С бързото развитие на медицината, авиацията, космическото пространство, полупроводниците и енергетиката, изискванията за производителност на ключови компоненти непрекъснато се увеличават, което насърчава напредъка на технологията и оборудването за обработка. В тези области изборът на технология за рязане на компоненти е от решаващо значение за качеството и производителността на продукта. Въпреки че традиционното механично рязане и технологиите за рязане с вода под високо налягане са широко използвани, лазерното рязане постепенно се превръща в първия избор поради своите предимства в ефективността на обработката, прецизността и екологичността. Технологията за лазерно рязане директно облъчва материала чрез високоенергиен лазерен лъч, за да се постигне високопрецизно и високоефективно рязане. В същото време той не създава очевиден физически контакт по време на процеса на рязане, като по този начин намалява замърсяването на околната среда и отговаря на концепцията за екологично производство.
Технологията за лазерно рязане е показала своето превъзходство в много сценарии на приложение. Например, в областта на медицината, тъй като моята страна навлиза в едно застаряващо общество, пазарното търсене на интраваскуларни стентове нарасна, а темпът на растеж на пазара надхвърли 20% през последните години. Технологията за лазерно рязане има потенциала да бъде широко използвана при обработката на интраваскуларни стентове поради високата си прецизност и адаптивност. Традиционното лазерно рязане обаче може да причини термично увреждане на материала в някои случаи, което ще образува малка измет и засегнат от топлина слой върху повърхността на материала, като по този начин ще повлияе на производителността и експлоатационния живот на материала. За да се преодолеят тези ограничения, технологията за водно лазерно рязане се появи като иновативен метод на рязане. Чрез въвеждане на воден поток по време на процеса на лазерно рязане, той може ефективно да намали термичните щети и да подобри качеството на повърхността на изрязания материал.
Какво представлява лазерът с водно насочване
Технологията за водно лазерно рязане е иновативен композитен метод за обработка, който използва водна струя за насочване на лазерния лъч за точно рязане на детайла. Ядрото на тази технология е да използва различните характеристики на индекса на пречупване на водата и въздуха. Когато лазерният лъч е насочен към интерфейса вода-въздух под определен ъгъл, ако ъгълът на падане е по-малък от критичния ъгъл на пълно отражение, лазерният лъч ще бъде напълно отразен и няма да проникне през интерфейса, като по този начин се гарантира, че лазерът енергията е ефективно ограничена и предадена във водния лъч.
Лазерният лъч първо се фокусира от изпъкнала леща и след това преминава през прозорец от кварцово стъкло в свързаната водна кухина. Чрез фино регулиране на разстоянието между фокусиращата леща и дюзата с дупка може да се гарантира, че лазерният фокус е точно позициониран в центъра на горната повърхност на дюзата. Впоследствие лазерният лъч навлиза в стабилна водна струя, където се получава пълно отражение поради разликата в индекса на пречупване, процес, подобен на разпространението на светлина в оптично влакно. По време на обработката фокусираният лазерен лъч се насочва от воден лъч под високо налягане и се предава директно към повърхността на детайла, постигайки ефективни и прецизни резултати при рязане.
Предимства на водния лазер
Технологията за лазерно рязане с водна струя е иновативен метод на обработка, който комбинира водни струи и лазерни лъчи. Той е широко използван в областта на прецизното производство и микрообработката. В сравнение с традиционното лазерно рязане водното лазерно рязане има няколко уникални предимства, които го правят особено добро в определени сценарии на приложение.
На първо място, отличителната черта на водното лазерно рязане е, че то избягва термично увреждане. Поради високата температура традиционното лазерно рязане може лесно да причини термична деформация на материалите и увреждане на микроструктурата. При направлявано от вода лазерно рязане, изхвърленият воден поток ефективно охлажда материала по време на пролуката на лазерния импулс, което значително намалява термичния стрес на материала и му позволява да запази първоначалните си физични и химични свойства.
Второ, водното влакно има голямо работно разстояние по време на работа и не изисква прецизно фокусиране на лазерния лъч като традиционното лазерно рязане, което осигурява по-голяма гъвкавост при обработка на материали със сложна геометрия. Освен това водният поток не само действа като охлаждаща течност по време на процеса на рязане, но също така отнема разтопения материал, произведен по време на процеса на рязане, като по този начин значително намалява отлагането на замърсители в зоната на обработка, което е особено важно за среда на обработка с висока изисквания за чистота.
В допълнение, тъй като водното лазерно рязане може да постигне високопрецизно отстраняване на материал, тази технология е особено подходяща за обработка на тънкостенни части и превъзхожда традиционните методи за лазерна обработка по отношение на прецизност и качество на повърхността. С непрекъснатия напредък на технологиите, водното лазерно рязане се очаква да замени традиционното лазерно рязане в повече области и да се превърне в по-ефективен и екологичен метод на обработка.
Технически трудности и тенденции на развитие на лазерно рязане с вода
1. Затихването на лазера във воден лъч: Като усъвършенстван метод на обработка, съчетаващ водна струя и лазер, технологията за водно направлявано лазерно рязане показа уникален потенциал в прецизното производство. Въпреки това, поради голямото затихване на енергията на лазера във вода, това ограничава неговата ефективност при приложения с висока мощност. По-конкретно, лазерът с висока плътност на мощността във водния лъч има голямо затихване на енергията поради многократно разсейване и абсорбция, което води до намаляване на скоростта на обработка. Например, при рязане на композитни материали от въглеродни влакна с дебелина 18 мм, скоростта е само 5 мм в минута, което силно ограничава приложението на тази технология при обработката на дебели материали. Въпреки че настоящите изследвания разкриха основните принципи на лазерното предаване във вода, как ефективно да се намали това затихване все още е технически проблем за разрешаване. В бъдеще могат да бъдат разработени диелектрични материали с по-добри световодни свойства, които да заменят водните лъчи, като по този начин се подобри ефективността на рязане и приложимостта на процеса.
2. Предизвикателството на миниатюризацията на водната струя: В технологията за лазерно рязане с вода, диаметърът на водната струя пряко влияе върху прецизността и ширината на рязане. С развитието на технологията за микрообработка, диаметърът на дюзата може да бъде намален до 30 микрона, като по този начин се постига високо прецизно рязане. По-нататъшното миниатюризиране на водните струи обаче е изправено пред редица технически предизвикателства, включително стабилността на водния лъч, ефективната дължина и контрола на диаметъра на лазерното петно. Тези проблеми не само засягат ефекта на рязане, но също така поставят по-високи изисквания към дизайна и производството на оборудването. Бъдещите изследвания могат да се съсредоточат върху оптимизирането на дизайна на дюзата и динамиката на флуида, за да подобрят допълнително точността на рязане, като същевременно поддържат стабилността на водната струя.
3. Технически изисквания за обработка на отвора на дюзата: За да се осигури високо качество на лазерно рязане с вода, дизайнът и точността на производство на отвора на дюзата са от решаващо значение. Отворът на дюзата трябва да има изключително тънка дебелина на стената, като същевременно поддържа високопрецизна закръгленост и без конусност, за да устои на въздействието на водния поток. В допълнение, грапавостта на вътрешната повърхност на отвора трябва да се контролира на изключително ниско ниво, за да се осигури стабилност и консистенция на водния лъч. Тези високо изисквани стандарти за проектиране правят обработката на отворите на дюзите изключително трудна, особено при масово производство. Как да се поддържа последователност и точност е ключово предизвикателство, пред което е изправена производствената индустрия.
4. Сложност на системата за управление на центровката на съединителя: В системата за лазерно рязане с водно насочване, точността на свързване и центриране на лазерния лъч и водния лъч пряко влияят върху качеството на рязане. Понастоящем, въпреки че са приети високопрецизни механизми за управление на серво задвижване, проблемът с бързото и точно свързване на лазерен и воден лъч не е напълно решен. За да се подобри точността на свързване, е необходимо да се въведат по-усъвършенствани системи за откриване и калибриране, като система за откриване на свързване с влакна с воден лъч и лазерно фокусиране, система за позициониране на детайла и др. Интегрирането и оптимизирането на тези системи са ключът към постигането на високо прецизно лазерно рязане с вода.
5. Недостатъчно систематично изследване на процесите: Въпреки че водно-насочваната лазерна технология е показала много предимства на теория, контролът на процесите все още е изправен пред много предизвикателства в практическите приложения. Понастоящем в индустрията липсва пълна технология за обработка и система за оценка, което затруднява поддържането на ключови показатели като ефективност на обработката, точност и цялост на повърхността на материала. Липсата на това изследване на процеса прави адаптивността на технологията за водно лазерно рязане лоша при различни материали и условия на дебелина. Следователно в бъдеще са необходими по-систематични изследвания на процесите, за да се създаде цялостна библиотека с параметри на процеса и стандарти за оценка, така че да се подобри потенциалът за промишлено приложение на лазерната технология с вода.
