电子束加工技术

电子束加工是一种利用高能量密度的电子束加工材料的方法。电子束作为一种热原，可以通过调节其能量密度、束斑直径、束流作用时间和材料本身的热物理特性，产生各种加热效果，如加热、熔化和气化。电子束加工包括焊接、打孔、热处理、表面加工、冶炼、镀膜、物理气相沉积、雕刻和电子束曝光等。其中，电子束焊接是发展最快、应用最广泛的电子束加工工艺。电子束加工的特点是功率密度高，可以瞬间将能量传递给工件，电子束加工的特性和电子制造。

近年来，随着磁场控制技术的发展，结合电子束在磁场中易于控制的特点，开发了一种新的电子束加工方法——快速扫描电子束加工技术。这种通过控制磁场实现电子束快速偏移扫描的方法越来越显示出其技术优势，在航空航天制造领域得到了广泛的应用。

快速扫描电子束加工工艺的原理如图1所示，即通过控制电子枪偏转线圈和聚焦线圈，电子束可以根据特定的轨迹、速度和能量在工件上快速偏移，从而实现快速扫描电子束加工。由于电子束基本没有质量和惯性，可以实现非接触偏移，通过电压控制，可以在不同位置转换时控制束流通断裂，使束流可以在构件的不同位置以极高的频率转换。由于材料的热惯性，通过束流与材料的相互作用，在这些位置可以同时产生冶金效果，从而实现电子束的加工。

(1)多束流电子束加工(MultibeamTechnology)是指用2束以上的电子束处理和生产材料和结构的方法。多束流电子束可以由多个电子枪制成，也可以由一个电子枪通过磁场控制制成。电子束在不同的位置快速移动，因为移动次数高，产生多束效果。本文提到的多束流电子束是指由一把电子枪通过磁场控制而产生的多束。

(2)电子束“毛化”技术（ElectronBeamSurfi-sculpt）是英国焊接研究所（TWI）近年来，BruceDance等人发明了一种新型的电子束加工工艺，它在金属材料表面具有特殊的成型效果，因为它通过磁场对电子束的复杂扫描控制。它的基本过程是通过快速响应偏转线圈和复杂信号管理程序，在真空环境中精确控制电子束流，使其能够以特定的方式、特定的规律、一定的速度和能量作用于材料表面，并在材料表面产生金属微溶池。一旦材料开始产生溶解池，电子束将通过扫描控制磁场快速转移到其他位置，熔化的液态金属在界面张力和金属蒸汽压力的共同作用下，向束流动相反的方向流动，并在溶解池后方快速冷却和凝结。随着束流的反复扫描，溶池前端的金属继续转移到溶池后端。经过不断的沉积、冷却和凝结，逐渐形成一定形状和尺寸的“凸起”(毛边)，产生表面“毛化”的效果，但溶池前端却产生了一个小凹坑或凹槽状的“蚀刻”。

(3)快速成型电子束技术技术（ElectronBeamMelting，EBM）它是一种先进的制造技术，集成了计算机、数控、电子束和新材料。在计算机控制下，电子束根据零件截面轮廓的信息有选择地熔化金属粉末，并通过层层沉积，直到整个零件完全熔化；最后，去除多余的粉末，获得所需的3D产品。与激光和等离子束快速成型相比，电子束快速成型技术具有能量利用率高、加工速度快、使用成本低、真空保护高的优点，是高性能复杂粉末冶金零件的理想快速制造技术。