1Inleiding

De snelle ontwikkeling van de lucht- en ruimtevaart-, halfgeleider-, medische en energiesector heeft de prestatievereisten voor kritieke componenten aanzienlijk verhoogd.Daardoor wordt een voortdurende innovatie aangemoedigd op het gebied van snijtechnologieën en verwerkingsapparatuur.In vergelijking met het conventionele mechanische snijden biedt het lasersnijden opmerkelijke voordelen op het gebied van precisie, efficiëntie en milieuvriendelijkheid.Deze voordelen omvatten het verwijderen van materiaal zonder contact zonder mechanische spanning, brede materiaaladaptabiliteit voor flexibele productie en een hoge verwerkingsefficiëntie dankzij programmeerbare besturing, waardoor lasersnijden geschikt is voor toepassingen op grote oppervlakken en met hoge precisie.

Volgens de pulsduur kunnen laserbronnen worden ingedeeld in continu-golflasers, langpulslasers, kortpulslasers en ultrakortspulslasers.Continu-wave- en lange-impulslasers bieden hoge verwerkingssnelheden, maar induceren meestal uitgebreide warmte-geaffecteerde zones (HAZ's) en herschikkingslagenIn de eerste plaats is het mogelijk dat de verwerking van de materialen in de vorm van een "koude verwerking" wordt uitgevoerd door middel van de verwerking van de materialen in een plasma.hun materiaalverwijderings-efficiëntie blijft beperktNanoseconde pulserende lasers bieden lagere kosten en een hogere ablatie-efficiëntie.maar het zijn in wezen thermische processen en resulteren vaak in typische thermische defectenZelfs femtoseconde laserverwerking kan onder hoge herhalingspercentages en hoge energiedichtheden niet verwaarloosbare thermische effecten vertonen.

Om de intrinsieke thermische beperkingen van de droge laserverwerking te overwinnen, hebben onderzoekers waterassistente lasertechnologieën geïntroduceerd.waterstraalgeleide laserverwerking (WJGL) is een unieke hybride techniek die laserenergie levert met een hoge snelheid waterstraalHet fundamentele concept werd voor het eerst in de vroege jaren negentig voorgesteld, gevolgd door systematische ontwikkeling en commercialisering door Synova, wat leidde tot de opkomst van laser microjet (LMJ) systemen.WJGL is met succes toegepast op het snijden van, boorwerk en groefwerk van metalen, broze kristallijne materialen, diamanten, keramiek en composieten.

In dit artikel wordt een uitgebreid overzicht gegeven van de WJGL-snijtechnologie, met inbegrip van de werkingsprincipes, de mechanismen voor het koppelen van laser­water, de materialenverwijderingsprocessen en het gedrag van de energietransmissie.Recente vooruitgang op het gebied van toepassing in metalenHet is belangrijk dat de Europese Unie de mogelijkheid heeft om de ontwikkeling van het milieu te stimuleren.De technische uitdagingen en toekomstige ontwikkelingstrends worden ook geanalyseerd om systematische begeleiding te bieden voor zowel fundamenteel onderzoek als industriële implementatie van WJGL-technologie..

2. Waterstraal geleide laserverwerkingstechnologie

In WJGL is de laserbewerking met waterstraal een combinatie van de voordelen van laserbewerking en hogesnelheidswaterstraal, die bijzondere voordelen biedt ten opzichte van het conventionele droge lasersnijden.De waterstraal vervangt de hulpgasstromen en fungeert tegelijkertijd als een lasergolfgeleiderZolang de golflengte van de laser door het doelmateriaal kan worden opgenomen, kan WJGL ultraharde, broze,of warmtegevoelige materialen, ongeacht de elektrische geleidbaarheid.

In tegenstelling tot de droge laserverwerking wordt een aanzienlijk deel van de laserenergie in WJGL in de waterstraal verspreid in plaats van rechtstreeks in het werkstuk.De waterstraal koelt voortdurend de kanten tussen de laserpulsen afBovendien maakt de hoge kinetische energiedichtheid van de waterstraal een efficiënte verwijdering van gesmolten materiaal mogelijk.het produceren van glad gesneden wanden zonder boeren, opnieuw afgezet puin, en holtes.

De mechanische kracht die door de waterstraal op het werkstuk wordt uitgeoefend, is zeer klein (meestal minder dan 0,1 N), aanzienlijk lager dan bij conventionele laserbewerking.Als gevolg hiervanHet WJGL-proces is in wezen een niet-contactproces met minimale mechanische schade.met een breedte van niet meer dan 50 mm,.

3Vormingsbeginsel van waterstraal geleide laser

3.1 Systeemconfiguratie en optisch geleidingsmechanisme

WJGL vertrouwt op het verschil in brekingsindex tussen water en lucht om laserenergie te leiden via totale interne reflectie op de water-lucht-interface, analoog aan de overdracht van glasvezel.Wanneer een laserstraal in een stabiele micro waterstraal wordt geïnjecteerd met een hoek kleiner dan de kritische hoek voor totale interne reflectie, de laser verspreidt zich met minimale divergentie langs de waterkolom tot het werkstuk bereikt.

Een typisch WJGL-systeem bestaat uit vier hoofdondersystemen: een laser- en optische module, een hogedrukwatervoorzieningseenheid, een beschermende gasmodule en een koppelkop.Ultra-zuiver water wordt onder druk gebracht (580 MPa) en door een microdus met een diameter van 10 tot 200 μm uitgestuurdDe spuitstukken zijn meestal gemaakt van saffier, robijn of diamant om slijtage en thermische schade te weerstaan.De laserstraal is precies gericht op de spuitstuk ingang door middel van optische ramen en lenzen, waardoor een efficiënte koppeling in de waterstraal wordt gewaarborgd.

3.2 Mechanisme voor het koppelen van laser­water

Een efficiënte koppeling van de gefocuste laserstraal in de micro waterstraal is een cruciale vereiste voor WJGL.De laserspotdiameter moet kleiner zijn dan het mondingsopeningstuk om energieverlies en mondingschade te voorkomen.Ten tweede moet de hoekverdeling van de scherpgestelde straal voldoen aan de voorwaarde voor totale interne reflectie op de water-lucht-interface.

De laserverspreiding binnen de waterstraal kan worden ingedeeld in meridionale stralen en scheefstralen, afhankelijk van hun trajecten ten opzichte van de straalas.de nabij-veldkoppeling bij de spuitstuk-ingang en de verveldkoppeling in de externe waterstraalDe nabijveldkoppeling biedt een grotere aanvaardingshoek en een kleiner brandpunt, maar kan onder thermische storingen in de mondstuk lijden.Overwegende dat de koppeling met verveld veld de thermische effecten vermindert ten koste van strengere geometrische beperkingen;.

4Mechanisme voor materiaalverwijdering bij WJGL-verwerking

Het verwijderen van materiaal in WJGL vindt plaats door middel van een cyclisch laser-water-interactieproces.Laserpulsen geleid door de waterstraal leveren energie op het materiaaloppervlak, waarbij de geabsorbeerde energie wordt omgezet in warmte, wat een lokale smelting en verdamping veroorzaakt.

De snelle vorming van stoom of plasma veroorzaakt terugslagdruk en schokgolven die, samen met de mechanische werking van de waterstraal,het gesmolten materiaal uit de kerf verwijderen en de vorming van een nieuw gelaagd laag onderdrukkenDe omringende wateromgeving beperkt de plasmaploem en stuwkolven richting het materiaal, waardoor de ablatie efficiënter wordt.gesmolten materiaal wordt weggespoeldDeze herhaaldelijke verwarmings-/koelcyclus maakt een kwalitatief hoogwaardige bewerking mogelijk met minimale thermische schade.

5Energieoverdracht in waterstraal geleide laser

Hoogvermogende lasertransmissie binnen een waterstraal brengt onvermijdelijk energieverlies met zich mee als gevolg van absorptie, verstrooiing en niet-lineaire optische effecten zoals Raman verstrooiing.Experimentele en numerieke studies hebben aangetoond dat de verzwakking van de laservermogen toeneemt met de transmissie lengte en de laservermogenKortere golflengten (bv. 532 nm) vertonen over het algemeen een hogere transmissiedoeltreffendheid in water in vergelijking met infraroodgolflengten (bv. 1064 nm).

Multifysische simulaties die elektromagnetisme, warmteoverdracht,en fluïdendynamica hebben aangetoond dat het vergroten van de straaldiameter de divergentie kan verminderen en het energieverlies kan verminderen dat wordt veroorzaakt door schending van de totale interne weerspiegeling.Het uitgebreide begrip van de hoogvermogen van de laser in waterstralen blijft echter beperkt.en verdere experimentele validatie en theoretische modellering zijn nodig om de energie-afvoer efficiëntie te optimaliseren.

6. Toepassingen vanWaterstraalgestuurd lasersnijden

6.1 Metalen materialen

WJGL is op grote schaal toegepast bij het precisie snijden van metalen zoals roestvrij staal, aluminiumlegeringen, titaniumlegeringen en superlegeringen op basis van nikkel.WJGL vermindert de HAZ-dikte aanzienlijkHoewel de snij snelheden over het algemeen lager zijn, levert WJGL een superieure oppervlakte-integriteit, gladde kantwanden en minimale thermische vervorming op.die van cruciaal belang zijn voor ruimtevaart- en medische toepassingen.

6.2 Breekbare kristallijne materialen

Hard en broos materiaal, waaronder silicium, saffier, gallium arsenide en diamant, is met name moeilijk te bewerken met traditionele methoden.met een laag slijpsel met een uitstekende randkwaliteitBij het snijden van halfgeleiderwafers en het verwerken van saffiersubstraat heeft WJGL een hoge snijdoeltreffendheid, gladde zijwanden en minimale ondergrondse schade aangetoond.met een vermogen van meer dan 10 W,.

6.3 Samengestelde materialen

Geavanceerde composieten zoals CFKV, aluminiummatrixcomposites en keramische matrixcomposites hebben aanzienlijk baat bij WJGL-verwerking.De gecombineerde laserablatie en waterkoeling onderdrukken delaminatie effectief, vezel uittrekken, en matrix kraken.Experimentele resultaten tonen aan dat WJGL hoge beeldverhoudingen kan bereiken met minimale thermische afbraak en een superieure oppervlaktekwaliteit in vergelijking met droge laser- of mechanische snijmethoden.

7. Technische uitdagingen en toekomstige trends

Ondanks de voordelen van de WJGL-technologie worden verschillende uitdagingen geconfronteerd: de verzwakking van laserenergie in de waterstraal beperkt de verwerkingsefficiëntie, vooral voor toepassingen met een hoog vermogen.Verdere onderzoeken naar alternatieve leidingsmiddelen of geoptimaliseerde waterchemie kunnen helpen energieverlies te verminderenDe miniaturisatie van waterstralen is essentieel voor een hogere precisie, maar vormt een uitdaging voor de stabiliteit van de straalstralen en de koppelingsefficiëntie.snelle en nauwkeurige uitlijning van het laserwater, en gestandaardiseerde procescontrolemethoden blijven belangrijke gebieden die innovatie vereisen.

Uitbreiding van de toepasbaarheid van WJGL op ultraharde materialen zoals diamant, kwartsglas, saffier,De verwerking van keramiek en geavanceerde keramiek vereist ook een systematische optimalisatie van verwerkingsparameters en hulptechnieken..

8Conclusies en vooruitzichten

In dit overzicht worden systematisch de principes, mechanismen voor het verwijderen van materiaal en de toepassingsvooruitgang van de waterstraalgeleide lasersnijtechnologie samengevat.Dankzij het unieke interactie-mechanisme laser-water, WJGL maakt het mogelijk om met hoge precisie en weinig schade te bewerken van een breed scala aan moeilijk te verwerken materialen.De Commissie heeft in het kader van haar programma's voor de ontwikkeling van de luchtvaartindustrie in de Europese Unie een aantal initiatieven ondernomen om de verontreiniging van het milieu te verminderen., de vervaardiging van halfgeleiders en de vervaardiging van medische apparatuur.

Hoewel de uitdagingen met betrekking tot de stabiliteit van de straal, de efficiëntie van de energieoverdracht en de complexiteit van de apparatuur blijven bestaan, zijn de voortdurende vooruitgang in de lasertechnologie, de vloeistofcontrole, deHet WJGL-programma is in de eerste plaats gericht op het verbeteren van de prestaties van het WJGL-systeem.Met de voortdurende samenwerking tussen de academische wereld en het bedrijfsleven, is WJGL klaar om een mainstream technologie te worden in ultra-precise productie,ondersteuning van de groeiende vraag van de volgende generatie hightech-industrieën.