淺析電子束加工工藝特點及其應用

何 宇

（西南大學 工程技術學院，中國 重慶 400715）

0 引言

隨著科學技術的高速發(fā)展，大多數的元器件都要進行超高精度的加工，其數量級可達到納米級，而電子束加工則在其中起了舉足輕重的作用。電子束加工屬于特種加工方法的一種，在工業(yè)上的應用已有差不多半個世紀的歷史，現(xiàn)已被許多部門完全接受。最近幾年，電子束加工技術日益成熟，應用也是更加廣泛。打孔、焊接、切割、刻蝕、熱處理等各個領域都有電子束加工發(fā)揮的空間。其中電子束加工在焊接方面應用最為廣泛，也最具競爭力。

1 電子束加工的的定義及原理

1.1 電子束加工的定義

電子束加工是利用能量密度非常高的高速電子流，在一定真空度的加工艙中使不同的金屬、非金屬材料熔化，蒸發(fā)和汽化而去除的高能束加工。

1.2 電子束加工的原理

電子束加工是在真空的環(huán)境下，利用加熱的陰極發(fā)射電子流，使帶負電荷的電子流高速飛向陽極，中途通過加速極加速，并經電磁透鏡聚焦，使得能量密度高度集中，能夠把能量聚集到直徑為0.1 至10μm 的斑點里面，從而獲得106 至109W/cm2能量密度，在非常短的時間里，將其中的能量轉變?yōu)闊崮?，使被沖擊的材料溫度達到數千攝氏度，從而引起被沖擊材料的熔化和氣化，沖擊過程中產生的廢棄物質將被真空系統(tǒng)抽出。簡而言之，電子束加工是一種以高能量密度的電子流作為熱源，對各種工件材料進行區(qū)別于傳統(tǒng)機械加工的特殊加工工藝。

2 電子束加工的工藝特點

因為電子束加工特殊的工作原理，所以使其具有獨特的工藝特點。電子束加工具有許多其他加工方式所不具備的優(yōu)點，同時它也有一定的缺陷。

2.1 電子束加工的優(yōu)點

2.1.1 電子束直徑很小

電子束可以非常微細地聚焦，電子束直徑甚至能聚焦到0.01μm。電子束長度可以達到直徑的數十倍以上，因此完全可以進行深孔加工和微細加工。

2.1.2 電子束能量密度高

電子束集束在直徑為幾個微米的斑點上時，能量可達到109W/cm2，足以熔化和氣化任何材料。

2.1.3 生產效率高

因為電子束能量密度很高，并且能量利用率可達90%，所以雖然加工材料、孔的大小有所不同，但總的來說，加工5mm 左右厚的工件也就數十秒，非常之短。

2.1.4 材料適應性廣

電子束加工的從原則上講，只要電子束能量密度足夠大，各種材料均可以加工，特別適合加工難熔、特硬的金屬材料和非金屬材料。例如，電子束加工就可以對難熔的陶瓷進行打孔、焊接等特殊加工。

2.1.5 工件變形小

電子束加工屬于非接觸式加工，主要靠電子流瞬間蒸發(fā)掉需要去除的材料，加工點周圍的熱影響很小，工件基本不會產生應力和變形，而且工具不容易被損耗，所以加工材料范圍相當廣，尤其適合加工熱敏材料。

2.1.6 控制性能卓越

電子束能量密度大小，匯聚位置可以通過電場或磁場控制電子束的聚焦來實現(xiàn)，并且控制精度很高。所以整個加工過程完全可以實現(xiàn)自動化。例如，可以通過電氣控制加工帶錐度孔和曲面弧形切割。

2.1.7 污染非常少

由于電子束加工是在真空中進行的，因此污染很少，工件表面不會氧化，所以非常適合加工易氧化的金屬和對純度要求非常高的半導體材料。

2.2 電子束加工的缺陷

電子束加工原理決定了其需要一整套的真空設備，因此電子束加工的成本很高。電子束加工的性質還決定其多用于微細加工，有一定的局限性。另外電子束加工的過程中會產生X 射線，對人體會有一定的危害。所以總的來說電子束加工在加工和應用中存在一定缺陷的。

3 電子束加工的應用

由于電子束加工中電子束能量密度和加工時間可以調整，所以其應用比較廣泛。以下將主要從打孔、焊接、熱處理這三個方面介紹電子束加工的應用。

3.1 電子束打孔

電子束打孔在實際中已經得到應用，特別是在國外，電子束打孔已經被廣泛應用于航空、電子、化學等工業(yè)。如機翼的吸附屏的孔，電子電路印刷版，化纖噴絲頭等。

電子束加工出的孔可以非常小，最小的孔直徑可達Φ0.001mm。

電子束打孔時，可以將發(fā)射電子束再細分為許多道更細的電子束，這樣可以同時打出更多的孔，效率很高。專用塑料打孔機就是應用這樣的原理，每秒可打出50000 孔，且孔徑可在40 至120μm 范圍內調整。

電子束加工可以加工一些特殊要求的孔，比如說加工深小孔，電子束可以在葉片上打出孔徑比大于10：1 的孔；值得一提的是電子束可以加工彎孔，當電子束高速運動經過磁場時，其運動方向會在工件內部發(fā)生改變，從而產生彎孔，彎孔的曲率半徑可以通過改變電子束速度和磁場強度進行調整。

電子束加工可用于不同材料的孔加工，材料適應性非常廣。除了可以用于各種金屬材的孔加工，還可以在預熱（防止溫差導致變形和破裂）的基礎上對玻璃、陶瓷、寶石等脆性材料上加工孔。另外電子束還可以在人造革、塑料等材料上加工大量微細小孔，使其具有透氣性。

電子束加工出的孔質量較好，沒有毛刺、再鑄造層等缺陷。

3.2 電子束焊接

電子束技術于1951年用于焊接，并在之后得到迅速普及，現(xiàn)在已經是發(fā)展最快，應用最廣的電子束技術。因為電子束加工焊接方面的應用最為廣泛，電子束加工設備中也是以電子束焊接設備最為常見。

電子束焊接是一種以高速電子束的動能作為能源的焊接工藝。通過將高速的電子流不斷地轟擊在焊接表面，使焊件被轟擊處的金屬熔融，且在熔融金屬周圍形成如毛細管般的熔池。接頭移開電子束轟擊范圍時，熔池會凝固形成焊縫。

電子束焊接速度非常快得益于電子束的高能量密度。因此電子束焊接的熱影響很小，工件變形相應的也很小，所以電子束可以用于薄工件和精加工后的工件的焊接。

電子束焊接可以焊接出具有較大深寬比的焊縫。焊縫的深寬比最大可達50：1，所以焊接很厚的工件時可以在不開坡口的情況下一次完成焊接。

電子束焊接的金屬材料范圍很廣。除了可以焊接普通碳鋼、合金鋼、銅等各種金屬外，因為電子束的高能量密度，還可以焊接鉭、鈮、鉬等難熔金屬，另外由于電子束焊接在真空中進行，所以還可以焊接鈦、鈷、鈾等活潑金屬。必須說的是，電子束焊接還可以實現(xiàn)異種金屬間焊接。

3.3 電子束加工在熱處理中的應用

和電子束焊接類似，電子束熱處理也是一種將電子束作為能源的加工工藝。相比于電子束焊接，電子熱處理的電子束功率密度需要低一點，以防止金屬表面被熔化。

電子束熱處理的硬度較高。這是因為電子束熱處理能夠非?？斓募訜岷屠鋮s，使奧氏體晶粒沒來得及長大便形成了一種超細晶粒，獲得普通熱處理所達不到的硬度，且硬化深度相對較大。

電子束熱處理能量利用率較高。因為電子束熱處理可以對材料進行局部處理，非常節(jié)能。另外電子束熱處理電熱轉換效率能高達90%，比激光熱處理只有大約10%的轉換效率要高得多。另外電子束設備的功率也可以做到比激光大。

電子束熱處理可以得到非常純凈的表面強化層。因為電子束熱處理是在真空中進行的，所以在熱處理過程中幾乎沒有污染物，且工件不會被氧化。

電子束熱處理還可以將金屬材料加熱至熔化，并在熔化區(qū)加入適當元素，從而對金屬材料進行改性，形成一層薄的合金層，使材料的物理力學性能得以很好地改善。

4 結語

作為高能束加工的重要組成部分電子束加工技術，在過去的數十年發(fā)展尤為迅速，其在工業(yè)領域得到越來越廣泛的應用。隨著對電子束加工的機理研究、工藝研究和設備研究的有機結合，電子束加工技術將會在未來許多領域占有一席之地，前景可觀！