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电子束加工与激光加工的互补性

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CO2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)

的慢流射频激励CO2激光器，其外形尺寸只有280X240X1200mm，

重量61kg。一次充气后使用寿命达2～万小时，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CO2激光切割机、刻划机、打标机。切割机和刻字机采用了

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CO2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CO2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