电子束加工特点共25页
电子束加工的原理特点应用
电子束加工的原理特点应用1. 原理介绍电子束加工是一种以电子束为工具，利用其高速度和高能量，对材料进行加工和改变形状的技术。
其原理基于电子束与材料相互作用时的各种效应，包括电子-材料相互碰撞、电子散射和电子热效应等。
通过控制电子束的能量、聚束和扫描方式，可以实现对材料的溶解、沉积和表面改性等加工操作。
2. 特点分析2.1 高精度加工电子束加工具有非常高的定位精度和加工精度。
由于电子束可以聚焦到非常小的区域，因此可以实现微米级别的加工精度。
同时，电子束加工过程不会产生机械接触，避免了传统机械加工过程中的磨损和变形等问题，保证了加工精度的稳定性。
2.2 无热影响区域电子束加工实现了非接触式加工，材料不受热影响区域的限制。
传统热加工方法往往会对材料造成热变形、热裂纹和残余应力等问题，而电子束加工则可以在不产生热影响的情况下进行加工操作，有效防止了材料的热损伤。
2.3 高能量密度加工电子束加工具有极高的能量密度。
电子束在与材料相互作用时，会传递给材料的能量密度非常大，可以迅速将材料加热到高温甚至熔化状态。
这种高能量密度的加工方式适用于一些特殊材料，例如高熔点金属或者难加工的高强度合金等。
2.4 灵活性和可控性高电子束加工具有非常高的灵活性和可控性。
可以通过调节电子束的能量、聚束方式和扫描路径等参数，实现对材料加工过程的精确控制。
这种灵活性和可控性使得电子束加工可以用于不同材料的加工和多种形状的制造。
3. 应用领域3.1 微电子学电子束加工在微电子学领域的应用非常广泛。
由于其高精度和高能量密度的优势，电子束可以用于微芯片的制造、电路板的加工以及微电子器件的制备等。
同时，由于电子束加工不受材料性质的影响，可以适用于各种不同材料的加工。
3.2 航空航天电子束加工在航空航天领域的应用也非常重要。
航空航天领域对材料的高温抗性和高强度要求非常高，而电子束加工恰好可以实现对这些材料的精确加工和形状调整。
同时，由于其非接触式加工的特点，电子束可以用于对高温材料的修复和维护。
特种加工第六章
• 离子注入可以改变金属表面的物理化学性能，制得新的合金从而改善金属表面的 耐腐蚀性能、耐磨性能、硬度、抗疲劳性能、润滑性能等。
的沟槽或凹坑。
第27页/共75页
第28页/共75页
（四）焊接 • 高能量密度的电子束 毛细管状的熔池，沿着焊缝与电子束做相对运动 • 能量密度高，焊接速度快，焊缝深而窄，焊件热影响区小，变形小。不用焊条，真
空中进行，焊缝化学成分纯净，强度高于母材。
第29页/共75页
• 可焊接钽、铌、钼等难熔金属，也可焊接钛、锆、铀等活泼金属， 可焊接普通碳 钢、不锈钢、合金钢、铜、铝，可焊接很薄和很厚的工件
除原子，离子束流密度及离子能量可以精确控制，所以离子刻蚀可以达到纳米级 的加工精度。离子镀膜可以控制在亚微米级精度，离子注入的深度和浓度也可极 精确的控制。因此，离子束加工是所有特种加工方法中最精密、最微细的加工方 法，是当代纳米加工技术的基础。
第44页/共75页
（2）由于离子束加工是在高真空中进行，所以污染少，特别适用用对易氧化的金属、 合金材料和高纯度半导体材料的加工。
•
可实现异种金属的焊接 如铜和不锈钢的焊接 钢和硬质合金的焊接 铬、镍
和钼的焊接等。
• 热影响小、变形小，工件精加工后焊接，可将复杂的零件分成几个零件进行加工， 单独使用最合适的材料，然后用电子束焊接到一起。
第30页/共75页
第31页/共75页
（五）热处理
•
加热和冷却速度很快，奥氏体化时间很短，只有几分之一秒到千分之一秒，可
射角在40~60度时刻蚀效率最高。
第52页/共75页
加工陀螺仪空气轴承和动压马 达上的沟槽，分辨率高，精度、 重复一致性好。 加工非球面 透镜能达到其他方法不能达到 的精度。
电子束加工特点
第六章 电子束和离子束加工
离子束加工方式包括离子蚀刻、离子镀膜及离子溅射沉 积和离子注入等。
16
第六章 电子束和离子束加工
1离子刻蚀
当所带能量为0.1～5keV、直径为十分之几纳米的的氩离子轰 击工件表面时，此高能离子所传递的能量超过工件表面原子 （或分子）间键合力时，材料表面的原子（或分子）被逐个 溅射出来，以达到加工目的。这种加工本质上属于一种原子 尺度的切削加工，通常又称为离子铣削。 离子束刻蚀可用于加工空气轴承的沟槽、打孔、加工极薄材料 及超高精度非球面透镜，还可用于刻蚀集成电路等的高精度 图形。
第六章 电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工
1
第六章 电子束和离子束加工
6.1 电子束加工
一. 电子束加工原理和特点
（一）加工原理 电子束加工是利用高速电子的 冲击动能来加工工件的，如图6-1 所示。在真空条件下，将具有很高
速度和能量的电子束聚焦到被加工
材料上，电子的动能绝大部分转变 为热能，使材料局部瞬时熔融、汽
行电子束光刻加工。
3
第六章 电子束和离子束加工
（二）电子束加工特点 (1) 可进行微细加工。
(2) 非接触式加工。
(3) 电子束的能量密度高，加工效率高。
（4）整个加工过程便于实现自动化。
(5)加工在真空中进行，污染ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ，加工表面不易被氧化。
（6）电子束加工需要整套的专用设备和真空系统，价
格较贵。
4
17
2离子溅射沉积
第六章 电子束和离子束加工
采用能量为0.1～5keV的氩离子轰击某种材料制成的靶材，将 靶材原子击出并令其沉积到工件表面上并形成一层薄膜。 实际上此法为一种镀膜工艺。
电子束离子束加工讲解
特别是易氧化材料及纯度要求高半导体材料
4. 可控性好，易实现自动化
通过磁场或电场对电子束强度、位置、聚焦等直接控制
5. 需专用设备和真空系统，价格较贵
主要用于精密微细加工，应用有一定局限性
三、电子束加工设备
电子枪
阴极、控制栅极、加速阳极
真空系统
避免电子与气体分子碰撞减速
最小孔径或缝宽１μ m，深孔的深径比大于15
加工速度快，变形小，每秒几千到几万个，
取决于板厚孔径及复杂程度，EDM的50倍，LBM的5倍
专用塑料皮革打孔机将片状电子束分割成数 百条细束，速度达每秒５万孔
２. 加工异型孔及特殊表面（切割）
切割复杂型面 切口宽度可达 ３～６μm， 边缘表面粗糙 度控制在 ±0.5 μm
四、离子束加工的应用
4. 离子束曝光 具有高分辩率和灵敏度，能对线宽小于0.1μm 的精密微细图形曝光，在相同抗蚀剂时，离子 束曝光的灵敏度比电子束曝光高一个数量级以 上，曝光时间大为缩短。 离子束将成为微细图形写图和复印的重要手段， 但目前电子束曝光技术比较成熟。
作业与思考题
问答题: 1.快速成形的工艺原理与常规加工工艺有何不同？ 具有什么特点？
一、离子束加工原理
与电子束加工类似，在真空条件下，将离子束 经加速和聚焦后冲击到工件表面上实现加工。
不同的是离子质量是电子的数千数万倍，在同 电场中加速慢，而一旦加到高速，具有更大动 能，撞击材料引起原子分子分离溅射或注入。
所利用的是离子束微观的机械撞击作用（弹性 碰撞、微观力效应），而不是热效应。
四、离子束加工的应用
1. 精微加工
加工非球面透镜, 金刚石刀具刃磨 精微打孔，玻璃、 镍铂上打几微米孔， 孔壁光滑 高精度图形刻蚀， 集成电路、微电子元 件、硬掩膜等 抛光致薄压电晶体
章电子束和离子束加工
1
第六章 电子束和离子束加工
电子束加工（简称EBM）和离子束加工（简称IBM）是 近年来得到高速发展的新兴特种加工。这两种加工主要用 于精细加工领域，尤其是微电子领域。
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。
EBHardening/ EBAnnealling
EB-Pre-heating/ EB-Pre-heating/
EB-Remelting
EB-Welding/
编辑pEpBt -Gladding
EB-Positioning/ EB-Welding/ EB-After-heating 16
4、焊接
电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接工艺。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，在电子束连续不断地轰击下，形成一个被熔融金属环 绕着的毛细管状的熔池，如果焊件按一定速度沿着焊件接 缝与电子束作相对移动，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条焊缝。
编辑ppt
2
第一节 电子束加工
1、电子束加工的基本原理：
在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高的电子束， 以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，在极短的时间 内，其能量大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料 达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部熔化和 气化，被真空系统抽走。
编辑ppt
3
编辑ppt
0 .0 3 ～ 0 .0 7 m m
图2 电子束加工的异形孔
编辑ppt
14
3 3
1
2
(a)
---------电子束加工的特点及其应用
电子束加工的应用1. 电子束加工的主要应用1.1 电子束焊接电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接工艺。
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。
1. 电子束焊接在航空航天工业的应用[2]作为一种现代先进的焊接技术，电子束焊接首先进入的就是航空航天领域。
小到微型压力传感器，大到航天器外壳，航空航天零部件所用材料的独特性及焊接要求的特殊性, 使得电子束焊接迅速成为这些重要零部件加工所必须采用的工艺，大量应用于飞机重要承力件和发动机转子部件的焊接上。
美国的F-22战斗机机身段上,由电子束焊接的钛合金焊缝长度达87.6mm，厚度为6.4-25mm。
另外，电子束焊接技术还用来焊接汽轮机喷管隔板、高温蒸汽机转轴、汽轮机定子、燃气涡轮叶片、航空发动机转子、摇臂组件、机匣、功率轴、飞机梁、起落架, 导弹壳体、航弹尾翼等。
2.电子束焊接在汽车工业的应用[3]20世纪60年代，日本富士重工和美国通用汽车公司率先采用电子束焊接变速箱齿轮和飞轮，此后电子束焊接便吹响了进军汽车工业的号角。
目前，几乎所有的国际汽车制造公司都引入了电子束焊接设备。
德国大众汽车公司仅一个齿轮加工车间内, 就装有20余台电子束焊机。
汽车生产中，电子束焊接多用来加工发动机、变速器、行走系等处的零件，这些零件的机械加工量相对较少，符合电子束焊接的经济性要求。
比如[]，汽车发动机中的配电盘凸轮必须是渗氮后焊接，因其对接材料不同（低碳渗氮钢-SAE1144），采用其它接合方法比较困难，故采用电子束焊接较为合适；柴油机的预燃室过去采用钎焊（对接材料不锈钢-耐热钢），改用电子束焊后提高了质量, 也降低了成本；起动马达整流子铜环采用电子束焊后，可同时高速焊接数十个，生产率大大提高，成本大幅度下降；转向车轮部分的球窝接头采用电子束焊接，施焊速度非常快, 热影响很小，能很好地防止球接头中封装的黄油受热变质；转向柱管的焊接要求变形小、焊接表面光滑，故也适宜采用电子束焊接。
现代加工技术第7章 电子束离子束加工
2024/10/7
7.1.电子束加工
3 电子束加工的应用
II 加工型孔或特殊外表
切割复杂型面，切口宽度6~3 μm ，边 缘粗糙度可控制在±0.5μm ；
不仅可以加工直孔也可以加工弯孔和 立体曲面；
Page 9
2024/10/7
7.1.电子束加工
3 电子束加工的应用
III 刻蚀
在微电子器件生产中，为了制造多层固体组件，利用电 子束对陶瓷或半导体材料可出许多微细沟槽和孔 ； 制版；
ii 蚀刻加工时，对离子入射能量、束流大小、离子 入射到工件上的角度以及工作室气压等分别控制；
iii 氩气离子蚀刻效率取决于离子能量和入射角度；
入射能量增大蚀刻效率增加；
入射角度增加蚀刻效率增加，但角度过大使有效束流减 小，40º~60º效率最高；
Page 21
2024/10/7
7.2.离子束加工
Page 10
2024/10/7
7.1.电子束加工
3 电子束加工的应用
IV 焊接
当高能量密度的电子束轰击焊件外表时，使焊件接头处 的金属熔融，在电子束不断轰击下，形成一个被熔融金 属环绕的毛细管状的蒸气管，如果焊件按一定速度沿接 缝与电子束作相对运动，那么接缝上的蒸气管由于电子 束的离开而重新凝固，形成焊缝 ； 焊接速度快，焊缝窄、强度好，热影响区小，变形小； 可以焊接难熔金属和化学活性高的金属； 可以焊接不同材料；
Pag.离子束加工
2 离子束加工装置
I 离子源
i 考夫曼型离子源；
Page 19
2024/10/7
7.2.离子束加工
2 离子束加工装置
I 离子源
ii 双等离子体型离子源；
电子束加工的特点及其应用
电子束加工的特点及其应用摘要：电子束加工简称EBM，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，是一种完全不同于传统机械加工的新工艺。
它们在精密微细加工方面，尤其是在微电子学领域中得到较多的应用。
随着科学技术的发展，电子束加工技术必将有一片广阔的应用前景。
关键词：电子束原理;应用;发展前景引言电子束加工（EBM）是近几年得到较快发展的新兴特种加工技术。
电子束加工主要用于打孔、割缝、焊接和大规模集成电路德光刻化学技工等，在精密微细加工方面，尤其是在微电子领域中得到了广泛地应用，在近几年兴起的亚微米加工和纳米加工中，电子束加工技术也发挥着重要作用。
1．电子束加工的原理和分类1.1加工原理电子束加工.原理是在真空条件下,利用聚焦后能量密度极高的电子束,以极高的速度冲击到工件表面极小的面积上,在很短的时间(几分之一微秒)内,其能量的大部分转变为热能,使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温,从而引起材料的局部熔化和气化,被真空系统抽走的加工技术。
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。
.1.2 电子束加工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。
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制等；5)电子束热处理。
电子束加工和等离子体加工
第五节 等离子体加工 Plasma Arc Machining/PAM
等离子体：气体在高温下离解成正离子及自由电子，整体仍旧 保持电中性，这种高温电离气体称为等离子体。
等离子体加工：利用电弧放电使气体电离成过热的等离子态气 流，靠局部熔化及汽化去除材料的工艺方法称为等离子体加工。
一、基本原理 等离子体具有极高的 能量密度，是由以下三种 效应造成的： 1)机械压缩效应 等离子体切割嘴通道 直径及长度 2)热收缩效应 气流流量与压力；冷 却水作用 3)磁收缩效应 由电弧电流形成磁场 综合结果： 高电流密度，高温 度，高速度（高动能）→ 热能
冷却水 割枪主体 保护罩 电源 喷嘴 距离 等离子体电弧 保护气体屏 钨电极 工质气体
切缝宽度 (约为喷嘴直径的两倍)
等离子体加工原理图
二、设备
二、设备
二、设备
三、应用 等离子弧喷涂； 等离子弧热处理； 等离子弧切割； 等离子弧焊接。
（五）热处理；
（六）曝光。
三、电子束加工的应用
Video
三、电子束加工的应用 右图所示为电子束加工弯曲的型面。其原理为：电子束在磁场 中受力，在工件内部弯曲，工件同时移动，即可加工曲面Ⅰ；随后
改变磁场极性，即可加工曲面Ⅱ；在工件实体部位内加工，即可得
到弯槽Ⅲ；当工件固定不动，先后改变磁场极性，二次加工，即可 得到一个入口、两个出口的弯孔Ⅳ。拉制电子束速度和磁场强度， 即可控制曲率半径。
三、电子束）焊缝深而窄，深宽比可达70:1 3）焊件热影响区小 4）一般不用焊条，焊缝强度一般 高于母材
电子束焊接
SEM image of a work sample on a magnesium oxide surface using FIB. The diameter of the hole measures approximate. 4 µm.
电子束离子束激光束加工
离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生 的撞击效应、溅射效应和注入效应。离子束加工可分为四类。
1) 离子刻蚀 离子轰击工件，将工件表面的原子逐个剥离，又称离子 铣削，其实质是一种原子尺度的切削加工。 2) 离子溅射沉积 离子轰击靶材，将靶材原子击出，沉积在靶材附近的 工件上，使工件表面镀上一层薄膜。 3) 离子镀(又称离子溅射辅助沉积) 离子同时轰击靶材和工件表面，目的是为了增强膜材与 工件基材之间的结合力。
1.2 离子束加工 1．加工原理 离子束加工也是一种新兴的特种加工，它的加工原理
与电子束加工原理基本类似，也是在真空条件下，将离 子源产生的离子束经过加速、聚焦后投射到工件表面的 加工部位以实现加工的。所不同的是离子带正电荷，其 质量比电子大数千倍乃至数万倍，故在电场中加速较慢， 但一旦加至较高速度，就比电子束具有更大的撞击动能。 离子束加工是靠微观机械撞击能量转化为热能进行的。
3. 激光加工的应用 1) 激光打孔 随着近代工业技术的发展，硬度大、熔点高的材 料应用越来越多，并且常常要求在这些材料上打出又 小又深的孔，例如，钟表或仪表的宝石轴承，钻石拉 丝模具，化学纤维的喷丝头以及火箭或柴油发动机中 的燃料喷嘴等。这类加工任务，用常规的机械加工方 法很困难，有的甚至是不可能的，而用激光打孔，则 能比较好地完成任务。
激光束 光束准直 振镜 Y轴 马 达 透镜
图3 振镜式激光打标原理
激光打标的特点是非接触加工，可在任何异型表 面标刻，工件不会变形和产生内应力，适于金属、塑 料、玻璃、陶瓷、木材、皮革等各种材料；标记清晰、 永久、美观，并能有效防伪；标刻速度快，运行成本 低，无污染，可显著提高被标刻产品的档次。
离子注入可提高材料的耐腐蚀性能，改善金属材 料的耐磨性能，提高金属材料的硬度，改善金属材料 的润滑性能等。
电子束加工技术
五应用
打 孔
例三： 电子束加工在人造革上的应用。现在人造革已很普 及，但人造革透气性很差，穿着很不舒服。用电子 束在人造革上打孔可以达到相当好的效果。如以天 然革穿着的舒适度为100，微孔聚氨酯革只有55，而 用电子束打孔的PVC革可达85。电子束打孔成本比 天然革成本低，可替代天然革。加工时，用一组钨 杆将电子枪产生的单个电子束分割为200个孔，效率 非常高。因为对孔型无严格要求，人造革在滚筒上 旋转时，电子束无须随之转动。如1.5mm厚革加工 时，脉冲频率为25Hz，打孔速率为5 000／s，滚筒 转速为6r／min。
四 加工特点
(3) 电子束的强度、位置、聚焦进行直接控制 位置 控制的准确度可达0．1微米左右，强度和束斑的大 小控制误差也易达到1％以下。通过磁场或电场几乎 可以无惯性，无功率的控制电子束，便于采用计算 机控制，实现加工过程自动化。 (4) 真空环境下加工点不受杂质污染 加工点处能保 持原来材料的纯度。适合于加工易氧化的金属及合 金材料，特别是要求纯度极高的半导体材料。 (5)电子束加工需要一套价格昂贵的．专用设备， 加工成本高。
电子束控制系统
束流聚焦控制是为了提高电子束的能量密度，使电 子束聚焦成很小的束斑，它基本上决定着加工点的 孔径或缝宽。聚焦方法有两种，一种是利用高压静 电场使电子流聚焦成细束;另一种是利用“电磁透镜” 靠磁场聚焦。后者更为安全可靠。 所谓电磁透镜，实际上是电磁线圈，通电后它产生 的轴向磁场与电子束中心线平行，径向磁场则与中 心线垂直。根据左手定则，电子束在前进运动中切 割径向磁场时产生圆周运动，而在圆周运动时在轴 向磁场中又将产生径向运动，所以实际上每个电子
电子束加工
简 介
吴爱民等以H13和D2模具钢为基材，通过脉冲电子 束直接淬火和电子束表面合金化等方法进行表面改 性处理试验。
2012 - 13 - 电子束加工
不及长大，从而能获得一种超细晶粒组织，可使工件获得用常规热处理不能达到的硬
度，硬化深度可达0.3～0.8mm。
电子束加工
高速打孔 目前电子束打孔的最小直径可达Ø0.003mm左右。例如喷气发动机套上的冷却
孔，机翼的吸附屏的孔。在人造革、塑料上用电子束打大量微孔，可使其具有如真
皮革那样的透气性。电子束打孔还能加工小深孔，如在叶片上打深度5mm、直径 Ø0.4mm的孔，孔的深径比大于10：1。
热处理 电子束热处理也是把电子束作为热源，但适当控制电子束的功率密度，使金属表
度为10μm，而且以热的形式传输到相当大的区域。
电子束加工
电子枪系统
聚焦系统
抽真 空系 统
电子束
工件 电源 及控 制系 统
电子束加工的基本原理
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的电子束。 当电子束以极高的速度、在极短的时间内（几分之一微秒）冲击到工件 表面极小的面积上时，电子束的动能立即转变成为热能，产生出极高的温度， 足以使任何材料局部瞬时熔化、气化，从而可进行焊接、穿孔、刻槽和切割
废液，对环境几乎不造成污染；
加工表面不产生氧化，特别适合于加工易氧化的金属及合金材料，以及纯
度要求极高的半导体材料。
电子束可将90%以上的电能转换成热能。电子束的能量集中，损失较小。 由于使用高电压，会产生较强的 X 射线，因此必须采取相应的安全措施。 加工需要在真空装置中进行，对加工环境的要求较高。 加工需要整套的专用设备，因此设备造价比较昂贵，故在生产中受到一定 程度的限制。