1.电子束加工的基本原理和特点

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，以极快的速度（加速电压为50V时，电子速度可达1.6×10⁵km/s），在微秒级的极短时间内，冲击到工件表面的极小面积上，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；或者利用能量密度较低的电子束轰击高分子材料，切断其分子链或使其重新聚合，从而使高分子材料的化学性质和分子量产生变化，实现加工的目的。

电子束的电热效应很早就被人们认识和使用，利用电子束的热效应可进行打孔、切槽、焊接及淬火等工作。图2-38所示为利用电子束热效应进行的各种加工。通过调整照射功率密度，可以实现对材料不同程度的加工，例如，低功率密度照射时，电子束中心部分的饱和温度在熔化温度附近，这时蒸发缓慢且熔化坑较大，可作电子束熔凝处理，提高表层的硬度和强度，是一种表面改性技术；用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；用高功率密度照射时，电子束中心部分的饱和温度远远超过汽化温度，可用于打孔、切槽等。另外，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。

电子束加工技术具有如下特点：

1）电子束能够极其微细地聚焦（甚至小于0.1μm），能量密度很高，可实现亚微米级甚至于纳米级尺度的精密加工。

2）电子束加工的材料范围广，尤其适用于加工高强高硬的材料。电子束热效应产生的高温足以使任何材料熔化和气化，所以可加工各种硬、脆、韧性金属和非金属材料。

3）电子束的强度、位置及聚焦等可以通过磁场或电场进行精确控制，加工过程也便于实现自动化，适宜于圆孔、异形孔、盲孔、锥孔及狭缝等的精密加工，因此电子束加工是一种可针对特殊结构进行微细加工的方法。

图2-38 利用电子束热效应进行的加工

a）低功率密度照射 b）中等功率密度照射 c）高功率密度照射

4）电子束加工效率高。由于电子束能量的90%以上均转化为热能，因而加工生产率很高。例如，每秒钟可以在2.5mm厚的钢板上加工50个直径为0.4mm的孔；厚度达200mm的钢板，电子束可以4mm/s的速度一次焊透。

5）环境友好性强，污染少。由于加工是在真空中进行，因此可用于易氧化金属及合金、高纯度半导体材料等的加工。(www.daowen.com)

2.电子束加工技术的应用

电子束加工技术的应用范围很广，可用于打孔、切割、焊接、热处理、表面改性及光刻加工等。电子束加工既是一种精密加工方法，又是一种重要的微细加工方法。

（1）打孔 电子束打孔已在航空航天、电子、化纤以及制革等工业生产中得到实际应用。目前打孔最小直径可达0.003mm。孔的深径比可达100∶1，电子束打孔的效率极高。例如，在厚度为0.1mm的不锈钢板上加工直径为0.2mm的孔，速度为3000孔/秒；玻璃纤维喷丝头上加工直径为0.8mm、深度为3mm的孔，可达20孔/秒，比电火花加工快100倍左右。图2-39所示为电子束加工的喷丝头异型孔。出丝口的窄缝宽度为0.03～0.07mm，长度为0.8mm。

图2-39 电子束加工的喷丝头异型孔

在人造革、塑料上用电子束打大量微孔，可使其具有如真皮革那样的透气性，而且成本比真皮革低。加工时，用一组钨杆将电子枪产生的单个电子束分割为200条并行细束，使其在一个脉冲内同时加工出200个孔，效率非常高。现在生产上已出现了专用塑料打孔机，其速度可达50000孔/秒，孔径在120～40μm可调。用电子束加工玻璃、陶瓷和宝石等脆性材料时，由于在加工部位的附近有很大的温差，容易引起变形甚至破裂，所以在加工前或加工时，需用电阻炉或电子束进行预热。带有电子束预热装置的双枪电子束自动打孔机，每小时可加工600颗宝石轴承。

（2）焊接 电子束焊接是电子束加工中开发较早且应用较广的技术。电子束焊接是通过材料的熔融和气化实现材料牢固地结合。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，焊接热影响区小、变形小。电子束焊接一般不用焊条，而且是在真空中进行，因此焊缝的化学成分纯净，焊接接头的强度往往高于母材。电子束可焊接的材料范围很广，既可以焊接难熔金属，如钽、铌、镍等，也可焊接钛、锆等化学性能活泼的金属；既可以焊接很薄的工件，也可焊接几百毫米厚的工件。电子束还能完成一般焊接方法难以实现的异种金属、半导体材料以及陶瓷和石英材料等的焊接，如铜和不锈钢的焊接、钢和硬质合金的焊接等。

电子束焊接的热影响区小、变形小，可以在工件精加工后进行焊接。结合异种金属焊接的特点，有可能将复杂的工件分成若干个零件，而每个零件使用最合适的材料，采用较为简单的加工方法制造，最后利用电子束焊接成一个完整的工件，从而可以获得理想的技术性能和显著的经济效益。例如，可变后掠翼飞机的中翼盒长达6.7m，壁厚12.7～57mm，钛合金小零件用电子束焊接制成，共70道焊缝，仅此一项工艺就减轻飞机质量270kg。

目前，电子束焊接已越来越多地应用在核反应堆和火箭技术上，以解决高熔点金属和活泼金属及其合金的焊接。在电气技术中，将极细的金属丝连接于正确的位置上，或是将薄膜连接于厚钢板上等，这些技术要求若采用电子束精密焊接特别容易解决。电子束精密焊接在半导体技术领域内发展也很快。另外，在某些有特殊要求的结构中采用电子束穿透焊，在穿透时熔融材料的强度不变。

（3）热处理 电子束热处理指把电子束作为热源，适当控制电子束的功率密度，使金属表面加热而不熔化。电子束热处理的加热速度和冷却速度都很快，在相变过程中，奥氏体化时间很短，只有几分之一秒乃至千分之一秒，奥氏体晶粒来不及长大，从而获得超细晶粒组织，可使工件获得常规热处理不能达到的硬度。

利用电子束加热金属，使之表面熔化后，可在熔化区内添加元素，使金属表面形成一层很薄的新合金层，从而获得特殊的物理、力学性能。例如，铸铁件经电子束熔化处理可以产生非常细的莱氏体组织，其优点是抗磨损性能好。研究表明，铝、钛、镍的各种合金几乎均可进行添加元素处理，使其耐磨性能大大提高。电子束热处理的电热转换效率高达90%，而且是在真空中进行，可以防止材料氧化。另外，电子束设备的功率可以做得较大，因此电子束热处理工艺的发展前景非常可观。