电子束加工论文.doc

电子束加工的特点及其应用数控101 张致远 0403101142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1概述： 1.1加工原理 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。其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。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。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。1.2.1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。包括金属材料的局部热处理以及对离子注入后半导体材料的退火等。上述各种电子束加工总称为高能量密度电子束加工。1.2.2电子束化学加工 电子束化学加工又称作电子束非热加工是基于电子束的非热效应,利用功率密度比较低的电子束和电子胶(又称电子抗蚀剂,由高分子材料组成)相互作用产生的辐射化学效应对材料进行加工。该加工方法的应用的领域主要是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。电子束化学加工方法是先在待加工材料表面涂上具有高分辨率和高灵敏度的化学抗腐蚀涂层,然后通过计算机控制电子束成像电镜及偏转系统,聚焦形成高能电子束流,轰击涂有化学抗腐蚀涂层的材料表面,形成抗腐蚀剂图形,最后通过离子注入、金属沉淀等后续工艺将图形转移到材料表面。2电子束加工的主要应用2.1电子束焊接 当电子束功率密度达105106W/cm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。2.2电子束蚀刻和电子束钻孔 用聚焦方法得到很细的、功率密度为 106108W/cm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0.16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。2.3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10-1Pa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。利用电子束加热甚至可铸造100吨的坯料。2.4电子束“毛化”技术 电子束“毛化”技术（Electron Beam Surfi-sculpt）是英国焊接研究所（TWI）Bruce Dance等人近年来发明的一种新型电子束加工技术，它借助于电磁场对电子束的复杂扫描控制而在金属材料表面产生特殊的成形效果。其基本过程是在真空环境中，通过快速响应偏转线圈和复杂信号控制程序精确控制电子束流，使其按照某种特定的方式、特定的规律、一定的速度和能量作用于材料表面，并在材料表面形成金属的微小熔池。一旦材料开始形成熔池，电子束将通过磁场的扫描控制被迅速转移到其他位置，而熔化的液态金属在表面张力及金属蒸汽压力的共同作用下，向束流移动相反的方向流动，并在熔池后方快速冷却、凝固。随着束流的重复扫描，熔池前端的金属被继续转移到熔池后端，经过不断的堆积、冷却、凝固，逐渐形成一定形状和大小的“凸起”（毛刺），产生表面“毛化”的效果，而在熔池前端形成很小的凹坑或者凹槽状的“刻蚀”。 对任何纹理的结构，都可以通过改变尺寸、形状、入射角和特征分布来定制客户所需的表面。目前已经成功制备尺寸从10um-20mm的毛刺。图2是电子束毛化的几种表面形貌。该技术不仅能够加工其他工艺无法实现的表面造型，而且在真空操作下可以避免表面污染。3电子束加工的特点3.1电子束加工的主要优点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。3.2电子束加工的主要缺点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。4电子束加工的现状及发展前景在这30多年的时间里，北京航空工艺研究所进行“R”系列的电子束焊接工艺研究，对多种材科如铝合金、钛合金、不锈钢、超强钢、高温合金等，均进行了细致研究测试，加速电压在200kV以内。一次可焊最大厚度为300mm的钢板，铝合金近50mm。另外，西欧制造了一台直径为10m。长1lm的800m的真空室的电子束焊机，功率为 50kW焊接铝、钛及钢的熔深分别达到200mm，150mm和130mm。西欧还采用偏转电子束设备焊接铜制射频器的内径，得到光滑无凸起的油环焊 缝。10kW的电子束通过一个磁棱镜和二中磁透镜偏转90，完成内径焊接。为了适应更广泛的工业要求，还出现了局部真空和非真空的电子束焊接设备。局部真空和非真空避免了庞大的真空系统的运用不充分，主要用于大型不太厚零件或 小型薄件大批量生产其束功率一般在1545kW，加速电压100kV左右。参考文献1 刘晋春，白基成，郭永丰特种加工 M 北京：机械工程出版社，200832 金庆同特种加工 M 北京：航空工业出版社，19883 余承业特种加工新技术 M 北京：国防工业出版社，19954 微细加工技术编辑委员会微细加工技术