Szybki rozwój przemysłu lotniczego, półprzewodnikowego, medycznego i energetycznego znacząco zwiększył wymagania dotyczące wydajności komponentów krytycznych,w ten sposób napędzać ciągłe innowacje w zakresie technologii cięcia i sprzętu przetwórczegoW porównaniu z konwencjonalnym cięciem mechanicznym cięcie laserowe oferuje niezwykłe zalety pod względem precyzji, wydajności i zgodności ze środowiskiem.Zalety te obejmują usuwanie materiału bez kontaktu bez obciążenia mechanicznego, szeroka adaptacja materiału do elastycznej produkcji i wysoka wydajność przetwarzania umożliwiająca programowalne sterowanie, dzięki czemu cięcie laserowe nadaje się do zastosowań o dużych powierzchniach i wysokiej precyzji.
W zależności od czasu trwania impulsu, źródła lasera można podzielić na lasery fal ciągłych, lasery długich impulsów, lasery krótkich impulsów i lasery ultrokrótowych impulsów.Lasery o ciągłych falach i długich impulsach zapewniają wysoką prędkość przetwarzania, ale zazwyczaj indukują rozległe strefy dotknięte ciepłem (HAZ) i warstwy przerobioneLaserów ultrokrótoimpulsowych, takich jak lasery femtosekundowe, można teoretycznie osiągnąć przetwarzaniem na zimno poprzez bezpośrednią przekształcanie materiałów w plazmę;ich skuteczność usuwania materiału pozostaje ograniczona, zwłaszcza dla zastosowań przemysłowych na dużą skalę.ale są to zasadniczo procesy termiczne i często powodują typowe defekty termiczneNawet femtosekundowe przetwarzanie laserowe może wykazywać nieznaczne efekty termiczne przy wysokich częstotliwościach powtarzania i wysokiej gęstości energii.
W celu przezwyciężenia ograniczeń termicznych związanych z suchym przetwarzaniem laserowym naukowcy wprowadzili technologie laserowe wspomagane wodą.przetwarzanie laserowe sterowane strumieniem wodnym (WJGL) stanowi unikalną technikę hybrydową, która integruje dostarczanie energii laserowej z szybkim strumieniem wodnymPodstawowa koncepcja została po raz pierwszy zaproponowana na początku lat 90., a następnie systematycznie opracowana i komercjalizowana przez firmę Synova, co doprowadziło do powstania systemów laser microjet (LMJ).WJGL został z powodzeniem zastosowany do cięcia, wiercenie i wyrywanie metali, kruchych materiałów krystalicznych, diamentów, ceramiki i materiałów kompozytowych.
W niniejszym artykule przedstawiono kompleksowy przegląd technologii cięcia WJGL, w tym jej zasad działania, mechanizmów sprzężenia lasera z wodą, procesów usuwania materiału i zachowania transmisji energii.Ostatnie postępy w zastosowaniach w metalach, krzepkich kryształów i materiałów kompozytowych jest krytycznie omawiane.Analizowane są również wyzwania techniczne i przyszłe trendy rozwoju, aby zapewnić systematyczne wskazówki zarówno w zakresie badań podstawowych, jak i wdrożenia przemysłowego technologii WJGL.
W procesie WJGL wykorzystuje się urządzenia do obróbki laserowej, które są oparte na procesie obróbki laserowej.odrzutowiec wodny zastępuje pomocnicze przepływy gazu i jednocześnie służy jako przewodnik fal laserowyDopóki długość fali lasera jest wchłaniana przez materiał docelowy, WJGL może przetwarzać ultra-twardy, kruchy,lub materiałów wrażliwych termicznie bez względu na przewodność elektryczną.
W przeciwieństwie do suchego obróbki laserowej, znaczna część energii laserowej w WJGL rozprasza się w strumieniu wody, a nie bezpośrednio wewnątrz obrabialnika.Odrzutowiec wodny stale chłodzi krawędzie krawędzi pomiędzy impulsami laserowymiPonadto wysoka gęstość energii kinetycznej strumienia wody umożliwia skuteczne usuwanie stopionego materiału,wytwarzanie gładkich ścian wyciętych, wolnych od grzybów, odłożone szczątki i próchnice.
Siła mechaniczna wywierana przez strumień wody na powierzchnię przedmiotu jest niezwykle mała (zwykle poniżej 0,1 N), znacznie niższa niż w przypadku konwencjonalnego obróbki laserowej.W rezultacie, WJGL jest zasadniczo procesem bezkontaktowym z minimalnym uszkodzeniem mechanicznym. Dodatkowe zalety obejmują wydłużoną odległość roboczą, dużą głębię ostrości, możliwość cięcia o wysokim stosunku kształtów,o szerokości węzła o szerokości nieprzekraczającej 10 mm,.
WJGL opiera się na różnicy wskaźnika załamania między wodą a powietrzem, aby kierować energią lasera poprzez całkowite odbicie wewnętrzne na interfejsie woda-powietrze, analogicznie do transmisji światłowodowej.W przypadku wstrzyknięcia wiązki laserowej do stabilnego mikrowodnego strumienia pod kątem mniejszym niż kąt krytyczny dla całkowitego odbicia wewnętrznego, laser rozprzestrzenia się wzdłuż kolumny wodnej z minimalnym rozbieżnością, aż do osiągnięcia powierzchni obrabiarkę.
Typowy system WJGL składa się z czterech głównych podsystemów: modułu laserowego i optycznego, urządzenia podnoszącego ciśnienie wody, modułu gazowego ochronnego i głowicy sprzęgającej.Woda ultraczysta jest poddawana ciśnieniu (580 MPa) i wydzielana przez mikrodżuszkę o średnicy od 10 do 200 μmDźwignia jest zwykle wykonana ze szafiru, rubinu lub diamentu, aby odporna na zużycie i uszkodzenia termiczne.Wiązka laserowa jest skoncentrowana precyzyjnie na wejściu dyszy przez okna i soczewki optyczne, zapewniając efektywne sprzężenie z strumieniem wody.
Skuteczne połączenie skupionej wiązki laserowej z mikrodżetem wody jest kluczowym wymogiem WJGL.średnica punktu laserowego musi być mniejsza niż otwór dyszy, aby zapobiec utracie energii i uszkodzeniu dyszyPo drugie, rozkład kątowy wiązki skupionej musi spełniać warunek całkowitego odbicia wewnętrznego na interfejsie woda-powietrze.
Rozprzestrzenianie lasera w strumieniu wodnym można podzielić na promienie południowe i promienie przesunięte, w zależności od ich trajektorii w stosunku do osi strumienia.połączenie w pobliżu pola przy wejściu do dyszy i połączenie w odległym polu w zewnętrznym strumieniu wody. sprzężenie w pobliżu pola zapewnia większy kąt odbioru i mniejsze miejsce ogniskowe, ale może cierpieć na zaburzenia termiczne wewnątrz dyszy,przy czym sprzężenie dalekiego pola zmniejsza skutki termiczne kosztem bardziej rygorystycznych ograniczeń geometrycznych;.
W WJGL usuwanie materiału odbywa się za pomocą cyklicznego procesu interakcji laserowo-wodnej. Początkowo szybki odrzutowiec wody uderza w powierzchnię przedmiotu, tworząc cienką warstwę wody.Impulsy laserowe kierowane przez strumień wody dostarczają energii na powierzchnię materiału, gdzie pochłonięta energia jest przekształcana w ciepło, powodując lokalizowane topnienie i odparowanie.
Szybkie tworzenie się pary lub plazmy generuje ciśnienie odbicia i fale uderzeniowe, które wraz z mechanicznym działaniem strumienia wodnego,wypuszczać stopiony materiał z gruntu i powstrzymywać powstawanie warstw przekształconychŚrodowisko wodne otaczające plamę plazmy i przekierowuje fale uderzeniowe w stronę materiału, zwiększając efektywność ablacji.roztopiony materiał jest odpłukiwanyW tym celu należy przeprowadzić proces podgrzewania i chłodzenia, a następnie szybko ochłodzić obszar poddane obróbce przed rozpoczęciem kolejnego impulsu.
Wysokiej mocy transmisja laserowa w strumieniu wodnym nieuchronnie wiąże się z utratą energii z powodu absorpcji, rozpraszania i nieliniowych efektów optycznych, takich jak rozpraszanie Ramana.Badania eksperymentalne i numeryczne wykazały, że osłabienie mocy lasera wzrasta wraz z długością transmisji i mocą laseraKrótsze długości fal (np. 532 nm) generalnie wykazują wyższą wydajność transmisji w wodzie w porównaniu z długościami fal podczerwieni (np. 1064 nm).
Multifizyczne symulacje łączące elektromagnetykę, transfer ciepła,i dynamika płynów wykazały, że zwiększenie średnicy wiązki może zmniejszyć rozbieżność i zmniejszyć straty energii spowodowane naruszeniem warunków całkowitego wewnętrznego odbiciaJednakże kompleksowe zrozumienie rozprzestrzeniania się lasera o wysokiej mocy w strumieniach wody pozostaje ograniczone.W celu optymalizacji efektywności dostarczania energii wymagane są dalsze walidacje eksperymentalne i modelowanie teoretyczne.
WJGL jest szeroko stosowany do precyzyjnego cięcia metali, takich jak stal nierdzewna, stopy aluminium, stopy tytanu i superstopy na bazie niklu.WJGL znacząco zmniejsza grubość HAZChociaż prędkość cięcia jest na ogół niższa, WJGL zapewnia doskonałą integralność powierzchni, gładkie ściany i minimalne zniekształcenie termiczne,które są krytyczne dla zastosowań lotniczych i medycznych.
Materiały twarde i kruche, w tym krzemu, szafirze, arsenek galium i diament, są szczególnie trudne do obróbki przy użyciu tradycyjnych metod.Cięcie o niskiej szczelinie o doskonałej jakości krawędziW półprzewodnikowym obróbce płytek i przetwarzaniu substratów szafirowych, WJGL wykazała wysoką wydajność cięcia, gładkie ściany boczne i minimalne uszkodzenia pod powierzchnią,o pojemności nieprzekraczającej 10 W.
Zaawansowane kompozyty, takie jak CFRP, kompozyty aluminiowe i kompozyty ceramiczne, znacząco korzystają z przetwarzania WJGL.Łączna ablacja laserowa i chłodzenie wodne skutecznie eliminują delaminację, wyciąganie włókien, i pęknięcie macierzy.Wyniki eksperymentalne wskazują, że WJGL może osiągnąć wysokie współczynniki cięcia przy minimalnej degradacji termicznej i lepszej jakości powierzchni w porównaniu z metodami cięcia laserowego lub mechanicznego.
Pomimo swoich zalet technologia WJGL stoi przed kilkoma wyzwaniami.Dalsze badania nad alternatywnymi nośnikami lub optymalizowaną chemią wody mogą pomóc zmniejszyć straty energiiMiniaturyzacja strumieni wodnych jest niezbędna dla wyższej precyzji, ale stwarza wyzwania w zakresie stabilności strumienia i wydajności sprzężenia.szybkie i precyzyjne ustawianie lasera na poziomie wody, a standaryzowane metody kontroli procesów pozostają kluczowymi obszarami wymagającymi innowacji.
Rozszerzenie zastosowań WJGL na materiały ultra-twarde, takie jak diament, szkło kwarcowe, szafir,W celu uzyskania odpowiednich wyników, należy przeprowadzić analizę.
Niniejszy przegląd systematycznie podsumowuje zasady, mechanizmy usuwania materiału i postępy w zastosowaniu technologii cięcia laserowego sterowanego strumieniem wodnym.Dzięki unikalnemu mechanizmowi interakcji laserowo-wodnej, WJGL umożliwia wysoką precyzję, nisko uszkodzenia obróbki w szerokim zakresie trudnych do przetworzenia materiałów.i zmniejszyć zanieczyszczenie środowiska podkreśla jego potencjał w przemyśle lotniczym, produkcji półprzewodników i produkcji wyrobów medycznych.
Chociaż nadal istnieją wyzwania związane ze stabilnością strumienia, wydajnością przesyłu energii i złożonością sprzętu, ciągłe postępy w technologii laserowej, kontroli płynów,Oczekuje się, że integracja systemów zwiększy wydajność WJGL.Dzięki ciągłej współpracy pomiędzy środowiskiem akademickim i przemysłem, WJGL stanie się główną technologią w produkcji ultra precyzyjnej.wspieranie rosnącego zapotrzebowania przemysłu zaawansowanego technologicznie nowej generacji.
Szybki rozwój przemysłu lotniczego, półprzewodnikowego, medycznego i energetycznego znacząco zwiększył wymagania dotyczące wydajności komponentów krytycznych,w ten sposób napędzać ciągłe innowacje w zakresie technologii cięcia i sprzętu przetwórczegoW porównaniu z konwencjonalnym cięciem mechanicznym cięcie laserowe oferuje niezwykłe zalety pod względem precyzji, wydajności i zgodności ze środowiskiem.Zalety te obejmują usuwanie materiału bez kontaktu bez obciążenia mechanicznego, szeroka adaptacja materiału do elastycznej produkcji i wysoka wydajność przetwarzania umożliwiająca programowalne sterowanie, dzięki czemu cięcie laserowe nadaje się do zastosowań o dużych powierzchniach i wysokiej precyzji.
W zależności od czasu trwania impulsu, źródła lasera można podzielić na lasery fal ciągłych, lasery długich impulsów, lasery krótkich impulsów i lasery ultrokrótowych impulsów.Lasery o ciągłych falach i długich impulsach zapewniają wysoką prędkość przetwarzania, ale zazwyczaj indukują rozległe strefy dotknięte ciepłem (HAZ) i warstwy przerobioneLaserów ultrokrótoimpulsowych, takich jak lasery femtosekundowe, można teoretycznie osiągnąć przetwarzaniem na zimno poprzez bezpośrednią przekształcanie materiałów w plazmę;ich skuteczność usuwania materiału pozostaje ograniczona, zwłaszcza dla zastosowań przemysłowych na dużą skalę.ale są to zasadniczo procesy termiczne i często powodują typowe defekty termiczneNawet femtosekundowe przetwarzanie laserowe może wykazywać nieznaczne efekty termiczne przy wysokich częstotliwościach powtarzania i wysokiej gęstości energii.
W celu przezwyciężenia ograniczeń termicznych związanych z suchym przetwarzaniem laserowym naukowcy wprowadzili technologie laserowe wspomagane wodą.przetwarzanie laserowe sterowane strumieniem wodnym (WJGL) stanowi unikalną technikę hybrydową, która integruje dostarczanie energii laserowej z szybkim strumieniem wodnymPodstawowa koncepcja została po raz pierwszy zaproponowana na początku lat 90., a następnie systematycznie opracowana i komercjalizowana przez firmę Synova, co doprowadziło do powstania systemów laser microjet (LMJ).WJGL został z powodzeniem zastosowany do cięcia, wiercenie i wyrywanie metali, kruchych materiałów krystalicznych, diamentów, ceramiki i materiałów kompozytowych.
W niniejszym artykule przedstawiono kompleksowy przegląd technologii cięcia WJGL, w tym jej zasad działania, mechanizmów sprzężenia lasera z wodą, procesów usuwania materiału i zachowania transmisji energii.Ostatnie postępy w zastosowaniach w metalach, krzepkich kryształów i materiałów kompozytowych jest krytycznie omawiane.Analizowane są również wyzwania techniczne i przyszłe trendy rozwoju, aby zapewnić systematyczne wskazówki zarówno w zakresie badań podstawowych, jak i wdrożenia przemysłowego technologii WJGL.
W procesie WJGL wykorzystuje się urządzenia do obróbki laserowej, które są oparte na procesie obróbki laserowej.odrzutowiec wodny zastępuje pomocnicze przepływy gazu i jednocześnie służy jako przewodnik fal laserowyDopóki długość fali lasera jest wchłaniana przez materiał docelowy, WJGL może przetwarzać ultra-twardy, kruchy,lub materiałów wrażliwych termicznie bez względu na przewodność elektryczną.
W przeciwieństwie do suchego obróbki laserowej, znaczna część energii laserowej w WJGL rozprasza się w strumieniu wody, a nie bezpośrednio wewnątrz obrabialnika.Odrzutowiec wodny stale chłodzi krawędzie krawędzi pomiędzy impulsami laserowymiPonadto wysoka gęstość energii kinetycznej strumienia wody umożliwia skuteczne usuwanie stopionego materiału,wytwarzanie gładkich ścian wyciętych, wolnych od grzybów, odłożone szczątki i próchnice.
Siła mechaniczna wywierana przez strumień wody na powierzchnię przedmiotu jest niezwykle mała (zwykle poniżej 0,1 N), znacznie niższa niż w przypadku konwencjonalnego obróbki laserowej.W rezultacie, WJGL jest zasadniczo procesem bezkontaktowym z minimalnym uszkodzeniem mechanicznym. Dodatkowe zalety obejmują wydłużoną odległość roboczą, dużą głębię ostrości, możliwość cięcia o wysokim stosunku kształtów,o szerokości węzła o szerokości nieprzekraczającej 10 mm,.
WJGL opiera się na różnicy wskaźnika załamania między wodą a powietrzem, aby kierować energią lasera poprzez całkowite odbicie wewnętrzne na interfejsie woda-powietrze, analogicznie do transmisji światłowodowej.W przypadku wstrzyknięcia wiązki laserowej do stabilnego mikrowodnego strumienia pod kątem mniejszym niż kąt krytyczny dla całkowitego odbicia wewnętrznego, laser rozprzestrzenia się wzdłuż kolumny wodnej z minimalnym rozbieżnością, aż do osiągnięcia powierzchni obrabiarkę.
Typowy system WJGL składa się z czterech głównych podsystemów: modułu laserowego i optycznego, urządzenia podnoszącego ciśnienie wody, modułu gazowego ochronnego i głowicy sprzęgającej.Woda ultraczysta jest poddawana ciśnieniu (580 MPa) i wydzielana przez mikrodżuszkę o średnicy od 10 do 200 μmDźwignia jest zwykle wykonana ze szafiru, rubinu lub diamentu, aby odporna na zużycie i uszkodzenia termiczne.Wiązka laserowa jest skoncentrowana precyzyjnie na wejściu dyszy przez okna i soczewki optyczne, zapewniając efektywne sprzężenie z strumieniem wody.
Skuteczne połączenie skupionej wiązki laserowej z mikrodżetem wody jest kluczowym wymogiem WJGL.średnica punktu laserowego musi być mniejsza niż otwór dyszy, aby zapobiec utracie energii i uszkodzeniu dyszyPo drugie, rozkład kątowy wiązki skupionej musi spełniać warunek całkowitego odbicia wewnętrznego na interfejsie woda-powietrze.
Rozprzestrzenianie lasera w strumieniu wodnym można podzielić na promienie południowe i promienie przesunięte, w zależności od ich trajektorii w stosunku do osi strumienia.połączenie w pobliżu pola przy wejściu do dyszy i połączenie w odległym polu w zewnętrznym strumieniu wody. sprzężenie w pobliżu pola zapewnia większy kąt odbioru i mniejsze miejsce ogniskowe, ale może cierpieć na zaburzenia termiczne wewnątrz dyszy,przy czym sprzężenie dalekiego pola zmniejsza skutki termiczne kosztem bardziej rygorystycznych ograniczeń geometrycznych;.
W WJGL usuwanie materiału odbywa się za pomocą cyklicznego procesu interakcji laserowo-wodnej. Początkowo szybki odrzutowiec wody uderza w powierzchnię przedmiotu, tworząc cienką warstwę wody.Impulsy laserowe kierowane przez strumień wody dostarczają energii na powierzchnię materiału, gdzie pochłonięta energia jest przekształcana w ciepło, powodując lokalizowane topnienie i odparowanie.
Szybkie tworzenie się pary lub plazmy generuje ciśnienie odbicia i fale uderzeniowe, które wraz z mechanicznym działaniem strumienia wodnego,wypuszczać stopiony materiał z gruntu i powstrzymywać powstawanie warstw przekształconychŚrodowisko wodne otaczające plamę plazmy i przekierowuje fale uderzeniowe w stronę materiału, zwiększając efektywność ablacji.roztopiony materiał jest odpłukiwanyW tym celu należy przeprowadzić proces podgrzewania i chłodzenia, a następnie szybko ochłodzić obszar poddane obróbce przed rozpoczęciem kolejnego impulsu.
Wysokiej mocy transmisja laserowa w strumieniu wodnym nieuchronnie wiąże się z utratą energii z powodu absorpcji, rozpraszania i nieliniowych efektów optycznych, takich jak rozpraszanie Ramana.Badania eksperymentalne i numeryczne wykazały, że osłabienie mocy lasera wzrasta wraz z długością transmisji i mocą laseraKrótsze długości fal (np. 532 nm) generalnie wykazują wyższą wydajność transmisji w wodzie w porównaniu z długościami fal podczerwieni (np. 1064 nm).
Multifizyczne symulacje łączące elektromagnetykę, transfer ciepła,i dynamika płynów wykazały, że zwiększenie średnicy wiązki może zmniejszyć rozbieżność i zmniejszyć straty energii spowodowane naruszeniem warunków całkowitego wewnętrznego odbiciaJednakże kompleksowe zrozumienie rozprzestrzeniania się lasera o wysokiej mocy w strumieniach wody pozostaje ograniczone.W celu optymalizacji efektywności dostarczania energii wymagane są dalsze walidacje eksperymentalne i modelowanie teoretyczne.
WJGL jest szeroko stosowany do precyzyjnego cięcia metali, takich jak stal nierdzewna, stopy aluminium, stopy tytanu i superstopy na bazie niklu.WJGL znacząco zmniejsza grubość HAZChociaż prędkość cięcia jest na ogół niższa, WJGL zapewnia doskonałą integralność powierzchni, gładkie ściany i minimalne zniekształcenie termiczne,które są krytyczne dla zastosowań lotniczych i medycznych.
Materiały twarde i kruche, w tym krzemu, szafirze, arsenek galium i diament, są szczególnie trudne do obróbki przy użyciu tradycyjnych metod.Cięcie o niskiej szczelinie o doskonałej jakości krawędziW półprzewodnikowym obróbce płytek i przetwarzaniu substratów szafirowych, WJGL wykazała wysoką wydajność cięcia, gładkie ściany boczne i minimalne uszkodzenia pod powierzchnią,o pojemności nieprzekraczającej 10 W.
Zaawansowane kompozyty, takie jak CFRP, kompozyty aluminiowe i kompozyty ceramiczne, znacząco korzystają z przetwarzania WJGL.Łączna ablacja laserowa i chłodzenie wodne skutecznie eliminują delaminację, wyciąganie włókien, i pęknięcie macierzy.Wyniki eksperymentalne wskazują, że WJGL może osiągnąć wysokie współczynniki cięcia przy minimalnej degradacji termicznej i lepszej jakości powierzchni w porównaniu z metodami cięcia laserowego lub mechanicznego.
Pomimo swoich zalet technologia WJGL stoi przed kilkoma wyzwaniami.Dalsze badania nad alternatywnymi nośnikami lub optymalizowaną chemią wody mogą pomóc zmniejszyć straty energiiMiniaturyzacja strumieni wodnych jest niezbędna dla wyższej precyzji, ale stwarza wyzwania w zakresie stabilności strumienia i wydajności sprzężenia.szybkie i precyzyjne ustawianie lasera na poziomie wody, a standaryzowane metody kontroli procesów pozostają kluczowymi obszarami wymagającymi innowacji.
Rozszerzenie zastosowań WJGL na materiały ultra-twarde, takie jak diament, szkło kwarcowe, szafir,W celu uzyskania odpowiednich wyników, należy przeprowadzić analizę.
Niniejszy przegląd systematycznie podsumowuje zasady, mechanizmy usuwania materiału i postępy w zastosowaniu technologii cięcia laserowego sterowanego strumieniem wodnym.Dzięki unikalnemu mechanizmowi interakcji laserowo-wodnej, WJGL umożliwia wysoką precyzję, nisko uszkodzenia obróbki w szerokim zakresie trudnych do przetworzenia materiałów.i zmniejszyć zanieczyszczenie środowiska podkreśla jego potencjał w przemyśle lotniczym, produkcji półprzewodników i produkcji wyrobów medycznych.
Chociaż nadal istnieją wyzwania związane ze stabilnością strumienia, wydajnością przesyłu energii i złożonością sprzętu, ciągłe postępy w technologii laserowej, kontroli płynów,Oczekuje się, że integracja systemów zwiększy wydajność WJGL.Dzięki ciągłej współpracy pomiędzy środowiskiem akademickim i przemysłem, WJGL stanie się główną technologią w produkcji ultra precyzyjnej.wspieranie rosnącego zapotrzebowania przemysłu zaawansowanego technologicznie nowej generacji.
