电子束加工机床应用一文读懂真空电子束焊接技术及应用|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

一文读懂真空电子束焊接技术及应用

什么是电子束焊接

电子束焊接是熔化焊的一种，它利用会聚的高速电子束轰击工件接缝，产生热能从而使金属熔合。 它包含了机械、真空、高电压和电磁场理论、电子光学、自动控制和计算机等多学科技术。

电子束焊技术最早于1948年源起于德国，1952年制造了第一台电子束加工机，1958年诞生了第一台电子束焊机。

它的基本原理是： 在真空条件下，电子从电子枪中的发射体（阴极）逸出，在加速电压作用下，电子被加速至光速的0.3～0.7倍，具有一定的动能。再经电子枪中静电透镜和电磁透镜的作用，会聚成功率密度很高的电子束流。这种电子束流撞击工件表面，电子动能转变为热能而使金属迅速熔化和蒸发。在高压金属蒸气作用下，工件表面被迅速“钻”出一个小孔，也称之为“匙孔”，随着电子束与工件的相对移动，液态金属沿小孔周围流向熔池后部，并冷却凝固形成焊缝。

为什么要在真空中进行

● 在大气的环境下，高速运动的电子遇到大气中的空气分子，会发生强烈的反射，折射，散射等现象，电子束的能量会消耗殆尽，无法正常焊接；

● 即使所剩的能量很高，在大气状态下焊接，焊接的质量也很难保证，比如气孔等；

● 基于安全角度进行考虑，因为电子束焊接过程中会有X射线产生，对人体的危害是比较大的，通过真空室可以消除X射线的影响。

高真空电子束焊在10-4～10-1Pa的压强下进行。良好的真空条件，可以保证对熔池的“保护”防止金属元素的氧化和烧损，适用于活性金属、难熔金属和质量要求高的工件的焊接。

低真空电子束焊在10-1～10Pa的压强下进行，也具有束流密度和功率密度高的特点。低真空缩短了抽真空时间，提高了生产率，适用于批量大的零件的焊接和在生产线上使用。

电子束焊接的优势

加热功率密度大。 焊接用电子束电流为几十到几百毫安，最大可达l000mA以上；加速电压为几十到几百千伏。故电子束功率从几十kw到100kw以上，而电子束焦点直径小于1mm。故电子束焦点处的功率密度可达103~105Kw/cm2，比普通电弧功率密度高100—1000倍。

焊缝深宽比(H/B)大。 通常电弧焊接的深宽比很难超过2，相比电弧焊接，电子束焊接可节约大量填充金属和电能，实现高深宽比的焊接，深宽比可达60：1，可依次焊透0.1~300mm厚度的不锈钢板。

焊接速度快，焊缝热物理性能好。 能量集中、熔化和凝固过程快，热影响区小，焊接变形小。对精加工的工件可用作最后的连接工序，焊后工件仍能保持足够的精度。能避免晶粒长大，使焊接接头性能改善，高温作用时间短，合金元素烧损少，焊缝抗蚀性好。

焊缝纯度高。 真空电子束焊接适合焊接钛及钛合金等活性材料。

● 国内电子束焊接机

焊接工艺参数调节范围广，适应性强。 电子束焊接的工艺参数可独立地在很宽的范围内调节，控制灵活，适应性强，再现性好，而且电子束焊焊接参数易于实现机械化、自动化控制，提高了产品质量的稳定性。

可焊材料多。 不仅能焊金属和异种金属材料的接头，也可焊接非金属材料，如陶瓷、石英玻璃等。

电子束焊接的应用

国外最早将电子束焊应用于飞机发动机核心机部件的制造，典型代表是美国大型客机发动机——MF56涡扇发动机，其核心机部件的低压压气机转子、高压压气机转子、燃烧室等部件均采用真空电子束焊，使发动机的质量、结构设计、结构制造精度和使用寿命均得到了改善。

先进的飞机发动机是采用焊接技术连接而成的，电子束焊接技术对飞机发动机的制造起着至关重要的作用。目前在航空制造中已普遍采用电子束焊接技术，其中需要焊接的材料包括钛合金、高温合金、超高强度钢等。我国开展电子束焊工艺研究及应用的主要领域是航空航天、汽车、能源及电子等工业部门，在新型飞机、航空发动机、导弹等的预研、攻关及小批量试制中都运用了电子束焊技术。

在其他工业部门中，采用电子束焊的主要有高压气瓶、核电站反应堆内构件筒体，汽车齿轮、电子传感器、雷达波导等。另外，炼钢炉的铜冷却风口、汽轮机叶片等也有的采用了电子束焊。

未来，电子束焊接在复杂零件的大批量生产中将有较大的发展，在航空航天工业中，电子束焊接技术将继续扩大其应用，并发展电子束焊接的在线检测技术，并在能源、核工业、重型机械制造中大有用武之地。随着电子束焊应用领域的扩大，多功能电子束焊接设备和集成工艺以及电子束焊机的柔性化也会越来越重要。

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应用材料“冷场发射”电子束成像技术商用：可实现纳米级分辨率

12月20日消息，半导体设备大厂应用材料近日宣布，其开发“冷场发射”（cold field emission，CFE）技术已实现商用化。据介绍，该突破性电子束（eBeam）成像技术可协助芯片制造商更好地检测与成像出纳米级埋藏的缺陷，以加快新一代全环绕栅极闸（Gate-All-Around，GAA）逻辑芯片，以及更高密度的DRAM 和3D NAND存储芯片的开发和制造。

据了解，电子束技术常用来识别和描述那些用光学系统无法看到的小缺陷。然而，随着芯片制造商运用EUV 光刻技术来突破2D 逻辑和DRAM 微缩的极限，并逐渐导入GAA 逻辑晶体管和3D NAND等复杂的3D 架构，找出表面和埋藏的缺陷的工作将变得越来越具挑战性。

应用材料表示，传统“热场发射”（thermal field emission，TFE ）电子束系统的工作温度超过1500°C。为此，科学家们一直致力将可在常温下运作的冷场发射电子束技术商用化。其原因在于，较低的温度可以产生更窄的电子束并容纳更多电子，进而达成次纳米级的影像分辨率和10 倍的成像速度。只不过，此前由于冷场发射系统内部的杂质会在电子束发射器上积累，降低电子的流动性，这种不够稳定的情况造成冷场发射技术尚未普及在商业应用中。而在热场发射系统中，这些杂质却会自动被排除。

如今，应用材料在冷场发射电子束技术上有了重大突破，使CFE 电子束系统能够广泛应用到大量生产中，可在常温下工作，最多可将纳米级影像分辨率提高50%，成像速度提高10 倍。

据悉，应用材料独家开发出可容纳电子束发射器和其他关键部件的电子束镜筒。新的冷场发射镜筒结合了极端超高真空操作环境和专门开发的反应室材料，大幅减少了污染物的数量。特殊的泵有助于达成远低于1×10-11 毫巴（millibar）的真空，这比热场发射系统高出两到三个数量等级，已接近外太空的真空状。

不过，即使在极端超高真空下，电子束镜筒中仍会产生微量的残余气体。如果单个原子粘附在电子束源头上，就会在某种程度上阻挡电子的发射，导致操作不稳定。为此，应用材料也研发新颖的自动清洗模式，透过循环式自动清洗制程，可持续清除冷场发射源中的污染物，以实现稳定、可重复的性能。

编辑：芯智讯-林子