電子束焊接問(wèn)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(lái)，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(lái)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(guò)程。
本文將通過(guò)某些應(yīng)用實(shí)例，說(shuō)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(jiàn)。
一、小功率激光加工的迅速發(fā)展
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(lái)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(zhǎng)。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(zhǎng)。
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(mén)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(lái)封離式射頻激勵(lì)CO2激光器發(fā)展迅速，為開(kāi)拓新的應(yīng)用領(lǐng)域創(chuàng)造了條件。美國(guó)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(wàn)小時(shí)，并已用于模切板和陶瓷基片的切割。
三維快速成型技術(shù)的出現(xiàn)，為小功率CO2激光器開(kāi)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)贌釅悍绞降臒嵩础＿@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。
我國(guó)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(méi)有市場(chǎng)。針對(duì)我國(guó)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?rùn)C(jī)、打標(biāo)機(jī)。切割機(jī)和刻字機(jī)采用了1.6m長(zhǎng)激光管，輸出功率為70W，用飛行光學(xué)外光路系統(tǒng)，專(zhuān)用切割、雕刻軟件，486計(jì)算機(jī)控制，專(zhuān)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(jiǎn)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�？虅�?rùn)C(jī)則主要用于鋼、鑄鐵等機(jī)械零部件的商標(biāo)、文字刻畫(huà)，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。
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(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)火花塞的焊接，美、日等國(guó)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(wàn)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(guó)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(guò)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(zhǎng)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(wàn)個(gè)。
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(lái)越依賴(lài)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(lèi)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(wàn)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。
由此可見(jiàn)，小功率激光加工無(wú)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)。
二、大功率電子束加工獨(dú)樹(shù)一幟
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(guò)10kW。目前最大功率的工業(yè)用CO 2 激光器是法國(guó)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(lái)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(guó)外激光和電子束設(shè)備價(jià)格大致相同。但近年來(lái)，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(chē)變速齒輪的焊接上，除日本外，美、德、法、意等國(guó)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?zhuān)浜附由疃韧ǔ＿_(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(chē)、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(wú)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。
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(guò)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(guò)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(pán)、機(jī)翼大梁和發(fā)電設(shè)備中的汽輪機(jī)隔板之類(lèi)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�，例如汽輪機(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。
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(guó)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(lái)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(lái)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。
電子束熔煉可用來(lái)精煉鎢、鉬、鉭、鈮等難熔金屬，也可用來(lái)制備各種高純材料或特殊合金。又由于比傳統(tǒng)的電爐、電弧爐節(jié)能，又易于控制，它也被用于熔煉優(yōu)質(zhì)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(chē)間，成為當(dāng)時(shí)經(jīng)互會(huì)國(guó)家主要的特殊鋼供應(yīng)者。七十年代末，美國(guó)建立了生產(chǎn)無(wú)鎳不銹鋼的電子束冶煉廠，產(chǎn)品質(zhì)量高，成本低，生產(chǎn)過(guò)程無(wú)公害。鈦合金在現(xiàn)代制造業(yè)中的用量越來(lái)越大，相應(yīng)切削廢屑也越來(lái)越難以回收。美、俄、德、日等國(guó)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(dá)1m、長(zhǎng)4.5m、重達(dá) 15噸的鈦棒，亦可直接割成長(zhǎng)4.6m、寬1.5m、厚0.5m的鈦板，鑄錠的速度達(dá)900kg/h。用于熔煉的電子槍功率達(dá)600～1200kW，目前世界最大的電子束熔爐的總功率達(dá)2400kW。
三、電子束加工與激光加工的互補(bǔ)性及在應(yīng)用中的選擇
電子束與激光加工的應(yīng)用領(lǐng)域大體相同，這是因?yàn)樗麄兺瑢俑吣苊軣嵩矗淠芰棵芏仍谕欢螖?shù)量級(jí)，遠(yuǎn)高于其他熱源;同時(shí)，他們與材料的作用原理也極其相近。但是，由于它們?cè)谑漠a(chǎn)生和傳輸方式上的不同，因而各有各的應(yīng)用場(chǎng)合。它們不能相互代替，但可相互補(bǔ)充。作為應(yīng)用者，需更多地了解這兩種熱源的各自特點(diǎn)、適用條件和經(jīng)濟(jì)性能，以便合理地應(yīng)用。
和電子束加工一樣，汽車(chē)工業(yè)是激光加工設(shè)備的最大用戶，但激光加工除用于焊接和熱處理外，還能進(jìn)行切割、打標(biāo)、鉆孔等工作，這些方面正是電子束無(wú)能為力的。激光加工還可用于切割儀表盤(pán)、車(chē)門(mén)等沖壓件的飛邊以及在發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、各種關(guān)鍵零部件及窗玻璃上打標(biāo)。
1. 激光切割：激光在汽車(chē)工業(yè)中受到青睞的原因首先是生產(chǎn)效率高及加工質(zhì)量好，可以節(jié)省大量的后續(xù)加工。例如美國(guó)在“牧馬人(Wrangler)”吉普車(chē)的生產(chǎn)中，使用了三臺(tái)激光器與機(jī)器人配合的聯(lián)合切割機(jī)，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(gè)孔，全部切割時(shí)間不超過(guò)50秒。
2.激光焊接：Webber就3kW和1.5kW高功率YAG激光在汽車(chē)焊接中的成本進(jìn)行了比較。當(dāng)焊速為 5m/min時(shí)，用3kW YAG激光，焊深可達(dá)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(shí)間僅32秒。將激光器、Q開(kāi)關(guān)、導(dǎo)光系統(tǒng)、高度傳感器、檢測(cè)器、制冷機(jī)組、五軸加工中心或機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)等設(shè)備投資和電費(fèi)、保護(hù)氣體、保護(hù)窗及燈等運(yùn)行費(fèi)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(xù)退火酸洗生產(chǎn)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(jī)狀態(tài)下連續(xù)進(jìn)行。但激光在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用目前仍只限于薄件的切割和焊接，以及零件的打標(biāo)和局部表面處理。而對(duì)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(jī)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(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，包括：熔化凝固處理 ─密實(shí)材料表面重熔;表面上釉─材料表面薄層快速凝固;密實(shí)化處理─多孔材料表面重熔密實(shí);合金化處理─將預(yù)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(yù)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(shuō)來(lái)激光更適合于熱處理，這也是激光熱處理遠(yuǎn)比電子束熱處理應(yīng)用面廣的根本原因，我國(guó)在汽車(chē)修理行業(yè)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體普遍采用激光淬火。鏜缸經(jīng)過(guò)大修后的發(fā)動(dòng)機(jī)，平均行駛里程只有4萬(wàn)公里，但經(jīng)激光淬火后，行駛里程可達(dá)20萬(wàn)公里以上，即提高了3～5倍，既大大節(jié)省了大修費(fèi)用，也降低了油耗，減少了對(duì)環(huán)境的污染。
但是對(duì)于某些材料和零件，由于材料性質(zhì)的限制不能進(jìn)行大面積均勻處理，則用電子束處理更為合適。
4. 經(jīng)濟(jì)性比較：在大多數(shù)焊接和熱處理應(yīng)用中，激光和電子束都能滿足要求，如何選用則要根據(jù)具體情況而定。例如，焊接汽車(chē)變速齒輪時(shí)，國(guó)外因電子束和同等效率的激光設(shè)備成本大致相同，廠家往往更多考慮對(duì)產(chǎn)品規(guī)格型號(hào)改變時(shí)的適應(yīng)性而選用激光。我國(guó)目前電子束焊機(jī)的生產(chǎn)率大約是1件/分，而激光是2件/分，而設(shè)備價(jià)格前者大約也是后者的一半。因此，若不要求更高的生產(chǎn)率時(shí)，選用前者會(huì)更經(jīng)濟(jì)。若需要得到更高的生產(chǎn)率和為今后變換產(chǎn)品規(guī)格時(shí)能較好地適應(yīng)，顯然就宜選用后者。
5.提高設(shè)備質(zhì)量：激光加工和電子束加工設(shè)備的開(kāi)發(fā)、制造中有一個(gè)很明顯的區(qū)別，即激光器總是作為設(shè)備中的一個(gè)主要的獨(dú)立部件，有專(zhuān)門(mén)的廠家制造，有不同的品牌、規(guī)格、型號(hào)。加工設(shè)備的制造廠家可以根據(jù)需要合理地選配不同的激光器，最大限度地發(fā)揮激光器的效能，也能保證設(shè)備總體的可靠性和穩(wěn)定性。很多生產(chǎn)廠家本身就是數(shù)控機(jī)床或機(jī)器人的制造廠，也有的是相關(guān)類(lèi)型加工設(shè)備的生產(chǎn)廠。
電子束設(shè)備的生產(chǎn)基本上還是各大組部分集于一家的生產(chǎn)方式，很難有一個(gè)企業(yè)在光、機(jī)、電的各個(gè)方面都很專(zhuān)長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)這一問(wèn)題相對(duì)來(lái)講更為突出，因而設(shè)備故障率也相對(duì)更高些。目前國(guó)產(chǎn)電子束設(shè)備品種少，適應(yīng)性差，可靠性不十分滿意。針對(duì)我國(guó)的實(shí)際情況，加強(qiáng)激光和電子束設(shè)備生產(chǎn)的專(zhuān)業(yè)化和協(xié)作化，提高整機(jī)質(zhì)量應(yīng)是當(dāng)務(wù)之急。我國(guó)近幾年來(lái)已進(jìn)口大中型激光切割機(jī)數(shù)十臺(tái)，但就我國(guó)當(dāng)前總體技術(shù)水平而言，大多數(shù)進(jìn)口設(shè)備應(yīng)國(guó)內(nèi)能自行解決，而具體到某一單位就常常不盡人意了。開(kāi)展高能束技術(shù)咨詢看來(lái)也應(yīng)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(jīng)濟(jì)效益。
