電子束焊接問世10年后，日本大阪大學(xué)于1967年研制出世界上第一臺(tái)功率為1kW的CO 2
激光加工機(jī)，并用于焊接和切割薄板。30年來，
激光加工已從實(shí)驗(yàn)室走向了實(shí)用化階段，并進(jìn)入了原來由
電子束加工的各個(gè)領(lǐng)域，大有取代電子束加工的勢(shì)頭。但實(shí)踐證明，激光和電子束作為高能量密度熱源，除了具有很多相同技術(shù)特點(diǎn)外，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性能上，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，仍有各自不同的特點(diǎn)。因此在實(shí)際應(yīng)用中，合理地選取其中一種加工手段就成為非常必要的工藝選擇過程。
A i#~Eu* SrMfd7H8f 本文將通過某些應(yīng)用實(shí)例，說明電子束加工與激光加工的互補(bǔ)性，為合理地應(yīng)用提供參考意見。
'vZWk eo W$D:mw7 一、小功率激光加工的迅速發(fā)展
sA"B/C|(g Xa U ^^K 激光進(jìn)入加工領(lǐng)域后，不斷努力提高輸出功率，1kW以上的軸流、2kW以上的 CO2及300W以上的 YAG
激光器已廣泛的用于切割、焊接和熱處理等工業(yè)生產(chǎn)線上。然而，近幾年來發(fā)展更快的則是小功率激光器，從數(shù)量上看，用于加工的封離式CO2激光器和燈泵浦的YAG激光器每年都以20～25%的速度增長。準(zhǔn)分子激光器、二極管激光器及二極管泵浦的固體激光器在材料加工領(lǐng)域的應(yīng)用也得到了發(fā)展，從1994年到1996年三年之間，每年都成倍增長。
-Y"2c,~pH -ebyW# 以前小功率激光在材料加工方面主要用于
半導(dǎo)體及微電子制造業(yè)的打標(biāo)、鉆孔、曝光、退火及調(diào)阻等。而在其他工業(yè)部門及生活用品的加工中，雖然也用于打標(biāo)、非金屬切割、薄件焊接和打孔等各種加工，但總體上數(shù)量不算大。封離式CO2激光器具有尺寸小、使用方便和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但在材料加工方面應(yīng)用得還不多。一是因?yàn)閷?duì)其潛在的應(yīng)用價(jià)值認(rèn)識(shí)不足;二是受其本身輸出功率小的限制。近年來封離式射頻激勵(lì)CO2激光器發(fā)展迅速，為開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域創(chuàng)造了條件。美國相干公司研制出了連續(xù)輸出功率500W(脈沖功率1.5kW)的慢流射頻激勵(lì)CO2激光器，其外形尺寸只有280×240×1200mm，重量61kg。一次充氣后使用壽命達(dá)2～2.5萬小時(shí)，并已用于模切板和陶瓷基片的切割。
Ni ;jMc 6% c]{eTd9 三維快速成型技術(shù)的出現(xiàn)，為小功率CO2激光器開辟了一個(gè)極其重要的應(yīng)用 領(lǐng)域。除紫外激光曝光方式外，還作為激光燒結(jié)和激光切紙?jiān)贌釅悍绞降臒嵩�。這種型模制造技術(shù)具有成本低、周期短、精度高等特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。
| mw3v> oSR;Im<2 我國玻璃(或石英)管封離式激光器產(chǎn)量大，成本更低。以前除了用于醫(yī)療器械、科研及出口的低功率(25w以下)激光器外，40～50W以上激光器幾乎沒有市場(chǎng)。針對(duì)我國這一器件優(yōu)勢(shì)，我們先后研制了小功率CO 2 激光切割機(jī)、刻劃機(jī)、打標(biāo)機(jī)。切割機(jī)和刻字機(jī)采用了1.6m長激光管，輸出功率為70W，用飛行
光學(xué)外光路系統(tǒng)，專用切割、雕刻軟件，486計(jì)算機(jī)控制，專用文字編程軟件及通用
AutoCAD作圖軟件。文字編程軟件中裝有幾十種簡繁體漢字和英文字母，可直接調(diào)用。復(fù)雜圖形及特殊文字可用掃描儀掃描輸入。切割和雕刻文件采用DXF文件格式，既可方便地在AutoCAD中編輯及輸入輸出，也可方便地與CorelDRAW和市面上流行的刻字軟件轉(zhuǎn)換兼容。切割機(jī)主要用于切割有機(jī)玻璃、塑料、膠合板、紙、布、云母板等非金屬材料，切割有機(jī)玻璃的厚度可達(dá)10mm。刻劃機(jī)則主要用于鋼、鑄鐵等機(jī)械零部件的商標(biāo)、文字刻畫，其刻劃深度深于一般YAG打標(biāo)，而設(shè)備投資及運(yùn)行費(fèi)用則比后者低很多。振鏡式CO 2 打標(biāo)機(jī)用于非金屬打標(biāo)，特別是用于木材、塑料、陶瓷等材料的打標(biāo)，例如在塑料或陶瓷封裝的集成電路表面打標(biāo)等。
zb!RfQ, JVx- 4? 和傳統(tǒng)的加工方法相比，激光加工通常具有更高的生產(chǎn)效率，更好的加工質(zhì)量和更經(jīng)濟(jì)的加工費(fèi)用。和電子束加工相比，設(shè)備成本低。一個(gè)典型的例子是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)火花塞的焊接，美、日等國曾用電子束焊接取代傳統(tǒng)的點(diǎn)焊，但現(xiàn)在用YAG激光點(diǎn)焊，焊接效率更高，成本也更低，單臺(tái)設(shè)備月產(chǎn)量可達(dá)4萬件。加工成本低廉，也使一些低值產(chǎn)品的生產(chǎn)采用激光加工。例如，建筑業(yè)中的窗栓生產(chǎn)，用1kW的CO 2 激光焊接，焊速可達(dá)100m/min，到1986年美國已有22條這樣的生產(chǎn)線投入使用。 AA型電池的封裝通常是用電阻點(diǎn)焊，但生產(chǎn)過程中電極每15～30分鐘就要用砂紙打磨清潔一次，每天還要用30分鐘更換電極。用YAG激光點(diǎn)焊則省去了這些時(shí)間，生產(chǎn)效率比電阻焊提高30%。心臟起搏器、壓力傳感器等產(chǎn)品曾用電子束密封焊接，凹板印刷及紡織品印染用的滾筒也曾用電子束雕刻，現(xiàn)在則全部改用激光加工。高精度打小孔、微孔及微電子學(xué)中超大規(guī)模集成電路曝光、調(diào)阻等也更多地采用激光加工，但在相當(dāng)長時(shí)間之內(nèi)還不能取代電子束。在高速打網(wǎng)孔中，電子束脈沖頻率高，并可在打孔瞬間偏轉(zhuǎn)電子束，使電子束與高速運(yùn)動(dòng)的工件同步偏轉(zhuǎn)，可打出圓整度很好的孔(激光亦可實(shí)現(xiàn)這一工藝，但速度低得多)，每秒可打孔2萬個(gè)。
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超大規(guī)模集成電路、集成光路、聲表面波器件和極高精度的光柵刻劃等微加工越來越依賴電子束加工和激光加工。在納米級(jí)加工和直接制板方面，目前仍然用電子束加工。但準(zhǔn)分子激光的深紫外曝光已能制造出256Mbits的DRAM芯片。準(zhǔn)分子激光也用于直接制造各種微形元件，如用在顯微外科手術(shù)中的“梳形”元件、傳感元件和控制元件等。由聚脂薄片制造的外科手術(shù)“梳形”元件外形只有0.75×1.1×0.075立方毫米。準(zhǔn)分子激光還可在類似于發(fā)絲的材料上切割、打孔或打標(biāo)，包括成形圖形加工。用準(zhǔn)分子激光或固體激光可在敷銅板上打出25μm的小孔，生產(chǎn)率達(dá)每分鐘1 萬個(gè)，從打孔成本的對(duì)比也可看出，對(duì)于小于0.2mm的孔，機(jī)械鉆孔的成本迅速增加。當(dāng)孔徑小到25μm時(shí)，機(jī)械鉆孔成本高達(dá)每個(gè)孔17.9美元。而 YAG激光打孔，則從孔徑0.2mm到更小時(shí)，成本則逐漸下降，打一個(gè)25μm的孔僅0.43美元。
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"} QcdAg%"yy 由此可見，小功率激光加工無論在應(yīng)用范圍或是經(jīng)濟(jì)性能方面，都比電子束加工占有明顯的優(yōu)勢(shì)，除電子束曝光外，激光均有取代電子束的趨勢(shì)。
pe\]}& <{HV|B7 二、大功率電子束加工獨(dú)樹一幟
,G$<J0R1 %:-2P 由于激光的能量轉(zhuǎn)換效率低(工業(yè)激光的轉(zhuǎn)換效率通常只有10%左右，而電子束則可達(dá)80～90%)以及其他技術(shù)上的限制，激光器的功率不可能很高，通常不超過10kW。目前最大功率的工業(yè)用CO 2 激光器是法國焊接研究所研制的，功率為45kW。大功率激光器的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性以及參量的控制靈活性等方面也不如電子束。除此之外，經(jīng)濟(jì)性則是制約大功率激光設(shè)備發(fā)展和應(yīng)用的一個(gè)重要因素。中小功率激光器相對(duì)于相同等級(jí)的電子束發(fā)生器來講，價(jià)格更低。但隨著功率的提高，激光器的價(jià)格增加很快。在5kW 等級(jí)上，1988年國外激光和電子束設(shè)備價(jià)格大致相同。但近年來，隨著激光器制造水平的提高，成本相對(duì)降低，大功率激光器的應(yīng)用增加，這一點(diǎn)很明顯地表現(xiàn)在汽車變速
齒輪的焊接上，除日本外，美、德、法、意等國均大量采用激光取代電子束焊。前幾年齒輪激光焊接多采用1.7～2kW的軸流或6kW左右的橫流 CO 2 激光器，現(xiàn)在則多用2～3kW軸流或9kW的橫流CO 2 激光器。生產(chǎn)率的提高抵消了設(shè)備投資的增加。例如，克萊斯勒公司現(xiàn)在就有24臺(tái)激光器用于生產(chǎn)，其變速器焊接用的激光器的功率也提高到14kW，且將工件臺(tái)都改為雙工件臺(tái)，平均每焊一件的周期僅13秒左右。盡管激光技術(shù)發(fā)展很快，但大功率激光仍遠(yuǎn)不能與電子束相比。通常把功率為30kW以上的電子束焊槍作大功率焊槍，其焊接深度通常達(dá)50～80mm，而前面提到的世界最大功率的45kW激光器，只能焊接40mm。目前工業(yè)用大功率電子束焊槍功率已達(dá)到 200kW，熔深可達(dá)數(shù)百毫米。大功率電子束焊接已大量用于發(fā)電設(shè)備、石化設(shè)備、礦山機(jī)械、重型汽車、航空航天器、原子能設(shè)備和造船工業(yè)中，典型的應(yīng)用是焊接反應(yīng)堆基體和汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸等承力件，其熔深在300mm以上。和激光焊接相比較，電子束另一重要特點(diǎn)是不受補(bǔ)焊材料反射的影響，因此能很容易地焊接金、銀、銅、鋁等難于激光焊接的材料。例如，電子器件中的無氧銅零件、大電流的銅排、銅鎢觸頭和大馬力柴油機(jī)的鋁活塞等，都能得到高強(qiáng)度、大熔深的焊接接頭。
SmP&wNHQ f 2;SiH ]HNS 為了使大功率電子束焊接更好的用于大型工件，與大功率電子束同步發(fā)展的是大型真空室、局部真空及非真空等技術(shù)。大型真空室容積達(dá)數(shù)十至數(shù)百立方米，最大的已達(dá)800立方米，這樣的真空室可以焊接直徑達(dá)10米的巨型構(gòu)件。大型真空室雖然造價(jià)昂貴，但大功率電子束焊的優(yōu)異焊接性能和極高的焊接速度，可使綜合成本(包括設(shè)備投資及運(yùn)行費(fèi)用)反而比傳統(tǒng)的焊接方法低。據(jù)估算，當(dāng)焊深超過50mm時(shí)，電子束焊接的成本即可低于窄間隙焊和埋弧焊。焊深越深，差價(jià)越大。當(dāng)焊深超過150mm時(shí)，電子束焊接的綜合成本就只有窄間隙焊和埋弧焊的1/2～1/3。大型真空室多數(shù)用于焊接航空航天器中的機(jī)匣、渦輪盤、機(jī)翼大梁和發(fā)電設(shè)備中的汽輪機(jī)隔板之類產(chǎn)量不大而價(jià)值很高的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品對(duì)焊接要求往往非�？量蹋缙啓C(jī)隔板單次焊深可達(dá)150mm以上，而焊縫所在的圍帶又很窄，極易變形。
`4|:8@,3{ ph7]*W - 對(duì)于外形平整的產(chǎn)品，如船體鋼板的拼接，儲(chǔ)油罐體、儲(chǔ)氣罐體及原子能反應(yīng)堆屏蔽殼體等壓力容器的焊接，可采用局部真空方式。英國在鋪設(shè)北海油田石油管道時(shí)，曾建造了船載局部真空電子束焊機(jī)，將管道一邊焊接一邊鋪設(shè)。電子束蒸鍍和電子束熔煉是大功率電子束的另外兩項(xiàng)重要應(yīng)用。小功率電子槍已廣泛地用于電子工業(yè)、光學(xué)工業(yè)和其他工業(yè)中，用來蒸鍍金屬膜或介質(zhì)膜，尤其是要求高純度或高溫材料的膜層，往往只能用電子束蒸鍍。大功率的蒸鍍電子槍則用來制造鍍鋁薄鋼板(代替鍍錫馬口鐵，可節(jié)約大量錫)、鍍銅薄鋼板、建筑用隔熱鍍膜玻璃和鉭電器材料等。整條生產(chǎn)線由至少三只電子槍組成，分別用于清潔預(yù)熱、蒸鍍、退火。單個(gè)電子槍功率通常在數(shù)十kW至 200～300kW。
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