| 词条 | 电子束加工 |
| 释义 | § 概念 电子束加工技术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。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（见电子束与离子束微细加工）。 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。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。 § 加工原理 电子束加工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（105～109瓦／厘米2）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。 特点和应用 电子束加工的主要特点是：①电子束能聚焦成很小的斑点(直径一般为0.01～0.05毫米)，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。主要缺点是: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。 § 特点 1.是一种精密微细的加工方法。 2.非接触式加工，不会产生应力和变形。 3.加工速度很快，能量使用率可高达90％。 4.加工过程可自动化。 5.在真空腔中进行，污染少，材料加工表面不氧化。 6.电子束加工需要一整套专用设备和真空系统，价格较贵。 § 分类 电子束加工设备1、电子束焊接 电子束功率密度达105～106瓦/厘米2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）、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。 2、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 106～108瓦/厘米2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0.1～6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、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。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10-3和10-1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。 § 加工装置 电子束加工装置电子束加工装置主要由电子枪、真空系统、控制系统和电源等部分组成。了解电子束加工的结构是为了更好的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。 1、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。（1）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。 （2）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，既能控制电子束的的强弱，以有初步的聚集作用。（3）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。 2、真空系统是为了保证在电子束加工时达到1.33x10-2～1.33x10-4Pa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。 3、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。 （1）束流聚焦控制是为了提高电子束的的能量密度，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。）”靠磁场聚焦。 （2）束流强度控制是为了使电流得到更大的运动速度，常在阴极上加上50～150KV以上的负高压。加工时，为了避免热量扩散到不用加工的部位，常使用电子束间歇脉冲性地运动。 （3）工作台的移控制是为了在加式过程中控制工作台的位置。如果在大面积加工时有伺服电机控制工作台移动并与电子束的偏转相配合将减少像差和影响线性。 § 应用 电子束加工应用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。 1、高速打孔 ； 2、加工型孔及特殊表面； 3、刻蚀； 4、焊接； 5、热处理； 6、电子束光刻 |
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