电子束加工.docx

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（106109w/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(30200千伏)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（105109w/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0.010.05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0.031.0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（106109 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0.55mm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1030 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1.3310-21.3310-4Pa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1.40.14Pa的初步真空度，然后由油扩散泵或涡轮分子泵抽至0.0140.00014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。）”靠磁场聚焦。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50150KV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。工作台的移动控制是为了在加工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。四、 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。电子束的焊接过程是首先把电子枪和室内的空气抽出来，使之成为为真空。灯丝通电，加热阴极，阴极受热后向外发射电子，阴极发射出来的电子流在阴极与阳极间，在高压电场中加速，以每秒大于16万公里的速度射向焊件，电子的动能装化为热能，使焊件迅速熔化，为了使电子束能量高度集中，电子束要经过聚焦系统聚焦成一点，偏转线圈使电子束对准焊缝，工作台经传动系统，使焊件移动成焊件过程。在焊接过程中，如果电子束的移动速度与焊件的移动速度达不到动态平衡，那么焊件接缝口处的焊缝就会凸凹不平，精度得不到保证。不仅如此，由于电子束的能量密度高，焊接速度快，所以电子束焊接的焊缝深而窄，热影响区小，变形小。电子束焊接一般不用焊条（这不同于传统焊接），焊接过程在真空中进行，因此焊接化学成份纯净，焊接接头处的强度往往高于母材。电子束焊接还能完成一般焊接方法难以实现的异种金属焊接。如铬青铜与双相不锈钢异种材料电子束熔钎焊，铜和不锈干的焊接。由于两种材料的熔点、热导率等热物理性能存在显著差异。在电子束焊接过程中接头母材两侧热量的分布极不均匀，这种相对于对接接头中线非对称温度场的形成将导致两侧母材熔化不均，在电子束对中焊接头中线两侧形成了非对称分布的温度场，从而导致两侧母材熔化不均。在对中焊时，两侧母材虽都有熔化参与熔池形成，但由于二者熔点、密度、原子活性及高温流动性的差异，在快速移动电子束深穿作用下，两侧熔化母材金属尚未在液态无限互溶即开始结晶凝固，从而形成焊缝宏观组织的不均匀。而解决这种问题的途径就是增加电子束距对接中线弱侧偏移值，使之受热达到均匀化。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。其的特点如下：1. 电子束焊接的能量密度高，可焊接一般电弧焊难以实现的焊缝； 2. 电子束焊接是在真空中进行，焊缝的化学成分稳定且纯净，接头强度高，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乎所有的金属材料； 5 电子束焊接可获得深宽比大的焊缝 (20 150 1)，焊接厚件时可以不开坡口一次成形；6 电子束焊接结合计算机技术，实现了工艺参数的精确控制，使焊接过程完全自动化。在加工精度方面，电子束焊接远远超过传统焊接技术。主要原因是：1. 电子束是在真空中加工，保护作用好，而传统焊接是在空气中操作，纯度得不到保证。2. 电子束焊接接头不开波口，装配不留间隙，焊接时不加填料金属，街头光滑整洁。3. 热源能量密度大，焊接速度快，变行小，焊缝深而窄。4. 可进行穿入式的成型焊接，这是传统焊接所不能做到的。5. 电子束可以精确的确定焊缝的位置,精度和重复性误差为 0%。6. 最大的穿透深度,可达15MM、最高的深宽比大于10：1焊接直径可达400MM电子束焊接所需线能量小，而焊接速度高，因此焊件的热影响区小、焊件变形小，除一般焊接外，还可以对精加工后的零部件进行焊接。应用领域里，电子束焊接主要应用于：1. 航空与航天领域：飞行器构件、喷气式发动机部件、起落架。2. 汽车工业领域：高速齿轮、液力变矩器涡轮组件、驾驶舱模块横梁、保护气囊、后桥等。3. 动力与原子能：压力容器、核反应堆燃料棒、汽轮机喷管隔板等。4. 电子与医疗：继电器壳体、压力传感器、心脏起搏器壳体等。5. 电机与仪表：电机的定子转子叠片与整流子、膜合。其他：双金属（锯条、热敏元件、冷却器）、金刚石钻头等。电子束加工技术在表面工程中的应用有以下几个方面: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。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。电子束物理气相沉积电子束物理气相沉积 ( EB2 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。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，可以大幅度提高工具和模具的使用寿命。2) 防腐涂层：由于 EB2 PVD技术制备出的涂层致密程度高，对于在腐蚀环境下工作的零件，其防腐效果非常好。除此之外， EB2 PVD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 ( T BCs)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 )热效率达到 60%以上。同时， T BCs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， EB2 PVD工艺已经成功地将氧化物涂层和多层金属 /陶瓷涂层，以较高的沉积速率应用于涡轮发动机等大型零件。由 EB2 PVD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。EB2 PVD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。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，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。国内多种型号的飞机及发动机和多种型号的导弹壳体、油箱、尾喷管等结构件均已采用了电子束焊接。因此，电子束焊接技术的应用越来越广泛，