電子束焊接問世10年后，日本大阪大學于1967年研制出世界上第一臺功率為1kW的CO 2 激光加工機，并用于焊接和切割薄板。30年來，激光加工已從實驗室走向了實用化階段，并進入了原來由電子束加工的各個領域，大有取代電子束加工的勢頭。但實踐證明，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特點外，在技術和經濟性能上，針對不同的應用場合，仍有各自不同的特點。因此在實際應用中，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。 本文將通過某些應用實例，說明電子束加工與激光加工的互補性，為合理地應用提供參考意見。 一、小功率激光加工的迅速發展 激光進入加工領域后，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生產線上。然而，近幾年來發展更快的則是小功率激光器，從數量上看，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域的應用也得到了發展，從1994年到1996年三年之間，每年都成倍增長。 以前小功率激光在材料加工方面主要用于半導體及微電子制造業的打標、鉆孔、曝光、退火及調阻等。而在其他工業部門及生活用品的加工中，雖然也用于打標、非金屬切割、薄件焊接和打孔等各種加工，但總體上數量不算大。封離式CO2激光器具有尺寸? ⑹褂梅獎愫圖鄹竦土扔諾?，但哉E牧霞庸し矯嬗τ玫沒共歡唷Ｒ皇且蛭云淝痹詰撓τ眉壑等鮮恫蛔?二是受其本身輸出功率小的限制。近年來封離式射頻激勵CO2激光器發展迅速，為開拓新的應用領域創造了條件。美國相干公司研制出了連續輸出功率500W(脈沖功率1.5kW)的慢流射頻激勵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2～2.5萬小時，并已用于模切板和陶瓷基片的切割。 三維快速成型技術的出現，為小功率CO2激光器開辟了一個極其重要的應用 領域。除紫外激光曝光方式外，還作為激光燒結和激光切紙再熱壓方式的熱源。這種型模制造技術具有成本低、周期短、精度高等特點，應用廣泛。 我國玻璃(或石英)管封離式激光器產量大，成本更低。以前除了用于醫療器械、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? Ｕ攵暈夜庖黃骷攀疲頤竅群笱兄屏誦」β蔆O 2 激光切割機、刻劃機、打標機。切割機和刻字機采用了1.6m長激光管，輸出功率為70W，用飛行光學外光路系統，專用切割、雕刻軟件，486計算機控制，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，可直接調用。復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換兼容。切割機主要用于切割有機玻璃、塑料、膠合板、紙、布、云母板等非金屬材料，切割有機玻璃的厚度可達10mm?？虅潤C則主要用于鋼、鑄鐵等機械零部件的商標、文字刻畫，其刻劃深度深于一般YAG打標，而設備投資及運行費用則比后者低很多。振鏡式CO 2 打標機用于非金屬打標，特別是用于木材、塑料、陶瓷等材料的打標，例如在塑料或陶瓷封裝的集成電路表面打標等。 和傳統的加工方法相比，激光加工通常具有更高的生產效率，更好的加工質量和更經濟的加工費用。和電子束加工相比，設備成本低。一個典型的例子是汽車發動機火花塞的焊接，美、日等國曾用電子束焊接取代傳統的點焊，但現在用YAG激光點焊，焊接效率更高，成本也更低，單臺設備月產量可達4萬件。加工成本低廉，也使一些低值產品的生產采用激光加工。例如，建筑業中的窗栓生產，用1kW的CO 2 激光焊接，焊速可達100m/min，到1986年美國已有22條這樣的生產線投入使用。 AA型電池的封裝通常是用電阻點焊，但生產過程中電極每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激光點焊則省去了這些時間，生產效率比電阻焊提高30%。心臟起搏器、壓力傳感器等產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，現在則全部改用激光加工。高精度打小孔、微孔及微電子學中超大規模集成電路曝光、調阻等也更多地采用激光加工，但在相當長時間之內還不能取代電子束。在高速打網孔中，電子束脈沖頻率高，并可在打孔瞬間偏轉電子束，使電子束與高速運動的工件同步偏轉，可打出圓整度很好的孔(激光亦可實現這一工藝，但速度低得多)，每秒可打孔2萬個。 超大規模集成電路、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。在納米級加工和直接制板方面，目前仍然用電子束加工。但準分子激光的深紫外曝光已能制造出256Mbits的DRAM芯片。準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“梳形”元件外形只有0.75×1.1×0.075立方毫米。準分子激光還可在類似于發絲的材料上切割、打孔或打標，包括成形圖形加工。用準分子激光或固體激光可在敷銅板上打出25μm的小孔，生產率達每分鐘1 萬個，從打孔成本的對比也可看出，對于小于0.2mm的孔，機械鉆孔的成本迅速增加。當孔徑小到25μm時，機械鉆孔成本高達每個孔17.9美元。而 YAG激光打孔，則從孔徑0.2mm到更小時，成本則逐漸下降，打一個25μm的孔僅0.43美元。 由此可見，小功率激光加工無論在應用范圍或是經濟性能方面，都比電子束加工占有明顯的優勢，除電子束曝光外，激光均有取代電子束的趨勢。 二、大功率電子束加工獨樹一幟 由于激光的能量轉換效率低(工業激光的轉換效率通常只有10%左右，而電子束則可達80～90%)以及其他技術上的限制，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。大功率激光器的運行穩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，經濟性則是制約大功率激光設備發展和應用的一個重要因素。中小功率激光器相對于相同等級的電子束發生器來講，價格更低。但隨著功率的提高，激光器的價格增加很快。在5kW 等級上，1988年國外激光和電子束設備價格大致相同。但近年來，隨著激光器制造水平的提高，成本相對降低，大功率激光器的應用增加，這一點很明顯地表現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，現在則多用2～3kW軸流或9kW的橫流CO 2 激光器。生產率的提高抵消了設備投資的增加。例如，克萊斯勒公司現在就有24臺激光器用于生產，其變速器焊接用的激光器的功率也提高到14kW，且將工件臺都改為雙工件臺，平均每焊一件的周期僅13秒左右。盡管激光技術發展很快，但大功率激光仍遠不能與電子束相比。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。目前工業用大功率電子束焊槍功率已達到 200kW，熔深可達數百毫米。大功率電子束焊接已大量用于發電設備、石化設備、礦山機械、重型汽車、航空航天器、原子能設備和造船工業中，典型的應用是焊接反應堆基體和汽輪機轉子軸等承力件，其熔深在300mm以上。和激光焊接相比較，電子束另一重要特點是不受補焊材料反射的影響，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的鋁活塞等，都能得到高強度、大熔深的焊接接頭。 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展的是大型真空室、局部真空及非真空等技術。大型真空室容積達數十至數百立方米，最大的已達800立方米，這樣的真空室可以焊接直徑達10米的巨型構件。大型真空室雖然造價昂貴，但大功率電子束焊的優異焊接性能和極高的焊接速度，可使綜合成本(包括設備投資及運行費用)反而比傳統的焊接方法低。據估算，當焊深超過50mm時，電子束焊接的成本即可低于窄間隙焊和埋弧焊。焊深越深，差價越大。當焊深超過150mm時，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。大型真空室多數用于焊接航空航天器中的機匣、渦輪盤、機翼大梁和發電設備中的汽輪機隔板之類產量不大而價值很高的產品，這些產品對焊接要求往往非?？量?，例如汽輪機隔板單次焊深可達150mm以上，而焊縫所在的圍帶又很窄，極易變形。 對于外形平整的產品，如船體鋼板的拼接，儲油罐體、儲氣罐體及原子能反應堆屏蔽殼體等壓力容器的焊接，可采用局部真空方式。英國在鋪設北海油田石油管道時，曾建造了船載局部真空電子束焊機，將管道一邊焊接一邊鋪設。電子束蒸鍍和電子束熔煉是大功率電子束的另外兩項重要應用。小功率電子槍已廣泛地用于電子工業、光學工業和其他工業中，用來蒸鍍金屬膜或介質膜，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。整條生產線由至少三只電子槍組成，分別用于清潔預熱、蒸鍍、退火。單個電子槍功率通常在數十kW至 200～300kW。 電子束熔煉可用來精煉鎢、鉬、鉭、鈮等難熔金屬，也可用來制備各種高純材料或特殊合金。又由于比傳統的電爐、電弧爐節能，又易于控制，它也被用于熔煉優質特種鋼。例如，早在六十年代末，原東德即在德累斯頓建立了電子束熔煉車間，成為當時經互會國家主要的特殊鋼供應者。七十年代末，美國建立了生產無鎳不銹鋼的電子束冶煉廠，產品質量高，成本低，生產過程無公害。鈦合金在現代制造業中的用量越來越大，相應切削廢屑也越來越難以回收。美、俄、德、日等國都建立了電子束熔煉鈦回收廠。鈦廢屑被電子束熔爐熔化，直接被拉成鈦錠。鑄成直徑達1m、長4.5m、重達 15噸的鈦棒，亦可直接割成長4.6m、寬1.5m、厚0.5m的鈦板，鑄錠的速度達900kg/h。用于熔煉的電子槍功率達600～1200kW，目前世界最大的電子束熔爐的總功率達2400kW。 三、電子束加工與激光加工的互補性及在應用中的選擇 電子束與激光加工的應用領域大體相同，這是因為他們同屬高能密熱源，其能量密度在同一段數量級，遠高于其他熱源;同時，他們與材料的作用原理也極其相近。但是，由于它們在束的產生和傳輸方式上的不同，因而各有各的應用場合。它們不能相互代替，但可相互補充。作為應用者，需更多地了解這兩種熱源的各自特點、適用條件和經濟性能，以便合理地應用。 和電子束加工一樣，汽車工業是激光加工設備的最大用戶，但激光加工除用于焊接和熱處理外，還能進行切割、打標、鉆孔等工作，這些方面正是電子束無能為力的。激光加工還可用于切割儀表盤、車門等沖壓件的飛邊以及在發動機、變速器、各種關鍵零部件及窗玻璃上打標。 1. 激光切割：激光在汽車工業中受到青睞的原因首先是生產效率高及加工質量好，可以節省大量的后續加工。例如美國在“牧馬人(Wrangler)”吉普車的生產中，使用了三臺激光器與機器人配合的聯合切割機，為厚4mm的冷軋板切割圓孔及型孔，孔徑在6～35mm之間，每張板共切割40個孔，全部切割時間不超過50秒。 2.激光焊接：Webber就3kW和1.5kW高功率YAG激光在汽車焊接中的成本進行了比較。當焊速為 5m/min時，用3kW YAG激光，焊深可達1.9mm,1.5kW激光為1.3mm，將其用于鍍鋅板裝配焊接，不包括上下料，焊接時間僅32秒。將激光器、Q開關、導光系統、高度傳感器、檢測器、制冷機組、五軸加工中心或機器人運動系統等設備投資和電費、保護氣體、保護窗及燈等運行費用加在一起，單位焊縫成本大約是0.39美元/米。日本神戶制鋼廠早在1986年就在不銹鋼帶連續退火酸洗生產線上用了激光焊接，所用CO 2 激光器功率為10kW，可以焊接1.6～8mm，帶寬650～1600mm的鋼帶，焊接在不停機狀態下連續進行。但激光在汽車工業中的應用目前仍只限于薄件的切割和焊接，以及零件的打標和局部表面處理。而對大厚度零部件的焊接，如后橋殼、軸頭、變速箱體、重型變速齒輪、大馬力柴油機活塞等的焊接，仍然以采用電子束焊接為宜。 3.激光熱處理：材料的高能密束熱處理一直是電子束和激光加工技術的重要應用領域，包括：熔化凝固處理 ─密實材料表面重熔;表面上釉─材料表面薄層快速凝固;密實化處理─多孔材料表面重熔密實;合金化處理─將預涂或氣相元素與基體表層熔化，形成有一定深度的合金層;表面涂覆─將預涂的粉熔化，形成合金層熔化基材上，但基體不熔;相變硬化處理─利用高能密束瞬間表面加熱及基體急速冷卻，形成自淬火。 熱處理通常要求的功率密度比切割和焊接低得多，注入功率也不需要很大，因此一般說來激光更適合于熱處理，這也是激光熱處理遠比電子束熱處理應用面廣的根本原因，我國在汽車修理行業對發動機缸體普遍采用激光淬火。鏜缸經過大修后的發動機，平均行駛里程只有4萬公里，但經激光淬火后，行駛里程可達20萬公里以上，即提高了3～5倍，既大大節省了大修費用，也降低了油耗，減少了對環境的污染。 但是對于某些材料和零件，由于材料性質的限制不能進行大面積均勻處理，則用電子束處理更為合適。 4. 經濟性比較：在大多數焊接和熱處理應用中，激光和電子束都能滿足要求，如何選用則要根據具體情況而定。例如，焊接汽車變速齒輪時，國外因電子束和同等效率的激光設備成本大致相同，廠家往往更多考慮對產品規格型號改變時的適應性而選用激光。我國目前電子束焊機的生產率大約是1件/分，而激光是2件/分，而設備價格前者大約也是后者的一半。因此，若不要求更高的生產率時，選用前者會更經濟。若需要得到更高的生產率和為今后變換產品規格時能較好地適應，顯然就宜選用后者。 5.提高設備質量：激光加工和電子束加工設備的開發、制造中有一個很明顯的區別，即激光器總是作為設備中的一個主要的獨立部件，有專門的廠家制造，有不同的品牌、規格、型號。加工設備的制造廠家可以根據需要合理地選配不同的激光器，最大限度地發揮激光器的效能，也能保證設備總體的可靠性和穩定性。很多生產廠家本身就是數控機床或機器人的制造廠，也有的是相關類型加工設備的生產廠。 電子束設備的生產基本上還是各大組部分集于一家的生產方式，很難有一個企業在光、機、電的各個方面都很專長。國內這一問題相對來講更為突出，因而設備故障率也相對更高些。目前國產電子束設備品種少，適應性差，可靠性不十分滿意。針對我國的實際情況，加強激光和電子束設備生產的專業化和協作化，提高整機質量應是當務之急。我國近幾年來已進口大中型激光切割機數十臺，但就我國當前總體技術水平而言，大多數進口設備應國內能自行解決，而具體到某一單位就常常不盡人意了。開展高能束技術咨詢看來也應是十分必要的，它可以幫助廠家正確選擇高能束加工方式，以便獲得最大經濟效益。