01 Технічні принципи та особливості
Основний принцип водяного-лазера полягає в тому, щоб з’єднати лазерний промінь із мікроструменем води під високим{1}}тиском і направити лазер на поверхню матеріалу через водяний струмінь. У цій системі лазер, створений лазерним джерелом, спочатку проходить через ряд оптичних компонентів (таких як лінзи та дзеркала) для колімації та фокусування, а потім поєднується зі струменем води під високим -тиском через спеціальне сопло. Струмінь води утворює маленький канал у соплі, і лазерний промінь спрямовується через цей канал до поверхні заготовки, як показано на малюнку 1. Оскільки показник заломлення води відрізняється від показника заломлення повітря, шлях поширення лазера у воді змінюється, тому для забезпечення стабільності та фокусування енергії лазерного променя потрібна точна оптична конструкція.
Малюнок 1. Технічний принцип водяних-лазерів.
Висока точність: лазерна технологія-керованого водою може досягти субміліметрової або навіть мікрометрової{1}}точності обробки. Оскільки діаметр водяного струменя дуже малий, зазвичай лише від десятків до сотень мікрометрів, лазерний промінь можна точно направляти в певні місця на заготовці для тонкого різання, свердління або гравірування. Висока ефективність: під час-водяної лазерної обробки лазерний промінь передається прямо на поверхню заготовки через струмінь води, зменшуючи втрати енергії та розсіювання в повітрі. Крім того, струмінь води також забезпечує охолодження та промивання, ефективно знижуючи температуру поверхні заготовки та зменшуючи зону термічного -впливу, тим самим покращуючи ефективність і якість обробки. Зменшення термічного пошкодження: завдяки охолоджувальному ефекту водяного струменя зона термічного-впливу (ЗТВ) під час-водяної лазерної обробки дуже мала. Зона термічного-впливу стосується ділянки на поверхні та всередині заготовки, де відбуваються термічна деформація, пошкодження або фазові зміни внаслідок теплопровідності та випромінювання під час лазерної обробки. Швидке охолодження водяного струменя в-лазерній обробці з керуванням водою швидко відводить тепло від поверхні заготовки, тим самим зменшуючи розмір і глибину зони-термічного впливу та запобігаючи термічній деформації та пошкодженню матеріалу.
Рисунок 2. (a) SEM-зображення секцій титанового сплаву, розрізаних «звичайним сухим лазерним» різанням і водним -лазерним різанням, (b) порівняння поверхонь розрізу вуглепластику, отриманих водним-лазерним різанням і «звичайним сухим лазерним різанням».
02 Поля застосування
Аерокосмічна галузь. Аерокосмічна галузь має дуже високі вимоги до точності та якості обробки матеріалів, і тут широко використовується лазерна технологія з водяним-наведенням. Його можна використовувати для обробки ключових компонентів аерокосмічних двигунів, таких як лопаті, турбінні диски та камери згоряння, які зазвичай виготовляються з важко{2}}-оброблюваних матеріалів, таких як суперсплави та титанові сплави. Водо-лазери можуть ефективно різати та гравірувати ці матеріали, забезпечуючи при цьому точність обробки та якість поверхні, тим самим покращуючи продуктивність і надійність компонентів. Крім того, водяні-лазери також можна використовувати для обробки структурних частин аерокосмічних апаратів, таких як крила та фюзеляжі, що дозволяє обробляти складні форми та легкі конструкції.
Сфера напівпровідників: у виробництві напівпровідників водяні{0}}лазери можна використовувати для різання напівпровідникових матеріалів, як-от кремнієвих пластин, а також для упаковки мікросхем і тестування. Оскільки напівпровідникові матеріали вимагають надзвичайно високої точності обробки та якості поверхні, висока точність і низькі термічні пошкодження водяних-лазерів роблять їх ідеальним інструментом обробки. Вони можуть досягати тонкого різання кремнієвих пластин, уникаючи тріщин і пошкоджень, таким чином підвищуючи продуктивність і продуктивність мікросхем. Крім того, водяні-лазери можна використовувати для мікро-обробки напівпровідникових пристроїв, таких як виготовлення мікроелектронних компонентів і травлення мікросхем, забезпечуючи точність обробки на рівні мікрометра або навіть нанометра.
Нова енергетична галузь: у новому енергетичному секторі водяні{0}}лазери можна використовувати для обробки ключових компонентів нових енергетичних пристроїв, таких як сонячні панелі та паливні елементи. Наприклад, у виробництві сонячних панелей водяні-наведені лазери можна використовувати для вирізання кремнієвих пластин і травлення візерунків електродів на поверхні сонячних елементів, підвищуючи ефективність фотоелектричного перетворення та продуктивність панелей. У виробництві паливних елементів водяні-лазери можуть обробляти такі компоненти, як мембранні електродні вузли та біполярні пластини, забезпечуючи високо-точне різання та гравірування, таким чином покращуючи продуктивність і термін служби паливних елементів.
Рисунок 3. Застосування водяних-лазерів.
03 Виклики та проблеми, з якими стикаються водяні-лазери
Стабільність водяного струменя: під час-водяної лазерної обробки високошвидкісний водяний струмінь може стати нестабільним, що може вплинути на якість обробки. Наприклад, під час різання коливання струменя води можуть спричинити відхилення лінії різання або збільшити шорсткість поверхні, впливаючи як на точність обробки, так і на якість поверхні. Щоб забезпечити стабільність водяного струменя, необхідно оптимізувати систему керування водяним струменем, щоб вона могла підтримувати стабільний стан під час обробки.
Лазер-Ефективність з’єднання води: Ефективність з’єднання між лазерним променем і струменем води безпосередньо впливає на результати обробки. Якщо ефективність зв’язку низька, втрати лазерної енергії у струмені води збільшаться, знижуючи ефективність і якість обробки.
Технічні вимоги до отворів для форсунок. Щоб забезпечити високу{0}}якісну-обробку лазером під керуванням води, конструкція та точність виготовлення отвору для форсунок мають вирішальне значення. Отвір сопла повинен мати надзвичайно тонкі стінки, зберігаючи при цьому високу точність округлості та нульову конусність, щоб протистояти впливу потоку води. Крім того, шорсткість внутрішньої поверхні отвору повинна бути надзвичайно низькою, щоб забезпечити стабільність і стабільність струменя води.
Адаптованість до навколишнього середовища: лазерне обробне-обладнання з керуванням водою має високі екологічні вимоги. Наприклад, для роботи обладнання необхідне стабільне електропостачання, чиста вода, постійна температура і вологість середовища. У середовищі з поганими умовами, такими як значні коливання температури, висока вологість або нестабільне електропостачання, продуктивність обладнання може погіршитися або навіть вийти з ладу. Крім того, такі фактори, як пил і вібрація в навколишньому середовищі, можуть заважати обробці, впливаючи на точність і якість обробки. Таким чином, у практичних застосуваннях необхідний суворий контроль і управління робочим середовищем обладнання.
04 Поточний стан розвитку промисловості в країні та за кордоном
З безперервним удосконаленням технологій лазерної точної обробки та зростанням ринкового попиту технологія лазерної обробки з-наведенням води також постійно розвивається та вдосконалюється. Серед міжнародно визнаних провідних виробників водяного-лазерного обладнання в основному входять дві компанії: швейцарська Synova та Avonisys. Наразі серед компаній, що займаються виробництвом обладнання для лазерної обробки води-, відносно швидко розвиваються, зокрема Wot Intelligent Manufacturing, Cosset і Shanghai Lengchen Technology. Деякі інші компанії застосовують підхід безпосереднього впровадження відповідних іноземних технологій, а потім збирання та виробництва їх усередині країни, одночасно оптимізуючи свою продукцію. Незважаючи на те, що це може швидко заповнити технологічні прогалини та скоротити витрати та час на дослідження та розробки в короткостроковій перспективі, все ще існують певні проблеми в довгостроковій перспективі, такі як залежність від іноземних основних технологій, незбалансовані інвестиції в дослідження та розробки та ризики перетікання в промисловий ланцюг. Автор вважає, що має бути встановлений позитивний цикл «запровадження-поглинання-перевищення». Хороша новина полягає в тому, що зараз існують вітчизняні компанії, здатні постачати комерційне обладнання з компонентів, що на 100% виробляються на території країни. З перетворенням і модернізацією виробничої промисловості Китаю технологія-керованої лазерної обробки водою відіграватиме більш важливу роль у високо{14}}виробництві, особливо у виробництві нових енергетичних транспортних засобів, аерокосмічній галузі та-виробництві високоякісного обладнання. Застосування водяної-лазерної технології сприятиме технологічним інноваціям і модернізації продуктів у цих галузях.
