电子束加工与激光加工的互补性

秋雨缠绵

电子束焊接问世10年后，日本大阪大学于1967年研制出世界上第一台功率为1kW的CO 2 激光加工机，并用于焊接和切割薄板。30年来，激光加工已从实验室走向了实用化阶段，并进入了原来由电子束加工的各个领域，大有取代电子束加工的势头。但实践证明，激光和电子束作为高能量密度热源，除了具有很多相同技术特点外，在技术和经济性能上，针对不同的应用场合，仍有各自不同的特点。因此在实际应用中，合理地选取其中一种加工手段就成为非常必要的工艺选择过程。
本文将通过某些应用实例，说明电子束加工与激光加工的互补性，为合理地应用提供参考意见。
4 a( a" c* A" P/ J一、小功率激光加工的迅速发展
3 z7 N% g: q$ r! u% s6 d$ d1 r6 {激光进入加工领域后，不断努力提高输出功率，1kW以上的轴流、2kW以上的 CO2及300W以上的 YAG 激光器已广泛的用于切割、焊接和热处理等工业生产 线上。然而，近几年来发展更快的则是小功率激光器，从数量上看，用于加工的封离式CO2激光器和灯泵浦的YAG激光器每年都以20～25%的速度增长。准分子激光器、二极管激光器及二极管泵浦的固体激光器在材料加工领域的应用也得到了发展，从1994年到1996年三年之间，每年都成倍增长。
以前小功率激光在材料加工方面主要用于半导体及微电子制造业的打标、钻孔、曝光、退火及调阻等。而在其他工业部门及生活用品的加工中，虽然也用于打标、非金属切割、薄件焊接和打孔等各种加工，但总体上数量不算大。封离式CO2激光器具有尺寸小、使用方便和价格低廉等优点，但在材料加工方面应用得还不多。一是因为对其潜在的应用价值认识不足;二是受其本身输出功率小的限制。近年来封离式射频激励CO2激光器发展迅速，为开拓新的应用领域创造了条件。美国相干公司研制出了连续输出功率500W(脉冲功率1.5kW)的慢流射频激励CO2激光器，其外形尺寸只有280×240×1200mm，重量61kg。一次充气后使用寿命达2～2.5万小时，并已用于模切板和陶瓷基片的切割。
三维快速成型技术的出现，为小功率CO2激光器开辟了一个极其重要的应用 领域。除紫外激光曝光方式外，还作为激光烧结和激光切纸再热压方式的热源。这种型模制造技术具有成本低、周期短、精度高等特点，应用广泛。
4 S' K5 X, Y5 J% i- G3 Q7 o" c我国玻璃(或石英)管封离式激光器产量大，成本更低。以前除了用于医疗器械、科研及出口的低功率(25w以下)激光器外，40～50W以上激光器几乎没有市场。针对我国这一器件优势，我们先后研制了小功率CO 2 激光切割机、刻划机、打标机。切割机和刻字机采用了1.6m长激光管，输出功率为70W，用飞行光学外光路系统，专用切割、雕刻软件，486计算机控制，专用文字编程软件及通用AutoCAD作图软件。文字编程软件中装有几十种简繁体汉字和英文字母，可直接调用。复杂图形及特殊文字可用扫描仪扫描输入。切割和雕刻文件采用DXF文件格式，既可方便地在AutoCAD中编辑及输入输出，也可方便地与CorelDRAW和市面上流行的刻字软件转换兼容。切割机主要用于切割有机玻璃、塑料、胶合板、纸、布、云母板等非金属材料，切割有机玻璃的厚度可达10mm。刻划机则主要用于钢、铸铁等机械零部件的商标、文字刻画，其刻划深度深于一般YAG打标，而设备投资及运行费用则比后者低很多。振镜式CO 2 打标机用于非金属打标，特别是用于木材、塑料、陶瓷等材料的打标，例如在塑料或陶瓷封装的集成电路表面打标等。
和传统的加工方法相比，激光加工通常具有更高的生产效率，更好的加工质量和更经济的加工费用。和电子束加工相比，设备成本低。一个典型的例子是汽车发动机火花塞的焊接，美、日等国曾用电子束焊接取代传统的点焊，但现在用YAG激光点焊，焊接效率更高，成本也更低，单台设备月产量可达4万件。 加工成本低廉，也使一些低值产品的生产采用激光加工。例如，建筑业中的窗栓生产，用1kW的CO 2 激光焊接，焊速可达100m/min，到1986年美国已有22条这样的生产线投入使用。 AA型电池的封装通常是用电阻点焊，但生产过程中电极每15～30分钟就要用砂纸打磨清洁一次，每天还要用30分钟更换电极。用YAG激光点焊则省去了这些时间，生产效率比电阻焊提高30%。心脏起搏器、压力传感器等产品曾用电子束密封焊接，凹板印刷及纺织品印染用的滚筒也曾用电子束雕刻，现在则全部改用激光加工。高精度打小孔、微孔及微电子学中超大规模集成电路曝光、调阻等也更多地采用激光加工，但在相当长时间之内还不能取代电子束。在高速打网孔中，电子束脉冲频率高，并可在打孔瞬间偏转电子束，使电子束与高速运动的工件同步偏转，可打出圆整度很好的孔(激光亦可实现这一工艺，但速度低得多)，每秒可打孔2万个。
: V, u$ P& h$ A# A! X0 `超大规模集成电路、集成光路、声表面波器件和极高精度的光栅刻划等微加工越来越依赖电子束加工和激光加工。在纳米级加工和直接制板方面，目前仍然用电子束加工。但准分子激光的深紫外曝光已能制造出256Mbits的DRAM芯片。准分子激光也用于直接制造各种微形元件，如用在显微外科手术中的“梳形”元件、传感元件和控制元件等。由聚脂薄片制造的外科手术“梳形”元件外形只有0.75×1.1×0.075立方毫米。准分子激光还可在类似于发丝的材料上切割、打孔或打标，包括成形图形加工。用准分子激光或固体激光可在敷铜板上打出25μm的小孔，生产率达每分钟1万个，从打孔成本的对比也可看出，对于小于0.2mm的孔，机械钻孔的成本迅速增加。当孔径小到25μm时，机械钻孔成本高达每个孔17.9美元。而YAG激光打孔，则从孔径0.2mm到更小时，成本则逐渐下降，打一个25μm的孔仅0.43美元。
由此可见，小功率激光加工无论在应用范围或是经济性能方面，都比电子束加工占有明显的优势，除电子束曝光外，激光均有取代电子束的趋势。
二、大功率电子束加工独树一帜
由于激光的能量转换效率低(工业激光的转换效率通常只有10%左右，而电子束则可达80～90%)以及其他技术上的限制，激光器的功率不可能很高，通常不超过10kW。目前最大功率的工业用CO 2 激光器是法国焊接研究所研制的，功率为45kW。大功率激光器的运行稳定性和可靠性以及参量的控制灵活性等方面也不如电子束。除此之外，经济性则是制约大功率激光设备发展和应用的一个重要因素。中小功率激光器相对于相同等级的电子束发生器来讲，价格更低。但随着功率的提高，激光器的价格增加很快。在5kW等级上，1988年国外激光和电子束设备价格大致相同。但近年来，随着激光器制造水平的提高，成本相对降低，大功率激光器的应用增加，这一点很明显地表现在汽车变速齿轮的焊接上，除日本外，美、德、法、意等国均大量采用激光取代电子束焊。前几年齿轮激光焊接多采用1.7～2kW的轴流或6kW左右的横流CO 2 激光器，现在则多用2～3kW轴流或9kW的横流CO 2 激光器。生产率的提高抵消了设备投资的增加。例如，克莱斯勒公司现在就有24台激光器用于生产，其变速器焊接用的激光器的功率也提高到14kW，且将工件台都改为双工件台，平均每焊一件的周期仅13秒左右。尽管激光技术发展很快，但大功率激光仍远不能与电子束相比。通常把功率为30kW以上的电子束焊枪作大功率焊枪，其焊接深度通常达50～80mm，而前面提到的世界最大功率的45kW激光器，只能焊接40mm。目前工业用大功率电子束焊枪功率已达到200kW，熔深可达数百毫米。大功率电子束焊接已大量用于发电设备、石化设备、矿山机械、重型汽车、航空航天器、原子能设备和造船工业中，典型的应用是焊接反应堆基体和汽轮机转子轴等承力件，其熔深在300mm以上。和激光焊接相比较，电子束另一重要特点是不受补焊材料反射的影响，因此能很容易地焊接金、银、铜、铝等难于激光焊接的材料。例如，电子器件中的无氧铜零件、大电流的铜排、铜钨触头和大马力柴油机的铝活塞等，都能得到高强度、大熔深的焊接接头。
* Z& p) d9 O2 ~# V9 r为了使大功率电子束焊接更好的用于大型工件，与大功率电子束同步发展的是大型真空室、局部真空及非真空等技术。大型真空室容积达数十至数百立方米，最大的已达800立方米，这样的真空室可以焊接直径达10米的巨型构件。大型真空室虽然造价昂贵，但大功率电子束焊的优异焊接性能和极高的焊接速度，可使综合成本(包括设备投资及运行费用)反而比传统的焊接方法低。据估算，当焊深超过50mm时，电子束焊接的成本即可低于窄间隙焊和埋弧焊。焊深越深，差价越大。当焊深超过150mm时，电子束焊接的综合成本就只有窄间隙焊和埋弧焊的1/2～1/3。 大型真空室多数用于焊接航空航天器中的机匣、涡轮盘、机翼大梁和发电设备中的汽轮机隔板之类产量不大而价值很高的产品，这些产品对焊接要求往往非常苛刻，例如汽轮机隔板单次焊深可达150mm以上，而焊缝所在的围带又很窄，极易变形。
对于外形平整的产品，如船体钢板的拼接，储油罐体、储气罐体及原子能反应堆屏蔽壳体等压力容器的焊接，可采用局部真空方式。英国在铺设北海油田石油管道时，曾建造了船载局部真空电子束焊机，将管道一边焊接一边铺设。电子束蒸镀和电子束熔炼是大功率电子束的另外两项重要应用。小功率电子枪已广泛地用于电子工业、光学工业和其他工业中，用来蒸镀金属膜或介质膜，尤其是要求高纯度或高温材料的膜层，往往只能用电子束蒸镀。大功率的蒸镀电子枪则用来制造镀铝薄钢板(代替镀锡马口铁，可节约大量锡)、镀铜薄钢板、建筑用隔热镀膜玻璃和钽电器材料等。整条生产线由至少三只电子枪组成，分别用于清洁预热、蒸镀、退火。单个电子枪功率通常在数十kW至200～300kW。
电子束熔炼可用来精炼钨、钼、钽、铌等难熔金属，也可用来制备各种高纯材料或特殊合金。又由于比传统的电炉、电弧炉节能，又易于控制，它也被用于熔炼优质特种钢。例如，早在六十年代末，原东德即在德累斯顿建立了电子束熔炼车间，成为当时经互会国家主要的特殊钢供应者。七十年代末，美国建立了生产无镍不锈钢的电子束冶炼厂，产品质量高，成本低，生产过程无公害。钛合金在现代制造业中的用量越来越大，相应切削废屑也越来越难以回收。美、俄、德、日等国都建立了电子束熔炼钛回收厂。钛废屑被电子束熔炉熔化，直接被拉成钛锭。铸成直径达1m、长4.5m、重达15吨的钛棒，亦可直接割成长4.6m、宽1.5m、厚0.5m的钛板，铸锭的速度达900kg/h。用于熔炼的电子枪功率达600～1200kW，目前世界最大的电子束熔炉的总功率达2400kW。
三、电子束加工与激光加工的互补性及在应用中的选择
; L& x* ]! M% o5 }电子束与激光加工的应用领域大体相同，这是因为他们同属高能密热源，其能量密度在同一段数量级，远高于其他热源;同时，他们与材料的作用原理也极其相近。但是，由于它们在束的产生和传输方式上的不同，因而各有各的应用场合。它们不能相互代替，但可相互补充。作为应用者，需更多地了解这两种热源的各自特点、适用条件和经济性能，以便合理地应用。
和电子束加工一样，汽车工业是激光加工设备的最大用户，但激光加工除用于焊接和热处理外，还能进行切割、打标、钻孔等工作，这些方面正是电子束无能为力的。激光加工还可用于切割仪表盘、车门等冲压件的飞边以及在发动机、变速器、各种关键零部件及窗玻璃上打标。
3 O3 v" T6 u$ q, R! N" p3 n3 ?1.激光切割：激光在汽车工业中受到青睐的原因首先是生产效率高及加工质量好，可以节省大量的后续加工。例如美国在“牧马人(Wrangler)”吉普车的生产中，使用了三台激光器与机器人配合的联合切割机，为厚4mm的冷轧板切割圆孔及型孔，孔径在6～35mm之间，每张板共切割40个孔，全部切割时间不超过50秒。
  l1 k1 `! S6 E3 @) k2.激光焊接：Webber就3kW和1.5kW高功率YAG激光在汽车焊接中的成本进行了比较。当焊速为5m/min时，用3kW YAG激光，焊深可达1.9mm,1.5kW激光为1.3mm，将其用于镀锌板装配焊接，不包括上下料，焊接时间仅32秒。将激光器、Q开关、导光系统、高度传感器、检测器、制冷机组、五轴加工中心或机器人运动系统等设备投资和电费、保护气体、保护窗及灯等运行费用加在一起，单位焊缝成本大约是0.39美元/米。日本神户制钢厂早在1986年就在不锈钢带连续退火酸洗生产线上用了激光焊接，所用CO 2 激光器功率为10kW，可以焊接1.6～8mm，带宽650～1600mm的钢带，焊接在不停机状态下连续进行。但激光在汽车工业中的应用目前仍只限于薄件的切割和焊接，以及零件的打标和局部表面处理。而对大厚度零部件的焊接，如后桥壳、轴头、变速箱体、重型变速齿轮、大马力柴油机活塞等的焊接，仍然以采用电子束焊接为宜。
3.激光热处理：材料的高能密束热处理一直是电子束和激光加工技术的重要应用领域，包括：熔化凝固处理─密实材料表面重熔;表面上釉─材料表面薄层快速凝固;密实化处理─多孔材料表面重熔密实;合金化处理─将预涂或气相元素与基体表层熔化，形成有一定深度的合金层;表面涂覆─将预涂的粉熔化，形成合金层熔化基材上，但基体不熔;相变硬化处理─利用高能密束瞬间表面加热及基体急速冷却，形成自淬火。
* s5 V5 G7 M& d2 {- c) ~" F热处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，因此一般说来激光更适合于热处理，这也是激光热处理远比电子束热处理应用面广的根本原因，我国在汽车修理行业对发动机缸体普遍采用激光淬火。镗缸经过大修后的发动机，平均行驶里程只有4万公里，但经激光淬火后，行驶里程可达20万公里以上，即提高了3～5倍，既大大节省了大修费用，也降低了油耗，减少了对环境的污染。
但是对于某些材料和零件，由于材料性质的限制不能进行大面积均匀处理，则用电子束处理更为合适。
4.经济性比较：在大多数焊接和热处理应用中，激光和电子束都能满足要求，如何选用则要根据具体情况而定。例如，焊接汽车变速齿轮时，国外因电子束和同等效率的激光设备成本大致相同，厂家往往更多考虑对产品规格型号改变时的适应性而选用激光。我国目前电子束焊机的生产率大约是1件/分，而激光是2件/分，而设备价格前者大约也是后者的一半。因此，若不要求更高的生产率时，选用前者会更经济。若需要得到更高的生产率和为今后变换产品规格时能较好地适应，显然就宜选用后者。
5.提高设备质量：激光加工和电子束加工设备的开发、制造中有一个很明显的区别，即激光器总是作为设备中的一个主要的独立部件，有专门的厂家制造，有不同的品牌、规格、型号。加工设备的制造厂家可以根据需要合理地选配不同的激光器，最大限度地发挥激光器的效能，也能保证设备总体的可靠性和稳定性。很多生产厂家本身就是数控机床或机器人的制造厂，也有的是相关类型加工设备的生产厂。
8 j6 P: x5 O6 ~/ C3 i/ Y电子束设备的生产基本上还是各大组部分集于一家的生产方式，很难有一个企业在光、机、电的各个方面都很专长。国内这一问题相对来讲更为突出，因而设备故障率也相对更高些。目前国产电子束设备品种少，适应性差，可靠性不十分满意。 针对我国的实际情况，加强激光和电子束设备生产的专业化和协作化，提高整机质量应是当务之急。我国近几年来已进口大中型激光切割机数十台，但就我国当前总体技术水平而言，大多数进口设备应国内能自行解决，而具体到某一单位就常常不尽人意了。开展高能束技术咨询看来也应是十分必要的，它可以帮助厂家正确选择高能束加工方式，以便获得最大经济效益。
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