电子束加工.docx

机械工程概论
题 目: 电 子 束 加 工 技 术
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。
1、电子束加工技术的原理
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。
2、电子束加工技术的特点
电子束加工的主要优点是:
1. 电子束能聚焦成很小的斑点(直径一般为0.01~0.05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;
其主要缺点是:
a. 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;
b. 需要在真空装置中进行加工;
c. 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。
电子束加工广泛用于焊接(见电子束焊),其次是薄材料的穿孔和切割。穿孔直径一般为0.03~1.0毫米,最小孔径可达0.002毫米。切割0.2毫米厚的硅片,切缝仅为0.04毫米,因而可节省材料。
最重要的是,这些特性具有高的分解力和长的电场深度,电场是由于高能电子的短波产生的。电子束加工按其功率密度和能量注入时间的不同,可用于打孔、切割、蚀刻、焊接、热处理和光刻加工等。
3、电子束加工装置的组成
在许多工业领域中,电子束聚焦后能量密度极高(106~109 w/cm2),并以极高的速度冲击到工件表面极小的面积上,在极短的时间(几分之一秒)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或气化。
电子束加工装置主要由电子枪、真空系统、控制系统及电源等部分组成。了解电子束加工的结构是为了更好的控制电子束能量密度的大小和能量注入时间,就可以达到不同的加工目的,如果只使材料局部加热就可进行电子束热处理;使材料局部熔化可进行电子束焊接;提高电子束能量密度,使材料熔化和气化,就可进行打孔、切割等加工;利用较低能量密度的电子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理,进行电子光刻加工。如:电子束爆光可以用到电子束扫描,将聚焦到小于1um的电子束斑在大约0.5~5mm的范围,可爆光出任意图形;甚至可以在几毫米见方的硅片上安排十万个晶体管或类似的元件。
电子枪是获得电子束的装置,它包括电子发射阴极、控制栅极和加速阳极等。其中阴极经电流加热发射电子,带负电荷的电子高速飞向带高电位的正极,在飞向正极的过程中,经过加速,又通过电磁镜把电子束聚焦成很小的束流。发射阴极一般用纯钨或钽做成阴极。大大功率时用钽做成块状阴极。在电子束打孔装置中,电子枪阴极在工作过各中受到损耗,因此每过10~30 h就得进行定期更换。控制栅极为中间有孔的圆筒形,其上加以较阴极为负的偏压,既能控制电子束的强弱,以有初步的聚集作用。加速阳极通常接地,而在阴极加以很高的负电压以驱使电子加速。
真空系统 是为了保证在电子束加工时达到1.33×10-2~1.33×10-4Pa的真空度。因为只有在高真空时,电子才能高速运动。为了消除加工时的金属蒸气影响电子发射,使其不稳定现象,需要不断地把加工中产生的金属蒸气抽去。它一般由机械旋转泵和油扩散泵或涡轮分子泵两部分组成,先用机械旋转泵把真空室抽至1.4~0.14Pa的初步真空度,然后由油扩散泵或涡轮分子泵抽至0.014~0.00014的高真空度。
控制系统是由束流聚焦控制、束流位置控制、束流强度控制以及工作台位移的控制等组成。束流聚焦控制是为了提高电子束的能量密度,使电子束聚焦成很小的束流,它基本上决定着加工点的孔径或缝宽。聚焦一种是利用高压静电场使电子流聚焦成细束;另一种比较可靠是利用“电磁透镜(实际上是为一电磁线圈,通电后它产生的轴向磁场与电子束中心线相平行,径向磁场则与中心线垂直。)”靠磁场聚焦。
束流强度控制是为了使电流得到更大的运动速度,常在阴极上加上50~150KV以上的负高压。加工时,为了避免热量扩散到不用加工的部位,常使用电子束间歇脉冲性地运动。工作台的移动控制是为了在加工过程中控制工作台的位置。如果在大面积加工时有伺服电机控制工作台移动并与电子束的偏转相配合将减少像差和影响线性。
4、电子束加工技术在国内外的应用
基于电子束加工的这种原理,