Зі швидким розвитком медичної, авіаційної, аерокосмічної, напівпровідникової та енергетичної галузей вимоги до продуктивності ключових компонентів постійно зростають, що сприяло прогресу технологій обробки та обладнання. У цих сферах вибір технології різання компонентів має вирішальне значення для якості та продуктивності продукції. Хоча традиційні технології механічного різання та різання водою під високим тиском широко використовуються, лазерне різання поступово стає першим вибором завдяки його перевагам у ефективності обробки, точності та екологічності. Технологія лазерного різання безпосередньо опромінює матеріал високоенергетичним лазерним променем для досягнення високої точності та високої ефективності різання. У той же час він не створює очевидного фізичного контакту під час процесу різання, тим самим зменшуючи забруднення навколишнього середовища та відповідаючи концепції екологічного виробництва.
Технологія лазерного різання показала свою перевагу в багатьох сценаріях застосування. Наприклад, у сфері медицини, оскільки моя країна вступає в суспільство, яке старіє, ринковий попит на внутрішньосудинні стенти різко зріс, а темпи зростання ринку за останні роки перевищили 20%. Технологія лазерного різання має потенціал для широкого використання при обробці внутрішньосудинних стентів завдяки своїй високій точності та адаптивності. Однак традиційне лазерне різання в деяких випадках може спричинити термічне пошкодження матеріалу, що призведе до утворення крихітної накипу та шару, підданого нагріванню, на поверхні матеріалу, тим самим впливаючи на продуктивність і термін служби матеріалу. Щоб подолати ці обмеження, технологія водяного лазерного різання стала інноваційним методом різання. Впроваджуючи потік води під час процесу лазерного різання, це може ефективно зменшити термічні пошкодження та покращити якість поверхні розрізаного матеріалу.
Що таке водяний лазер
Технологія лазерного різання з водяним наведенням — це інноваційний композитний метод обробки, який використовує струмінь води для спрямування лазерного променя для точного різання заготовки. Суть цієї технології полягає у використанні різних характеристик показників заломлення води та повітря. Коли лазерний промінь спрямований на поверхню розділу вода-повітря під певним кутом, якщо кут падіння менший за критичний кут повного відбиття, лазерний промінь буде повністю відбитий і не проникне через межу розділу, таким чином гарантуючи, що лазер енергія ефективно обмежується і передається у водному пучку.
Лазерний промінь спочатку фокусується опуклою лінзою, а потім проходить через вікно з кварцового скла в сполучену водяну порожнину. Завдяки точному регулюванню відстані між фокусуючою лінзою та соплом-обскурою можна гарантувати, що лазерний фокус буде точно розташовано в центрі верхньої поверхні сопла. Згодом лазерний промінь потрапляє в стабільний водяний струмінь, де відбувається повне відображення через різницю показників заломлення, процес, подібний до поширення світла в оптичному волокні. Під час обробки сфокусований лазерний промінь направляється водяним променем під високим тиском і безпосередньо передається на поверхню заготовки, досягаючи ефективних і точних результатів різання.
Переваги водяного лазера
Технологія водоструминного лазерного різання - це інноваційний метод обробки, який поєднує в собі водяний струмінь і лазерні промені. Він широко використовується в галузі точного виробництва та мікрообробки. Порівняно з традиційним лазерним різанням лазерне різання з наведенням води має кілька унікальних переваг, які роблять його особливо ефективним у певних сценаріях застосування.
Перш за все, відмінною рисою водопровідного лазерного різання є відсутність термічного пошкодження. Через високу температуру традиційне лазерне різання може легко викликати термічну деформацію матеріалів і пошкодження мікроструктури. При лазерному різанні з водяним наведенням потік води, що викидається, ефективно охолоджує матеріал під час проміжку лазерного імпульсу, що значно зменшує термічний стрес матеріалу та дозволяє йому зберігати свої початкові фізичні та хімічні властивості.
По-друге, водне волокно має велику робочу відстань під час роботи і не вимагає точного фокусування лазерного променя, як традиційне лазерне різання, що забезпечує більшу гнучкість для обробки матеріалів зі складною геометрією. Крім того, потік води не тільки діє як охолоджувач під час процесу різання, але також забирає розплавлений матеріал, утворений під час процесу різання, тим самим значно зменшуючи осадження забруднюючих речовин у зоні обробки, що особливо важливо для середовища обробки з високою вимоги до чистоти.
Крім того, оскільки лазерне різання з наведенням води може досягти високоточного видалення матеріалу, ця технологія особливо підходить для обробки тонкостінних деталей і перевершує традиційні методи лазерної обробки з точки зору точності та якості поверхні. Очікується, що з безперервним удосконаленням технологій лазерне різання з наведенням води замінить традиційне лазерне різання в більшій кількості областей і стане більш ефективним і екологічно чистим методом обробки.
Технічні труднощі та тенденції розвитку водяного лазерного різання
1. Ослаблення лазера у водяному промені: технологія водяного лазерного різання, яка є вдосконаленим методом обробки, що поєднує струмінь води та лазер, продемонструвала унікальний потенціал у точному виробництві. Однак через велике ослаблення енергії лазера у воді це обмежує його ефективність у застосуваннях із високою потужністю. Зокрема, лазер високої щільності у водному пучку має велике ослаблення енергії через багаторазове розсіювання та поглинання, що призводить до зниження швидкості обробки. Наприклад, при різанні композитних матеріалів з вуглецевого волокна товщиною 18 мм швидкість становить лише 5 мм на хвилину, що значно обмежує застосування цієї технології при обробці товстих матеріалів. Хоча сучасні дослідження виявили основні принципи передачі лазерного випромінювання у воді, як ефективно зменшити це загасання, все ще залишається технічною проблемою, яку потрібно вирішити. У майбутньому можуть бути розроблені діелектричні матеріали з кращими світлопровідними властивостями, щоб замінити водяні промені, тим самим покращуючи ефективність різання та застосовність процесу.
2. Проблема мініатюризації водяного струменя: у технології водяного лазерного різання діаметр водяного струменя безпосередньо впливає на точність і ширину різання. З розвитком технології мікромеханічної обробки діаметр сопла можна зменшити до 30 мікрон, досягаючи таким чином високої точності різання. Однак подальша мініатюризація водяних струменів стикається з рядом технічних проблем, включаючи стабільність водяного променя, ефективну довжину та контроль діаметра лазерної плями. Ці проблеми не тільки впливають на ефект різання, але й висувають підвищені вимоги до конструкції та виробництва обладнання. Майбутні дослідження можуть бути зосереджені на оптимізації конструкції сопла та динаміки рідини для подальшого підвищення точності різання при збереженні стабільності струменя води.
3. Технічні вимоги до обробки отвору сопла: Для забезпечення високої якості лазерного різання під наведенням води, конструкція та точність виготовлення отвору сопла є вирішальними. Отвір сопла повинен мати надзвичайно тонку стінку, зберігаючи при цьому високоточну округлість і відсутність конусності, щоб протистояти впливу потоку води. Крім того, необхідно контролювати шорсткість внутрішньої поверхні отвору на надзвичайно низькому рівні, щоб забезпечити стабільність і постійність водяного променя. Ці вимогливі стандарти дизайну надзвичайно ускладнюють обробку отворів для сопел, особливо в масовому виробництві. Як підтримувати узгодженість і точність є ключовим завданням, що стоїть перед промисловістю.
4. Складність системи контролю вирівнювання з’єднання: у системі лазерного різання з водяним наведенням точність з’єднання та вирівнювання лазерного променя та водяного променя безпосередньо впливає на якість різання. В даний час, незважаючи на те, що високоточні механізми управління сервоприводом були прийняті, проблема швидкого і точного зчеплення лазерного і водяного променя повністю не вирішена. Щоб підвищити точність з’єднання, необхідно запровадити більш досконалі системи виявлення та калібрування, такі як система виявлення зв’язку водяного променя та лазерного фокусування, система позиціонування заготовки тощо. Інтеграція та оптимізація цих систем є ключем до досягнення високоточне водонаведене лазерне різання.
5. Недостатнє систематичне дослідження процесів: хоча лазерна технологія, що керується водою, показала багато переваг у теорії, управління процесом все ще стикається з багатьма проблемами в практичних застосуваннях. Наразі в промисловості відсутня повна технологія обробки та система оцінки, що ускладнює підтримку ключових показників, таких як ефективність обробки, точність і цілісність поверхні матеріалу. Відсутність цього процесу дослідження робить поганою адаптивність технології водяного лазерного різання до різних матеріалів і умов товщини. Таким чином, у майбутньому необхідні більш систематичні дослідження процесу, щоб створити комплексну бібліотеку параметрів процесу та стандарти оцінки, щоб підвищити потенціал промислового застосування лазерної технології з наведенням води.
