六章電子束和離子束加工課件

電子束加工（簡稱EBM）和離子束加工（簡稱IBM）是近年來得到高速發(fā)展的新興特種加工。這兩種加工主要用于精細(xì)加工領(lǐng)域，尤其是微電子領(lǐng)域。第六章電子束和離子束加工利用高功率密度的電子束沖擊工件時所產(chǎn)生的熱能使材料熔化、氣化的特種加工方法,簡稱為EBM。電子束加工是由德國的科學(xué)家K.H.施泰格瓦爾特于1948年發(fā)明的。第一節(jié)電子束加工

1、電子束加工的基本原理：在真空條件下，利用聚焦后能量密度極高的電子束，以極高的速度沖擊到工件表面極小面積上，在極短的時間內(nèi)，其能量大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽贡粵_擊部分的工件材料達(dá)到幾千攝氏度以上的高溫，從而引起材料的局部熔化和氣化，被真空系統(tǒng)抽走。2、電子束加工的特點

優(yōu)點：①電子束能聚焦成很小的斑點(直徑一般為0.01～0.05毫米)，是一種精密微細(xì)加工；②功率密度高,能加工任何材料；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(dá)3000個；⑤整個加工過程便于實現(xiàn)自動化；⑥加工表面不會氧化。①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；②需要在真空裝置中進(jìn)行加工；③設(shè)備造價高等。主要缺點:二、電子束加工裝置⒈電子槍

⒉真空系統(tǒng)

⒊控制系統(tǒng)和電源

⒉真空系統(tǒng)⑴真空系統(tǒng)作用：①保證在電子束加工時維持1.33×10－2～1.33×10－4Pa的真空度，只有在高真空中，電子才能高速運動。②不斷地把加工中產(chǎn)生的金屬蒸汽抽出去加工時的金屬蒸汽會影響電子發(fā)射，產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。⑵真空系統(tǒng)的組成：

機械旋轉(zhuǎn)泵和油擴散泵或渦輪分子泵兩級組成。機械旋轉(zhuǎn)泵把真空室抽至1.4～0.14Pa，油擴散泵或渦輪分子泵抽至0.014～0.00014Pa的高真空度。⒊控制系統(tǒng)和電源（1）控制系統(tǒng)：

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控制。①束流聚焦控制：提高電子束的能量密度，使電子束聚焦成很小的束斑，它基本上決定著加工點的孔徑或縫寬。聚焦方法有兩種：一種是利用高壓靜電場使電子流聚焦成細(xì)束；另一種是利用“電磁透鏡”靠磁場聚焦。后者比較安全可靠。②束流位置控制：改變電子束的方向，常用電磁偏轉(zhuǎn)來控制電子束焦點的位置。③工作臺位移控制：在加工過程中控制工作臺的位置。因為電子束的偏轉(zhuǎn)距離只能在數(shù)毫米之內(nèi)，過大將增加像差和影響線性，因此在大面積加工時需要用伺服電動機控制工作臺移動，并與電子束的偏轉(zhuǎn)相配合。（2）電源：電子束加工裝置對電源電壓的穩(wěn)定性要求較高，常需穩(wěn)壓設(shè)備，這是因為電子束聚焦以及陰極的發(fā)射強度與電壓波動有密切關(guān)系。

1、高速打孔目前電子束打孔的最小直徑可?0.003mm左右。每秒可打3000孔甚至更多。電子束打孔還能加工小深孔，如在葉片上打深度5mm、直徑?0.4mm的孔，孔的深徑比大于10：1。D?mmstoffindustrie:SchleuderscheibezurGlaswollherstellung圖2電子束加工的異形孔 2、加工型孔及特殊表面

圖3電子束加工曲面、穿孔利用電子束在磁場中偏轉(zhuǎn)的原理，可使電子束在工件內(nèi)部偏轉(zhuǎn)。4、焊接

電子束焊接是利用電子束作為熱源的一種焊接工藝。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，在電子束連續(xù)不斷地轟擊下，形成一個被熔融金屬環(huán)繞著的毛細(xì)管狀的熔池，如果焊件按一定速度沿著焊件接縫與電子束作相對移動，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條焊縫。

優(yōu)點：⑴焊縫深而窄，焊件熱影響區(qū)小，變形；⑵焊縫化學(xué)成分純凈，強度高于母材；⑶焊接材料范圍廣；⑷可實現(xiàn)異種金屬焊接；⑸工件精加工后進(jìn)行焊接。

焊接熱影響小、變形小主要缺點：1.設(shè)備比較復(fù)雜、費用比較昂貴。2.焊接前對接頭加工、裝配要求嚴(yán)格。3.被焊工件尺寸和形狀受到工作室的限制。4.電子束易受電磁場的干擾，影響焊接質(zhì)量。5.電子束焊接時會產(chǎn)生X射線，對操作人員的健康和安全會造成威脅。6.電子束光刻電子束光刻是先利用低功率密度的電子束照射稱為電致抗蝕劑的高分子材料，由入射電子與高分子相碰撞，使分子的鏈接被切斷或重新聚合而引起的分子量的變化，這一步驟稱為電子曝光。

6.電子束光刻第二節(jié)離子束加工一、離子束加工原理、分類和特點1.離子束加工的原理在真空條件下，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過加速、聚焦后投射到工件表面的加工部位以實現(xiàn)加工。所不同的是離子帶正電荷，其質(zhì)量比電子大數(shù)千倍乃至數(shù)萬倍，故在電場中加速較慢，但一旦加至較高速度，就比電子束具有更大的撞擊動能。離子束加工是靠微觀機械撞擊能量，而不是靠動能轉(zhuǎn)化為熱能加工的。3.離子束加工的特點1.加工的精度非常高。2.污染少。3.加工應(yīng)力、熱變形等極小、加工質(zhì)量高。4.離子束加工設(shè)備費用高、成本貴、加工效率低。①考夫曼型離子源：

圖6-9為考夫曼型離子源示意圖，它由灼熱的燈絲2發(fā)射電子，在陽極9的作用下向下方移動，同時受線圈4磁場的偏轉(zhuǎn)作用，作螺旋運動前進(jìn)。惰性氣體氬在注入口3注入電離室10，在電子的撞擊下被電離成等離子體，陽極9和引出電極(吸極)8上各有300個直徑為φ0.3mm的小孔，上下位置對齊。在引出電極8的作用下，將離子吸出，形成300條準(zhǔn)直的離子束，再向下則均勻分布在直徑為5㎝的圓面積上。

②雙等離子體型離子源如圖6-10所示的雙等離子體型離子源是利用陰極和陽極之間低氣壓直流電弧放電，將氪或氙等惰性氣體在陽極小孔上方的低真空中(0.1—0.01Pa)等離子體化。中間電極的電位一般比陽極電位低，它和陽極都用軟鐵制成，因此在這兩個電極之間形成很強的軸向磁場，使電弧放電局限在這中間，在陽極小孔附近產(chǎn)生強聚焦高密度的等離子體。引出電極將正離子導(dǎo)向陽極小孔以下的高真空區(qū)(1.33×10-5—1.33×10-6Pa)，再通過靜電透鏡形成密度很高的離子束去轟擊工件表面。

三、離子束加工的應(yīng)用⒈1.離子刻蝕加工

⒉離子鍍膜加工

⒊離子注入加工

⒈刻蝕加工離子刻蝕是從工件上去除材料，是一個撞擊濺射過程。當(dāng)離子束轟擊工件，入射離子的動量傳遞到工件表面的原子，傳遞能量超過了原子間的鍵合力時，原子就從工件表面撞擊濺射出來，達(dá)到刻蝕的目的。

⑴加工參數(shù)控制離子入射能量、束流大小、離子入射到工件上的角度、工作室氣壓等都能分別調(diào)節(jié)控制，根據(jù)不同加工需要選擇參數(shù)。用氬離子轟擊被加工表面時，其效率取決于離子能量、入射角度。⑵離子束刻蝕應(yīng)用

離子刻蝕用于加工陀螺儀空氣軸承和動壓馬達(dá)上的溝槽，分辨率高，精度、重復(fù)一致性好。動壓馬達(dá)上的溝槽

⒉鍍膜加工

離子鍍膜加工有濺射沉積