电子束切割---讨论

我在飞

1． 电子束切割原理及特点
9 |. M, j; {+ S4 T6 H& t（1）切割原理
电子束切割时，具有较高能量的细聚焦电子流打击工件的待切割处时，这部分工件的温度将急剧上升，以至于工件未经熔化就直接变成了气体（升华），于是工件表面就出现了一道沟槽，沟槽逐渐加深而完成工件的切割。
2 u1 |* |/ p1 h% ~  W5 r  g! x电子束切割必须在高真空条件下进行，因为只有在高真空条件下才能获得高能量的细聚焦电子流，而在空气中发射电子的灯丝很容易被氧化而烧毁。在低真空条件下，电子流会在轰击工件之前与其他气体分子碰撞使气体电离而失去能量。
（2）特点
① 功率密度高
; }9 W4 c- ]) M* i电子束径可达微米级，因此轰击点瞬时温度高达数千摄氏度，足以使材料熔化或汽化。电子束一般可用来切割任何材料和半导体电路等，是一种微细切割方法。
2 c) k# ]! ~# i② 工件变形小
1 @1 _8 S% d8 [电子束作为热能切割方法，瞬时作用面积又很微小，因此切割部位的热影响区很小（约几个微米），在切割过程中也无机械力作用，工件很少产生应力和变形，也不存在刀具的损耗问题，尤其是加工精度高、表面质量好。对各种材料（包括脆性材料、导体、半导体及非导体材料）均可实现切割。
③ 热源的开关时间特别短
& ]# X7 w3 Y9 B2 Y# C电子束热源的开关速度在几分之一微秒的作用时间内能以精确量来变换能量。因此在射线发生器内采用韦氏电极，而这种电极几乎可以无功率地和无惯性地来控制射线的强度。采用具有可以调整重复频率、脉冲宽度的脉冲电压可使用热源在工件上的作用时间有很大范围的变化。
3 \* k6 H6 {' v④ 真空环境下切割点不受杂质污染
2 H# l! \: w# s, O+ J* V全部切割过程是在真空中进行，切割点能防止空气氧化产生的杂质，保持高纯度。适于切割易氧化金属及合金材料，特别是纯度要求极高的半导体材料。
6 a( X  x7 _, D' S  ]! Y/ ^! T⑤ 电子束强度、位置和聚集可以精确控制
& r) c+ F# e# M& l3 J位置控制准确度可达0.1μm左右，强度和束斑大小控制误差可达1％以下。通过磁场和电场可使电子束以任意速度在工件上运行，便于计算机控制，实现切割过程的自动化。
⑥ 成本高
  U& Y9 ]& \/ _4 v/ `9 i电子束切割需要专用设备，切割成本较高。
( e9 Y" Q0 q; f1 @目前电子束主要用来切割晶体，晶体表面不易玷污，切割的晶向准确度较高，切割时材料损耗较小，引起的晶体表面损伤也很小。因此，它是一种较好的晶体定向切割机器。
2． 电子束切割装置
电子束切割装置包括电子枪、真空室及抽真空系统、电子束控制系统和工作台系统。电子束切割装置的结构见下图。
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电子枪是用来发射高束电子流，完成电子的预聚集和强度控制的装置。切割时，加热的发射阴极发射出电子束，电子束在阳极光阑较阴极为正的高压下加速，当速度达2/3光速时通过阳极，加到控制栅极上的较阴极为负的偏压，可以控制电子束的强弱，还可对电子束进行初步聚集。阴极一般采用纯钨或纯钽制成，在工作时损耗大，需要每10～30h更换一次。
$ J/ l" o# g  M; Y" r( }, j2 C8 @抽真空系统一般由机械旋转泵和油扩散泵两级组成。机械泵先把真空抽至1.3～0.13Pa。然后扩散泵依靠加热泵中的油所产生的蒸气高速喷出，将真空室中残余气体从泵进口吸入，然后从排气口排出。
4 m0 _6 y* m5 Y电子束控制系统包括束流强度控制、束流聚集控制和束流位置控制。其中束流强度控制是通过在阴极上的负高压（50～150kV）来实现的；束流聚集控制是通过“电磁透镜”的磁场作用实现的；束流位置控制是通过磁偏转控制电子束聚集位置来实现的，即通过一定程序改变偏转电压或电流，使电子束按某种预设规律运动

我在飞

以前的一个小资料，今天又看到。拿来与大家讨论一下。
电子束切割与常见的激光切割，等离子切割有哪些相同和不同的地方?如果将电子束发生器的末端镜片封闭，内部抽真空，把电子束导出，是否可用于普通金属的切割？

鬼魅道长

电子束，激光，等离子都是高能束流，一般的说法能量是从高到低排列的，等离子没接触过，电子束和激光不同点有能量转换效率（电子束90~98%，激光10~20%），环境（真空，非真空），X射线（有，无）。一般来说这两家就国内的水平只能切割薄板，厚了都不行。激光的深宽比很大，而电子束除了高压枪（150KV及以上，焊缝形状为钉子型）之外，中低压枪的焊缝形状都是等腰三角形，切厚东西很费劲。德国probeam公司有个电子束打孔技术，一秒两千个，最小孔径0.02，据说密不外传，带这种技术的机器根本不往外卖，也不让人看，只是在秘密车间里做对外加工。
电子枪口的镜片是磁透镜，物理上来说就是个孔。现在世界上就美国人能把它封起来，在枪口喷射高速氦气流，然后将其电离，这样形成的离子流空气进不去，电子束能出来，和楼上大侠说的情形一样。其他国家没招，只能是封局部真空，真空室为柔性，随电子枪移动，用来焊船甲板。我国造不出航母，就是没有高压枪和相应条件下的电子束焊接技术，外国人对这个是封锁的。

我在飞

长驱鬼魅大侠真是高手!我去年在北航见到电子束熔炼炉，乌克兰的，就很感兴趣。它是熔炼飞机发动机耐高温合金的。

我在飞

长驱鬼魅大侠真是高手!我去年在北航见到电子束熔炼炉，乌克兰的，就很感兴趣。它是熔炼飞机发动机耐高温合金的。

鬼魅道长

长驱鬼魅大侠真是高手!我去年在北航见到电子束熔炼炉，乌克兰的，就很感兴趣。它是熔炼飞机发动机耐高温合金的。
7 C* I9 C4 W7 Z9 s我在飞 发表于 2009-8-27 21:29

# x. f% l) Z+ I' x5 \我在飞大侠：
! \$ m( N1 W) u+ n5 z实在对不起，最近琐事缠身，身心疲惫，把这个帖子忘干净了。

' @2 K5 M4 y# z+ h! m: V您说的那个设备应该是乌克兰巴顿电焊所的，苏联时期曾经是世界电子束技术的旗帜，极其辉煌。可惜老毛子解体后人才大量流失，现在已赶不上德国和美国人，不过仍然是电子束技术第一梯队的企业。
! [7 V' R$ m1 G: o  {
( Q8 ~+ X: |: @& d既然提到熔炼炉，我大概说说电子束的热处理工艺吧。
电子束热处理分三种：相变硬化处理、熔化-凝固与合金化、表面上光。

相变硬化处理：主要是将高能密的电子束打在金属表面，使其迅速上升到奥氏体相变温度与熔化温度之间，此时表面就会变成奥氏体。然后切断电子束，热量会快速扩散，冷却速度会超过2200℃/S，完成自行淬火。这方法弄完后晶粒细，且比常规高2~3洛氏硬度，而且硬化层厚，速度快。最大的优势，是变形小，可以精加工后处理。
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熔化-凝固与合金化：主要是用电子束在零件表面扫描，使其快速熔化后凝固，弄完后表面质量很高，还可消除原有表面缺陷。含锰、硅的铸铁，表面熔化后和碳化合并凝成马氏体，可在五百多高温下保持高硬度。要铸铁里有铬和钼，那碳化物性能就能更牛些。
                           还有一种处理应用是做涂层。将金属粉末与胶结剂涂在金属表面，电子束轰击后粉末熔化，两层金属就构成厚层合金化，表面就是优良性能的合金。或者涂层要是薄的话，那电子束轰击后粉末和基体表层全熔化了，两种溶液混合后形成一种新的化学成分的表层，这叫表面合金化。这种处理好处就是基体可以用便宜货做，然后一处理就变成好东西了。

表面上光：对我来说，这还是一种传说中的技术，所以胡诌两句，大侠不要见怪 。 这种技术据说世界还在研究中，有没有什么成果就不知道了。大体上就是用极高能密的电子束轰击金属表面，使其在极短时间内熔化薄薄的一层，大概就是0.025mm，这样能进入基体金属中的热能很少，就形成了液体与固体间极大的温度梯度，表层冷凝中相变过程被抑制，形成一种类似玻璃体的非晶态表层。致密性极好，听说用几万倍电子显微镜也看不出组织结构。抗腐蚀、疲劳性和耐磨性非常高。核心技术是冷却速度，要求达到10的六次方到八次方摄氏度每秒。这技术要能搞出来绝对是材料学的革命，不过现在有没有人弄出来就不知道了。