01 Tekniska principer och funktioner
Den grundläggande principen för vattenstyrd-laser är att koppla laserstrålen till en mikrovattenstråle med högt-tryck och styra lasern till materialets yta genom vattenstrålen. I detta system passerar lasern som genereras av laserkällan först genom en serie optiska komponenter (som linser och speglar) för kollimering och fokusering, och kombineras sedan med högtrycksvattenstrålen genom ett speciellt munstycke. Vattenstrålen bildar en liten kanal i munstycket, och laserstrålen leds genom denna kanal till arbetsstyckets yta, som visas i figur 1. Eftersom brytningsindexet för vatten skiljer sig från det för luft, förändras laserns utbredningsväg i vatten, så exakt optisk design krävs för att säkerställa laserstrålens stabilitet och energifokus.
Figur 1. Den tekniska principen för vattenstyrda-lasrar.
Hög precision: Vattenstyrd-laserteknik kan uppnå bearbetningsnoggrannhet på submillimeter eller till och med mikrometer-nivå. Eftersom diametern på vattenstrålen är mycket liten, vanligtvis bara tiotals till hundratals mikrometer, kan laserstrålen styras exakt till specifika positioner på arbetsstycket för finskärning, borrning eller gravering. Hög effektivitet: Under den vattenstyrda laserbehandlingen överförs laserstrålen direkt till arbetsstyckets yta genom vattenstrålen, vilket minskar energiförlusten och spridningen i luften. Dessutom ger vattenstrålen även kyl- och spoleffekter, vilket effektivt sänker yttemperaturen på arbetsstycket och minskar den värmepåverkade zonen, vilket förbättrar bearbetningseffektiviteten och kvaliteten. Minskad termisk skada: På grund av den kylande effekten av vattenstrålen är den värme-påverkade zonen (HAZ) i vatten-styrd laserbehandling mycket liten. Den värmepåverkade zonen avser området på ytan och inuti arbetsstycket där termisk deformation, skada eller fasförändringar inträffar på grund av värmeledning och strålning under laserbearbetning. Den snabba kylningen av vattenstrålen i vattenstyrd-laserbearbetning tar snabbt bort värme från arbetsstyckets yta, och minskar därigenom storleken och djupet på den värme{14}}påverkade zonen och förhindrar termisk deformation och skador på materialet.
Figur 2. (a) SEM-bilder av skurna sektioner av titanlegeringar genom "konventionell torr laserskärning" och vatten-styrd laserskärning, (b) jämförelse av skurna ytor av CFRP erhållna med vatten-styrd laser och "konventionell torr laserskärning".
02 Användningsfält
Aerospace Field: Aerospace-området har mycket höga krav på materialbearbetningsprecision och kvalitet, och vattenstyrd laserteknik används i stor utsträckning inom detta område. Den kan användas för att bearbeta nyckelkomponenter i flygmotorer som blad, turbinskivor och förbränningskammare, som vanligtvis är gjorda av svåra-att-bearbetade material som superlegeringar och titanlegeringar. Vattenstyrda-lasrar kan effektivt skära och gravera dessa material samtidigt som de säkerställer bearbetningsprecision och ytkvalitet, vilket förbättrar komponenternas prestanda och tillförlitlighet. Dessutom kan vattenstyrda lasrar också användas för att bearbeta strukturella delar av flygfarkoster, såsom vingar och flygkroppar, vilket möjliggör bearbetning av komplexa former och lätta konstruktioner.
Halvledarfält: Inom halvledartillverkning kan vatten-styrda lasrar användas för att skära halvledarmaterial som kiselskivor, såväl som för chipförpackning och testning. Eftersom halvledarmaterial kräver extremt hög bearbetningsprecision och ytkvalitet, gör den höga precisionen och låga termiska skadorna hos vattenstyrda lasrar dem till ett idealiskt bearbetningsverktyg. De kan uppnå finskärning av kiselskivor, undvika sprickor och skador, vilket förbättrar spånans utbyte och prestanda. Dessutom kan vatten-styrda lasrar användas för mikro-bearbetning av halvledarenheter, såsom tillverkning av mikroelektroniska komponenter och etsning av mikrokretsar, vilket ger bearbetningsprecision på mikrometer- eller till och med nanometernivå.
Nytt energifält: I den nya energisektorn kan vattenstyrda-lasrar användas för att bearbeta nyckelkomponenter i nya energienheter som solpaneler och bränsleceller. Till exempel, vid tillverkning av solpaneler kan vatten-styrda lasrar användas för att skära kiselskivor och etsa elektrodmönster på ytan av solceller, vilket förbättrar solcellskonverteringseffektiviteten och panelernas prestanda. Vid tillverkning av bränsleceller kan vattenstyrda lasrar-bearbeta komponenter som membranelektrodenheter och bipolära plattor, vilket möjliggör skärning och gravering med hög-precision, vilket förbättrar bränslecellers prestanda och livslängd.
Figur 3. Tillämpningar av vattenstyrda-lasrar.
03 utmaningar och problem som vatten-guidade lasrar står inför
Stabilitet för vattenstrålen: Under-vägledd laserbehandling kan den strömmande vattenstrålen med hög-hastighet bli instabil, vilket kan påverka kvaliteten på behandlingen. Till exempel, under skärning, kan fluktuationer i vattenstrålen orsaka avvikelser i skärlinjen eller öka ytjämnheten, vilket påverkar både bearbetningsnoggrannhet och ytkvalitet. För att säkerställa vattenstrålens stabilitet är det nödvändigt att optimera vattenstrålestyrsystemet så att det kan bibehålla ett stabilt tillstånd under hela bearbetningen.
Laser-Vattenkopplingseffektivitet: Kopplingseffektiviteten mellan laserstrålen och vattenstrålen påverkar direkt bearbetningsresultaten. Om kopplingseffektiviteten är låg kommer laserenergiförlusten i vattenstrålen att öka, vilket minskar både bearbetningseffektiviteten och kvaliteten.
Tekniska krav för munstyckshål: För att säkerställa hög-vattenkvalitet-guidad laserbehandling är designen och tillverkningsprecisionen för munstyckshålet avgörande. Munstyckshålet måste ha extremt tunna väggar samtidigt som det bibehåller hög precision i rundhet och noll avsmalning för att motstå påverkan av vattenflödet. Dessutom måste grovheten på hålets inre yta hållas extremt låg för att säkerställa stabiliteten och konsistensen av vattenstrålen.
Miljöanpassningsförmåga: Vattenstyrd-laserbehandlingsutrustning har höga miljökrav. Till exempel kräver driften av utrustningen en stabil strömförsörjning, rent vatten och en konstant temperatur och luftfuktighet. I miljöer med dåliga förhållanden, såsom stora temperaturfluktuationer, hög luftfuktighet eller instabil strömförsörjning, kan utrustningens prestanda försämras eller till och med misslyckas. Dessutom kan faktorer som damm och vibrationer i miljön störa bearbetningen, vilket påverkar bearbetningsnoggrannheten och kvaliteten. Därför är strikt kontroll och hantering av utrustningens driftsmiljö nödvändig i praktiska tillämpningar.
04 Aktuell utvecklingsstatus för industrin hemma och utomlands
Med den kontinuerliga utvecklingen av laserprecisionsbearbetningsteknik och den ökande efterfrågan på marknaden, utvecklas och förbättras också vattenstyrd laserbearbetningsteknik kontinuerligt. Internationellt erkända ledande tillverkare av vattenstyrd-laserutrustning inkluderar huvudsakligen två företag: schweiziska Synova och Avonisys. För närvarande, bland företag med-guidad laserbehandlingsutrustning för hushållsbruk, är de som utvecklas relativt snabbt bland annat Wot Intelligent Manufacturing, Cosset och Shanghai Lengchen Technology. Vissa andra företag använder sig av tillvägagångssättet att direkt introducera relaterad utländsk teknik och sedan montera och producera dem på hemmaplan samtidigt som de optimerar sina produkter. Även om detta snabbt kan fylla tekniska luckor och minska FoU-kostnader och -tid på kort sikt, finns det fortfarande vissa problem på lång sikt, såsom beroende av utländsk kärnteknologi, obalanserade FoU-investeringar och spridningsrisker i industrikedjan. Författaren anser att en positiv cykel av "introduktion-absorption-överträffar" bör etableras. Den goda nyheten är att det nu finns inhemska företag som kan tillhandahålla kommersiell utrustning med 100 % lokalt producerade komponenter. Med omvandlingen och uppgraderingen av Kinas tillverkningsindustri kommer vatten-styrd laserbehandlingsteknik att spela en viktigare roll i hög-tillverkning, särskilt inom nya energifordon, flyg- och{15}}tillverkning av avancerad utrustning. Tillämpningen av vattenstyrd-laserteknik kommer att driva på teknisk innovation och produktuppgradering i dessa branscher.
