电子束|电子束产生原理|电子束加工|电子束焊接

　　电子束焊接，也叫电子束焊，是指利用加速和聚焦的电子束轰击置于真空或非真空中的焊接面，使被焊工件熔化实现焊接。真空电子束焊是目前应用Z广的电子束焊。

　　电子束在30～150kV的加速电压作用下，被加速到光速的1/2～2/3倍，高速电子流轰击工件表面，使其表层温度达到104℃以上、功率密度达到107W/cm2。因此，能量密度高度集中和局部高温是电子束焊接的Z大特点。但在常规加速电压的作用下，电子束穿透工件的深度仅为几十分之一毫米，这与电子束焊缝的熔深(Z大可达300mm)相比是微不足道的。

　　当束功率密度低于105W/cm2时，电子束的能量在工件表面将转换为热能，由于工件表面的散热条件较好，通过热传导的方式，熔池有向工件深层发展的趋势，此时焊缝熔深较浅，称为熔化成形。

　　当束功率密度增大到超过105W/cm2时，焊缝表面金属迅速熔化且剧烈蒸发，在蒸发反作用力的排斥下，熔池下凹，排开液态金属而露出新的固态金属表面，使电子束可以穿透到相当的深度，形成一个细长的束孔。

　　随着电子束的移动，束孔前沿的金属不断熔化并被排斥到熔池后方，冷凝后形成焊缝，这种焊缝称为深穿入成形。电子束焊接中主要采用这种成形方法以发挥其深宽比较大的优点。

　　电子束焊接技术具有能量密度高、焊接速度快、焊接变形区小、参数易于控制、可焊接难熔及异种金属等优点，在工业上得到了广泛应用。

　　1、电子束焊接的优势

　　①能量密度高(1010-1013W/m2)。焊缝窄，热影响区小且具有平行边缘，焊接变形小;一般焊接无需填充金属;对于高质量的工业产品具有较高的焊接速度;可获得深宽比大的焊缝，焊接厚件时不开坡口一次成形。

　　②真空条件下焊接。避免在焊接过程中工件氧化，焊缝纯净度高。

　　③可靠性及重复性好。焊接参数自动控制，能够保证焊缝质量;焊接参数易于调节，工艺适应性强。

　　④适用于异种金属材料焊

　　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。其中以电子束焊接、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Z为广泛。随着该项技术的不断发展，它已用于大批量生产、大型零件制造以及复杂零件的加工，尤其是在表面工程应用等方面都显示出其独特的优越性。

　　电子束加工作为一种特种加工方法，其机理是利用电子束的能量对材料进行加工，是一种完全不同于传统机械加工的新工艺。

　　电子束加工工艺按其对材料的作用原理，可以分为两大类。

　　1、电子束热效应

　　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人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。

　　高能量密度电子束由电子枪产生，电子枪的阴极发射出电子，并汇聚成电子束，在电子枪的加速电场(通常由15-175kV的直流高压形成)作用下，电子的速度被提高到接近或达到光速的一半，因而具有很高的动能。电子束再经电磁透镜的聚束作用，汇聚成为更细的束流。

　　束斑直径为数微米至1mm，而在某些应用场合，束斑直径可小至几十个纳米，因此，其能量非常集中。电子束的功率密度(即单位时间内输人单位面积材料中的能量)可高达107W/mm2。

　　当电子束轰击材料时，其能量大部分转化成热能，使材料局部区域温

　　在高真空下，电子枪灯丝加热后发射热电子，被加速阳极加速，获得很大的动能轰击到的蒸发材料上，把动能转化成热使蒸发材料加热气化，而实现电子束蒸发镀膜。电子束蒸发源由发射电子的热阴极、电子加速极和作为阳极的镀膜材料组成。电子束蒸发源的能量可高度集中，使镀膜材料局部达到高温而蒸发。通过调节电子束的功率，可以方便的控制镀膜材料的蒸发速率，特别是有利于高熔点以及高纯金属和化合物材料。

　　电子束蒸发镀膜机是在工业中比较常使用的薄膜制造设备，由于蒸发镀膜机的特点在生产薄膜的时候发挥了巨大的作用，薄膜的产生主要是通过镀膜机中的电子束的加热产生的。

　　1、电子束加热蒸发镀膜的优点

　　①镀膜机中的电子束加热的方法与传统的电阻加热的方法相比较的话。电子束加热会产生更高的通量密度，这样的话对于高熔点的材料的蒸发比较有利，而且还可以使的蒸发的速率得到一定程度上的提高。

　　②蒸发镀膜机在工作的时候会将需要被蒸发的原材料放入到水冷铜坩埚内，这样就可以保证材料避免被污染，可以制造纯度比较高的薄膜。

　　③电子束蒸发的粒子动能比较的大，这样会有利于薄膜的精密性和结合力。

　　2、电子束加热蒸发镀膜的缺点

　　①电子束蒸发镀膜机的整体的构造比较的复杂，价格相较于其他的镀膜设备而言比较的偏高。

　　②镀膜机在工作的时候，如果蒸发源附近的蒸汽的密度比较高的话，就会使得电子束流和蒸汽粒子之间发生一些相互的作用，将会对电子的通量产生影响，使得电子的通量散失或者偏移轨道。同时你还可能会引发蒸汽和残余的气体的激发和电离，以此影响到整个薄膜的质量。

　　一、镀膜原理

　　电子束蒸发镀制TiO2薄膜，采用下图所示的离子束辅助电子束蒸发的INTEGRITY-39全自动光学镀膜系统。

1.冷却水进口;2.冷却水出口;3.坩埚;4.束流线圈;5.电子束发射器;6.加热灯;7.基