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电子束加工

利用电子束的加热效应或辐射效应对材料进行的加工。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(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。

图电子束焊接

电子束功率密度达105~106瓦/厘米2时,电子束轰击处的材料即局部熔化;当电子束相对工件移动,熔化的金属即不断固化,利用这个现象可以进行材料的焊接。电子束焊具有深熔的特点,焊缝的深宽比可达20:1甚至50:1。这是因为当电子束功率密度较大时,电子束给予焊接区的功率远大于从焊接区导走的功率。利用电子束焊的这一特点可实现多种特殊焊接方式。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。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。

电子束刻蚀和电子束钻孔

用聚焦方法得到很细的、功率密度为 106~108瓦/厘米2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。

电子束熔炼

电子束熔炼法发明于1907年,但直到50年代才用于熔炼难熔金属,后来又用于熔炼活泼金属(如Ti锭)和高级合金钢。电子束加热可使材料在真空中维持熔化状态并保持很长时间,实现材料的去气和杂质的选择性蒸发,可用来制备高纯材料。电子束加热是电能转为热能的有效方式之一,大约有50%功率用于熔化和维持液化。功率在60千瓦以下的电子束熔炼机可用直热式钨丝作为电子枪的阴极。60千瓦以上熔炼机的电子枪则用间热式块状钽阴极,它由背后的钨丝所发射的电子轰击加热到 2700K,可有每平方厘米为几安的发射电流密度。电子枪加速电压约30千伏,这样容易防止电击穿和减弱 X射线辐射,电子束用磁聚焦和磁偏转。电子枪和熔炼室用不同的真空泵抽气,真空度分别维持在10-3和10-1帕左右。80年代已生产出600千瓦级的电子枪。如需更大功率,可用几支电子枪同时工作。利用电子束加热可铸造100吨的坯料。