1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 論文題目：飛行器先進制造技術(shù)之電子束加工技術(shù)院 系： 機電工程學(xué)院 專 業(yè)：飛行器制造工程班 級： 班_姓 名：郭艷兵學(xué) 號：21 專心-專注-專業(yè)電子束加工技術(shù)摘要電子束的發(fā)現(xiàn)至今已有100多年，早在1879年Sir William Crookes發(fā)現(xiàn)在陰極射線管中的鉑陽極因被陰極射線轟擊而熔化的現(xiàn)象。接著到上世紀(jì)初的1907年，Marcello Von Pirani進一步發(fā)現(xiàn)了電子束作為高能量密度熱然的可能性，第一次用電子束做了熔化金屬的實驗，成功地熔煉了鉭。直到近代1960年夏，由日本電子公司為日本科學(xué)技術(shù)廳所屬的金屬材料所研制了第一臺電子束焊機。電子束加工（

2、Electron Beam Machining，簡稱EBM）。它在精密微細方面，尤其是在微電子學(xué)領(lǐng)域中得到較多的應(yīng)用。電子束加工主要用于打孔、焊接等的精加工和電子束光刻化學(xué)加工。SummaryThe 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 l

3、ast 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 com

4、pany 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 proce

5、ssing is mainly used for drilling, welding and electron beam lithography of finishing chemical processing.關(guān)鍵詞 電子束；原理；特點；組成；應(yīng)用目錄摘要I第一章 緒論第二章 第三章 電子束加工技術(shù)的特點第四章 電子束加工裝置的組成 9 第五章 第七章 UG 5.0制作簡易輪盤的步驟總結(jié)27第一章 緒論利用電子束的熱效應(yīng)可以對材料進行表面熱處理、焊接、刻蝕、鉆孔、熔煉，或直接使材料升華。電子束曝光則是一種利用電子束輻射效應(yīng)的加工方法。作為加熱工具，電子束的特點是功率高和功率密度大，能在瞬間把

6、能量傳給工件，電子束的參數(shù)和位置可以精確和迅速地調(diào)節(jié)，能用計算機控制并在無污染的真空中進行加工。根據(jù)電子束功率密度和電子束與材料作用時間的不同，可以完成各種不同的加工。電子束加工包括焊接、打孔、熱處理、表面加工、熔煉、鍍膜、物理氣相沉積、雕刻以及電子束曝光等，其中電子束焊接是發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛的一種電子束加工技術(shù)。電子束加工的特點是功率密度大，能在瞬間將能量傳給工件，而且電子束的能量和位置可以用電磁場精確和迅速地調(diào)節(jié)，實現(xiàn)計算機控制。因此，電子束加工技術(shù)廣泛應(yīng)用于制造加工的許多領(lǐng)域，如航空、航天、電子、汽車、核工業(yè)等，是一種重要的加工方法。 近年來，隨著電磁場控制技術(shù)的發(fā)展，并結(jié)合電子束在磁

7、場中易控的特點，開發(fā)了一種新型的電子束加工方法快速掃描電子束加工技術(shù)。這種通過電磁場的控制實現(xiàn)電子束的快速偏轉(zhuǎn)掃描的方法越來越顯出其技術(shù)的優(yōu)勢，在航空航天制造領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。技能訓(xùn)練之電子束加工技術(shù)是我們對大學(xué)學(xué)習(xí)的一次深入的綜合性的總考核，也是一次理論聯(lián)系實際的訓(xùn)練，這次設(shè)計使我們能綜合運用特種加工技術(shù)以及精密超精密加工技術(shù)的理論知識，并結(jié)合實習(xí)中學(xué)到的實踐知識，獨立地分析和解決問題，初步具備了通過文獻檢索，書籍查找等方式對一種新技術(shù)的認識，學(xué)習(xí)，最終以論文的形式把學(xué)習(xí)的知識成文等基本技能的一次實踐機會。 因此，它在我們大學(xué)生活中占有重要地位。就我個人而言，我也希望通過這次設(shè)計對自己

8、未來將從事的工作進行一次適應(yīng)性心理，從中鍛煉自己分析問題，解決問題的能力，對未來的工作發(fā)展打下一個良好的基礎(chǔ)。第二章 電子束加工技術(shù)的原理現(xiàn)在的社會可以說電視機很平凡，很常見了。而且它的成像原理就如同我今天要說的電子束加工原理。電子束是在真空條件下，利用聚焦后能量極高（106109w/cm2）的電子束，以極高的速度沖擊到工件表面極小面積上，在極短的時間（幾分之一微妙）內(nèi)，其能量的大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使被沖擊部分的工件材料達到幾千攝氏度以上的高溫，從而引起材料的局部熔化，被真空系統(tǒng)抽走。下面特殊介紹一下快速掃描電子束加工技術(shù)原理，如圖1 所示，就是通過對電子槍偏轉(zhuǎn)線圈和聚焦線圈的控制，使電子束在工

9、件上按特定的軌跡、速率和能量快速偏轉(zhuǎn)而實現(xiàn)快速掃描電子束加工。由于電子束幾乎沒有質(zhì)量和慣性，可以實現(xiàn)非接觸的偏轉(zhuǎn)，而且通過電壓控制，可以在不同的位置切換時控制束流通斷，這樣，束流就可以在構(gòu)件的不同位置以極高的頻率切換。由于材料的熱慣性，通過束流與材料的相互作用，在這些位置上就會同時產(chǎn)生冶金效果，實現(xiàn)電子束的掃描加工。如果在不同的束流之間改變聚焦位置或者束流強度，則可以實現(xiàn)多功能加工技術(shù)，如多束流加工技術(shù)、電子束“毛化”技術(shù)以及電子束快速成型技術(shù)等。 總的來說，電子束加工的基本原理是：在真空中從灼熱的燈絲陰極發(fā)射出的電子，在高電壓(30200千伏)作用下被加速到很高的速度，通過電磁透鏡會聚成一束

10、高功率密度（105109w/cm2）的電子束。當(dāng)沖擊到工件時，電子束的動能立即轉(zhuǎn)變成為熱能，產(chǎn)生出極高的溫度，足以使任何材料瞬時熔化、氣化，從而可進行焊接、穿孔、刻槽和切割等加工。由于電子束和氣體分子碰撞時會產(chǎn)生能量損失和散射，因此，加工一般在真空中進行。 電子束加工機由產(chǎn)生電子束的電子槍、控制電子束的聚束線圈、使電子束掃描的偏轉(zhuǎn)線圈、電源系統(tǒng)和放置工件的真空室，以及觀察裝置等部分組成。先進的電子束加工機采用計算機數(shù)控裝置，對加工條件和加工操作進行控制，以實現(xiàn)高精度的自動化加工。電子束加工機的功率根據(jù)用途不同而有所不同，一般為幾千瓦至幾十千瓦。第三章 電子束加工技術(shù)的特點電子束加工的主要優(yōu)點是

11、：1. 電子束能聚焦成很小的斑點(直徑一般為0.010.05毫米)，且可控 ,可以用于精密加工適合于加工微小的圓孔、異形孔或槽；2. 功率密度高，能加工高熔點和難加工材料如鎢、鉬、不銹鋼、金剛石、藍寶石、水晶、玻璃、陶瓷和半導(dǎo)體材料等；3. 無機械接觸作用，無工具損耗問題；4. 加工速度快，如在0.1毫米厚的不銹鋼板上穿微小孔每秒可達3000個，切割1毫米厚的鋼板速度可達240毫米分。5. 設(shè)備的使用具有高度靈活性 ,并可使用同一臺設(shè)備進行電子束焊接、 表面改善處理和其他電子束加工; 6. 電子束加工是在真空狀態(tài)下進行 ,對環(huán)境幾乎沒有污染; 7. 對于各種不同的被處理材料 ,其效率可高達 7

12、5%98% ,而所需的功率則較低; 8. 能量的發(fā)生和供應(yīng)源可精確地靈活移動 ,并具有高的加工生產(chǎn)率; 9. 可方便地控制能量束 ,實現(xiàn)加工自動化;其主要缺點是:a. 由于使用高電壓，會產(chǎn)生較強 X射線，必須采取相應(yīng)的安全措施；b. 需要在真空裝置中進行加工；c. 設(shè)備造價高等。電子束加工對設(shè)備和系統(tǒng)的真空度要求較高 ,使得電子束加工 價格昂貴 ,一定程度上限制了其在生產(chǎn)中的應(yīng)用.。由于電子束流具有以上特點 ,目前已被廣泛地應(yīng)用于高硬度、易氧化或韌性材料的微細小孔的打孔,復(fù)雜形狀的銑切,金屬材料的焊接、熔化和分割,表面淬硬、光刻和拋光 ,以及電子行業(yè)中的微型集成電路和超大規(guī)模集成電路等的精密微

13、細加工中。隨著研究的不斷深入 ,電子束加工已成為高科技發(fā)展不可缺少的特種加工手段之一。電子束加工廣泛用于焊接（見電子束焊），其次是薄材料的穿孔和切割。穿孔直徑一般為0.031.0毫米，最小孔徑可達0.002毫米。切割0.2毫米厚的硅片，切縫僅為0.04毫米，因而可節(jié)省材料。最重要的是，這些特性具有高的分解力和長的電場深度,電場是由于高能電子的短波產(chǎn)生的。電子束加工按其功率密度和能量注入時間的不同，可用于打孔、切割、蝕刻、焊接、熱處理和光刻加工等。第四章 電子束加工裝置的組成在許多工業(yè)領(lǐng)域中，電子束聚焦后能量密度極高（106109 w/cm2），并以極高的速度沖擊到工件表面極小的面積上，在極短的

14、的時間（幾分之一秒）內(nèi)，其能量的大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽贡粵_擊部分的工件材料達到幾千攝氏度以上的高溫，從而引起材料的局部熔化或氣化。電子束加工裝置主要由電子槍、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及電源電源等部分組成。了解電子束加工的結(jié)構(gòu)是為了更好的的控制電子束能量密度的大小和能量注入時間，就可以達到不同的加工目的，如果只使材料局部加熱就可進行電子束熱處理；使材料局部熔化可進行電子束焊接；提高電子束能量密度，使材料熔化和氣化，就可進行打孔、切割等加工；利用較低能量密度的電子束轟擊高分子材料時產(chǎn)生化學(xué)變化的原理，進行電子光刻加工。如：電子束爆光可以用到電子束掃描，將聚焦到小于1um的電子束斑在大約0.55mm的范圍，

15、可爆光出任意圖形；甚至可以在幾毫米見方的硅片上安排十萬個晶體管或類似的元件。電子槍是獲得電子束的裝置，它包括電子發(fā)射陰極、控制柵極和加速陽極等。其中陰極經(jīng)電流加熱發(fā)射電子，帶負電荷的電子高速飛向帶高電位的正極，在飛向正極的過程中，經(jīng)過加速，又通過電磁鏡把電子束聚焦成很小的束流。發(fā)射陰極一般用純鎢或鉭做成陰極。大大功率時用鉭做成塊狀陰極。在電子束打孔裝置中，電子槍陰極在工作過各中受到損耗，因此每過1030 h就得進行定期更換。控制柵極為中間有孔的圓筒形，其上加以較陰極為負的偏壓，既能控制電子束的的強弱，以有初步的聚集作用。加速陽極通常接地，而在陰極加以很高的負電壓以驅(qū)使電子加速。真空系統(tǒng) 是為了

16、保證在電子束加工時達到1.33×10-21.33×10-4Pa的真空度。因為只有在高真空時，電子才能高速運動。為了消除加工時的金屬蒸氣影響電子發(fā)射，使其不穩(wěn)定現(xiàn)象，需要不斷地把加工中產(chǎn)生的金屬蒸氣抽去。它一般由機械旋轉(zhuǎn)泵和油擴散泵或渦輪分子泵兩部分組成，先用機械旋轉(zhuǎn)泵把真空室抽至1.40.14Pa的初步真空度，然后由油擴散泵或渦輪分子泵抽至0.0140.00014的高真空度?？刂葡到y(tǒng)是由束流聚焦控制、束流位置控制、束流強度控制以及工作臺位移的控制等組成。束流聚焦控制是為了提高電子束的的能量密度，使電子束聚焦成很小的束流，它基本上決定著加工點的孔徑或縫寬。聚焦一種是利用高壓靜

17、電場使電子流聚焦成細束；另一種比較可靠是利用“電磁透鏡（實際上是為一電磁線圈，通電后它產(chǎn)生的軸向磁場與電子束中心線相平行，徑向磁場則與中心線垂直。）”靠磁場聚焦。 束流強度控制是為了使電流得到更大的運動速度，常在陰極上加上50150KV以上的負高壓。加工時，為了避免熱量擴散到不用加工的部位，常使用電子束間歇脈沖性地運動。工作臺的移控制是為了在加式過程中控制工作臺的位置。如果在大面積加工時有伺服電機控制工作臺移動并與電子束的偏轉(zhuǎn)相配合將減少像差和影響線性。第五章 常用幾種電子束加工技術(shù)的介紹多束流電子束加工多束流電子束加工(Multibeam Technology) 是指采用2束以上的電子束對材

18、料或結(jié)構(gòu)進行處理和加工的一種方法。多束流電子束可以由多個電子槍產(chǎn)生，也可以由1個電子槍通過電磁場的控制而產(chǎn)生。電子束在不同的位置快速移動，由于移動的頻率很高從而產(chǎn)生多束的效果。本文所提到的多束流電子束都是指由1個電子槍通過電磁場控制而產(chǎn)生的多束。 電子束掃描技術(shù)早在20世紀(jì)70 年代就已經(jīng)用于消除電子束焊接缺陷，但是由于控制技術(shù)的限制，最近才開始用于多束流焊接和其他加工技術(shù)。德國Steigerwald、PTR和Pro-beam等公司都進行過相關(guān)研究，主要是在束流偏轉(zhuǎn)設(shè)備方面；Aachen大學(xué)的焊接研究所在這方面的研究也比較多，主要是在多束流的束流品質(zhì)、能量分配及加工過程中熱、力、冶金的相互作用

19、方面。英國焊接研究所的Oliver Nello等人設(shè)計和建立了可編程偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有使電子束在X 、Y軸快速偏轉(zhuǎn)并以相似的速度調(diào)節(jié)電子束焦點（Z軸）的能力，可用于電子束多束流焊接過程應(yīng)力變形控制的研究。 在國內(nèi)，北京航空制造工程研究所“十一五”期間在國家自然科學(xué)基金（多束流電子束加工的熱效應(yīng)）的基礎(chǔ)上搭建了多束流技術(shù)試驗平臺，開展了多束流掃描控制技術(shù)的研究，并用于電子束焊接過程中應(yīng)力和變形的動態(tài)控制，降低了試件的焊接殘余應(yīng)力，從而減小最終變形。上海交通大學(xué)曾對掃描軌跡可控的電子束加工技術(shù)進行研究，初步實現(xiàn)了掃描方式的靈活控制，并嘗試進行了一些相關(guān)的試驗，但由于試驗設(shè)備等條件的限制，比較側(cè)重

20、于理論方面的驗證和控制平臺的搭建，相應(yīng)系統(tǒng)有待于進一步優(yōu)化和完善，工程應(yīng)用研究也有待于進一步的開展。多束流電子束加工技術(shù)主要應(yīng)用于多束流焊接技術(shù)，用于提高焊接效率，減少焊接變形，改善難熔易裂材料的焊接性、焊縫性能等。多束流電子束的應(yīng)用可以方便、迅速（通過電磁場非接觸地控制幾乎沒有質(zhì)量的電子運動）地調(diào)節(jié)電子束加工過程中的熱量分布，從而對其力學(xué)過程和冶金過程進行動態(tài)控制，減小應(yīng)力和變形，防止焊接過程中的熱裂傾向，形成高質(zhì)量的加工部件。圖4是德國Pro-beam 公司采用3束電子束同時焊接的實例，結(jié)果表明與單束電子束焊接相比，此種方式可以明顯減小齒輪焊接變形，而且大大提高了加工效率。 另外，多束流電

21、子束加工技術(shù)還可用于異種材料的連接：通過調(diào)節(jié)不同位置的停留時間，控制在不同區(qū)域的能量輸入。例如，接頭一邊的材料熔化，而另一邊的材料仍處于加熱狀態(tài)（擴散焊），這樣就可以實現(xiàn)固態(tài)不完全熔化的異種材料的有效連接。可見，多束流電子束加工技術(shù)在多方面都有很大的應(yīng)用潛力。電子束“毛化” 技術(shù)電子束“毛化” 技術(shù)（Electron Beam Surfi-sculpt）是英國焊接研究所（TWI）Bruce Dance 等人近年來發(fā)明的一種新型電子束加工技術(shù)，它借助于電磁場對電子束的復(fù)雜掃描控制而在金屬材料表面產(chǎn)生特殊的成形效果。其基本過程是在真空環(huán)境中，通過快速響應(yīng)偏轉(zhuǎn)線圈和復(fù)雜信號控制程序精確控制電子束流，

22、使其按照某種特定的方式、特定的規(guī)律、一定的速度和能量作用于材料表面，并在材料表面形成金屬的微小熔池。一旦材料開始形成熔池，電子束將通過磁場的掃描控制被迅速轉(zhuǎn)移到其他位置，而熔化的液態(tài)金屬在表面張力及金屬蒸汽壓力的共同作用下，向束流移動相反的方向流動，并在熔池后方快速冷卻、凝固。隨著束流的重復(fù)掃描，熔池前端的金屬被繼續(xù)轉(zhuǎn)移到熔池后端，經(jīng)過不斷的堆積、冷卻、凝固，逐漸形成一定形狀和大小的“凸起”（毛刺），產(chǎn)生表面“毛化”的效果，而在熔池前端形成很小的凹坑或者凹槽狀的“刻蝕”。自發(fā)明電子束“毛化”技術(shù)以來，英國焊接研究所在該領(lǐng)域開展了大量的研究工作，開發(fā)了成熟的電子束“毛化”設(shè)備，而且在工藝研究方面

23、也取得了長足的進步。通過控制電子束的工藝參數(shù)(包括電子束的加速電壓、電流和聚焦)，加上特殊的掃描波形，即可在不同的金屬（如不銹鋼、鈦合金及鋁合金等）上產(chǎn)生各種不同的表面，包括高寬比大的尖峰突起、蜂窩結(jié)構(gòu)、無毛刺的孔穴、刀刃、通道、旋渦和網(wǎng)紋。 對任何紋理的結(jié)構(gòu)，都可以通過改變尺寸、形狀、入射角和特征分布來定制客戶所需的表面。目前已經(jīng)成功制備尺寸從10um-20mm的毛刺。圖2是電子束毛化的幾種表面形貌。該技術(shù)不僅能夠加工其他工藝無法實現(xiàn)的表面造型，而且在真空操作下可以避免表面污染。在國內(nèi)，有關(guān)電子束“毛化”技9術(shù)的研究剛剛起步，北京航空制造工程研究所在現(xiàn)有電子束焊接設(shè)備和電子束加工技術(shù)的基礎(chǔ)上

24、率先開展研究，通過分析電子束“毛化”技術(shù)的原理，設(shè)計了快速偏轉(zhuǎn)掃描線圈，搭建了電子束掃描控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了電子束“毛化”技術(shù)，并在不同的金屬表面產(chǎn)生不同的毛化形貌，見圖3。 英國焊接研究所正在研究將電子束“毛化”技術(shù)應(yīng)用到金屬與的連接技術(shù)上，將這種技術(shù)稱為Comeld技術(shù)。該技術(shù)先通過電子束“毛化”在金屬表面上形成毛刺，預(yù)處理后將復(fù)合材料置于金屬上，通過加溫、加壓共同固化，即可得到這種金屬和復(fù)材連接的Comeld接頭，如圖5 所示。 根據(jù)TWI的研究，這種Comeld接頭比傳統(tǒng)的同尺寸接頭能承受更高的載荷，斷裂前吸收的能量也遠高于后者，而且可以通過優(yōu)化毛刺的結(jié)構(gòu)分布形式提高這種接頭的韌性。此項技

25、術(shù)在未來金屬與復(fù)合材料連接領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。另外，電子束“毛化”技術(shù)還可以用在金屬材料的表面改性如涂層制備上，如圖6、圖7所示。這種表面處理技術(shù)在促進基質(zhì)與涂層的粘合方面具有非常廣闊的應(yīng)用前景。它可以通過增加表面粗糙度來增加涂層附著力，避免分層。毛刺的形狀與尺寸可以影響涂層的微觀組織，甚至可以改變涂層表面上的裂紋生長機理。同時，凹入特征改善了同鄰接部件的機械互鎖，而突出特征有助于關(guān)節(jié)界面均勻分布應(yīng)力。該技術(shù)的靈活性還可應(yīng)用于定制特殊表面，例如，將突起特征排列在最大應(yīng)力的方向，或者改變結(jié)構(gòu)特征的密度使部件上應(yīng)力均勻分布。由于該工藝在真空下完成，生成的表面非常潔凈，有助于連接應(yīng)用。 電子束快速成

26、型技術(shù)電子束快速成型技術(shù)（Electron Beam Melting，EBM）是一種集成了計算機、數(shù)控、電子束和新材料等技術(shù)而發(fā)展起來的先進制造技術(shù)。電子束在計算機的控制下按零件截面輪廓的信息有選擇地熔化金屬粉末，并通過層層堆積，直至整個零件全部熔化完成；最后，去除多余的粉末便得到所需的三維產(chǎn)品。與激光及等離子束快速成型相比，電子束快速成型技術(shù)具有能量利用率高、加工速度快、運行成本低、高真空保護等優(yōu)點，是高性能復(fù)雜粉末冶金件的理想快速制造技術(shù)。 相對于激光及等離子快速成型，電子束快速成型出現(xiàn)較晚，但自2001年瑞典Arcam公司確立電子束快速制造技術(shù)以來，該技術(shù)憑借在粉末近凈成型精度、效率、成

27、本及零件性能等方面的獨特優(yōu)勢，在國外很快成為研究前沿。美國北卡羅來納州大學(xué)、英國華威大學(xué)、德國紐倫堡大學(xué)、波音公司、美國Synergeering集團、德國Fruth Innovative Technologien公司及瑞典VOLVO公司積極開展了相關(guān)研究工作。研究表明，EBM能顯著地減少生產(chǎn)時間并降低生產(chǎn)成本，尤其適合形狀復(fù)雜金屬部件的小批量生產(chǎn)，任何外表奇異復(fù)雜的金屬部件都可以一次快速成型。其技術(shù)與設(shè)備被用于生產(chǎn)零部件的直接制造業(yè)，并在航空制造、汽車制造、醫(yī)療植入物及模具制造等領(lǐng)域均有出色表現(xiàn)。 目前，國內(nèi)航空航天、汽車及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域?qū)?fù)雜結(jié)構(gòu)及多孔結(jié)構(gòu)有巨大需求，但由于電子束快速成型設(shè)備

28、及工藝還不成熟，暫時無法滿足航空航天高性能復(fù)雜零件實際應(yīng)用要求。清華大學(xué)進行過電子束選區(qū)快速成型技術(shù)研究，并購買了1 臺中壓的國產(chǎn)電子束設(shè)備，將其真空室進行改造，增加Z 向工作臺，安裝鋪粉系統(tǒng)，利用電磁場的控制使電子束按照預(yù)定的軌跡進行逐行掃描，從而實現(xiàn)簡單的三維零件的快速成型。由于束流品質(zhì)（如束斑品質(zhì)、束流穩(wěn)定性、聚焦效果等）的影響，電子束掃描控制的精度和靈活性還有待進一步提高，制作試件的質(zhì)量檢測和力學(xué)性能也正在研究中。 電子束快速成型技術(shù)一經(jīng)面世即引起各國眾多科研機構(gòu)以及制造業(yè)界的高度重視，目前已有美國、德國、意大利及日本一些高技術(shù)公司和科研機構(gòu)將該技術(shù)用于機械制造業(yè)以及航空航天、汽車和醫(yī)

29、療植入器材等領(lǐng)域。美國Calcam公司采用電子束快速制造技術(shù)制備出了全致密、力學(xué)性能優(yōu)于鍛件的Ti6Al4V葉輪部件。瑞典Arcam公司采用電子束快速成型技術(shù)制造了特殊的鈦合金點陣結(jié)構(gòu)及復(fù)雜的部件，見圖8和圖9。 國內(nèi)在無法獲得設(shè)備及相關(guān)技術(shù)的條件下進行自主開發(fā)研究，在鈦合金電子束快速成型研究方面取得了較大的進展。西北有色金屬研究院多孔材料國家重點實驗室開展了電子束快速成型工藝的研究工作，在鈦及鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)及多孔結(jié)構(gòu)的電子束快速制造工藝、應(yīng)力及變形控制方面積累了實踐經(jīng)驗，并制造出復(fù)雜的鈦合金葉輪樣件。第六章 電子束加工技術(shù)在國內(nèi)外的應(yīng)用基于電子束加工的這種原理，它在加工中得到了廣泛應(yīng)用。這里

30、我將重點談?wù)勊诤附臃矫娴募夹g(shù)應(yīng)用。電子束加工是利用電能轉(zhuǎn)化為熱能，通過熱能使經(jīng)書局部熔化。而在現(xiàn)代的傳統(tǒng)焊接技術(shù)當(dāng)中也是將常用的220V電壓或者380V的工業(yè)用電通過電焊機里的減壓器降低了電壓，增強了電流，利用電能產(chǎn)生的巨大熱量融化鋼鐵。這種極度相似的原理是電子束焊接成為了現(xiàn)實，而且他的焊接精度極高，速度極快。當(dāng)高能量密度的電子束轟擊焊件表面時，使焊件接頭處的金屬熔融，形成焊件表面熔池。如果焊件按一定速度沿著罕見接縫與電子束做相對移動，則接縫上的熔池由于電子束的離開而重新凝固，使焊件的整個接縫形成一個接縫。電子束的焊接過程是首先把電子槍和室內(nèi)的空氣抽出來，使之成為為真空。燈絲通電，加熱陰極，

31、陰極受熱后向外發(fā)射電子，陰極發(fā)射出來的電子流在陰極與陽極間，在高壓電場中加速，以每秒大于16萬公里的速度射向焊件，電子的動能裝化為熱能，使焊件迅速熔化，為了使電子束能量高度集中，電子束要經(jīng)過聚焦系統(tǒng)聚焦成一點，偏轉(zhuǎn)線圈使電子束對準(zhǔn)焊縫，工作臺經(jīng)傳動系統(tǒng)，使焊件移動成焊件過程。在焊接過程中，如果電子束的移動速度與焊件的移動速度達不到動態(tài)平衡，那么焊件接縫口出的焊縫就會凸凹不平，精度的不到保證。不經(jīng)如此，由于電子束的能量密度高，焊接速度快，所以電子束焊接的焊縫深而窄，熱影響區(qū)小，變形小。電子束焊接一般不用焊條（這不同于傳統(tǒng)焊接），焊接過程在真空中進行，因此焊接化學(xué)成份純凈，焊接接頭處的強度往往高于

32、母材。電子束焊接還能完成一般焊接方法難以難以實現(xiàn)的異種金屬焊接。如鉻青銅與雙相不銹鋼異種材料電子束熔釬焊，銅和不銹干的焊接。由于兩種材料的熔點、熱導(dǎo)率等熱物理性能存在顯著差異。在電子束焊接過程中接頭母材兩側(cè)熱量的分布極不均勻，這種相對于對接接頭中線非對稱溫度場的形成將導(dǎo)致兩側(cè)母材熔化不均，在電子束對中焊接頭中線兩側(cè)形成了非對稱分布的溫度場，從而導(dǎo)致兩側(cè)母材熔化不均。在對中焊時，兩側(cè)母材雖都有熔化參與熔池形成，但由于二者熔點、密度、原子活性及高溫流動性的差異，在快速移動電子束深穿作用下兩側(cè)熔化母材金屬尚未在液態(tài)無限互溶即開始結(jié)晶凝固，從而形成焊縫宏觀組織的不均勻。而解決這種問題的途徑就是增加電子

33、束距對接中線弱側(cè)偏移值，使之受熱達到均勻化。電子束焊接技術(shù)是將高能電子束作為加工熱源,用高能量密度的電子束轟擊焊件接頭處的金屬 ,使其快速熔融 ,然后迅速冷卻來達到焊接的目的。其的特點如下：1. 電子束焊接的能量密度高 ,可焊接一般電弧焊難以實現(xiàn)的焊縫; 2. 電子束焊接是在真空中進行 ,焊縫的化學(xué)成分穩(wěn)定且純凈 ,接頭強度高 ,焊縫質(zhì)量高; 3 電子束焊接速度快 ,熱影響區(qū)小 ,焊接熱變形小; 4 電子束焊接適用于焊接幾乎所有的金屬材料; 5 電子束焊接可獲得深寬比大的焊縫 (20 150 1) ,焊接厚件時可以不開坡口一次成形;6 電子束焊接結(jié)合計算機技術(shù) ,實現(xiàn)了工藝參數(shù)的精確控制 ,使

34、焊接過程完全自動化。在加工精度方面，電子束焊接遠遠超過傳統(tǒng)焊接技術(shù)。主要原因是：1. 電子束是在真空中加工，保護作用好，而傳統(tǒng)焊接是在空氣中操作，純度得不到保證。2. 電子束焊接接頭不開波口，裝配不留間隙，焊接時不加填料金屬，街頭光滑整潔。3. 熱源能量密度大，焊接速度快，變行小，焊縫深而窄。4. 可進行穿入式的成型焊接，這是傳統(tǒng)焊接所不能做到的。5. 電子束可以精確的確定焊縫的位置,精度和重復(fù)性誤差為 0%。6. 最大的穿透深度,可達15MM、最高的深寬比大于10:1焊接直徑可達400MM電子束焊接所需線能量小，而焊接速度高，因此焊件的熱影響區(qū)小、焊件變形小，除一般焊接外，還可以對精加工后的

35、零部件進行焊接。應(yīng)用領(lǐng)域里，電子束焊接主要應(yīng)用于：1. 航空與航天領(lǐng)域:飛行器構(gòu)件、噴氣式發(fā)動機部件、起落架。2. 汽車工業(yè)領(lǐng)域：高速齒輪、液力變矩器渦輪組件、駕駛艙模塊橫梁、保護氣囊、后橋等。3. 動力與原子能：壓力容器、核反應(yīng)堆燃料棒、汽輪機噴管隔板等。4. 電子與醫(yī)療：繼電器殼體、壓力傳感器、心臟起搏器殼體等。5. 電機與儀表：電機的定子轉(zhuǎn)子疊片與整流子、膜合。其他：雙金屬（鋸條、熱敏元件、冷卻器）、金剛石鉆頭等。電子束加工技術(shù)在表面工程中的應(yīng)用有以下幾個方面1、 電子束表面改性電子束表面改性是利用電子束的高能、 高熱特點對材料表面進行改性處理。主要的改性手段有:電子束表面合金化、電子束

36、表面淬火、 電子束表面熔覆、 電子束表面熔凝以及制造表面非晶態(tài)層。經(jīng)過改性后的材料表面組織結(jié)構(gòu)得到改善 ,強度和硬度得到大幅提高 ,耐腐蝕性和防水性也相應(yīng)地得到增強。2、 電子束物理氣相沉積電子束物理氣相沉積 ( EB2 PVD)是電子束技術(shù)與物理氣相沉積技術(shù)的有機結(jié)合 ,是利用高能電子轟擊沉積材料 ,使其迅速升溫氣化而凝聚在基體材料表面的一種表面加工工藝。根據(jù)沉積材料的性質(zhì) ,可以使涂層具有優(yōu)良的隔熱、 耐磨、 耐腐蝕和耐沖刷性能 ,對基體材料產(chǎn)生一定的保護作用。該技術(shù)目前主要應(yīng)用于以下幾個方面。1） 耐磨涂層:選用硬度高的耐磨涂層材料沉積于工具和模具表面 ,可以大幅度提高工具和模具的使用壽命。2) 防腐涂層:由于 EB2 PVD技術(shù)制備出的涂層致密程度高 ,對于在腐蝕環(huán)境下工作的零件 ,其防腐效果非常好。除此之外 , EB2 PVD得到的涂層形貌良好 ,殘余應(yīng)力也明顯地提高了基體材料的防腐性能。3) 熱障涂層:熱障涂層 ( T BCs)是由絕熱性能良好的陶瓷材料構(gòu)成 ,它沉積在耐高溫金屬或超合金表面 ,熱障涂層對于基底材料起到隔熱作用 ,降低基底溫度 ,使得用其制成的器件 (如發(fā)動機渦輪葉片 )能在高溫下運行 ,并且可以使器件 (發(fā)動機等