電子束切割---討論

我在飛

1． 電子束切割原理及特點
（1）切割原理
  y8 B4 W; L7 j6 t) O$ g電子束切割時，具有較高能量的細聚焦電子流打擊工件的待切割處時，這部分工件的溫度將急劇上升，以至于工件未經熔化就直接變成了氣體（升華），于是工件表面就出現了一道溝槽，溝槽逐漸加深而完成工件的切割。
& v! n8 Y! T5 Z5 j2 I4 P電子束切割必須在高真空條件下進行，因為只有在高真空條件下才能獲得高能量的細聚焦電子流，而在空氣中發射電子的燈絲很容易被氧化而燒毀。在低真空條件下，電子流會在轟擊工件之前與其他氣體分子碰撞使氣體電離而失去能量。
（2）特點
① 功率密度高
& _5 u) T  i. P7 g電子束徑可達微米級，因此轟擊點瞬時溫度高達數千攝氏度，足以使材料熔化或汽化。電子束一般可用來切割任何材料和半導體電路等，是一種微細切割方法。
) ?$ E0 f$ q4 l) d$ Y* K, R② 工件變形小
( G( P: @1 v5 e: S0 z% T* g& {- P電子束作為熱能切割方法，瞬時作用面積又很微小，因此切割部位的熱影響區很小（約幾個微米），在切割過程中也無機械力作用，工件很少產生應力和變形，也不存在刀具的損耗問題，尤其是加工精度高、表面質量好。對各種材料（包括脆性材料、導體、半導體及非導體材料）均可實現切割。
& C6 A1 z  B/ I③ 熱源的開關時間特別短
電子束熱源的開關速度在幾分之一微秒的作用時間內能以精確量來變換能量。因此在射線發生器內采用韋氏電極，而這種電極幾乎可以無功率地和無慣性地來控制射線的強度。采用具有可以調整重復頻率、脈沖寬度的脈沖電壓可使用熱源在工件上的作用時間有很大范圍的變化。
④ 真空環境下切割點不受雜質污染
# W0 `1 k- n2 |+ W( c全部切割過程是在真空中進行，切割點能防止空氣氧化產生的雜質，保持高純度。適于切割易氧化金屬及合金材料，特別是純度要求極高的半導體材料。
+ ?( i* e" b( O: r- p, I+ H⑤ 電子束強度、位置和聚集可以精確控制
0 b$ I$ l* ]+ @- M0 ]' L1 m- g: R2 t位置控制準確度可達0.1μm左右，強度和束斑大小控制誤差可達1％以下。通過磁場和電場可使電子束以任意速度在工件上運行，便于計算機控制，實現切割過程的自動化。
⑥ 成本高
& O# l5 x7 Z7 a/ w2 F; l; g電子束切割需要專用設備，切割成本較高。
目前電子束主要用來切割晶體，晶體表面不易玷污，切割的晶向準確度較高，切割時材料損耗較小，引起的晶體表面損傷也很小。因此，它是一種較好的晶體定向切割機器。
  X7 G; k0 G7 X9 R" }2． 電子束切割裝置
電子束切割裝置包括電子槍、真空室及抽真空系統、電子束控制系統和工作臺系統。電子束切割裝置的結構見下圖。

電子槍是用來發射高束電子流，完成電子的預聚集和強度控制的裝置。切割時，加熱的發射陰極發射出電子束，電子束在陽極光闌較陰極為正的高壓下加速，當速度達2/3光速時通過陽極，加到控制柵極上的較陰極為負的偏壓，可以控制電子束的強弱，還可對電子束進行初步聚集。陰極一般采用純鎢或純鉭制成，在工作時損耗大，需要每10～30h更換一次。
' [% q9 b" t; S' C抽真空系統一般由機械旋轉泵和油擴散泵兩級組成。機械泵先把真空抽至1.3～0.13Pa。然后擴散泵依靠加熱泵中的油所產生的蒸氣高速噴出，將真空室中殘余氣體從泵進口吸入，然后從排氣口排出。
電子束控制系統包括束流強度控制、束流聚集控制和束流位置控制。其中束流強度控制是通過在陰極上的負高壓（50～150kV）來實現的；束流聚集控制是通過“電磁透鏡”的磁場作用實現的；束流位置控制是通過磁偏轉控制電子束聚集位置來實現的，即通過一定程序改變偏轉電壓或電流，使電子束按某種預設規律運動

我在飛

以前的一個小資料，今天又看到。拿來與大家討論一下。
7 s/ r" a$ ~! f/ `0 E" O( |電子束切割與常見的激光切割，等離子切割有哪些相同和不同的地方?如果將電子束發生器的末端鏡片封閉，內部抽真空，把電子束導出，是否可用于普通金屬的切割？

鬼魅道長

電子束，激光，等離子都是高能束流，一般的說法能量是從高到低排列的，等離子沒接觸過，電子束和激光不同點有能量轉換效率（電子束90~98%，激光10~20%），環境（真空，非真空），X射線（有，無）。一般來說這兩家就國內的水平只能切割薄板，厚了都不行。激光的深寬比很大，而電子束除了高壓槍（150KV及以上，焊縫形狀為釘子型）之外，中低壓槍的焊縫形狀都是等腰三角形，切厚東西很費勁。德國probeam公司有個電子束打孔技術，一秒兩千個，最小孔徑0.02，據說密不外傳，帶這種技術的機器根本不往外賣，也不讓人看，只是在秘密車間里做對外加工。
: e" m" \3 R* D; P- t6 o3 _7 u電子槍口的鏡片是磁透鏡，物理上來說就是個孔。現在世界上就美國人能把它封起來，在槍口噴射高速氦氣流，然后將其電離，這樣形成的離子流空氣進不去，電子束能出來，和樓上大俠說的情形一樣。其他國家沒招，只能是封局部真空，真空室為柔性，隨電子槍移動，用來焊船甲板。我國造不出航母，就是沒有高壓槍和相應條件下的電子束焊接技術，外國人對這個是封鎖的。

我在飛

長驅鬼魅大俠真是高手!我去年在北航見到電子束熔煉爐，烏克蘭的，就很感興趣。它是熔煉飛機發動機耐高溫合金的。

我在飛

長驅鬼魅大俠真是高手!我去年在北航見到電子束熔煉爐，烏克蘭的，就很感興趣。它是熔煉飛機發動機耐高溫合金的。

鬼魅道長

長驅鬼魅大俠真是高手!我去年在北航見到電子束熔煉爐，烏克蘭的，就很感興趣。它是熔煉飛機發動機耐高溫合金的。
我在飛 發表于 2009-8-27 21:29

' ?3 n# [' m' k# v# P6 R
我在飛大俠：
1 \0 X* ~& c' ^實在對不起，最近瑣事纏身，身心疲憊，把這個帖子忘干凈了。

% E7 D- p$ ]4 O( y. P您說的那個設備應該是烏克蘭巴頓電焊所的，蘇聯時期曾經是世界電子束技術的旗幟，極其輝煌。可惜老毛子解體后人才大量流失，現在已趕不上德國和美國人，不過仍然是電子束技術第一梯隊的企業。

既然提到熔煉爐，我大概說說電子束的熱處理工藝吧。
$ g: t& u. S; [. ?, w. Q4 C電子束熱處理分三種：相變硬化處理、熔化-凝固與合金化、表面上光。

相變硬化處理：主要是將高能密的電子束打在金屬表面，使其迅速上升到奧氏體相變溫度與熔化溫度之間，此時表面就會變成奧氏體。然后切斷電子束，熱量會快速擴散，冷卻速度會超過2200℃/S，完成自行淬火。這方法弄完后晶粒細，且比常規高2~3洛氏硬度，而且硬化層厚，速度快。最大的優勢，是變形小，可以精加工后處理。
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% S3 q# V8 ?( c5 s* K- e, Z9 [熔化-凝固與合金化：主要是用電子束在零件表面掃描，使其快速熔化后凝固，弄完后表面質量很高，還可消除原有表面缺陷。含錳、硅的鑄鐵，表面熔化后和碳化合并凝成馬氏體，可在五百多高溫下保持高硬度。要鑄鐵里有鉻和鉬，那碳化物性能就能更牛些。
4 V7 E8 S9 k3 O                           還有一種處理應用是做涂層。將金屬粉末與膠結劑涂在金屬表面，電子束轟擊后粉末熔化，兩層金屬就構成厚層合金化，表面就是優良性能的合金。或者涂層要是薄的話，那電子束轟擊后粉末和基體表層全熔化了，兩種溶液混合后形成一種新的化學成分的表層，這叫表面合金化。這種處理好處就是基體可以用便宜貨做，然后一處理就變成好東西了。
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; l: L' m. U8 ?& X( q% Q$ O! p表面上光：對我來說，這還是一種傳說中的技術，所以胡謅兩句，大俠不要見怪 。 這種技術據說世界還在研究中，有沒有什么成果就不知道了。大體上就是用極高能密的電子束轟擊金屬表面，使其在極短時間內熔化薄薄的一層，大概就是0.025mm，這樣能進入基體金屬中的熱能很少，就形成了液體與固體間極大的溫度梯度，表層冷凝中相變過程被抑制，形成一種類似玻璃體的非晶態表層。致密性極好，聽說用幾萬倍電子顯微鏡也看不出組織結構。抗腐蝕、疲勞性和耐磨性非常高。核心技術是冷卻速度，要求達到10的六次方到八次方攝氏度每秒。這技術要能搞出來絕對是材料學的革命，不過現在有沒有人弄出來就不知道了。