电子束加工--

材料成型新技术学院：专业：班级：学号：姓名：联系方式：电子束加工技术利用高能量密度的电子束对材料进行工艺处理的一切方法统称为电子束加工。包括电子束焊接、打孔、表面处理、熔炼、镀膜、物理气相沉积、雕刻、铣切、切割以及电子束曝光等。其中电子束焊接、打孔、物理气相沉积以及电子束表面处理等在工业上的应用最为广泛，也最具竞争力。电子束加工作为特种加工方法的一种，在工业上的应用已有30多年的历史，现已完全被工业部门所接受。近年来，该技术不断发展，在大批量生产、大型零件制造以及复杂零件的加工方面都显示出其独特的优越性。一、电子束加工原理及特点：电子束加工是利用高速电子的冲击动能来加工工件的。在真空条件下，将具有很高速度和能量的电子束聚焦到被加工材料上，电子的动能绝大部分转变为热能，是材料局部瞬时熔融、汽化蒸发而去除。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；使材料局部熔化就可进行电子束焊接；提高电子束能量密度，是材料熔化和汽化，就可以进行打孔、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，即可进行电子束光刻加工。特点：1）电子束能够极其微细的聚焦（可达1～0.1um），故可进行微细加工。2）加工材料的范围广。由于电子束能量密度高，可使任何材料瞬时熔化、汽化且机械力的作用极小，不易产生变形和应力，故能加工各种力学性能的导体、半导体和非导体材料。3）加工在真空中进行，污染少，加工表面不易被氧化。4）电子束加工需要整套的专用设备和真空系统，价格较贵，故在生产中受到一定程度的限制。电子束、离子束、激光束是表面工程领域内的三大载体，号称三束改性，都具有高能量密度特性。电子束加工是以激发电子作为载体，离子束则以离子。离子束加工是一种元素注入过程，具有辐照损伤、喷丸作用、表面压缩、形成表面非晶态，形成弥散化合物质点等效应，而电子束与激光束的主要作用在高能量，没有辐照、表面压缩等特性。电子束聚焦点最细最深，激光束次之，离子束最粗。电子束聚焦直径（打孔）最小可以小于1um。二、电子束加工发展现状1国外电子束加工技术现状电子束加工技术起源于德国，经过几十年的发展，目前全世界已有几千台设备在核工业、航空宇航工业、精密加工业及重型机械等工业部门应用。世界上电子束加工技术较先进的国家是德国、日本、美国、独联体以及法国等。1.1电子束焊接技术电子束加工设备中以电子束焊接设备最为常见。目前在工业中实际应用的电子束焊接设备的功率一般小于120kW，加速电压在200kV以内。一次可焊最大厚度为：钢板近300mm，铝合金近50mm。近年独联体制造了一台真空室为2000m³的特大型中压电子束焊机，此焊机有5～6个电子枪，每个枪的功率60kW以下，加速电压为60kV，用于焊接暴风雪号航天飞机及其他航空飞机部件。另外，西欧制造了一台直径为10m，长11m的800m³真空室的电子束焊机。西欧还采用偏转电子束设备焊接铜制射频器的内径，得到光滑无凸起的内环焊缝。为了适应更广泛的工业要求，出现了局部真空和非真空的电子束焊接设备。局部真空和非真空避免了庞大的真空系统及真空室，主要用于大型、不太厚零件（一般小于30mm）或者小型薄件大批量生产，其功率一般在15～45kW，加速电压150kV左右。德国PTR公司生产的双金属带电子束焊接生产线设备及为局部真空。在美国非真空电子束焊接应用最广泛，取代了部分埋弧焊，用于汽车、轮船等，获得了良好的技术经济效益。电子束焊接由于具有改善接头机械性能、减少缺陷，保证焊接稳定性和重叠性、大大减少生产时间等优点，因而用途很广，既可焊接贵重零部件（如航空航天发动机部件），又可焊接廉价部件（如汽车齿轮）；既可焊微型传感器，也可焊结构庞大的飞机机身；既适用于大批量生产（如汽车，电子元件），也适合单件生产（如核反应堆）；既可焊接极薄的锯片，也可焊接极厚的压力容器；能够焊普通结构钢，也可焊接多种特殊金属材料（如超高强钢、钛合金、高温合金及其他稀有金属）；另外电子束焊接还可用于异种金属之间的连接。1.2其他电子束加工技术电子束物理气相沉积（EB-PCD）。70年代始，前苏联（现乌克兰）巴顿焊接研究所开始了EB-PCD设备及工艺的研究。随后美国、德国等也开展了这方面的研究。其主要用于发动机的涡轮叶片热障涂层，涂层厚度可达30μm，涂层寿命大大高于等离子喷涂涂层寿命。还可用于结构涂层，例如叶片的冷却槽、激光反射镜的冷却槽等。还能用于材料提纯、制造难加工的多种材料组成的叶盘、拉拔带材、钛丝、制造钛粉、纳米基材料等。电子束打孔。在西方国家，电子束打孔应用于航空、核工业以及电子、化学等工业。如喷气发动机的叶片及其他零件的冷却孔，涡轮发动机燃烧室头部及燃气涡轮和核工业的过滤器、化纤喷丝头、电子电路印刷板等。电子束打孔效率高、质量好、无毛刺、无再铸层等缺陷。电子束表面处理。电子束与其他热化学工艺如渗碳化氮、镀硼等相结合，可对零件进行表面处理、增加零件表面硬度。2国内电子束加工技术现状60年代初，我国开始跟踪世界电子束加工技术的发展，并开始设备及工艺的研究工作。航空工业总公司北京航空工艺研究所是最早开展此项工作的单位之一。经过30多年的努力，我国的电子束加工技术取得了可喜的成果。2.1电子束焊接技术电子束焊接是我国电子束加工技术的主要部分，目前全国有几十台电子束设备在生产科研中使用。大部分高压电子束焊机从国外进口。国内生产的中压真空电子束焊机较成熟。80年代初，北京航空工艺研究所通过引进关键部件电子枪及其电源，其余部分以配套的方法研制成功国内第一台生产中使用的GDH-15型高压电子束焊机，此电机已在航空工业总公司南方航空动力机械公司使用，解决了某发动机6种关键部件的焊接，产品远销法国，得到法国TM公司好评，并获免检。92年研制ZD150-15A型高压电子束焊机，为国内第一台自行设计、自行制造的大型真空室（9m³）的高压电子束焊机，填补国内空白，达80年代末世界先进水平。在此焊机上完成了多种近年新研制的发动机型号攻关及预研工作，同时焊接了原子能射线发生器、雷达满波导、汽车变截面轴、石油钻头等多种军民品，此焊机还装配了CNC系统及计算机参数控制系统。北京航空工艺研究所在80年代还曾研制成功EB4020型小台式电子束焊机和第一台双工位齿轮电子束焊机。30多年里，北京航空工艺研究所进行了一系列的电子束焊接工艺研究，对多种材料如钛合金、铝合金、不锈钢、超强钢、高温合金等均进行了较系统的研究。在“型号”预研及攻关中，为我国航空工业的发展做出了贡献。2.2其他电子束加工技术电子束打孔在航空工业总公司南方航空动力机械公司应用于加工航空发动机燃烧室罩。电子束刻蚀、电子束镀膜等近年也有些研究，如中科院、中国科技大学等单位对利用扫描电子束进行刻蚀超导膜、在绝缘衬底上生长单晶硅薄膜进行了探索。电子束物理气相沉淀的研究在北京航空航天大学、航空工业总公司北京航空工艺研究所、北京航空材料研究所开始起步。三、电子束加工技术未来发展前景国外电子束加工技术发展趋势。近年来国外对电子束焊接及其他电子束加工技术的研究主要在于完善超高能密度电热源装置；掌握电子束品质及与材料的交互行为特性，从而改进加工工艺技术；通过计算机及CNC控制提高设备柔性以扩大其应用领域等。主要有大功率电子枪的开发、电子束特性的定量研究、双枪电子束及填丝电子束焊接技术的研究、大功率表面处理技术的开发、复合式电子束加工设备的研制等。另外飞机制造业要求在生产线上将电子束焊接、超声波、激光、实时X射线照像等检测技术合在一起，美国波音公司正在实施此项工作。我国电子束加工技术的发展。我国虽经30多年的实践取得了一定成果，但差距很大，今后的任务还很艰巨，既要跟踪世界先进水平，又要赶超过去落下的距离。今后的工作应从以下几个方面展开：电子束能量密度分布测试技术及束流品质自适应控制技术研究；高压电场分布及高压稳定技术研究；电子光学设计技术研究；高可靠性焊缝跟踪技术研究；局部真空技术研究；深穿透精密控制及焊缝质量自适应控制技术研究；电子束焊接整体转子、燃烧室、机匣接头质量及变形控制技术研究；高质量电子束打孔及微焦点高速扫描技术研究；电子束物理气相沉淀技术研究；电子束微细加工技术研究等。四、电子束加工技术的经济效益和社会效益利用电子束几乎可以焊接任何材料，包括难熔金属（W、Mo、Ta、Nb）、活泼金属（Be、Ti、Zr、U）、超合金和陶瓷等。此外电子束焊接的焊缝位置精确可控、焊接质量高、速度快，在核、航空、火箭、电子、汽车等工业中可用作精密焊接。近年来，该技术不断发展，在大批量生产、大型零件制造以及复杂零件的加工方面都显示出其独特的优越性，显示出巨大的经济效益和社会效益。五、结束语电子束加工技术在过去几十年发展迅速，它是高能束流加工技术的重要组成部分，国外将高能束流誉为“二十一世纪的加工技术”，电子束加工技术是一项系统工程，它的发展须把机理研究、工艺、设备研究有机结合起来、发挥整体功能，才能适应技术竞争。参考文献1、《航空制造工程手册》特种加工分册，航空工业出版社2、白韶军，日本高能束流焊接技术的现状及发展．航空工艺技术．1993(6)3、周广德，电子束焊机技术的新进展.第三届电子束焊接学术年会论文集，19934、电子束焊接在生产中的工业技术现状.专题综述5、高能电子束技术，航空周刊，94--45，46