁。这种极度相似的原理是电子束焊接成为了现实，而且他的焊接精度极高，速度极快。当高能量密度的电子束轰击焊件表面时，使焊件接头处的金属熔融，形成焊件表面熔池。如果焊件按一定速度沿着罕见接缝与电子束做相对移动，则接缝上的熔池由于电子束的离开而重新凝固，使焊件的整个接缝形成一个接缝。