电子束加工与激光加工的互补性（中）

　　二、大功率电子束加工独树一帜

　　由于激光的能量转换效率低(工业激光的转换效率通常只有10%左右，而电子束则可达80～90%)以及其他技术上的限制，激光器的功率不可能很高，通常不超过10kW。目前最大功率的工业用CO 2 激光器是法国焊接研究所研制的，功率为45kW。大功率激光器的运行稳定性和可靠性以及参量的控制灵活性等方面也不如电子束。除此之外，经济性则是制约大功率激光设备发展和应用的一个重要因素。中小功率激光器相对于相同等级的电子束发生器来讲，价格更低。但随着功率的提高，激光器的价格增加很快。在5kW等级上，1988年国外激光和电子束设备价格大致相同。但近年来，随着激光器制造水平的提高，成本相对降低，大功率激光器的应用增加，这一点很明显地表现在汽车变速齿轮的焊接上，除日本外，美、德、法、意等国均大量采用激光取代电子束焊。前几年齿轮激光焊接多采用1.7～2kW的轴流或6kW左右的横流CO 2 激光器，现在则多用2～3kW轴流或9kW的横流CO 2 激光器。生产率的提高抵消了设备投资的增加。例如，克莱斯勒公司现在就有24台激光器用于生产，其变速器焊接用的激光器的功率也提高到14kW，且将工件台都改为双工件台，平均每焊一件的周期仅13秒左右。尽管激光技术发展很快，但大功率激光仍远不能与电子束相比。通常把功率为30kW以上的电子束焊枪作大功率焊枪，其焊接深度通常达50～80mm，而前面提到的世界最大功率的45kW激光器，只能焊接40mm。目前工业用大功率电子束焊枪功率已达到200kW，熔深可达数百毫米。大功率电子束焊接已大量用于发电设备、石化设备、矿山机械、重型汽车、航空航天器、原子能设备和造船工业中，典型的应用是焊接反应堆基体和汽轮机转子轴等承力件，其熔深在300mm以上。和激光焊接相比较，电子束另一重要特点是不受补焊材料反射的影响，因此能很容易地焊接金、银、铜、铝等难于激光焊接的材料。例如，电子器件中的无氧铜零件、大电流的铜排、铜钨触头和大马力柴油机的铝活塞等，都能得到高强度、大熔深的焊接接头。

　　为了使大功率电子束焊接更好的用于大型工件，与大功率电子束同步发展的是大型真空室、局部真空及非真空等技术。大型真空室容积达数十至数百立方米，最大的已达800立方米，这样的真空室可以焊接直径达10米的巨型构件。大型真空室虽然造价昂贵，但大功率电子束焊的优异焊接性能和极高的焊接速度，可使综合成本(包括设备投资及运行费用)反而比传统的焊接方法低。据估算，当焊深超过50mm时，电子束焊接的成本即可低于窄间隙焊和埋弧焊。焊深越深，差价越大。当焊深超过150mm时，电子束焊接的综合成本就只有窄间隙焊和埋弧焊的1/2～1/3。

　　大型真空室多数用于焊接航空航天器中的机匣、涡轮盘、机翼大梁和发电设备中的汽轮机隔板之类产量不大而价值很高的产品，这些产品对焊接要求往往非常苛刻，例如汽轮机隔板单次焊深可达150mm以上，而焊缝所在的围带又很窄，极易变形。

　　对于外形平整的产品，如船体钢板的拼接，储油罐体、储气罐体及原子能反应堆屏蔽壳体等压力容器的焊接，可采用局部真空方式。英国在铺设北海油田石油管道时，曾建造了船载局部真空电子束焊机，将管道一边焊接一边铺设。电子束蒸镀和电子束熔炼是大功率电子束的另外两项重要应用。小功率电子枪已广泛地用于电子工业、光学工业和其他工业中，用来蒸镀金属膜或介质膜，尤其是要求高纯度或高温材料的膜层，往往只能用电子束蒸镀。大功率的蒸镀电子枪则用来制造镀铝薄钢板(代替镀锡马口铁，可节约大量锡)、镀铜薄钢板、建筑用隔热镀膜玻璃和钽电器材料等。整条生产线由至少三只电子枪组成，分别用于清洁预热、蒸镀、退火。单个电子枪功率通常在数十kW至200～300kW。

　　电子束熔炼可用来精炼钨、钼、钽、铌等难熔金属，也可用来制备各种高纯材料或特殊合金。又由于比传统的电炉、电弧炉节能，又易于控制，它也被用于熔炼优质特种钢。例如，早在六十年代末，原东德即在德累斯顿建立了电子束熔炼车间，成为当时经互会国家主要的特殊钢供应者。七十年代末，美国建立了生产无镍不锈钢的电子束冶炼厂，产品质量高，成本低，生产过程无公害。钛合金在现代制造业中的用量越来越大，相应切削废屑也越来越难以回收。美、俄、德、日等国都建立了电子束熔炼钛回收厂。钛废屑被电子束熔炉熔化，直接被拉成钛锭。铸成直径达1m、长4.5m、重达15吨的钛棒，亦可直接割成长4.6m、宽1.5m、厚0.5m的钛板，铸锭的速度达900kg/h。用于熔炼的电子枪功率达600～1200kW，目前世界最大的电子束熔炉的总功率达2400kW。

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