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电子束加工技术综述
电子束加工技术综述
片成荣:
电子束加工技术综述
电子束加工技术综述
片成荣
天津大学机械学院机械制造及其自动化专业2012级硕士生
摘要:
简述了电子束加工技术在国内外的发展现状,介绍了电子束加工技术的原理、优缺点以及几种常见的电子束加工技术,列举了电子束加工技术的主要应用方面,最后叙述了国外电子束加工技术的发展趋势,并指出今后国内电子束加工技术的发展方向。
关键词:
电子束加工技术应用发展
石油钻头等多种军民品。
此焊机还装配了CNC系统
及计算机参数控制系统。
0前言
电子束加工(ElectronBeamMachining,简称
EBM)是焊接过程中的一种溶化、气化加工。
利用
高能量密度的电子束对材料进行工艺处理的一切力
法统称为电子束加工。
电子束加工技术包括电子束打孔、熔炼、表面
处理、镀膜、焊接、雕刻、铣切、物理气相沉积、图1我国研制的zD150—15A型电子束焊机切割以及电子束曝光等。
其中电子束打孔、物理气在我国,电子束打孔在航空工业总公司南方航相沉积、焊接及电子束表面处理等在工业的应用最空动力机械公司应用于加工航空发动机燃烧室罩。
为广泛。
电子束加工装置主要由电子枪、真空系统、电子束刻蚀、电子束镀膜等近年也有些研究,
如中科院、中国科技大学等单位对利用打描电子束控制系统及电源电源等部分组成。
进行刻蚀超导膜、在绝缘衬底上生长单晶硅薄膜进电于束加工作为特种加工方法的一种,在工业
行了探索。
上的应用已有30多年的历史,现已完全被工业部门电子束加工技术在国际上日趋成熟。
所接受。
近年来,该技术不断发展,在大型零件制国外定型生产的40kV,300kV的电子枪,已普造,大批量生产以及复杂零件的加工方面都显示出遍采用CNC控制,多坐标联动,自动化程度高。
3独特优越性。
近年独联体制造了一台真空室为2000m的特
大型中压电子束焊机,此焊机配有5,6个电子枪,
每十枪功率60kW以下,加速电压为60kV,用于焊1国内外电子束加工技术现状
接“暴风雪号”航天飞机及其他航空飞机部件。
另外,电子束与其他热化学工艺如渗碳化氮、60年代初,我国开始跟踪世界电子束加工技术
镀硼等相结合,可对零件进行表面处理,增加零件的发展,并开始设备及工艺研究工作。
经过多年的
表面硬度。
努力,我国的电子束加工技术取得了可喜成果。
俄罗斯近年研制了一台功率为20kW、电压为电子束焊接是我国电子束加工技术的主要部
200kV的非真空电子束设备。
用于去氧、部分去氧分。
目前全国有几十台电子束设备在生产科研中使
或蒸镀等表面处理,还可通过使用某些气体产生化用。
国内生产的中压真空电子束焊机较成熟(一般功
学反应而进行金刚石涂层进行表面处理。
率<10kW,电压<60kV)。
80年代初,北京航空工艺
电子束刻蚀、电子束辐照固化树脂基复合材料研究所通过引进关键部件屯子枪及其电源,其余部
技术正处于研究阶段。
分以配套的办法研制成功国内第一台生产中使用的
GDH一15型高压电子束焊机。
1992年还研制成功
了zD150—15A型高压电子束焊机,该焊机功率2电子束加工技术
15kW,电压150kV。
在此焊机上,完成了多种近年
新研制的发动机型号攻关及预研工作,同时焊接了电子束加工是利用高能量的会聚电子束的热效原子能射线发生器、雷达慢波导、汽车变截面轴、应或电离效应对材料进行的加工。
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
片成荣:
电子束加工技术综述
能量传给工件,电子束的参数和位置可以精确和迅相应的安全措施;
速地调节,能用计算机控制并在无污染的真空中进2.需要在真空装置中进行加工;行加工。
根据电子束功率密度和电子束与材料作用3.设备造价高。
时间的不同,可以完成各种不同的加工。
由于电子束流具有以上特点,目前已被广泛地2.1电子束加工原理应用于高硬度、易氧化或韧性材料的微细小孔的打
电子束加工的基本原理(如图2所示):
在真空孔,复杂形状的铣切,金属材料的焊接、熔化和分中从灼热的灯丝阴极发射出的电子,在高电压割,表面淬硬、光刻和抛光,以及电子行业中的微(30~200kV)作用下被加速到很高的速度,通过电型集成电路和超大规模集成电路等的精密微细加工磁透镜会聚成一束高功率密度的电子束。
中。
2.3几种电子束加工技术
(一)电子束快速成型技术
电子束快速成型技术(ElectronBeamMelting)
是一种集成了计算机、数控、电子束和新材料等技
术而发展起来的先进制造技术。
图2电子束加工原理
当冲击到工件时,电子束的动能理解转变成热
能,产生极高的温度,足以使任何材料瞬间熔化、气化、从而可进行焊接、穿孔、刻槽和切割等加工。
图3电子束快速成型点阵结构由于电子束和气体分子碰撞时会产生能量损失和散
射,因此,加工一般在真空中进行。
2.2电子束加工技术优缺点
(一)主要优点
1.加工速度快。
在0.1mm厚的不锈钢板上穿
微小孔每秒可达3000个,切割1mm厚的钢板速度
可达240mm,min;
2.功率密度高。
能加工高熔点和难加工材料如钨、钼、不锈钢、金刚石、蓝宝石、水晶、玻璃、图4电子束快速成型发动机部件陶瓷和半导体材料等;电子束在计算机的控制下按零件截面轮廓的信
息有选择地熔化金属粉末,并通过层层堆积,直至3.能量的发生和供应源可精确灵活移动,并具
整个零件全部熔化完成;最后,去除多余的粉末便有高的加工生产率;
得到所需的三维产品(如图4所示的电子束快速成4.能聚焦成很小的斑点(直径一般为0.01,型发动机部件)。
0.05毫米),且可控,可以用于精密加工适合于加工
(二)电子束“毛化”技术微小的圆孔、异形孔或槽;电子束“毛化”技术(ElectronBeamSurfi-sculpt)
5.设备的使用具有高度灵活性,并可使用同一是英国焊接研究所(TWI)BruceDance等人近年台设备进行电子束焊接、表面改善处理和其他电子来发明的一种新型电子束加工技术,它借助于电磁
场对电子束的复杂扫描控制而在金属材料表面产生束加工;
特殊的成形效果。
6.对环境几乎没有污染;
其基本过程是在真空中,通过快速响应偏转线7.对于各种不同的被处理材料,其效率可高达圈和复杂信号控制程序精确控制电子束流,使其按75%,98%,而所需的功率则较低;照某种特定的方式、特定的规律、一定的速度和能8.无机械接触作用和工具损耗问题;量作用于材料表面,并在材料表面形成金属的微小
9.可方便地控制能量束,实现加工自动化。
熔池。
一旦材料开始形成熔池,电子束将通过磁场
(二)主要缺点的扫描控制被迅速转移到其他位置,而熔化的液态
金属在表面张力及金属蒸汽压力的共同作用下,向1.使用高电压,会产生较强X射线,必须采取
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束流移动相反的方向流动,并在熔池后方快速冷却、刷性能,对基体材料产生一定的保护作用。
该技术凝固。
随着束流的重复扫描,熔池前端的金属被继目前主要应用于以下几个方面:
续转移到熔池后端,经过不断的堆积、冷却、凝固,1)耐磨涂层:
选用硬度高的耐磨涂层材料沉积逐渐形成一定形状和大小的“凸起”(毛刺),产生于工具和模具表面,可以大幅度提高工具和模具的表面“毛化”的效果,而在熔池前端形成很小的凹使用寿命。
坑或者凹槽状的“刻蚀”。
2)防腐涂层:
由于EB(PVD技术制备出的涂
层致密程度高,对于在腐蚀环境下工作的零件,其
防腐效果非常好。
除此之外,EB(PVD得到的涂
层形貌良好,残余应力也明显地提高了基体材料的
防腐性能。
3)热障涂层:
热障涂层是由绝热性能良好的陶
图5几种典型的金属毛化表面瓷材料构成,它沉积在耐高温金属或超合金表面,(三)多束流电子束加工热障涂层对于基底材料起到隔热作用,降低基底温多束流电子束加工(MultibeamTechnology)是度,使得用其制成的器件(如发动机涡轮叶片)能在指采用2束以上的电子束对材料或结构进行处理和
高温下运行,并且可以使器件(发动机等)热效率达加工的一种方法。
多束流电子束可以由多个电子枪
到60,以上。
产生,也可以由1个电子枪通过电磁场的控制而产
生。
电子束在不同的位置快速移动,由于移动的频(三)电子束打孔
率很高从而产生多束的效果。
用电子束对材料进行打孔加工时,要求电子束
2,每个电子束脉冲打的能量密度需大于108W,cm
一个孔,脉冲宽度一般只有几毫秒,脉冲的速率快,
打孔的速度可以达到每秒几个到3000个孔。
电子束
脉冲的能量高,不受材料硬度的限制,没有磨损,
可以对难熔、高强度和非导电材料进行打孔加工。
并且电子束的束斑形状可控,能加工各种孔,加工效率高,加工材料的适应范围广,加工精度高、质图6多束电子束焊接齿轮量好,无缺陷,一般不需要二次加工。
多束流电子束加工技术主要应用于多束流焊接
技术,用于提高焊接效率,减少焊接变形,改善难
熔易裂材料的焊接性、焊缝性能等。
多束流电子束
的应用可以方便、迅速(通过电磁场非接触地控制
几乎没有质量的电子运动)地调节电子束加工过程
中的热量分布,从而对其力学过程和冶金过程进行
动态控制,减小应力和变形,防止焊接过程中的热
裂倾向,形成高质量的加工部件。
2.4电子束加工的主要应用
图6电子束加工出的几种典型孔形状
(一)电子束表面改性
(四)电子束焊接利用电子束的加热和熔化技术还可以对材料进
电子束焊接具有焊缝深宽比大,焊接速度快,行表面改性。
例如电子束表面淬火,电子束表面熔
工件热变形小,焊缝物理性能好,工艺适应性强等凝,电子束表面合金化和制造表面非晶态层。
改性
优点,并且能改善接头机械性能,减少缺陷,保证后的材料表面组织结构得到改善,强度和硬度得到
焊接稳定性和重复性。
电子束焊接的加工范围极为大幅提高,耐腐蚀性和防水性也相应地得到增强。
广泛,尤其在焊接大型铝合金零件中电子束焊接工
(二)电子束物理气相沉积
艺具有极大的优势并且可用于不同金属之间的连电子束物理气相沉积(EB—PVD)是电子束技术
接。
西欧采用电子束代替过去的氩弧焊焊接大型铝与物理气相沉积技术的有机结合,是利用高能电子
合金筒体,在提高生产效率的同时得到了性能良好轰击沉积材料,使其迅速升温气化而凝聚在基体材
的焊接接头,美国和日本均采用电子束焊接工艺加料表面的一种表面加工工艺。
根据沉积材料的性质,
工发电厂汽轮机的定子部件。
可以使涂层具有优良的隔热、耐磨、耐腐蚀和耐冲
片成荣:
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3电子束加工技术发展与展望4结束语
3.1国外电子束加工技术发展趋势电子束加工技术在国外已经相当成熟,在航空
近年来,国外对电子束焊接及其它电子束加工航天、汽车、医疗等方面的应用也越来越广泛。
尤技术的研究主要在完善超高能密度电热源装置、掌其是近几年随着控制技术的发展,快速扫描电子束握电子束品质及与材料的交互行为特性,从而改进加工技术在国内发展迅速,已经逐渐应用到工程实加工工艺技术,通过计算机及CNC控制提高设备践中,进一步推动了国内精密制造技术的发展。
柔性以扩大其应用领域等。
电子束加工技术是一项系统工程,它的发展须
(一)双枪电子束及填丝电子束悍接技术的研把机理研究、工艺、设备研究有机结合起来,发挥究整体功能,才能适应技术竞争。
在日本、德国和俄罗斯等国开展了填丝电子束
焊工艺研究。
厚板采用二次焊:
第一次主要是在大
厚度范围内获得较均匀的焊缝;第二次用填丝焊来
弥补顶部下凹或咬边缺陷,改善焊缝质量。
另外用
含Al,Si等元素的填丝焊接含气量高的沸腾钢。
日
本采用填充双枪电子束薄板超高速焊接技术,得到
反面无飞溅的良好焊缝。
(二)大功率表面处理技术的开发
过去电子束表面处理应用的设备功率在
200kW以下,现在日本、独联体等研究了500kW参考文献的电子束热源,用于喷涂处理工艺。
(三)大功率电子枪的开发[1]刘晋春.特种加工.机械工业出版社,1997.
在日本大阪大学研制了加速电压500kV,功率[2]张文峰,朱荻.电子束加工技术及其在表面工程中的应用300kW,11级加速式电子枪,一次可焊200mm不[J](新技术新工艺?
材料与表面处理,2003(8).
:
1。
锈钢,深宽比达70[3]李金桂.现代表面工程的重大进展[J].材料保3.2国内电子束加工技术展望护,2000,1,33
(1).我国虽取得了一定成果,但今后的任务还很艰巨,[4]徐滨士.表面工程新技术.国防工业出版社,2002.既要跟踪世界先进水平,又要赶超过去拉开的距离。
[5]陈元芳.电子束加工技术及其应用[J].现代制造工今后的工作应从下几方面展开:
程,2009(8).
1电子束微细加工技术研究;[6]周志斌,肖沙里,周宴,等.现代超精密加工技术的概况及
2电子束能量密度分布测试技术及束流品质自应用[J](现代制造工程,2005
(1).适应控制技术研究;3高可靠性焊缝跟踪技术研[7]白韶军.日本高能束流焊接技术的现状及发展,航空工艺究;技术,1993(6):
17.
4电子束物理气相沉积技术研究;[8].范玉殿.电子书和离子束加工.机械工业出版社.1989.
5局部真空技术研究;[9]刘晋春.特种加工.机械工业出版社.1997.
6高压电场分布及高压稳定技术研究;[10]周广德.电子束焊接技术的新进展.第三届电子束焊接
7高质量电子束打孔及微焦点高速扫描技术研学术年会论文集1993:
85.究;
作者简介:
片成荣,男,1989年出生,硕士研究生,主要研究方向为机8电子光学设计技术研究;
械电子工程方面的研究。
9深穿透精密控制及焊缝质量自适应控制技术
E-mail:
pianchenglong7758@研究。
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