工件能量传递与穿孔效应介绍

当电子束中的电子碰撞到工件上时，其动能大部分转化为热能。电子可以具有很高的电压电动势，在加速电压为150kV时，电子加速度大约达到2×10⁸m/s，是光速的2/3。并不是所有电子束中的电子都穿透进入工件并把它们的能量释放给材料。一部分碰撞的电子以背散射电子、二次电子和X射线辐射的形式散射掉了（如图15.11所示）。此外，部分能量以热辐射和通过汽化材料蒸发的形式损失掉了。

超过材料的熔点即形成熔化区。待连接工件中产生两个分离熔池跨越初始间隙结合起来，接下来电子束移走熔池发生凝固，这就是焊缝的形成过程。对于一般电子束焊机中使用的加速电压（60～150kV），由于质量小，电子仅能穿入大约150μm，这称为传导型焊接。

为了得到大的焊缝深度，需要一种特殊的效应，即所谓的深熔或者匙孔效应。在足够高的电子束功率密度下，尽管热依然向周围冷基体材料中散失，材料过热并被电子束蒸发。这种蒸气在铁材料中可能超过2700K的温度。在这一温度下，蒸气压力足够高来压缩熔化的金属表面，迫使熔融金属向外、向上运动，产生蒸气孔（就是匙孔），在孔的内壳里含有过热蒸气并被一熔融金属壳包裹。只要源于正在形成的蒸气孔的压力和熔融状态熔池表面张力处于平衡，这种效应就会一直维持下去。蒸气孔的直径大约与电子束直径相对应。若具有足够高的高能电子束，形成的孔可以穿透整个工件^[1]。工件和电子束之间的相对运动可引起电子束前端已熔化材料在孔周围流动并在背面凝固。图15.12揭示了蒸气孔的形成过程^[1，2]。

图15.11 电子束向工件中的能量传递

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图15.12 深熔或匙孔效应

匙孔中压力和温度条件以及瞬间的形状和深度极快速地变化。动态改变蒸气孔的几何形状所造成的结果为：当焊接参数选择不当时，就会发生像疏松孔那样的焊接缺陷。通过改善一系列焊接参数，尤其是选择适当的电子束偏转函数，如圆、正弦、矩形或者三角形函数，这些缺陷可能避免。

对于微电子束焊接情况，电子束加速电压降低到一般的SEM水平（1～40kV），当然，电流也从几十mA减小到100μA（从观察模式中的nA增加）。但是同时，斑点直径也从传统的电子束焊机的典型值0.1～1mm减小到约为20μm。因此，随着整个功率都降低许多倍，微电子束焊机的功率密度可以超过高功率的传统电子束焊机。

由于毛细力反比于液态表面的曲率半径，匙孔尺寸与电子束直径相当，微电子束焊接中遇到的毛细力显著增大（5～50倍），所以，获得稳定的匙孔能力被减弱。幸运的是，由于需要工件较小较薄，在微连接中没有必要出现匙孔。下面我们将仅仅讨论没有匙孔模式的电子束。