第七章 电子束加工

第七章电子束加工电子束加工：精密微细加工，微电子学领域中得到较多的应用。打孔、焊接、热处理等热加工电子束光刻化学加工第九章电子束加工第一节电子束加工的原理和特点第二节电子束加工装置第三节电子束加工的应用第一节电子束加工的原理和特点⒈电子束加工的原理⒉电子束加工的特点第一节电子束加工的原理和特点第一节电子束加工的原理和特点第一节电子束加工的原理和特点第一节电子束加工的原理和特点⒈电子束加工的原理：电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高（106～109W/㎝2）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，从而引起材料局部熔化和气化，被真空系统抽走。第一节电子束加工的原理和特点第一节电子束加工的原理和特点控制电子束能量密度的大小和能量注入，就可以达到不同的加工目的。⑴电子束热处理：只使材料局部加热就可进行电子束热处理⑵电子束焊接：使材料局部熔化就可进行电子束焊接⑶电子束打孔、切割等加工：提高电子束能量密度，使材料熔化和气化就可进行电子束打孔、切割等加工⑷电子束光刻加工：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，即可进行电子束光刻加工。第一节电子束加工的原理和特点⒉电子束加工的特点：⑴加工面积很小，是一种精密微细的加工方法。电子束能够极其微细地聚焦，甚至能聚焦到0.1μm。⑵是一种非接触式加工。工件不受机械力作用，不产生宏观应力和变形。加工材料范围很广，对脆性、韧性、导体、非导体及半导体材料都可加工。电子束能量密度高，使照射部分的温度超过材料的融化和气化温度，去除材料主要靠瞬时蒸发。⑶加工生产率很高电子束的能量密度高，每秒钟可以在2.5㎜厚的钢板上加工50个直径为0.4㎜的孔。⑷整个加工过程便于实现自动化可以通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦等进行直接控制。在电子束爆光中，从加工位置找准到加工图形的扫描，都可实现自动化。在电子束打孔和切割时，可以通过电气控制加工异形孔，实现曲面弧形切割等。⑸加工表面不会氧化，特别适用于加工易氧化的金属及合金材料，以及纯度要求极高的半导体材料。电子束加工是在真空中进行，污染少。⑹价格较贵，生产应用有一定局限性。电子束加工需要一套专用设备和真空系统第二节电子束加工装置电子束加工装置：电子枪、真空系统、控制系统和电源等部分组成。⒈电子枪⒉真空系统⒊控制系统和电源第二节电子束加工装置⒈电子枪：电子枪是获得电子的装置。电子发射阴极、控制栅极和加速阳极等。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阳极，在飞向阳极的过程中，经过加速极加速，又通过电磁透镜把电子束聚焦成很小的束斑。发射阴极：钨或钽小功率：丝状大功率：块状第二节电子束加工装置AufbauEB-GeneratorElektronenstrahl-ErzeugungEB-Generatorvonpro-beamKathodenträgerKathodeWehneltelektrodeAnodeZentrierspuleStigmatorenelektromagnetischeLinseAblenkspulen第二节电子束加工装置控制栅极：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，又有初步的聚焦作用。加速阳极接地，阴极为很高的负电压。第二节电子束加工装置⒉真空系统：⑴真空系统作用：①保证在电子束加工时维持1.33×10－2～1.33×10－4Pa的真空度只有在高真空中，电子才能高速运动。②不断地把加工中产生的金属蒸汽抽出去加工时的金属蒸汽会影响电子发射，产生不稳定现象。⑵真空系统的组成：机械旋转泵和油扩散泵或涡轮分子泵两级组成。机械旋转泵把真空室抽至1.4～0.14Pa油扩散泵或涡轮分子泵抽至0.014～0.00014Pa的高真空度第二节电子束加工装置⒊控制系统和电源：控制系统：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控制等。①束流聚焦控制：提高电子束的能量密度，使电子束聚焦成很小的束斑，它基本上决定着加工点的孔径或缝宽。聚焦方法有两种：一种是利用高压静电场使电子流聚焦成细束；另一种是利用“电磁透镜”靠磁场聚焦。后者比较安全可靠。所谓电磁透镜，实际上为一电磁线圈，通电后它产生的轴向磁场与电子束中心线相平行，端面的径向磁场则与中心线相垂直。根据左手定则，电子束在前进运动中切割径向磁场时将产生圆周运动，而在圆周运动时在轴向磁场中又将产生径向运动，所以实际上每个电子的合成运动为一半径愈来愈小的空间螺旋线而聚焦交于一点。根据电子光学的原理，为了消除像差和获得更细的焦点，常再进行第二次聚焦。第二节电子束加工装置②束流位置控制：改变电子束的方向，常用电磁偏转来控制电子束焦点的位置。如果使偏转电压或电流按一定程序变化，电子束焦点便按预定的轨迹运动。③工作台位移控制：在加工过程中控制工作台的位置。因为电子束的偏转距离只能在数毫米之内，过大将增加像差和影响线性，因此在大面积加工时需要用伺服电动机控制工作台移动，并与电子束的偏转相配合。⑵电源：电子束加工装置对电源电压的稳定性要求较高，常用稳压设备，这是因为电子束聚焦以及阴极的发射强度与电压波动有密切关系。第三节电子束加工的应用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、蚀刻焊接热处理光刻加工等。第三节电子束加工的应用⒈高速打孔⒉加工型孔及特殊表面第三节电子束加工的应用第三节电子束加工的应用Elektronenstrahl-ErzeugungPrinzipdesEB-Schweißens(EBS/EBW).StoßfugeSchmelzenDampfkanalDampfkanalundSchweißnahtSchmelzmantelMerkmaledesEB-Schweißens:•Tiefschweißeffekt•GeringsterspezifischerWärmeeintrag•GeringerVerzug•Schweißenversch.Werkstoffkombinationen•SchweißenamEndederFertigungsketteBeispiel:SchweißnahtinTiAl6V4LightOpticalProcessObservationmaterial:5mmsteelcurrentwelding:0-50mAoscillation:2kHz1mmcircularfieldofview:8x11mmobservation:offaxisby10°(fromdown)第三节电子束加工的应用145mm-EB-SchweißnahtinWerkstoffS3551Schweißlage120mm-SchweißunginS355Tulpennaht–72SchweißlagenWirtschaftlicherVergleichEB/UPbei150mmTiefschweißungBeiTiefschweißungenwirdderVorteildesElektronenstrahlschweißensz.B.gegenüberdemUnterpulver-Engspaltschweißenbesondersdeutlich.....ca.€35,-bis€110,-jeMeterNahtca.€550,-jeMeterNaht(ohneZWSt.)EBUPAnzahlderLagen:1157SchweißzeitproMeter:8,3Min.314Min.Maschinenstundensatz100,-€Großkammeranlage,630m³800,-€Kammeranlage,20m³250,-€Maschinennebenzeit:0Min.-Großkammeranlage,630m³5Min.-Kammeranlage,20m³20Min.NebenzeitfürAuf-undAbspannenaufderMaschine(geschätzt)30Min.-Großkammeranlage,630m³entfällt-Kammeranlage,20m³30MinZusatzwerkstoffproMeterentfällt32kgElektronenstrahl-SchweißenSchmelzflächeS[mm²]012345625CrMo4X6CrNiTi1810St52-3LaserstrahlElektronenstrahlV=20mm/sS=3mmLaserstrahlElektronenstrahlSt37-3V=20mm/sS=6mmVergleichSchmelzflächenEB–LB(Wärmeeintrag).DerLaserstrahlverursachtbeigleicherSchweißtiefeund-geschwindigkeitmehralsdoppeltsogroßeSchmelzflächenwiederElektronenstrahl...AutomatischeStrahlpositionierung.Elektronenstrahl-ProzesskontrolleAblenk-VerstärkerVerstärkerBild-verarbeitungNC-SteuerungXY-TischAblenk-steuerungAbtastenderNahtPositions-korrekturStufe1Stufe2AbtastenderNahtundPositions-korrekturEB-DeflectionTechnicsElektronenstrahl-TechnologienOneBathTechnicsMultiPoolTechnicsDynamicMultiPoolTechnicsNonFocusFlashTechnicsFieldTechnicsLineScanMultiBathTechnicsEB-DeflectionTechnics:MultiProcessTechnicsElektronenstrahl-TechnologienEB-Hardening/EB-AnneallingEB-Pre-heating/EB-RemeltingEB-Pre-heating/EB-Welding/EB-GladdingEB-Positioning/EB-Welding/EB-After-heating2-KammerschleusenanlagezumEB-SchweißenvonRaumfahrtkomponenten.Elektronenstrahl-Anlagentechnik第三节电子束加工的应用