淺析電子束加工工藝特點(diǎn)及其應(yīng)用

何 宇

（西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，中國(guó) 重慶 400715）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，大多數(shù)的元器件都要進(jìn)行超高精度的加工，其數(shù)量級(jí)可達(dá)到納米級(jí)，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(yīng)用已有差不多半個(gè)世紀(jì)的歷史，現(xiàn)已被許多部門(mén)完全接受。最近幾年，電子束加工技術(shù)日益成熟，應(yīng)用也是更加廣泛。打孔、焊接、切割、刻蝕、熱處理等各個(gè)領(lǐng)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(yīng)用最為廣泛，也最具競(jìng)爭(zhēng)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(fù)電荷的電子流高速飛向陽(yáng)極，中途通過(guò)加速極加速，并經(jīng)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(diǎn)里面，從而獲得106 至109W/cm2能量密度，在非常短的時(shí)間里，將其中的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使被沖擊的材料溫度達(dá)到數(shù)千攝氏度，從而引起被沖擊材料的熔化和氣化，沖擊過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物質(zhì)將被真空系統(tǒng)抽出。簡(jiǎn)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(duì)各種工件材料進(jìn)行區(qū)別于傳統(tǒng)機(jī)械加工的特殊加工工藝。

2 電子束加工的工藝特點(diǎn)

因?yàn)殡娮邮庸ぬ厥獾墓ぷ髟?，所以使其具有?dú)特的工藝特點(diǎn)。電子束加工具有許多其他加工方式所不具備的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它也有一定的缺陷。

2.1 電子束加工的優(yōu)點(diǎn)

2.1.1 電子束直徑很小

電子束可以非常微細(xì)地聚焦，電子束直徑甚至能聚焦到0.01μm。電子束長(zhǎng)度可以達(dá)到直徑的數(shù)十倍以上，因此完全可以進(jìn)行深孔加工和微細(xì)加工。

2.1.2 電子束能量密度高

電子束集束在直徑為幾個(gè)微米的斑點(diǎn)上時(shí)，能量可達(dá)到109W/cm2，足以熔化和氣化任何材料。

2.1.3 生產(chǎn)效率高

因?yàn)殡娮邮芰棵芏群芨?，并且能量利用率可達(dá)90%，所以雖然加工材料、孔的大小有所不同，但總的來(lái)說(shuō)，加工5mm 左右厚的工件也就數(shù)十秒，非常之短。

2.1.4 材料適應(yīng)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(duì)難熔的陶瓷進(jìn)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(diǎn)周圍的熱影響很小，工件基本不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力和變形，而且工具不容易被損耗，所以加工材料范圍相當(dāng)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(guò)電場(chǎng)或磁場(chǎng)控制電子束的聚焦來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且控制精度很高。所以整個(gè)加工過(guò)程完全可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。例如，可以通過(guò)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(jìn)行的，因此污染很少，工件表面不會(huì)氧化，所以非常適合加工易氧化的金屬和對(duì)純度要求非常高的半導(dǎo)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(shè)備，因此電子束加工的成本很高。電子束加工的性質(zhì)還決定其多用于微細(xì)加工，有一定的局限性。另外電子束加工的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生X 射線，對(duì)人體會(huì)有一定的危害。所以總的來(lái)說(shuō)電子束加工在加工和應(yīng)用中存在一定缺陷的。

3 電子束加工的應(yīng)用

由于電子束加工中電子束能量密度和加工時(shí)間可以調(diào)整，所以其應(yīng)用比較廣泛。以下將主要從打孔、焊接、熱處理這三個(gè)方面介紹電子束加工的應(yīng)用。

3.1 電子束打孔

電子束打孔在實(shí)際中已經(jīng)得到應(yīng)用，特別是在國(guó)外，電子束打孔已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空、電子、化學(xué)等工業(yè)。如機(jī)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(dá)Φ0.001mm。

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

電子束加工可以加工一些特殊要求的孔，比如說(shuō)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(dāng)電子束高速運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)方向會(huì)在工件內(nèi)部發(fā)生改變，從而產(chǎn)生彎孔，彎孔的曲率半徑可以通過(guò)改變電子束速度和磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整。

電子束加工可用于不同材料的孔加工，材料適應(yīng)性非常廣。除了可以用于各種金屬材的孔加工，還可以在預(yù)熱（防止溫差導(dǎo)致變形和破裂）的基礎(chǔ)上對(duì)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(xì)小孔，使其具有透氣性。

電子束加工出的孔質(zhì)量較好，沒(méi)有毛刺、再鑄造層等缺陷。

3.2 電子束焊接

電子束技術(shù)于1951年用于焊接，并在之后得到迅速普及，現(xiàn)在已經(jīng)是發(fā)展最快，應(yīng)用最廣的電子束技術(shù)。因?yàn)殡娮邮庸ず附臃矫娴膽?yīng)用最為廣泛，電子束加工設(shè)備中也是以電子束焊接設(shè)備最為常見(jiàn)。

電子束焊接是一種以高速電子束的動(dòng)能作為能源的焊接工藝。通過(guò)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(xì)管般的熔池。接頭移開(kāi)電子束轟擊范圍時(shí)，熔池會(huì)凝固形成焊縫。

電子束焊接速度非?？斓靡嬗陔娮邮母吣芰棵芏?。因此電子束焊接的熱影響很小，工件變形相應(yīng)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(dá)50：1，所以焊接很厚的工件時(shí)可以在不開(kāi)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?yàn)殡娮邮母吣芰棵芏龋€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(jìn)行，所以還可以焊接鈦、鈷、鈾等活潑金屬。必須說(shuō)的是，電子束焊接還可以實(shí)現(xiàn)異種金屬間焊接。

3.3 電子束加工在熱處理中的應(yīng)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(diǎn)，以防止金屬表面被熔化。

電子束熱處理的硬度較高。這是因?yàn)殡娮邮鵁崽幚砟軌蚍浅？斓募訜岷屠鋮s，使奧氏體晶粒沒(méi)來(lái)得及長(zhǎng)大便形成了一種超細(xì)晶粒，獲得普通熱處理所達(dá)不到的硬度，且硬化深度相對(duì)較大。

電子束熱處理能量利用率較高。因?yàn)殡娮邮鵁崽幚砜梢詫?duì)材料進(jìn)行局部處理，非常節(jié)能。另外電子束熱處理電熱轉(zhuǎn)換效率能高達(dá)90%，比激光熱處理只有大約10%的轉(zhuǎn)換效率要高得多。另外電子束設(shè)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(qiáng)化層。因?yàn)殡娮邮鵁崽幚硎窃谡婵罩羞M(jìn)行的，所以在熱處理過(guò)程中幾乎沒(méi)有污染物，且工件不會(huì)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(dāng)元素，從而對(duì)金屬材料進(jìn)行改性，形成一層薄的合金層，使材料的物理力學(xué)性能得以很好地改善。

4 結(jié)語(yǔ)

作為高能束加工的重要組成部分電子束加工技術(shù)，在過(guò)去的數(shù)十年發(fā)展尤為迅速，其在工業(yè)領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。隨著對(duì)電子束加工的機(jī)理研究、工藝研究和設(shè)備研究的有機(jī)結(jié)合，電子束加工技術(shù)將會(huì)在未來(lái)許多領(lǐng)域占有一席之地，前景可觀！