特种加工.docx

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特种加工

单位代码6130

学　　号100305040

分类号

密级

电子束加工技术的原理及应用

院（系）名称

工学院

专业名称

机械设计制造及其自动化

学生姓名

牛贯贯

指导教师

张占领

2011年10月24日

摘要：

电子束的发现至今已有100多年，早在1879年SirWilliamCrookes发现在阴极射线管中的铂阳极因被阴极射线轰击而熔化的现象。

接着到上世纪初的1907年，MarcelloVonPirani进一步发现了电子束作为高能量密度热然的可能性，第一次用电子束做了熔化金属的实验，成功地熔炼了钽。

直到近代1960年夏，由日本电子公司为日本科学技术厅所属的金属材料所研制了第一台电子束焊机。

电子束加工（ElectronBeamMachining，简称EBM）。

它在精密微细方面，尤其是在微电子学领域中得到较多的应用。

电子束加工主要用于打孔、焊接等的精加工和电子束光刻化学加工。

关键词：

电子束加工技术EBM

1．电子束加工技术原理

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。

近年来，随着电磁场控制技术的发展，并结合电子束在磁场中易控的特点，开发了一种新型的电子束加工方法——快速扫描电子束加工技术。

这种通过电磁场的控制实现电子束的快速偏转扫描的方法越来越显出其技术的优势，在航空航天制造领域中获得了广泛的应用。

技能训练之电子束加工技术是我们对大学学习的一次深入的综合性的总考核，也是一次理论联系实际的训练，这次设计使我们能综合运用特种加工技术以及精密超精密加工技术的理论知识，并结合实习中学到的实践知识，独立地分析和解决问题，初步具备了通过文献检索，书籍查找等方式对一种新技术的认识，学习，最终以论文的形式把学习的知识成文等基本技能的一次实践机会。

因此，它在我们大学生活中占有重要地位。

就我个人而言，我也希望通过这次设计对自己未来将从事的工作进行一次适应性心理，从中锻炼自己分析问题，解决问题的能力，对未来的工作发展打下一个良好的基础。

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（106~109w/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一束高功率密度（105～109w/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。

电子，在高电压（30～200千伏）作用下被加速到很高的速度，通过电磁透镜会聚成

2.电子束加工技术的发展过程

2.1多束流电子束加工

多束流电子束加工（MultibeamTechnology）是指采用2束以上的电子束对材料或结构进行处理和加工的一种方法。

多束流电子束可以由多个电子枪产生，也可以由1个电子枪通过电磁场的控制而产生。

电子束在不同的位置快速移动，由于移动的频率很高从而产生多束的效果。

本文所提到的多束流电子束都是指由1个电子枪通过电磁场控制而产生的多束。

电子束扫描技术早在20世纪70年代就已经用于消除电子束焊接缺陷，但是由于控制技术的限制，最近才开始用于多束流焊接和其他加工技术。

德国Steigerwald、PTR和Pro-beam等公司都进行过相关研究，主要是在束流偏转设备方面；Aachen大学的焊接研究所在这方面的研究也比较多，主要是在多束流的束流品质、能量分配及加工过程中热、力、冶金的相互作用方面。

英国焊接研究所的OliverNello等人设计和建立了可编程偏转系统，该系统具有使电子束在X、Y轴快速偏转并以相似的速度调节电子束焦点（Z轴）的能力，可用于电子束多束流焊接过程应力变形控制的研究。

在国内，北京航空制造工程研究所“十一五”期间在国家自然科学基金（多束流电子束加工的热效应）的基础上搭建了多束流技术试验平台，开展了多束流扫描控制技术的研究，并用于电子束焊接过程中应力和变形的动态控制，降低了试件的焊接残余应力，从而减小最终变形。

上海交通大学曾对扫描轨迹可控的电子束加工技术进行研究，初步实现了扫描方式的灵活控制，并尝试进行了一些相关的试验，但由于试验设备等条件的限制，比较侧重于理论方面的验证和控制平台的搭建，相应系统有待于进一步优化和完善，工程应用研究也有待于进一步的开展。

2.2电子束“毛化”技术

电子束“毛化”技术（ElectronBeamSurfi-sculpt）是英国焊接研究所（TWI）BruceDance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”。

自发明电子束“毛化”技术以来，英国焊接研究所在该领域开展了大量的研究工作，开发了成熟的电子束“毛化”设备，而且在工艺研究方面也取得了长足的进步。

通过控制电子束的工艺参数（包括电子束的加速电压、电流和聚焦），加上特殊的扫描波形，即可在不同的金属（如不锈钢、钛合金及铝合金等）上产生各种不同的表面，包括高宽比大的尖峰突起、蜂窝结构、无毛刺的孔穴、刀刃、通道、旋涡和网纹。

3.电子束加工技术应用现状

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，那么焊件接缝口出的焊缝就会凸凹不平，精度的不到保证。

不经如此，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∶1～50∶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。

4.电子束加工技术的应用前景

电子束加工技术在国外已经相当成熟，在航空航天、汽车、医疗等方面的应用也越来越广泛。

国内众多研究单位进行的一系列基础理论和应用研究为快速扫描电子束加工技术的发展奠定了基础，尤其是近几年随着控制技术的发展，快速扫描电子束加工技术在国内发展迅速，已经逐渐应用到工程实践中，进一步推动了国内精密制造技术的发展。

随着科技的发展，特种加工技术将会越用越广，发展将会越来越快。

无论是在精度方面，还是在技术方面，他都会随着着科技的更新而更新。

电子束加工技术今后应积极拓展专业领域，紧密跟踪国际先进技术的发展，针对需求，重点开展电子束物理气相沉积关键技术研究、主承力结构件电子束焊接研究、电子束辐照固化技术研究、电子束焊机关键技术研究等

参考文献

1.范玉殿．电子书和离子束加工．机械工业出版社．1989.

2.刘晋春．特种加工．机械工业出版社．1997.

3.周广德．电子束焊接技术的新进展．电子束焊接学术年会论文集.1993．

4.赵玉清．电子书粒子束技术．西安交通大学出版．2002.

5.白韶军.日本高能柬流焊接拄术的现状厦发展．1993.