电子束加工
王国庆
电子束加工简介一
加工原理二
加工装置
三应用五
加工特点
四要点概览发展前景
六
电子束加工（Electron Beam Machining，简称EBM)是利用能量密度很高的高速电子流，在一定真空度的加工舱中使工件材料熔化、蒸发和汽化而去除的高能束加工。
随着微电子技术，计算机技术等的发展，大量的元件需要进行微米、亚微米以及纳米加工，目前比较适合的加工方法是电子束加工，主要用于打孔、焊接等热加工和电子束光化学加工。
图示：电子束加工工件
发展历程：
1948年，德国物理学家Steigerwald K.H发明了第一台电子束加工设备(主要用于焊接)。
1949年，德国首次利用电子束在厚度为0．5mm的不锈钢板上加工出直径为60．2mm的小孔。开辟了电子束在材料加工领域的新天地。
1957年法国原子能委员会萨克莱核子研究中心研制成功世界上第一台用于生产的电子束焊接机，其优良的焊接质量引起人们广泛重视。
20世纪60年代初期，人们已经成功地将电子束打孔、铣切、焊接、镀膜和熔炼等工艺技术应用到各工业部门中，促进了尖端技术的发展。
扫描电子束曝光机研制成功并在20世纪70年代进入市场，使得制造掩膜或器件所能达到的最小线宽已小于0.5μm。
目前电子束加工技术在核工业、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家是德国、日本、美国以及法国等
在中国的发展：
我国自20世纪60年代初期开始研究电子束加工工艺，经过多年的实践，在该领域也取得了一定成果。
（1）大连理工大学三束材料改性国家重点实验室，采用电子束对材料表面进行照射，研究其对材料表面的改性。
郝胜志等以纯铝材为基础研究材料，深入研究不同参数的脉冲电子束轰击处理对试样显微结构和力学性能的影响规律，进而获得强流脉冲电子束表面改性的一些微观物理机制。
吴爱民等以H13和D2模具钢为基材，通过脉冲电子束直接淬火和电子束表面合金化等方法进行表面改性处理试验。
（2）吉林大学关庆丰教授带领的科研小组，对于强流脉冲电子束作用下金属材料微观组织结构的形成与性能进行研究。
张万金教授对于采用电子束辐照对新型质子交换膜的合成及性能的影响进行研究等。
虽然电子束加工目前已在仪器仪表、微电子、航空航天和化纤工业中得到应用,电子束打孔、切槽、焊接、电子束曝光和电子束热处理等也都陆续进入生产,但从电子束加工技术现状及新的发展趋势可以看出,我国在该领域的研究与世界先进水平差距很大,今后的任务还很艰巨。
如图5.9所示为电子束加工原理示意图
控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，可以达到不同的加工目的。
（1）使材料局部加热可进行电子束热处理
（2）使材料局部熔化可进行电子束焊接
（3）提高电子束能量密度，使材料熔化和气化，可以进行打孔、切割等加工
（4）使用低能量密度的电子束轰炸高分子材料时产生化学变化的原理，进行电子束光刻加工
根据电子束产生的效应：
（1）电子束热加工
（2）电子束非热加工两种
图示为利用电子束热效应进行的各种加工。
低功率密度时，电子束中心部分的饱和温度存熔化温度附近，这时熔化坑较大，可作电子束熔凝处理。中等功率密度照射时，出现熔化、汽化和蒸发，可用于电子束焊接。
高功率密度照射时，电子束中心部分的饱和温度远远超过蒸发温度，使材料从电子束的入口处排除出去，并有效地向深度方向加工，这就是电了束打孔加工。高功率密度电子束除打孔、切槽外，在集成电路薄膜元件制作中。利用蒸发可获得高纯度的沉积薄膜。
高功率密度照射时，电子束中心部分的饱和温度远远超过蒸发温度，使材料从电子束的入口处排除出去，并有效地向深度方向加工，这就是电了束打孔加工。高功率密度电子束除打孔、切槽外，在集成电路薄膜元件制作中。利用蒸发可获得高纯度的沉积薄膜。
电子束非热加工是基于电子束的非热效应，利用功率密度比较低的电子束和电子胶（电子抗蚀剂，由高分子材料构成）相互作用，产生的辐射化学或物理效应。当用电子束流照射这类高分子材料时，由于入射电子和高分子相互碰撞，使电子胶的分子链被切断或重新聚合而引起分子量的变化以实现电子束曝光。将这种方法与其他处理工艺联合使用，就能在材料表面进行刻蚀细微槽和其他几何形状。
其工作原理如图5.11所示。该类工艺方法广泛应用于集成电路、微电子器件、集成光学器件、表面声波器件的制作，也适用于某些精密机械零件的制造。通常是在材料上涂覆一层电子胶（称为掩膜），用电子束曝光后，经过显影处理，形成满足一定要求的掩膜图形，而后进行不同后置工艺处理，达到加工要求，其槽线尺寸可达微米级二
加工原理电子束非热加工
二加工原理
三加工装置
123
4
电子枪系统
抽真空系统
电子束控制系统工作台系统（电源系统四大系统
电子束加工技术及应用 电子束加工是特种加工中的一个重要分支，它是利用电子束的高密度能量对材料进行各种加工。电子束加工不仅是对材料的尺寸和形状进行加工，它还包括焊接、表面改性、镀膜、热处理、熔炼以及光刻等工艺过程。 电子束加工原理 电子束流是由高压加速装置在真空条件下形成束斑极小的高能电子流, 属于高能密度束流真空电子束的功率密度大于10∧6W /cm, 极限功率为300 kW。电子束加工是以高能电子束流作为热源, 对工件或材料实施特殊的加工, 是一种完全不同于传统 机械加工的新工艺, 其加工原理如图所示。 电子束加工装置：主要由电子枪、真空系统、控制系统和电源等部分组成。了解电子束加工的结构是为了更好的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1.33x10-2～1.33x10-4Pa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
电子束加工的研究现状及其发展趋势 电子经过汇集成束。具有高能量密度。它是利用电子枪中阴极所产生的电子在阴阳极间的高压（25-300kV）加速电场作用下被加速至很高的速度（0.3-0.7倍光速），经透镜会聚作用后，形成密集的高速电子流。.电子束焊是用会聚的高速电子流轰击工件，将电子束动能直接转化为热能，实现焊接。电子束焊正因为它的高能量密度，焊接速度快，加热范围窄， 热影响区小，加热冷却速度极快等优点而受到越来越广泛的应用。由于电子束加热过程贯穿整个焊接过程的始终，一切焊接物理化学过程都是在热过程中发生和发展的。焊接温度场决定了焊接应力场和应变场，还与冶金、结晶、相变过程密不可分，使之成为影响焊接质量和生产率的主要因素。因此，有必要对电子束焊温度场进行研究，这也是进行焊接冶金分析、应力应变分析与对焊接过程进行控制的基础。 电子束焊接作为一种高能束加工方法，在生产应用中具有重要地位。电子束焊温度场决定了焊接应力场和应变场，是影响焊接质量和生产率的主要因素。介绍了电子束焊温度场模型，在分析了点热源、线热源模型的基础上，指出点热源模型仍是研宄焊接温度场的基础，同时介绍了其它几种考虑电子束小孔效应的温度场模型。讨论了计算温度场的热源模式，给出以高斯函数分布和双椭圆体能量密度分布的两种热源模式。列举了热物理参数、相变潜热、熔池流动等影响温度场的因素。认为基于解析解法的复杂性和计算机的飞速发展，数值解法将在温度场研宄中发挥更加重要的作用。电子束焊温度场模型对于焊接热过程的研究早在40年代就已经开始。Rosenthal分析了移动热源在固体中的热传导。之后，苏联的雷卡林又进行大量的工作。建立了如下的数学物理模型： （1)热源集中于一点、一线或一面； （2)材料无论在何温度下都是固体，无相变； （3材料热物性参数不随温度变化； （4焊接物体的几何尺寸是无限的。 然而这些都是系统性的论述我们应该在此基础上论述此技术在某些领域的应用，及其原理方法首先电子束焊热源模式焊接热过程的准确性在很大程度上依赖于建立合理的热输入模式。在高能束焊中用于预测温度场的最广泛的模型是点热源和线源模型，尤其是点源模型是迄今为止焊接温度场分析的基础。但是电子束焊作为一种高能束焊与普通电弧焊有明显的不同。电子束焊中束孔的形成，使得焊接加热方式发生了很大的变化。其主要的的公式原理来源： 高斯分布热源模型 高斯函数的热流分布是一种比点热源更切实际的热源分部函数，应用广泛，它将热源按高斯函数在一定范围内分布，以往建立的许多温度场模型中都采用了高斯分布这种热源分布模式，其函数为[8]:q(r) = 3Q exp (—3r2/a2)Kaa)式中，（r)为半径r处的表面热流；为热流分布函数；Q为能量功率；r为距热源中心的距离。电子束功率并非总是满足高斯模式，有些研究者在高斯模式基础上对其加以改进，增加电子束斑点加热中心区的比热流，相应改变加热边缘的比热流，同时保持热源输入的总能量与高斯模式相同。 随着世界制造业的快速发展，焊接技术应用越来越广泛，焊接技术水平也越来越高在飞机制造领域，作为下一代飞机制造的主要连接方法，先进焊接技术替代铆接技术已经成为了趋势电子束焊接主要用于变速箱齿轮、行星齿轮框架、
1998年微 细 加 工 技 术№.2 第2期M icrofabricati on T echno logy1998电子束纳米加工技术研究现状 卢维美 (中国科学院电工研究所,北京100080) 【摘要】 纳米科学技术是80年代后期发展起来面向21世纪的高新技术,纳米 加工技术是制造量子微结构的主导技术。电子束纳米加工推动着微细加工技术的研 究向着分子、原子量级的纳米层次发展。本文重点介绍电子束纳米曝光技术的研究现 状及发展前景。 关键词:纳米技术;电子束曝光技术;研究现状 1 概 述 随着微电子技术的发展和应用市场的开发,对集成电路要求的集成密度越来越高,电路设计尺寸不断缩小,从微米级到亚微米级深入到分子、原子量级的纳米级。预计在2000年0.25Λm到0.18Λm线宽的加工将得到普及和应用,集成电路将达到109吉级电路,生产出1GB的动态存贮器、每秒执行1吉条指令的微处理器和每秒1吉字节的通讯芯片,人们将实现在一个芯片上集成10亿个晶体管元件的超大规模集成电路的设想。到2010年将是0107Λm 线宽的加工能力,集成电路将迈进1012太极电路,0107Λm线宽加工促使器件的结构产生革新,一方面对材料的性能参数和加工工艺提出更高要求,另一方面也面临“一个极限问题”,迫使人们去探索及认识微细加工的极限,研究基本的曝光过程,探索未来下一代新的集成电路产品。应运而生的纳米加工技术的出现及发展,必将在微电子学领域中引起巨大的技术开拓,例如量子效应的出现将会导致器件的革新。随着器件尺寸进一步缩小,一旦电子运动的空间被限制在德波罗意波长(几十纳米)时,各类器件便按量子力学规律运行,即电子移动呈现低维性,由三维宏观系统变为二维甚至0维系统,形成超晶格层和量子结构。利用超晶格、量子阱、量子线和量子点等微结构所具有的各种量子化效应,设计和制作新一代的量子功能器件,如量子线、量子点激光器,高速逻辑和多值逻辑器件,高速开关器件及大容量的存贮器。传统的微电子学发展到纳米电子学,这是目前相当活跃的新的研究领域〔1,4〕。 按加工尺寸而言,微细加工技术可划分为:微米技术(1Λm以上),亚微米技术(500nm ～100nm),纳米技术(100nm～1nm),原子技术(1nm～011nm以下),纳米微结构一般指结 收稿日期:1997—12—18
广东白云学院 先进制造技术论文 题目：电子束加工技术及其应用 专业：机械设计制造及其自动化（数控方向） 班级： 07数控本科 姓名：林华英 学号： 0701012229
摘要 (1) 引言 (1) 一.电子束技术在国内外的发展现状 (1) 多轴控制的基本概念： (2) 二.多轴控制特点 (2) 1、 5轴控制加工中心的加工特点： (2) 2、 6轴控制加工中心的加工特点： (3) 3、 6轴控制特点如下： (3) 三.发展趋向。 (3) 1、用5轴控制加工的NURBS插补 (3) 2、利用二次曲面头立铣刀作5轴控制加工 (4) 四.结论 (4) 五.参考文献 (4)
摘要 电子束加工技术是近年发展起来的一种先进制造技术,其在材料表面改性、机械加工等方面的应用已受到广泛关注。主要介绍电子束在表面工程、打孔和焊接等方面的应用。 关键词：电子束;加工原理;工业应用 引言 近年来,许多国家对电子束加工原理及方法进行了大量的实验研究,并在工业上得到一定的实际应用,使得该技术得到了飞速发展。本文主要针对电子束加工技术的研究现状和应用进行理论分析和探讨。 发展、 一.电子束技术在国内外的发展现状 1948 年 ,德国物理学家Steigerwald K. H 发明了第一台电子束加工设备 (主要用于焊接) 。1949年 ,德国首次利用电子束在厚度为0. 5mm 的不锈钢板上加工出直径为<0. 2mm 的小孔。从而开辟了电子束在材料加工领域的新天地。1957年法国原子能委员会萨克莱核子研究中心研制成功世界上第一台用于生产的电子束焊接机,其优良的焊接质量引起人们广泛重视。 20世纪60年代初期,人们已经成功地将电子束打孔、铣切、焊接、镀膜和熔炼等工艺技术应用到各工业部门中，促进了尖端技术的发展。微电子学的发展对集成电路元件的集成度要求不断提高,因而对光刻工艺提出了更高的要求，扫描电子束曝光机研制成功，并在20世纪70年代进入市场 ,使得制造掩膜或器件所能达到的最小线宽已小于 0. 5 μm。 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以下几个方面：1）完善超高能密度电热源装置；2）掌握电子束品质及与材料的交换行为特性，改进加工工艺技术；3）通过计算机CNC控制提高设备柔性以扩大应用领域。 我国自20世纪60年代初期开始研究电子束加工工艺，经过多年的实践，在该领域也取得了一定成果。大连理工大学三束材料改性国家重点实验室，采用电子束对材料表面进行照射，研究其对材料表面的改性。郝胜志等以纯铝材为基础研究材料，深入研究不同参数的脉冲电子束轰击处理对试样显微结构和力学性能的影响规律，进而获得强流脉冲电子束表面改性的一些微观物理机制，通过载能电子与固体表面的相互作用过程，建立较为合理的实际加工中的物理模型，利用二维模型数值计算方法模拟计算试样
一、简介 电子束加工技术原理[1]：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，是一种完全不同于传统机械加工的新工艺。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。 二、电子束加工技术的原理 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。 按照电子束加工所产生的效应，可以将其分为两大类：电子束热效应和电子束化学效应[2]。电子束热效应是将电子束的动能在材料表面转化成热能，以实
电子束加工的特点及其应用 摘要：电子束加工简称EBM，是以高能电子束流作为热源，对工件或材料实施特殊的加工，是一种完全不同于传统机械加工的新工艺。它们在精密微细加工方面，尤其是在微电子学领域中得到较多的应用。随着科学技术的发展，电子束加工技术必将有一片广阔的应用前景。 关键词：电子束原理;应用;发展前景 引言 电子束加工（EBM）是近几年得到较快发展的新兴特种加工技术。电子束加工主要用于打孔、割缝、焊接和大规模集成电路德光刻化学技工等，在精密微细加工方面，尤其是在微电子领域中得到了广泛地应用，在近几年兴起的亚微米加工和纳米加工中，电子束加工技术也发挥着重要作用。 1．电子束加工的原理和分类 1.1加工原理 电子束加工.原理是在真空条件下,利用聚焦后能量密度极高的电子束,以极高的速度冲击到工件表面极小的面积上,在很短的时间(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,从而引起材料的局部熔化和气化,被真空系统抽走的加工技术。 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。. 1.2 电子束加工分类 按照电子束加工所产生的效应,可以将其分为两大类:电子束热加工和电子束非热加工。
1.2.1电子束热加工电子束热加工是将电子束的动能在材料表面转化成热能,以实现对材料的加工,其中包括: 1)电子束精微加工。可完成打孔、切缝和刻槽等工艺, 这种设备一般都采用微机控制,并且常为一机多用； 2)电子束焊接。与其他电子束加工设备不同之处在于,除高真空电子束焊机之外,还有低真空、非真空和局部真空等类型； 3)电子束镀膜。可蒸镀金属膜和介质膜； 4)电子束熔炼。包括难熔金属的精炼,合金材料的制造以及超纯单晶体的拉制等； 5)电子束热处理。包括金属材料的局部热处理以及对离子注入后半导体材料的退火等。 上述各种电子束加工总称为高能量密度电子束加工。 1.2.2电子束化学加工电子束化学加工是利用功率密度比较低的电子束和 电子胶.相互作用产生的辐射化学效应对材料进行加工。 该加工方法的应用的领域主要 1）扫描电子束曝光，其特点是图形变换的灵活性好，分辨率高； 2）投影电子束曝光，其特点是效率高，但分辨率较差； 3）软X射线曝光，软X射线由电子束产生，是一种间接利用电子束的投影曝光法。. 2. 电子束加工的主要应用 2.1 电子束焊接 电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接工艺。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。在重工业中，电子束焊机的功率已达100千瓦，可平焊厚度为200毫米的不锈钢板。对大工件焊接时须采用大体积真空室，或在焊接处形成可移动的局部真空。 2.2 电子束蚀刻和电子束钻孔 用聚焦方法得到很细的、功率密度为 106～108W/cm2的电子束周期地轰击材
论文题目：飞行器先进制造技术之电子束加工技术 院系：机电工程学院 专业：飞行器制造工程 班级： 08010342班_ 姓名：郭艳兵 学号：21
电子束加工技术 摘要 电子束的发现至今已有100多年，早在1879年Sir William Crookes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，Marcello Von Pirani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（Electron Beam Machining，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。 Summary The discovery of the electron beam has been 100 years, as early as 1879 Sir William Crookes found that the platinum cathode ray tube anode due to bombardment by cathode rays melting phenomenon. Then the last century in 1907, Marcello Von Pirani further found that the electron beam of high energy density as the possibility of natural heat, the first time made a molten metal electron beam experiments, successfully melting of tantalum. Until modern times the summer of 1960, the Japanese electronics company in Japan Science and Technology Agency belongs to the metal material developed the first electron beam welder.Electron beam processing (Electron Beam Machining, referred to as EBM). It is fine precision, particularly in the field of microelectronics to get more applications. Electron beam processing is mainly used for drilling, welding and electron beam lithography of finishing chemical processing. 关键词电子束；原理；特点；组成；应用
电子束加工技术 一、简介 简子束加工技简原理[1],简子束加工利用简子束的简效简可以简材料简行表面简简理、简接、刻简、简孔、熔简～或直接使材料升简～是一简完全不同于简简机械加工的新工简。简子束曝光简是一简利用简子束简射效简的加工方法。 作简加简工具～简子束的特点是功率高和功率密度大～能在瞬简把能量简简工件～简子束的和位置可以精和迅速地简简～能用简算机控制在无简染的空中简参数确并真 行加工。根据简子束功率密度和简子束材料作用简简的不同～可以完成各简不同与 的加工。 简子束加工包括简接、打孔、简简理、表面加工、熔简、简膜、物理相简、气沉雕刻以及简子束曝光等～其中简子束简接是简展最快、简用最泛的一简简子束加工广 技简。简子束加工的特点是功率密度大～能在瞬简能量简简工件～而且简子束的能将 量和位置可以用简磁简精和迅速地简简～简简简算机控制。因此～简子束加工技简确广 泛简用于制造加工的简多简域～如航空、航天、简子、汽简、核工简等～是一简重要的加工方法。 近年～着简磁简控制技简的简展～简合简子束在磁简中易控的特点～简简了一来随并
简新型的简子束加工方法快速简描简子束加工技简。简简通简简磁简的控制简简简子束的—— 快速偏简简描的方法越越简出其技简的简简～在航空航天制造简域中简得了泛的简来广 用。 二、简子束加工技简的原理 简子束加工的基本原理是,在空中灼简的简简简简射出的简子～在高简简真从灯极 (30,200千伏)作用下被加速到高的速度～通简简磁透简聚成一束高功率密度很会 ;105,109w/cm2,的简子束。简到工件简～简子束的简能立简简成简简能～简生当冲即 出高的度～足以使任何材料瞬简熔化、化～而可简行简接、穿孔、刻槽和极温气从 切割等加工。由于简子束和分子撞简简生能量简失和散射～因此～加工一气体碰会 般在空中简行。真 简子束加工机由简生简子束的简子简、控制简子束的聚束简圈、使简子束简描的偏简简圈、简源系简和放置工件的空室～以及简察置等部分简成。先简的简子束加工机真装 采用简算机控置～简加工件和加工操作简行控制～以简简高精度的自简化加工数装条。简子束加工机的功率根据用途不同而有所不同～一般简千瓦至十千瓦。几几
电子束加工的应用 1. 电子束加工的主要应用 1.1 电子束焊接 电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接工艺。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。在重工业中，电子束焊机的功率已达100千瓦，可平焊厚度为200毫米的不锈钢板。对大工件焊接时须采用大体积真空室，或在焊接处形成可移动的局部真空。 1. 电子束焊接在航空航天工业的应用[2] 作为一种现代先进的焊接技术，电子束焊接首先进入的就是航空航天领域。小到微型压力传感器，大到航天器外壳，航空航天零部件所用材料的独特性及焊接要求的特殊性, 使得电子束焊接迅速成为这些重要零部件加工所必须采用的工艺，大量应用于飞机重要承力件和发动机转子部件的焊接上。 美国的F-22战斗机机身段上,由电子束焊接的钛合金焊缝长度达87.6mm，厚度为6.4-25mm。另外，电子束焊接技术还用来焊接汽轮机喷管隔板、高温蒸汽机转轴、汽轮机定子、燃气涡轮叶片、航空发动机转子、摇臂组件、机匣、功率轴、飞机梁、起落架, 导弹壳体、航弹尾翼等。 2.电子束焊接在汽车工业的应用[3] 20世纪60年代，日本富士重工和美国通用汽车公司率先采用电子束焊接变速箱齿轮和飞轮，此后电子束焊接便吹响了进军汽车工业的号角。目前，几乎所有的国际汽车制造公司都引入了电子束焊接设备。德国大众汽车公司仅一个齿轮加工车间内, 就装有20余台电子束焊机。 汽车生产中，电子束焊接多用来加工发动机、变速器、行走系等处的零件，这些零件的机械加工量相对较少，符合电子束焊接的经济性要求。比如[]，汽车发动机中的配电盘凸轮必须是渗氮后焊接，因其对接材料不同（低碳渗氮钢-SAE1144），采用其它接合方法比较困难，故采用电子束焊接较为合适；柴油机的预燃室过去采用钎焊（对接材料不锈钢-耐热钢），改用电子束焊后提高了质
第六章电子束和离子束加工 电子束加工(Electron Beam Machining简称EBM)和离子束加工(Ion Beam Machining简称IBM)是近年来得到较大发展的新兴特种加工。它们在精密微细加工方面，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、焊接等热加工和电子束光刻化学加工。离子束加工则主要用于离子刻蚀、离子镀膜和离子注入等加工。近期发展起来的亚微米加工和毫微米(纳米)加工技术，主要是用电子束加工和离子束加工。 第一节电子束加工 一、电子束加工的原理和特点 (一)电子束加工的原理 如图6-1所示，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／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和气化，被真空系统抽走。 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，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，即可进行电子束光刻加工。 (二)电子束加工的特点 1)由于电子束能够极其微细地聚焦，甚至能聚焦到0．1μm。所以加工面积可以很小，是一种精密微细的加工方法。 2)电子束能量密度很高，使照射部分的温度超过材料的熔化和气化温度，去除材料主要靠瞬时蒸发，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。 3)电子束的能量密度高，因而加工生产率很高，例如，每秒 钟可以在2。5mm厚的钢板上钻50个直径为0.4mm的孔。 4)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，所以整个加工过程便于实现自动化。特别是在电子束 曝光中，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。 5)由于电子束加工是在真空中进行，因而污染少，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。 6)电子束加工需要一整套专用设备和真空系统，价格较贵， 生产应用有一定局限性。 二、电子束加工装置 电子束加工装置的基本结构如图6—2所示，它主要由电子 枪、真空系统、控制系统和电源等部分组成。 (一)电子枪 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，如图6-2所示。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。
电子束与离子束的原理及其异同 模具三班 一、1.电子束与离子束的加工原理比较 电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高的电子束，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，从而引起材料的局部熔化和气化，被真空系统抽走。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以进行电子束焊接；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光敏材料时产生化学变化的原理，即可以进行电子束光刻加工。 离子束加工的原理和电子束加工基本类似，也是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦，使之撞击到工件表面。不同的是离子带正电荷，其质量比电子大数千、数万倍，如氩离子的质量是电子的7.2万倍，所以一旦离子加速到较高速度时，离子束比电子束具有更大的撞击动能，它是靠微观的机械撞击能量，而不是靠动能转化为热能来加工的。离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应。具有一定动能的离子斜射到工件材料表面时，可以将表面的原子撞击出来，这就是离子的撞击效应和溅射效应
二、聚焦离子束 聚焦式离子束技术是利用静电透镜将离子束聚焦成非常小尺寸的显微切割技术。由于镓元素具有低熔点、低蒸汽压以及良好的抗氧化力，因而液态金属离子源中的金属材料多为镓。 在离子柱顶端外加电场于液态金属离子源，可使液态金属或合金形成细小尖端，再加上负电场牵引尖端的金属或合金，从而导出离子束，然后通过静电透镜聚焦，经过一连串可变化孔径可决定离子束的大小，而后用E ×B质量分析器筛选出所需要的离子种类，最后通过八极偏转装置及物镜将离子束聚焦在样品上并扫描，离子束轰击样品，产生的二次电子和离子被收集并成像或利用物理碰撞来实现切割或研磨。 三、如何控制其方向 磁偏转与电偏转分别是利用磁场和电场对运动电荷施加作用，控制其运动方向。这两种偏转有如下差别： 在磁偏转中，变化的使粒子做匀速曲线运动——匀速圆周运动，其运动规律分别从时(周期)、空(半径)两个方面给出在电偏转中，恒定的使粒子做匀变速曲线运动——类平抛运动，其运动规律分别从垂直于电场方向和平行于电场方向给出 磁偏转中，粒子的运动方向所能偏转的角度不受限制，且在相等时间内偏转的角度总是相等。在电偏转中，在相等的时间内偏转的角度是不相等的。
电子束加工的发展与应用 摘要；电子束加工技术是近年发展起来的一种先进制造技术。利用高能量的会聚电子束的热效应或电离效应对材料进行的加工。电子束加工它在精密微细方面，尤其是在微电子学领域中得到较多的应用机械加工等方面的应用已受到广泛关注。主要介绍电子束的原理，发展与应用。 关键词：电子束电离效应材料加工 0 引言 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。所以电子束加工应用方面非常广泛，是一种不可或缺的加工方法。 1 电子束加工的原理 1.1电子束原理 电子束是在真空条件下，利用聚焦后能量极高的电子束，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。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。电子束加工是以高能电子束流作为热源,对工件或材料实施特殊的加工,是一种完全不同于传统机械加工的新工艺。 2 电子束加工的发展 2.1电子束世界发展 电子束加工技术起源于德国。德国物理学家1948年发明了第一台电子束加工设备(主要用于焊、接)．1949年,德国首次利用电子束在厚度为0.5mm的不锈钢板上加工出直径为小于0.2mm的小孔。从而开辟了电子束在材料加工领域的新天地。1957年法国原子能委员会萨克莱核子研究中心研制成功世界上第一台用于生产的电子束焊接机,其优良的焊接质量引起人们广泛重视。20世纪60年代初期,人们已经成功地将电子束打孔、铣切、焊接、镀膜和熔炼等工艺技术应用到各工业部门中,促进了尖端技术的发展。微电子学的发展对集成电路元件的集成度要求不断提高,因而对光刻工艺提出了更高的要求,扫描电子束曝光机研制成功。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、日母、美国、独联体以及法国等。 2.2 电子束我国发展 我国自20世纪60年代初期开始研究电子束加工工艺,经过多年的实践,在该领域也取得了一定成果。大连理工大学三束材料改性国家重点实验室,采用电子束对材料表面进行照射,研究其对材料表面的改性。郝胜志等以纯铝材为基础研究材料,深入研究不同参数的脉冲电子束轰击处理对试样显微结构和力学性能的影响规律,进而获得强流脉冲电子束表面改性的一些微观物理机制,通过载能电子与固体表面的相互作
电子束加工技术 摘要 电子束的发现至今已有100多年，早在1879年Sir William Crookes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，Marcello Von Pirani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。电子束加工它在精密微细方面，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；原理；特点；组成；应用 1引言 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。 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。 2电子束加工技术的原理 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。 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，
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。 一、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
1、电子束与激光特征比较 电子束与激光同属高能量密度热源，其能量密度在同一段数量级，远高于其他热源。与一般加工方法相比，它们的共同特点是:加工无机械变形，加工速度快，热影响区小，束斑直径小，加工精度高，加工参数能精确控制等。但电子束与激光的工作原理不同，电子束的加热方式是高能电子穿过靶材的表面进人到距表面一定深度后再传给靶材原子能量，从而使靶材原子的振动加剧，把电子的动能转换为热能；激光则为靶材表面吸收光子能量，激光并未穿过靶材表面。正是由于电子束和激光的这一区别，使得各自的加工过程有所不同:激光加工时表面温度最高，电子束加工时则在距表面一定深度处温度最高。此外，电子束与激光相比还存在一些优点， （1）能量利用率高； （2）功率高； （3）可加工材料广泛 电子束不受加工材料反射的影响，对于各类金属都有很好的、稳定的吸收率。因而可应用于范围广泛的材料加工，并有利于梯度材料的成形加工。而在激光加工中，某些材料(如:金、银、铜、铝等)对激光的反射率高，吸收率低，并且熔化潜热很高，不易熔化，需要足够高的能量密度才能产生熔池。而且熔池一旦形成，对激光能量的吸收率迅速升高，从而使熔池温度急剧升高，导致材料汽化。 （4）电热转换率高； （5）加工速度更快； （6）运行成本低 根据国外统计，电子束运行成本仅是激光器运行成本的一半或更低。激光器在使用过程中需要消耗保护气体，如He,N2，CO2等，尤其是He的价格较高;电子束一般不消耗气体，仅消耗价格不算很高的阴极灯丝,而且消耗量不大。 （7）设备可维护性好 电子束加工设备零部件少的特点使得其维护非常方便，通常只需更换灯丝;激光器拥有的光学系统则需经常进行人工调整和擦拭，以便其最大功率的发挥。 然而电子束应用也有其不方便的地方，限制它的广泛应用。主要表现在电子束加工必须在真空环境中进行，从而使得工件尺寸受到一定限制，而且真空系统在一定程度上增加了电子束加工设备的复杂性和实现难度。 但从另一方面考虑，真空环境对于材料加工也有有利的方面。在真空环境下材料不会发生氧化反应，这对于避免组织缺陷，保证材料性能，提高成形质量大有好处。而激光虽然可在非真空的条件下使用，但也常需要He N2:等辅助气体保护，且这些气体一般不可重复使用。在某些要求较高的场合.激光加工也要求置于真空环境中进行。 2、电子束与激光的应用领域比较 电子束与激光的共同应用领域有焊接和热处理，电子束加工还能进行打孔、蒸镀与熔炼。激光加工还能进行切割、雕刻、打标、钻孔、切削等工作。 （1）技术层面比较 焊接和热处理均是电子束和激光应用的主要对象。电子束焊接和激光焊接都具有焊缝窄、穿透深、热影响区小及变形小等特点，但电子束焊接在真空中进行，工件的大小受真空室尺寸的限制，每次装卸都需要重新抽真空，焊缝定位不方便；激光焊接在大气中进行，工件尺寸不受限制。此外，电子束焊接的熔透能力比激光焊接差。 电子束热处理质量比激光高。因为用激光对工件进行热处理需要在工件表面进行涂黑处理，要涂敷均匀很不容易，继而很难得到均匀的硬化层;电子束热处理则不存在黑化问题，而且是在真空中进行处理，工件表面不易氧化，并且还伴有脱气，处理完后表面光亮，故可
电子束加工技术 摘要：简述了电子束加工技术工作原理，工作特点及应用，并简要介绍了国内外电子束焊接及其他电子束加工技术的现状及发展趋势。 关键词：电子束；原理；特点；应用；发展 ABSTRACT:In this article ,the current situation and the developing trend of EB welding as well as other EB processing technologies at home and abroad are briefly described. 一.简介 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（见电子束与离 子束微细加工）。 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。 二.电子束加工原理 电子束加工（electron beam machining，EBM）是在 真空条件下，利用电子枪中产生的电子经加速、聚焦后能 量密度为106～109w/cm2的极细束流高速冲击到工件表面 上极小的部位，并在几分之一微秒时间内，其能量大部分转换为热能，使工件被冲击部位的材料达到几千摄氏度，致使材料局部熔化或蒸发，来去除材料。 1-发射阴极2-控制栅极3-加速阳极4-聚焦系统5-电子束斑点6-工件7-工作台
三.电子束加工的优缺点 1.优点 1）高功率密度属非接触式加工，工件不受机械力作用，很少产生宏观应力变形，同时也不存在工具损耗问题。 2）电子束强度、位置、聚焦可精确控制，电子束通过磁场和电场可在工件上以任何速度行进，便于自动化控制。 3）环境污染少适合加工纯度要求很高的半导体材料及易氧化的金属材料。 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; 2.缺点 1）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； 2）需要在真空装置中进行加工； 3）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。 四.电子束加工的应用 1.电子束钻孔 用聚焦方法得到很细的、功率密度为 10～10瓦/厘米的电子束周期地轰击材料表面的固定点，适当控制电子束轰击时间和休止时间的比例，可使被轰击处的材料迅速蒸发而避免周围材料的熔化，这样就可以实现电子束刻蚀、钻孔或切割。同电子束焊接相比,电了束刻蚀、钻孔、切割所用的电子束功率密度更大而作用时间较短。电子束可在厚度为0.1～6毫米的任何材料的薄片上钻直径为1至几百微米的孔，能获得很大的深度－孔径比，例如在厚度为 0.3毫米的宝石轴承上钻直径为25微米的孔。电子束还适合在薄片（例如燃气轮机叶片）上高速大量地钻孔。 不锈钢、耐热钢、宝石、陶瓷、玻璃等各种材料上的小孔、深孔。最小加工直径可达