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2008-02-16 19:11 |
電子束加工與激光加工的互補性
電子束焊接問世10年后，日本大阪大學(xué)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(lǐng)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(shù)特點外，在技術(shù)和經(jīng)濟性能上，針對不同的應(yīng)用場合，仍有各自不同的特點。因此在實際應(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程。 ZkIg L
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本文將通過某些應(yīng)用實例，說明電子束加工與激光加工的互補性，為合理地應(yīng)用提供參考意見。 _=q!
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一、小功率激光加工的迅速發(fā)展 t ^[8RhD
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激光進入加工領(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。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。 S a4W`
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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、使用方便和價格低廉等優(yōu)點，但在材料加工方面應(yīng)用得還不多。一是因為對其潛在的應(yīng)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(fā)展迅速，為開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域創(chuàng)造了條件。美國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。 +uBLk0/)>
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三維快速成型技術(shù)的出現(xiàn)，為小功率CO2激光器開辟了一個極其重要的應(yīng)用 領(lǐng)域。除紫外激光曝光方式外，還作為激光燒結(jié)和激光切紙再熱壓方式的熱源。這種型模制造技術(shù)具有成本低、周期短、精度高等特點，應(yīng)用廣泛。 UjOB98Du
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我國玻璃(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以上激光器幾乎沒有市場。針對我國這一器件優(yōu)勢，我們先后研制了小功率CO 2 激光切割機、刻劃機、打標(biāo)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(xué)外光路系統(tǒng)，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(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(biāo)、文字刻畫，其刻劃深度深于一般YAG打標(biāo)，而設(shè)備投資及運行費用則比后者低很多。振鏡式CO 2 打標(biāo)機用于非金屬打標(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。 mo1oyQg8
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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)濟的加工費用。和電子束加工相比，設(shè)備成本低。一個典型的例子是汽車發(fā)動機火花塞的焊接，美、日等國曾用電子束焊接取代傳統(tǒng)的點焊，但現(xiàn)在用YAG激光點焊，焊接效率更高，成本也更低，單臺設(shè)備月產(chǎn)量可達4萬件。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100m/min，到1986年美國已有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焊，但生產(chǎn)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(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)長時間之內(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，使電子束與高速運動的工件同步偏轉(zhuǎn)，可打出圓整度很好的孔(激光亦可實現(xiàn)這一工藝，但速度低得多)，每秒可打孔2萬個。 F q!fWl
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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(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(dāng)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。 '{ [5M!B
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由此可見，小功率激光加工無論在應(yīng)用范圍或是經(jīng)濟性能方面，都比電子束加工占有明顯的優(yōu)勢，除電子束曝光外，激光均有取代電子束的趨勢。 ^/5XZ} *
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二、大功率電子束加工獨樹一幟 $ ''9K
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