三、電子束加工與激光......




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)、車門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)。
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1.激光切割：激光在汽車工業(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。
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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(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，有專門的廠家制造，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。