电子束加工

机械工程概论题目：电子束加工技术

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。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。

一、电子束加工技术的原理

现在的社会可以说电视机很平凡，很

常见了。而且它的成像原理就如同我今天

要说的电子束加工原理。电子束是在真空

条件下，利用聚焦后能量极高

（106~109w/cm2）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（几分之一微妙）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，被真空系统抽走。

下面特殊介绍一下快速扫描电子束加

工技术原理，如图 1 所示，就是通过对电子枪偏转线圈和聚焦线圈

的控制，使电子束在工件上按特定的轨迹、速率和能量快速偏转而实

现快速扫描电子束加工。由于电子束几乎没有质量和惯性，可以实现

非接触的偏转，而且通过电压控制，可以在不同的位置切换时控制束

流通断，这样，

束流就可以

在构件的不

同位置以极

高的频率切

换。由于材料

的热惯性，通

过束流与材

料的相互作

用，在这些位

置上就会同

时产生冶金

效果，实现电

子束的扫描加工。如果在不同的束流之间改变聚焦位置或者束流强度，则可以实现多功能加工技术，如多束流加工技术、电子束“毛化”技术以及电子束快速成型技术等。

总的来说，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。

二、电子束加工技术的特点

电子束加工的主要优点是：

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；

其主要缺点是：

a. 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；

b. 需要在真空装置中进行加工；

c. 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。

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0.03～1.0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。

三、电子束加工装置的组成

在许多工业领域中，电子束聚焦后能量密度极高（106～109 w/cm2），并以极高的速度冲击到工件表面极小的面积上，在极短的时

间（几分之一秒）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或气化。

电子束加工装置主要由电子枪、真空系统、控制系统及电源等部分组成。了解电子束加工的结构是为了更好的控制电子束能量密度的

大小和能量注入时间，就可以达到不同的加工目的，如果只使材料局

部加热就可进行电子束热处理；使材料局部熔化可进行电子束焊接；提高电子束能量密度，使材料熔化和气化，就可进行打孔、切割等加工；利用较低能量密度的电子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理，进行电子光刻加工。如：电子束爆光可以用到电子束扫描，将聚

焦到小于1um的电子束斑在大约0.5～5mm的范围，可爆光出任意图形；甚至可以在几毫米见方的硅片上安排十万个晶体管或类似的元件。

电子枪是获得电子束的装置，它包括电子发射阴极、控制栅极和

加速阳极等。其中阴极经电流加热发射电子，带负电荷的电子高速飞

向带高电位的正极，在飞向正极的过程中，经过加速，又通过电磁镜

把电子束聚焦成很小的束流。发射阴极一般用纯钨或钽做成阴极。大

大功率时用钽做成块状阴极。在电子束打孔装置中，电子枪阴极在工

作过各中受到损耗，因此每过10～30 h就得进行定期更换。控制栅

极为中间有孔的圆筒形，其上加以较阴极为负的偏压，既能控制电子

束的强弱，以有初步的聚集作用。加速阳极通常接地，而在阴极加以

很高的负电压以驱使电子加速。

真空系统是为了保证在电子束加工时达到1.33×10-2～1.33×10-4Pa的真空度。因为只有在高真空时，电子才能高速运动。为了

消除加工时的金属蒸气影响电子发射，使其不稳定现象，需要不断地

把加工中产生的金属蒸气抽去。它一般由机械旋转泵和油扩散泵或涡

轮分子泵两部分组成，先用机械旋转泵把真空室抽至1.4～0.14Pa的初步真空度，然后由油扩散泵或涡轮分子泵抽至0.014～0.00014的

高真空度。

控制系统是由束流聚焦控制、束流位置控制、束流强度控制以及

工作台位移的控制等组成。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流，它基本上决定着加工点的孔径或缝宽。聚焦一种是利用高压静电场使电子流聚焦成细束；另一种比较可

靠是利用“电磁透镜（实际上是为一电磁线圈，通电后它产生的轴向

磁场与电子束中心线相平行，径向磁场则与中心线垂直。）”靠磁场