1Εισαγωγή

Η ταχεία ανάπτυξη των αεροδιαστημικών, ημιαγωγών, ιατρικών και ενεργειακών βιομηχανιών έχει αυξήσει σημαντικά τις απαιτήσεις απόδοσης για κρίσιμα εξαρτήματα,Με αυτόν τον τρόπο, οδηγείται σε συνεχή καινοτομία στις τεχνολογίες κοπής και τον εξοπλισμό επεξεργασίαςΣε σύγκριση με την συμβατική μηχανική κοπή, η κοπή με λέιζερ προσφέρει αξιοσημείωτα πλεονεκτήματα όσον αφορά την ακρίβεια, την αποτελεσματικότητα και την περιβαλλοντική συμβατότητα.Τα πλεονεκτήματα αυτά περιλαμβάνουν την ασύνδεση του υλικού χωρίς μηχανική πίεση, ευρεία προσαρμοστικότητα του υλικού για ευέλικτη κατασκευή και υψηλή αποδοτικότητα επεξεργασίας που επιτρέπει ο προγραμματιζόμενος έλεγχος, καθιστώντας την κοπή λέιζερ κατάλληλη για εφαρμογές μεγάλης έκτασης και υψηλής ακρίβειας.

Σύμφωνα με τη διάρκεια των παλμών, οι πηγές λέιζερ μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε λέιζερ συνεχών κυμάτων, λέιζερ μακρών παλμών, λέιζερ μικρών παλμών και λέιζερ υπερυχυρών παλμών.Τα λέιζερ συνεχών κυμάτων και μακρών παλμών παρέχουν υψηλές ταχύτητες επεξεργασίας, αλλά συνήθως προκαλούν εκτεταμένες ζώνες που επηρεάζονται από τη θερμότητα (HAZs) και στρώματα αναδιαμόρφωσηςΤα λέιζερ υπερυχύτητας, όπως τα λέιζερ femtoseconds, μπορούν θεωρητικά να επιτύχουν "ψυχρή επεξεργασία" με την άμεση μετατροπή υλικών σε πλάσμα.Η αποτελεσματικότητα της απομάκρυνσης υλικών παραμένει περιορισμένηΤα νανοδευτερόλεπτα παλμικά λέιζερ προσφέρουν χαμηλότερο κόστος και υψηλότερη αποδοτικότητα αφαίρεσης.αλλά είναι βασικά θερμικές διαδικασίες και συχνά οδηγούν σε τυπικά θερμικά ελαττώματαΑκόμη και η επεξεργασία με λέιζερ femtosecond μπορεί να παρουσιάσει μη αμελητέες θερμικές επιδράσεις υπό υψηλά ποσοστά επανάληψης και υψηλές πυκνότητες ενέργειας.

Για να ξεπεραστούν οι εγγενείς θερμικοί περιορισμοί της επεξεργασίας ξηρού λέιζερ, οι ερευνητές εισήγαγαν τεχνολογίες λέιζερ με υποβοηθούμενο νερό.Η επεξεργασία με καθοδηγούμενο λέιζερ (WJGL) αποτελεί μια μοναδική υβριδική τεχνική που ενσωματώνει την παροχή ενέργειας λέιζερ με υψηλής ταχύτητας ρεύμα νερούΗ βασική ιδέα προτάθηκε για πρώτη φορά στις αρχές της δεκαετίας του '90, και στη συνέχεια ακολουθήθηκε συστηματική ανάπτυξη και εμπορική χρήση από τη Synova, με αποτέλεσμα την εμφάνιση των συστημάτων μικροβομβίδας λέιζερ (LMJ).Το WJGL έχει εφαρμοστεί με επιτυχία στην κοπή, γεωτρήσεις και διαχωρισμούς μετάλλων, εύθραυστων κρυσταλλικών υλικών, διαμαντιών, κεραμικών και σύνθετων υλικών.

Η παρούσα εργασία παρουσιάζει μια ολοκληρωμένη ανασκόπηση της τεχνολογίας κοπής WJGL, συμπεριλαμβανομένων των αρχών λειτουργίας της, των μηχανισμών σύνδεσης λέιζερ ∆υστυχώς, οι διαδικασίες αφαίρεσης υλικών και η συμπεριφορά μεταφοράς ενέργειας.Πρόσφατη πρόοδος στην εφαρμογή σε μέταλλα, τα εύθραυστα κρυστάλλια και τα σύνθετα υλικά συζητείται κριτικά.Οι τεχνικές προκλήσεις και οι μελλοντικές τάσεις ανάπτυξης αναλύονται επίσης για να παρέχουν συστηματική καθοδήγηση τόσο για τη θεμελιώδη έρευνα όσο και για την βιομηχανική εφαρμογή της τεχνολογίας WJGL.

2Τεχνολογία επεξεργασίας λέιζερ με καθοδήγηση αεριωθούμενου νερού

Η επεξεργασία λέιζερ με καθοδήγηση με ρεύμα νερού συνδυάζει τα πλεονεκτήματα της επεξεργασίας με λέιζερ και των ρεύματος νερού υψηλής ταχύτητας, προσφέροντας ξεχωριστά πλεονεκτήματα σε σύγκριση με την συμβατική ξηρή λέιζερ κοπή.το αεριωθούμενο νερό αντικαθιστά τις βοηθητικές ροές αερίου και λειτουργεί ταυτόχρονα ως οδηγός κυμάτων λέιζερΌσο το μήκος κύματος του λέιζερ είναι απορροφήσιμο από το υλικό στόχο, το WJGL μπορεί να επεξεργαστεί υπερ-σκληρά, εύθραυστα,ή θερμικά ευαίσθητα υλικά, ανεξάρτητα από την ηλεκτρική αγωγιμότητα.

Σε αντίθεση με την ξηρή επεξεργασία με λέιζερ, ένα σημαντικό μέρος της ενέργειας λέιζερ στο WJGL εξαφανίζεται μέσα στο τζετ νερού και όχι απευθείας μέσα στο εργασιακό κομμάτι.Το τζετ νερού συνεχώς ψύχεται τις άκρες κοπής μεταξύ των παλμών λέιζερΕπιπλέον, η υψηλή πυκνότητα κινητικής ενέργειας του αερίου νερού επιτρέπει την αποτελεσματική αφαίρεση του λιωμένου υλικού,παραγωγή ομαλών τοίχων χωρίς μπουρδέλα, τα αποθηκευμένα συντρίμμια, και οι κοιλότητες.

Η μηχανική δύναμη που ασκείται από το τζετ νερού στην επιφάνεια του εργαστηρίου είναι εξαιρετικά μικρή (συνήθως κάτω από 0,1 N), σημαντικά χαμηλότερη από εκείνη που συναντάται στην συμβατική επεξεργασία με λέιζερ.Ως αποτέλεσμαΤο WJGL είναι ουσιαστικά μια διαδικασία χωρίς επαφή με ελάχιστη μηχανική βλάβη.και λεπτές πλάτους κοπής που κυμαίνονται συνήθως από 25 έως 150 μm.

3Αρχή σχηματισμού του καθοδηγούμενου λέιζερ με ρεύμα νερού

3.1 Διαμόρφωση συστήματος και μηχανισμός οπτικής καθοδήγησης

Το WJGL βασίζεται στη διαφορά του δείκτη διάθλασης μεταξύ νερού και αέρα για να κατευθύνει την ενέργεια του λέιζερ μέσω της συνολικής εσωτερικής αντανάκλασης στη διεπαφή νερού-αέρα, ανάλογη με τη μετάδοση οπτικών ινών.Όταν μια ακτίνα λέιζερ εγχέεται σε ένα σταθερό μικροβρύχο νερού σε γωνία μικρότερη από την κρίσιμη γωνία για την συνολική εσωτερική αντανάκλαση, το λέιζερ εξαπλώνεται κατά μήκος της στήλης νερού με ελάχιστη απόκλιση μέχρι να φτάσει στην επιφάνεια του εργαστηρίου.

Ένα τυπικό σύστημα WJGL αποτελείται από τέσσερα κύρια υποσυστήματα: ένα λέιζερ και μια οπτική μονάδα, μια μονάδα παροχής νερού υψηλής πίεσης, μια προστατευτική μονάδα αερίου και μια κεφαλή ζεύξης.Το υπερκαθαρό νερό πιέζεται (5 ̇ 80 MPa) και εκπέμπεται μέσω μικροβρύχου με διάμετρο από 10 έως 200 μmΗ βρύση είναι συνήθως κατασκευασμένη από ζαφείρι, ρουμπίνι ή διαμάντι για να αντιστέκεται στην φθορά και τη θερμική βλάβη.Η ακτίνα λέιζερ επικεντρώνεται με ακρίβεια στην είσοδο του ακροφύλλου μέσω οπτικών παραθύρων και φακών, διασφαλίζοντας την αποτελεσματική σύνδεση με το αεροπλάνο νερού.

3.2 Μηχανισμός σύνδεσης λέιζερ-νερού

Η αποτελεσματική σύνδεση της εστιασμένης ακτίνας λέιζερ με το μικροβρύχιο νερού είναι μια κρίσιμη απαίτηση για το WJGL.η διάμετρος του σημείου λέιζερ πρέπει να είναι μικρότερη από το άνοιγμα του ακροβωτίου για να αποφεύγεται η απώλεια ενέργειας και η βλάβη του ακροβωτίουΔεύτερον, η γωνιακή κατανομή της εστιασμένης δέσμης πρέπει να ικανοποιεί την προϋπόθεση της συνολικής εσωτερικής αντανάκλασης στη διασύνδεση νερό-αέρα.

Η εξάπλωση λέιζερ εντός του αεριωθούμενου νερού μπορεί να ταξινομηθεί σε μεσημβρινές ακτίνες και κεκλιμένες ακτίνες, ανάλογα με τις τροχιές τους σε σχέση με τον άξονα του αεριωθούμενου αερίου.σύνδεση κοντινού πεδίου στην είσοδο του ακροφύλλου και σύνδεση μακρινού πεδίου στο εξωτερικό ρεύμα νερούΗ σύνδεση κοντινού πεδίου παρέχει μεγαλύτερη γωνία αποδοχής και μικρότερο εστιακό σημείο, αλλά μπορεί να υποφέρει από θερμικές διαταραχές στο εσωτερικό του ακροφύλλου,ότι η σύνδεση με μακρινό πεδίο μετριάζει τις θερμικές επιπτώσεις με κόστος αυστηρότερους γεωμετρικούς περιορισμούς.

4Μηχανισμός αφαίρεσης υλικού στην επεξεργασία WJGL

Η απομάκρυνση υλικού στο WJGL πραγματοποιείται μέσω μιας κυκλικής διαδικασίας αλληλεπίδρασης λέιζερ-νερού.Οι παλμοί λέιζερ που καθοδηγούνται από το τζετ νερού παρέχουν ενέργεια στην επιφάνεια του υλικού, όπου η απορροφηθείσα ενέργεια μετατρέπεται σε θερμότητα, προκαλώντας τοπική τήξη και εξατμίωση.

Ο ταχύτερος σχηματισμός ατμού ή πλάσματος δημιουργεί πίεση αντίδρασης και κύματα κρούσης τα οποία, μαζί με τη μηχανική δράση του αερίου νερού,να απομακρύνουν το λιωμένο υλικό από την κοίτη και να καταστείλουν το σχηματισμό στρωμάτων ανασύνθεσηςΣτο τέλος κάθε παλμού λέιζερ, οι φυσαλίδες ατμού καταρρέουν, και η ατμόσφαιρα αναπτύσσεται.το λιωμένο υλικό ξεπλένεταιΟ επαναλαμβανόμενος κύκλος θέρμανσης/ψύξης επιτρέπει την υψηλής ποιότητας επεξεργασία με ελάχιστη θερμική βλάβη.

5Μεταφορά ενέργειας με καθοδηγούμενο λέιζερ

Η μετάδοση λέιζερ υψηλής ισχύος μέσα σε ένα τζετ νερού συνεπάγεται αναπόφευκτα απώλεια ενέργειας λόγω απορρόφησης, διάσπασης και μη γραμμικών οπτικών επιδράσεων όπως η διάσπαση Ραμάν.Πειραματικές και αριθμητικές μελέτες έχουν δείξει ότι η εξασθένιση της ισχύος του λέιζερ αυξάνεται με το μήκος μετάδοσης και την ισχύ του λέιζερΤα μικρότερα μήκη κύματος (π.χ. 532 nm) παρουσιάζουν γενικά υψηλότερη αποδοτικότητα μετάδοσης στο νερό σε σύγκριση με τα υπέρυθρα μήκη κύματος (π.χ. 1064 nm).

Πολυφυσικές προσομοιώσεις που συνδυάζουν ηλεκτρομαγνητική, μεταφορά θερμότητας,και τη δυναμική των υγρών έχουν αποκαλύψει ότι η αύξηση της διάμετρος της δέσμης μπορεί να μειώσει την αποκλίσεις και να μετριάσει την απώλεια ενέργειας που προκαλείται από παραβίαση των συνθηκών συνολικής εσωτερικής αντανάκλασηςΩστόσο, η ολοκληρωμένη κατανόηση της διάδοσης λέιζερ υψηλής ισχύος σε πίδακες νερού παραμένει περιορισμένη.και απαιτείται περαιτέρω πειραματική επικύρωση και θεωρητική μοντελοποίηση για τη βελτιστοποίηση της αποδοτικότητας της παροχής ενέργειας.

6. ΕφαρμογέςΔιοδηγούμενη με λέιζερ κοπή με ρεύμα νερού

6.1 Μεταλλικά υλικά

Το WJGL έχει εφαρμοστεί ευρέως για την κοπή ακριβείας μετάλλων όπως ανοξείδωτο χάλυβα, κράματα αλουμινίου, κράματα τιτανίου και υπερσυσχέδια με βάση το νικέλιο.Το WJGL μειώνει σημαντικά το πάχος του HAZΠαρόλο που οι ταχύτητες κοπής είναι γενικά χαμηλότερες, το WJGL παράγει ανώτερη ακεραιότητα επιφάνειας, ομαλούς τοίχους και ελάχιστη θερμική στρέβλωση,που είναι κρίσιμες για αεροδιαστημικές και ιατρικές εφαρμογές.

6.2 Τραγιά κρυσταλλικά υλικά

Τα σκληρά και εύθραυστα υλικά, συμπεριλαμβανομένου του πυριτίου, του ζαφείρου, του αρσενικού γαλλίου και του διαμαντιού, είναι ιδιαίτερα δύσκολο να μεταποιηθούν με παραδοσιακές μεθόδους.Με χαμηλή κόψιμο με εξαιρετική ποιότητα άκρωνΣτην επεξεργασία των ημιαγωγών πλακιδίων και του υποστρώματος ζαφείρι, η WJGL έχει αποδείξει υψηλή απόδοση κοπής, ομαλούς πλευρικούς τοίχους και ελάχιστη υποεπιφανειακή βλάβη.που το καθιστά εξαιρετικά κατάλληλο για την κατασκευή μικροηλεκτρονικών και οπτοηλεκτρονικών συσκευών.

6.3 Συνθετικά υλικά

Οι προηγμένες σύνθετες ύλες όπως το CFRP, οι σύνθετες ύλες αλουμινίου και οι σύνθετες ύλες κεραμικής μήτρας επωφελούνται σημαντικά από την επεξεργασία WJGL.Η συνδυασμένη αφαίρεση με λέιζερ και η ψύξη με νερό καταπνίγουν αποτελεσματικά την αποστρωματισμό, αποσύνδεση ινών, και ρωγμάτωση μήτρας.Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι το WJGL μπορεί να επιτύχει υψηλές αναλογίες όψεως με ελάχιστη θερμική υποβάθμιση και ανώτερη ποιότητα επιφάνειας σε σύγκριση με ξηρές μεθόδους laser ή μηχανικής κοπής.

7Τεχνικές προκλήσεις και μελλοντικές τάσεις

Παρά τα πλεονεκτήματά της, η τεχνολογία WJGL αντιμετωπίζει αρκετές προκλήσεις.Η περαιτέρω έρευνα για εναλλακτικά μέσα καθοδήγησης ή βελτιστοποιημένη χημεία του νερού μπορεί να βοηθήσει στη μείωση της απώλειας ενέργειαςΗ μικροποίηση των πίδακων νερού είναι απαραίτητη για μεγαλύτερη ακρίβεια, αλλά θέτει προκλήσεις στη σταθερότητα των πίδακων και την αποτελεσματικότητα της σύνδεσης.ταχεία και ακριβής ευθυγράμμιση με λέιζερ, και τυποποιημένες μεθοδολογίες ελέγχου διαδικασιών παραμένουν βασικοί τομείς που απαιτούν καινοτομία.

Επέκταση της εφαρμογής του WJGL σε εξαιρετικά σκληρά υλικά όπως διαμάντι, γυαλί κουαρτζού, ζαφείρι,και προηγμένη κεραμική απαιτεί επίσης συστηματική βελτιστοποίηση των παραμέτρων επεξεργασίας και των βοηθητικών τεχνικών.

8Συμπεράσματα και προοπτικές

Η παρούσα ανασκόπηση συνοψίζει συστηματικά τις αρχές, τους μηχανισμούς αφαίρεσης υλικού και την πρόοδο εφαρμογής της τεχνολογίας κοπής με λέιζερ με καθοδήγηση αερίου νερού.Εξαιτίας του μοναδικού μηχανισμού αλληλεπίδρασης λέιζερ-νερούΤο WJGL επιτρέπει την επεξεργασία υψηλής ακρίβειας και χαμηλής ζημίας σε ένα ευρύ φάσμα υλικών που είναι δύσκολο να επεξεργαστούν.και να μειώσει την περιβαλλοντική ρύπανση τονίζει το ισχυρό δυναμικό της στον αεροδιαστημικό τομέα, κατασκευή ημιαγωγών και κατασκευή ιατρικών συσκευών.

Παρόλο που οι προκλήσεις που σχετίζονται με τη σταθερότητα του πύραυλου, την αποδοτικότητα της μεταφοράς ενέργειας και την πολυπλοκότητα του εξοπλισμού παραμένουν, οι συνεχιζόμενες εξελίξεις στην τεχνολογία λέιζερ, τον έλεγχο υγρών,και η ολοκλήρωση του συστήματος αναμένεται να βελτιώσει περαιτέρω την απόδοση του WJGLΜε τη συνεχιζόμενη συνεργασία μεταξύ ακαδημαϊκών και βιομηχανικών, η WJGL είναι έτοιμη να γίνει μια βασική τεχνολογία στην υπερ-ακριβή κατασκευή,στήριξη των αυξανόμενων απαιτήσεων των βιομηχανιών υψηλής τεχνολογίας επόμενης γενιάς.