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电子束加工与激光加工的互补性(上)

  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。

  一、小功率激光加工的迅速发展

  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。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。 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。


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