01 Zasady i funkcje techniczne
Podstawową zasadą działania lasera-naprowadzanego wodą jest połączenie wiązki lasera w-mikrostrumień wody pod wysokim ciśnieniem i prowadzenie lasera na powierzchnię materiału przez strumień wody. W tym systemie laser generowany przez źródło lasera przechodzi najpierw przez szereg elementów optycznych (takich jak soczewki i zwierciadła) w celu kolimacji i ogniskowania, a następnie jest łączony ze strumieniem wody pod wysokim-ciśnieniem przez specjalną dyszę. Strumień wody tworzy w dyszy maleńki kanał, a wiązka lasera prowadzona jest tym kanałem na powierzchnię przedmiotu obrabianego, jak pokazano na rysunku 1. Ponieważ współczynnik załamania wody różni się od współczynnika załamania powietrza, droga propagacji lasera w wodzie zmienia się, dlatego wymagana jest precyzyjna konstrukcja optyczna, aby zapewnić stabilność i skupienie energii wiązki lasera.
Rysunek 1. Zasada techniczna laserów-naprowadzanych wodą.
Wysoka precyzja: technologia lasera-naprowadzanego wodą pozwala osiągnąć dokładność przetwarzania na poziomie submilimetrowym, a nawet mikrometrowym-. Ponieważ średnica strumienia wody jest bardzo mała, zwykle wynosi od kilkudziesięciu do setek mikrometrów, wiązkę lasera można precyzyjnie skierować do określonych miejsc na przedmiocie obrabianym w celu precyzyjnego cięcia, wiercenia lub grawerowania. Wysoka wydajność: podczas-procesu laserowego sterowanego wodą wiązka lasera jest przekazywana bezpośrednio na powierzchnię przedmiotu obrabianego przez strumień wody, co ogranicza straty energii i rozpraszanie w powietrzu. Ponadto strumień wody zapewnia również efekt chłodzenia i płukania, skutecznie obniżając temperaturę powierzchni przedmiotu obrabianego i zmniejszając-strefę wpływu ciepła, poprawiając w ten sposób wydajność i jakość przetwarzania. Mniejsze uszkodzenia termiczne: ze względu na chłodzący efekt strumienia wody,-strefa wpływu ciepła (HAZ) w obróbce laserowej-za pomocą wody jest bardzo mała. Strefa-wpływu ciepła odnosi się do obszaru na powierzchni i wewnątrz przedmiotu obrabianego, w którym występują odkształcenia termiczne, uszkodzenia lub zmiany fazowe w wyniku przewodzenia ciepła i promieniowania podczas obróbki laserowej. Szybkie chłodzenie strumienia wody w procesie-laserowym sterowanym wodą szybko usuwa ciepło z powierzchni przedmiotu obrabianego, zmniejszając w ten sposób rozmiar i głębokość-strefy wpływu ciepła oraz zapobiegając odkształceniom termicznym i uszkodzeniom materiału.
Rysunek 2. (a) Obrazy SEM odcinków ciętych ze stopu tytanu za pomocą cięcia „konwencjonalnym suchym laserem” i cięcia laserowego-wodą, (b) porównanie powierzchni ciętych CFRP uzyskanych za pomocą-lasera kierowanego wodą i cięcia „konwencjonalnym laserem suchym”.
02 Pola aplikacji
Dziedzina lotnicza: branża lotnicza ma bardzo wysokie wymagania dotyczące precyzji i jakości obróbki materiałów, a technologia lasera naprowadzanego wodą- jest w tej dziedzinie szeroko stosowana. Można go stosować do obróbki kluczowych elementów silników lotniczych, takich jak łopatki, tarcze turbin i komory spalania, które są zwykle wykonane z trudnych--obróbki materiałów, takich jak nadstopy i stopy tytanu. Lasery-naprowadzane wodą mogą skutecznie ciąć i grawerować te materiały, zapewniając jednocześnie precyzję przetwarzania i jakość powierzchni, poprawiając w ten sposób wydajność i niezawodność komponentów. Ponadto lasery-naprowadzane wodą można również stosować do obróbki części konstrukcyjnych pojazdów kosmicznych, takich jak skrzydła i kadłuby, umożliwiając obróbkę skomplikowanych kształtów i lekkich konstrukcji.
Pole półprzewodników: w produkcji półprzewodników lasery-naprowadzane wodą mogą być wykorzystywane do cięcia materiałów półprzewodnikowych, takich jak płytki krzemowe, a także do pakowania i testowania chipów. Ponieważ materiały półprzewodnikowe wymagają niezwykle wysokiej precyzji obróbki i jakości powierzchni, wysoka precyzja i niskie uszkodzenia termiczne laserów kierowanych wodą- czynią je idealnym narzędziem do obróbki. Mogą osiągnąć dokładne cięcie płytek krzemowych, unikając pęknięć i uszkodzeń, poprawiając w ten sposób wydajność i wydajność chipów. Ponadto lasery-naprowadzane wodą można stosować do-mikroprzetwarzania urządzeń półprzewodnikowych, np. do wytwarzania komponentów mikroelektronicznych i trawienia mikroukładów, zapewniając precyzję obróbki na poziomie mikrometrów, a nawet nanometrów.
Nowa dziedzina energii: w nowym sektorze energii lasery-naprowadzane wodą mogą być wykorzystywane do przetwarzania kluczowych komponentów nowych urządzeń energetycznych, takich jak panele słoneczne i ogniwa paliwowe. Na przykład przy produkcji paneli słonecznych lasery-naprowadzane wodą można wykorzystać do cięcia płytek krzemowych i wytrawiania wzorów elektrod na powierzchni ogniw słonecznych, zwiększając skuteczność konwersji fotowoltaicznej i wydajność paneli. Podczas produkcji ogniw paliwowych lasery-naprowadzane wodą mogą przetwarzać elementy, takie jak zespoły elektrod membranowych i płytki bipolarne, umożliwiając-wysokoprecyzyjne cięcie i grawerowanie, poprawiając w ten sposób wydajność i żywotność ogniw paliwowych.
Rysunek 3. Zastosowania laserów-naprowadzanych wodą.
03 Wyzwania i problemy stojące przed wodą-Lasery kierowane
Stabilność strumienia wody: podczas-obróbki laserowej sterowanej wodą-przepływający strumień wody może stać się niestabilny, co może mieć wpływ na jakość obróbki. Na przykład podczas cięcia wahania strumienia wody mogą powodować odchylenia linii cięcia lub zwiększać chropowatość powierzchni, wpływając zarówno na dokładność obróbki, jak i jakość powierzchni. Aby zapewnić stabilność strumienia wody, należy zoptymalizować system sterowania strumieniem wody, aby mógł on utrzymać stabilny stan przez cały czas trwania procesu.
Laser-Skuteczność sprzęgania wody: skuteczność sprzęgania wiązki lasera i strumienia wody ma bezpośredni wpływ na wyniki przetwarzania. Jeśli wydajność sprzęgania jest niska, straty energii lasera w strumieniu wody wzrosną, zmniejszając zarówno wydajność przetwarzania, jak i jakość.
Wymagania techniczne dotyczące otworów w dyszach: Aby zapewnić wysoką-jakość-przetwarzania laserowego pod kontrolą wody, kluczowe znaczenie ma projekt i precyzja wykonania otworu dyszy. Otwór dyszy musi mieć wyjątkowo cienkie ścianki, zachowując jednocześnie wysoką precyzję okrągłości i zerową zbieżność, aby wytrzymać wpływ przepływu wody. Dodatkowo, chropowatość wewnętrznej powierzchni otworu musi być bardzo niska, aby zapewnić stabilność i spójność strumienia wody.
Możliwość dostosowania do środowiska: sprzęt do obróbki laserowej-naprowadzanej wodą ma wysokie wymagania środowiskowe. Na przykład działanie sprzętu wymaga stabilnego zasilania, czystej wody oraz środowiska o stałej temperaturze i wilgotności. W środowiskach o złych warunkach, takich jak duże wahania temperatury, wysoka wilgotność lub niestabilne zasilanie, wydajność sprzętu może ulec pogorszeniu lub nawet ulec awarii. Dodatkowo czynniki takie jak kurz i wibracje w otoczeniu mogą zakłócać obróbkę, wpływając na dokładność i jakość obróbki. Dlatego w zastosowaniach praktycznych konieczna jest ścisła kontrola i zarządzanie środowiskiem operacyjnym sprzętu.
04 Aktualny stan rozwoju branży w kraju i za granicą
Wraz z ciągłym rozwojem technologii precyzyjnego przetwarzania laserowego i rosnącym zapotrzebowaniem rynku, technologia przetwarzania laserowego-z naprowadzaniem wodnym również stale się rozwija i udoskonala. Do wiodących, uznanych na arenie międzynarodowej producentów sprzętu laserowego-naprowadzanego wodą, należą głównie dwie firmy: szwajcarska Synova i Avonisys. Obecnie wśród krajowych producentów sprzętu do-przetwarzania laserowego sterowanego wodą do stosunkowo szybko rozwijających się firm należą między innymi Wot Intelligent Manufacturing, Cosset i Shanghai Lengchen Technology. Niektóre inne firmy przyjmują podejście polegające na bezpośrednim wprowadzaniu powiązanych technologii zagranicznych, a następnie ich montażu i produkcji w kraju, przy jednoczesnej optymalizacji swoich produktów. Chociaż może to szybko wypełnić luki technologiczne oraz ograniczyć koszty i czas badań i rozwoju w perspektywie krótkoterminowej, w dłuższej perspektywie nadal istnieją pewne problemy, takie jak zależność od kluczowych technologii zagranicznych, niezrównoważone inwestycje w badania i rozwój oraz ryzyko rozlania się w łańcuchu przemysłowym. Autor uważa, że należy ustanowić pozytywny cykl „wprowadzania-wchłaniania-przewyższania”. Dobra wiadomość jest taka, że istnieją obecnie krajowe firmy, które są w stanie dostarczyć sprzęt komercyjny w 100% z komponentów produkowanych lokalnie. Wraz z transformacją i unowocześnieniem chińskiego przemysłu wytwórczego technologia-przetwarzania laserowego naprowadzanego wodą będzie odgrywać ważniejszą rolę w-najwyższej jakości produkcji, zwłaszcza w pojazdach nowych źródeł energii, przemyśle lotniczym i kosmonautycznym-i produkcji wysokiej klasy sprzętu. Zastosowanie technologii lasera-naprowadzanego wodą będzie motorem innowacji technologicznych i ulepszania produktów w tych branżach.
