1. Введение

Быстрое развитие аэрокосмической, полупроводниковой, медицинской и энергетической отраслей значительно увеличило требования к производительности критически важных компонентов, что стимулирует непрерывные инновации в технологиях резки и технологическом оборудовании. По сравнению с традиционной механической резкой, лазерная резка предлагает замечательные преимущества с точки зрения точности, эффективности и экологической совместимости. Эти преимущества включают бесконтактное удаление материала без механического напряжения, широкую адаптивность материала для гибкого производства и высокую эффективность обработки, обеспечиваемую программным управлением, что делает лазерную резку подходящей для крупномасштабных и высокоточных применений.

В зависимости от длительности импульса лазерные источники можно разделить на лазеры непрерывного действия, лазеры с длинными импульсами, лазеры с короткими импульсами и ультракороткоимпульсные лазеры. Лазеры непрерывного действия и лазеры с длинными импульсами обеспечивают высокую скорость обработки, но обычно вызывают обширные зоны термического влияния (ЗТВ) и слои переплава. Ультракороткоимпульсные лазеры, такие как фемтосекундные лазеры, теоретически могут достигать «холодной обработки», напрямую преобразуя материалы в плазму; однако их эффективность удаления материала остается ограниченной, особенно для крупномасштабных промышленных применений. Наносекундные импульсные лазеры предлагают более низкую стоимость и более высокую эффективность абляции, но они, по сути, являются термическими процессами и часто приводят к типичным термическим дефектам, включая микротрещины и слои переплава. Даже фемтосекундная лазерная обработка может проявлять заметные термические эффекты при высоких частотах повторения и высоких плотностях энергии.

Чтобы преодолеть внутренние термические ограничения сухой лазерной обработки, исследователи внедрили технологии лазерной обработки с использованием воды. Среди них лазерная обработка с направляющей водяной струей (WJGL) представляет собой уникальную гибридную технологию, которая объединяет доставку лазерной энергии с высокоскоростной водяной струей. Основная концепция была впервые предложена в начале 1990-х годов, за ней последовали систематическая разработка и коммерциализация компанией Synova, что привело к появлению систем лазерной микроструи (LMJ). Сегодня WJGL успешно применяется для резки, сверления и нарезания канавок металлов, хрупких кристаллических материалов, алмазов, керамики и композитных материалов.

В этой статье представлен всесторонний обзор технологии резки WJGL, включая ее рабочие принципы, механизмы взаимодействия лазера и воды, процессы удаления материала и поведение передачи энергии. Критически обсуждается недавний прогресс применения в металлах, хрупких кристаллах и композитных материалах. Также анализируются технические проблемы и будущие тенденции развития, чтобы предоставить систематическое руководство как для фундаментальных исследований, так и для промышленного внедрения технологии WJGL.

2. Технология лазерной обработки с направляющей водяной струей

Лазерная обработка с направляющей водяной струей сочетает в себе преимущества лазерной обработки и высокоскоростных водяных струй, предлагая особые преимущества по сравнению с традиционной сухой лазерной резкой. В WJGL водяная струя заменяет вспомогательные потоки газа и одновременно служит лазерным волноводом, охлаждающей средой и механизмом удаления мусора. Пока длина волны лазера поглощается целевым материалом, WJGL может обрабатывать сверхтвердые, хрупкие или термочувствительные материалы независимо от электропроводности.

В отличие от сухой лазерной обработки, значительная часть лазерной энергии в WJGL рассеивается внутри водяной струи, а не непосредственно внутри заготовки. Водяная струя непрерывно охлаждает края реза между лазерными импульсами, эффективно подавляя тепловое накопление, остаточное напряжение и образование ЗТВ. Более того, высокая плотность кинетической энергии водяной струи обеспечивает эффективное удаление расплавленного материала, создавая гладкие стенки реза без заусенцев, повторно осажденного мусора и полостей.

Механическое усилие, оказываемое водяной струей на поверхность заготовки, чрезвычайно мало (обычно ниже 0,1 Н), что значительно ниже, чем при традиционной лазерной обработке. В результате WJGL по существу является бесконтактным процессом с минимальным механическим повреждением. Дополнительные преимущества включают увеличенное рабочее расстояние, большую глубину фокуса, возможность резки с высоким соотношением сторон и узкую ширину реза, обычно в диапазоне от 25 до 150 мкм.

3. Принцип формирования лазера с направляющей водяной струей

3.1 Конфигурация системы и механизм оптического наведения

WJGL полагается на разницу показателей преломления между водой и воздухом для направления лазерной энергии посредством полного внутреннего отражения на границе раздела вода-воздух, аналогично передаче по оптическому волокну. Когда лазерный луч вводится в стабильную микроводяную струю под углом, меньшим критического угла для полного внутреннего отражения, лазер распространяется вдоль столба воды с минимальным расхождением, пока не достигнет поверхности заготовки.

Типичная система WJGL состоит из четырех основных подсистем: лазерного и оптического модуля, блока подачи воды высокого давления, модуля защитного газа и соединительной головки. Сверхчистая вода находится под давлением (5–80 МПа) и выталкивается через микросопло диаметром от 10 до 200 мкм, образуя стабильную, волосовидную водяную струю. Сопло обычно изготавливается из сапфира, рубина или алмаза для защиты от износа и термических повреждений. Лазерный луч фокусируется точно на входе в сопло через оптические окна и линзы, обеспечивая эффективную связь с водяной струей.

3.2 Механизм взаимодействия лазера и воды

Эффективное соединение сфокусированного лазерного луча в микроводяную струю является критическим требованием для WJGL. Во-первых, диаметр лазерного пятна должен быть меньше отверстия сопла, чтобы предотвратить потерю энергии и повреждение сопла. Во-вторых, угловое распределение сфокусированного луча должно соответствовать условию полного внутреннего отражения на границе раздела вода-воздух.

Распространение лазера внутри водяной струи можно классифицировать на меридиональные лучи и косые лучи, в зависимости от их траекторий относительно оси струи. Обычно используются две стратегии соединения: ближнее поле на входе в сопло и дальнее поле в наружную водяную струю. Соединение ближнего поля обеспечивает больший угол приема и меньшее фокальное пятно, но может страдать от термических возмущений внутри сопла, в то время как соединение дальнего поля смягчает термические эффекты за счет более строгих геометрических ограничений.

4. Механизм удаления материала при обработке WJGL

Удаление материала в WJGL происходит посредством циклического процесса взаимодействия лазера и воды. Первоначально высокоскоростная водяная струя воздействует на поверхность заготовки, образуя тонкую водяную пленку. Лазерные импульсы, направляемые водяной струей, доставляют энергию к поверхности материала, где поглощенная энергия преобразуется в тепло, вызывая локальное плавление и испарение.

Быстрое образование пара или плазмы генерирует отдачу давления и ударные волны, которые вместе с механическим воздействием водяной струи выталкивают расплавленный материал из реза и подавляют образование слоя переплава. Окружающая водная среда ограничивает плазменный шлейф и перенаправляет ударные волны к материалу, повышая эффективность абляции. В конце каждого лазерного импульса пузырьки пара схлопываются, расплавленный материал смывается, и обработанная зона быстро охлаждается до начала следующего импульса. Этот повторяющийся цикл нагрева-охлаждения обеспечивает высококачественную обработку с минимальным термическим повреждением.

5. Передача энергии в лазере с направляющей водяной струей

Передача лазерного излучения высокой мощности внутри водяной струи неизбежно влечет за собой потерю энергии из-за поглощения, рассеяния и нелинейных оптических эффектов, таких как рамановское рассеяние. Экспериментальные и численные исследования показали, что затухание мощности лазера увеличивается с увеличением длины передачи и мощности лазера. Более короткие длины волн (например, 532 нм) обычно демонстрируют более высокую эффективность передачи в воде по сравнению с инфракрасными длинами волн (например, 1064 нм).

Многофизические моделирования, сочетающие электромагнетизм, теплопередачу и динамику жидкости, показали, что увеличение диаметра луча может уменьшить расходимость и смягчить потерю энергии, вызванную нарушением условий полного внутреннего отражения. Однако всестороннее понимание распространения лазерного излучения высокой мощности в водяных струях остается ограниченным, и для оптимизации эффективности передачи энергии требуются дальнейшая экспериментальная проверка и теоретическое моделирование.

6. Применение Лазерной резки с направляющей водяной струей

6.1 Металлические материалы

WJGL широко применяется для прецизионной резки металлов, таких как нержавеющая сталь, алюминиевые сплавы, титановые сплавы и суперсплавы на основе никеля. По сравнению с обычной лазерной резкой, WJGL значительно уменьшает толщину ЗТВ, слои переплава и загрязнение поверхности. Хотя скорости резки обычно ниже, WJGL обеспечивает превосходную целостность поверхности, гладкие стенки реза и минимальные термические искажения, что имеет решающее значение для аэрокосмической и медицинской промышленности.

6.2 Хрупкие кристаллические материалы

Твердые и хрупкие материалы, включая кремний, сапфир, арсенид галлия и алмаз, особенно сложны в обработке традиционными методами. WJGL обеспечивает резку без трещин и сколов с отличным качеством кромок. При резке полупроводниковых пластин и обработке сапфировых подложек WJGL продемонстрировала высокую эффективность резки, гладкие боковые стенки и минимальное повреждение подповерхности, что делает ее очень подходящей для производства микроэлектроники и оптоэлектроники.

6.3 Композитные материалы

Передовые композиты, такие как CFRP, алюминиевые матричные композиты и керамические матричные композиты, получают значительную выгоду от обработки WJGL. Комбинированная лазерная абляция и водяное охлаждение эффективно подавляют расслоение, вытягивание волокон и растрескивание матрицы. Экспериментальные результаты показывают, что WJGL может достигать резов с высоким соотношением сторон с минимальной термической деградацией и превосходным качеством поверхности по сравнению с сухими лазерными или механическими методами резки.

7. Технические проблемы и будущие тенденции

Несмотря на свои преимущества, технология WJGL сталкивается с несколькими проблемами. Затухание лазерной энергии внутри водяной струи ограничивает эффективность обработки, особенно для применений с высокой мощностью. Дальнейшие исследования альтернативных направляющих сред или оптимизированной химии воды могут помочь уменьшить потери энергии. Миниатюризация водяных струй необходима для более высокой точности, но создает проблемы со стабильностью струи и эффективностью соединения. Кроме того, высокоточная обработка сопел, быстрая и точная юстировка лазера и воды, а также стандартизированные методологии управления процессом остаются ключевыми областями, требующими инноваций.

Расширение применимости WJGL к сверхтвердым материалам, таким как алмаз, кварцевое стекло, сапфир и передовая керамика, также требует систематической оптимизации технологических параметров и вспомогательных методов.

8. Выводы и перспективы

В этом обзоре систематически обобщаются принципы, механизмы удаления материала и прогресс применения технологии лазерной резки с направляющей водяной струей. Благодаря своему уникальному механизму взаимодействия лазера и воды, WJGL обеспечивает высокоточную обработку с низким уровнем повреждений для широкого спектра труднообрабатываемых материалов. Его способность подавлять термические дефекты, улучшать целостность поверхности и уменьшать загрязнение окружающей среды подчеркивает его большой потенциал в аэрокосмической, полупроводниковой промышленности и производстве медицинских устройств.

Хотя проблемы, связанные со стабильностью струи, эффективностью передачи энергии и сложностью оборудования, остаются, ожидается, что продолжающийся прогресс в лазерных технологиях, управлении жидкостями и интеграции систем еще больше повысит производительность WJGL. Благодаря постоянному сотрудничеству между научными кругами и промышленностью, WJGL готова стать основной технологией в сверхточной обработке, поддерживая растущие потребности высокотехнологичных отраслей следующего поколения.