電子束焊接問世10年......



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激光器具有尺寸小、使用方便和價格低廉等優點，但在材料加工方面應用得還不多。一是因為對其潛在的應用價值認識不足;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。
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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場。針對我國這一器件優勢，我們先后研制了小功率CO 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。刻劃機則主要用于鋼、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。