浅析电子束加工工艺特点及其应用

何 宇

（西南大学 工程技术学院，中国 重庆 400715）

0 引言

随着科学技术的高速发展，大多数的元器件都要进行超高精度的加工，其数量级可达到纳米级，而电子束加工则在其中起了举足轻重的作用。电子束加工属于特种加工方法的一种，在工业上的应用已有差不多半个世纪的历史，现已被许多部门完全接受。最近几年，电子束加工技术日益成熟，应用也是更加广泛。打孔、焊接、切割、刻蚀、热处理等各个领域都有电子束加工发挥的空间。其中电子束加工在焊接方面应用最为广泛，也最具竞争力。

1 电子束加工的的定义及原理

1.1 电子束加工的定义

电子束加工是利用能量密度非常高的高速电子流，在一定真空度的加工舱中使不同的金属、非金属材料熔化，蒸发和汽化而去除的高能束加工。

1.2 电子束加工的原理

电子束加工是在真空的环境下，利用加热的阴极发射电子流，使带负电荷的电子流高速飞向阳极，中途通过加速极加速，并经电磁透镜聚焦，使得能量密度高度集中，能够把能量聚集到直径为0.1 至10μm 的斑点里面，从而获得106 至109W/cm2能量密度，在非常短的时间里，将其中的能量转变为热能，使被冲击的材料温度达到数千摄氏度，从而引起被冲击材料的熔化和气化，冲击过程中产生的废弃物质将被真空系统抽出。简而言之，电子束加工是一种以高能量密度的电子流作为热源，对各种工件材料进行区别于传统机械加工的特殊加工工艺。

2 电子束加工的工艺特点

因为电子束加工特殊的工作原理，所以使其具有独特的工艺特点。电子束加工具有许多其他加工方式所不具备的优点，同时它也有一定的缺陷。

2.1 电子束加工的优点

2.1.1 电子束直径很小

电子束可以非常微细地聚焦，电子束直径甚至能聚焦到0.01μm。电子束长度可以达到直径的数十倍以上，因此完全可以进行深孔加工和微细加工。

2.1.2 电子束能量密度高

电子束集束在直径为几个微米的斑点上时，能量可达到109W/cm2，足以熔化和气化任何材料。

2.1.3 生产效率高

因为电子束能量密度很高，并且能量利用率可达90%，所以虽然加工材料、孔的大小有所不同，但总的来说，加工5mm 左右厚的工件也就数十秒，非常之短。

2.1.4 材料适应性广

电子束加工的从原则上讲，只要电子束能量密度足够大，各种材料均可以加工，特别适合加工难熔、特硬的金属材料和非金属材料。例如，电子束加工就可以对难熔的陶瓷进行打孔、焊接等特殊加工。

2.1.5 工件变形小

电子束加工属于非接触式加工，主要靠电子流瞬间蒸发掉需要去除的材料，加工点周围的热影响很小，工件基本不会产生应力和变形，而且工具不容易被损耗，所以加工材料范围相当广，尤其适合加工热敏材料。

2.1.6 控制性能卓越

电子束能量密度大小，汇聚位置可以通过电场或磁场控制电子束的聚焦来实现，并且控制精度很高。所以整个加工过程完全可以实现自动化。例如，可以通过电气控制加工带锥度孔和曲面弧形切割。

2.1.7 污染非常少

由于电子束加工是在真空中进行的，因此污染很少，工件表面不会氧化，所以非常适合加工易氧化的金属和对纯度要求非常高的半导体材料。

2.2 电子束加工的缺陷

电子束加工原理决定了其需要一整套的真空设备，因此电子束加工的成本很高。电子束加工的性质还决定其多用于微细加工，有一定的局限性。另外电子束加工的过程中会产生X 射线，对人体会有一定的危害。所以总的来说电子束加工在加工和应用中存在一定缺陷的。

3 电子束加工的应用

由于电子束加工中电子束能量密度和加工时间可以调整，所以其应用比较广泛。以下将主要从打孔、焊接、热处理这三个方面介绍电子束加工的应用。

3.1 电子束打孔

电子束打孔在实际中已经得到应用，特别是在国外，电子束打孔已经被广泛应用于航空、电子、化学等工业。如机翼的吸附屏的孔，电子电路印刷版，化纤喷丝头等。

电子束加工出的孔可以非常小，最小的孔直径可达Φ0.001mm。

电子束打孔时，可以将发射电子束再细分为许多道更细的电子束，这样可以同时打出更多的孔，效率很高。专用塑料打孔机就是应用这样的原理，每秒可打出50000 孔，且孔径可在40 至120μm 范围内调整。

电子束加工可以加工一些特殊要求的孔，比如说加工深小孔，电子束可以在叶片上打出孔径比大于10：1 的孔；值得一提的是电子束可以加工弯孔，当电子束高速运动经过磁场时，其运动方向会在工件内部发生改变，从而产生弯孔，弯孔的曲率半径可以通过改变电子束速度和磁场强度进行调整。

电子束加工可用于不同材料的孔加工，材料适应性非常广。除了可以用于各种金属材的孔加工，还可以在预热（防止温差导致变形和破裂）的基础上对玻璃、陶瓷、宝石等脆性材料上加工孔。另外电子束还可以在人造革、塑料等材料上加工大量微细小孔，使其具有透气性。

电子束加工出的孔质量较好，没有毛刺、再铸造层等缺陷。

3.2 电子束焊接

电子束技术于1951年用于焊接，并在之后得到迅速普及，现在已经是发展最快，应用最广的电子束技术。因为电子束加工焊接方面的应用最为广泛，电子束加工设备中也是以电子束焊接设备最为常见。

电子束焊接是一种以高速电子束的动能作为能源的焊接工艺。通过将高速的电子流不断地轰击在焊接表面，使焊件被轰击处的金属熔融，且在熔融金属周围形成如毛细管般的熔池。接头移开电子束轰击范围时，熔池会凝固形成焊缝。

电子束焊接速度非常快得益于电子束的高能量密度。因此电子束焊接的热影响很小，工件变形相应的也很小，所以电子束可以用于薄工件和精加工后的工件的焊接。

电子束焊接可以焊接出具有较大深宽比的焊缝。焊缝的深宽比最大可达50：1，所以焊接很厚的工件时可以在不开坡口的情况下一次完成焊接。

电子束焊接的金属材料范围很广。除了可以焊接普通碳钢、合金钢、铜等各种金属外，因为电子束的高能量密度，还可以焊接钽、铌、钼等难熔金属，另外由于电子束焊接在真空中进行，所以还可以焊接钛、钴、铀等活泼金属。必须说的是，电子束焊接还可以实现异种金属间焊接。

3.3 电子束加工在热处理中的应用

和电子束焊接类似，电子束热处理也是一种将电子束作为能源的加工工艺。相比于电子束焊接，电子热处理的电子束功率密度需要低一点，以防止金属表面被熔化。

电子束热处理的硬度较高。这是因为电子束热处理能够非常快的加热和冷却，使奥氏体晶粒没来得及长大便形成了一种超细晶粒，获得普通热处理所达不到的硬度，且硬化深度相对较大。

电子束热处理能量利用率较高。因为电子束热处理可以对材料进行局部处理，非常节能。另外电子束热处理电热转换效率能高达90%，比激光热处理只有大约10%的转换效率要高得多。另外电子束设备的功率也可以做到比激光大。

电子束热处理可以得到非常纯净的表面强化层。因为电子束热处理是在真空中进行的，所以在热处理过程中几乎没有污染物，且工件不会被氧化。

电子束热处理还可以将金属材料加热至熔化，并在熔化区加入适当元素，从而对金属材料进行改性，形成一层薄的合金层，使材料的物理力学性能得以很好地改善。

4 结语

作为高能束加工的重要组成部分电子束加工技术，在过去的数十年发展尤为迅速，其在工业领域得到越来越广泛的应用。随着对电子束加工的机理研究、工艺研究和设备研究的有机结合，电子束加工技术将会在未来许多领域占有一席之地，前景可观！