01 Технически принципи и характеристики
Основният принцип на водно{0}}насочвания лазер е свързването на лазерния лъч в микроводна струя под високо-налягане и насочването на лазера към повърхността на материала през водната струя. В тази система лазерът, генериран от лазерния източник, първо преминава през поредица от оптични компоненти (като лещи и огледала) за колимация и фокусиране и след това се комбинира с водната струя под високо-налягане през специална дюза. Водната струя образува малък канал в дюзата и лазерният лъч се насочва през този канал към повърхността на детайла, както е показано на Фигура 1. Тъй като индексът на пречупване на водата е различен от този на въздуха, пътят на разпространение на лазера във водата се променя, така че е необходим прецизен оптичен дизайн, за да се гарантира стабилността и енергийният фокус на лазерния лъч.
Фигура 1. Технически принцип на-водни лазери.
Висока прецизност: лазерната-водна технология може да постигне субмилиметрова или дори микрометрова{1}}прецизност на обработка. Тъй като диаметърът на водната струя е много малък, обикновено само десетки до стотици микрометри, лазерният лъч може да бъде прецизно насочен към определени позиции върху детайла за операции по фино рязане, пробиване или гравиране. Висока ефективност: По време на-водната лазерна обработка, лазерният лъч се предава директно към повърхността на детайла през водната струя, намалявайки загубата на енергия и разпръскването във въздуха. В допълнение, водната струя също осигурява охлаждащ и промиващ ефект, като ефективно понижава температурата на повърхността на обработвания детайл и намалява засегнатата от топлина-зона, като по този начин подобрява ефективността и качеството на обработката. Намалени термични щети: Поради охлаждащия ефект на водната струя, засегнатата от топлина-зона (HAZ) при-водно лазерно обработване е много малка. Засегнатата от топлина-зона се отнася до зоната на повърхността и вътре в детайла, където възникват термична деформация, повреда или фазови промени поради топлинна проводимост и радиация по време на лазерна обработка. Бързото охлаждане на водната струя при-управлявана лазерна обработка бързо премахва топлината от повърхността на обработвания детайл, като по този начин намалява размера и дълбочината на засегнатата от топлина-зона и предотвратява термична деформация и повреда на материала.
Фигура 2. (a) SEM изображения на изрязани секции от титанова сплав чрез „конвенционално сухо лазерно“ рязане и водно{1}}насочвано лазерно рязане, (b) сравнение на срязани повърхности на CFRP, получени чрез водно-насочвано лазерно рязане и „конвенционално сухо лазерно“ рязане.
02 Полета за приложение
Аерокосмическа област: Аерокосмическата област има много високи изисквания за прецизност и качество на обработката на материалите и лазерната-водна технология се използва широко в тази област. Може да се използва за обработка на ключови компоненти на аерокосмически двигатели като лопатки, турбинни дискове и горивни камери, които обикновено са направени от трудни-за-обработка материали като суперсплави и титанови сплави. Насочваните-водни лазери могат ефективно да режат и гравират тези материали, като същевременно гарантират прецизност на обработката и качество на повърхността, като по този начин подобряват производителността и надеждността на компонентите. В допълнение, водните -насочвани лазери могат също да се използват за обработка на структурни части на аерокосмически превозни средства, като крила и фюзелажи, което позволява машинната обработка на сложни форми и леки конструкции.
Област на полупроводниците: В производството на полупроводници водните -лазери могат да се използват за рязане на полупроводникови материали като силициеви пластини, както и за опаковане и тестване на чипове. Тъй като полупроводниковите материали изискват изключително висока прецизност на обработка и качество на повърхността, характеристиките с висока прецизност и ниско термично увреждане на водните -насочвани лазери ги правят идеален инструмент за обработка. Те могат да постигнат фино рязане на силициеви пластини, като избягват пукнатини и повреди, като по този начин подобряват добива и производителността на чиповете. Освен това водните -насочвани лазери могат да се използват за микро-обработващи полупроводникови устройства, като например производството на микроелектронни компоненти и ецването на микросхеми, осигурявайки прецизност на обработката на ниво микрометър или дори нанометър.
Ново енергийно поле: В новия енергиен сектор водните-насочвани лазери могат да се използват за обработка на ключови компоненти на нови енергийни устройства, като слънчеви панели и горивни клетки. Например, при производството на слънчеви панели водните -насочвани лазери могат да се използват за изрязване на силициеви пластини и ецване на електродни шарки върху повърхността на слънчевите клетки, повишавайки ефективността на фотоволтаичното преобразуване и производителността на панелите. При производството на горивни клетки водните-насочвани лазери могат да обработват компоненти като мембранни електродни модули и биполярни плочи, позволявайки високо-прецизно рязане и гравиране, като по този начин подобряват производителността и продължителността на живота на горивните клетки.
Фигура 3. Приложения на-водни лазери.
03 Предизвикателства и проблеми, пред които са изправени водните-насочвани лазери
Стабилност на водната струя: По време на-водна лазерна обработка, високо-скоростната течаща водна струя може да стане нестабилна, което може да повлияе на качеството на обработката. Например, по време на рязане, колебанията във водната струя могат да причинят отклонения в линията на рязане или да увеличат грапавостта на повърхността, оказвайки влияние както върху точността на обработка, така и върху качеството на повърхността. За да се гарантира стабилността на водната струя, е необходимо да се оптимизира системата за управление на водната струя, така че да може да поддържа стабилно състояние по време на обработката.
Лазерна{0}}ефективност на свързване на водата: Ефективността на свързване между лазерния лъч и водната струя пряко влияе върху резултатите от обработката. Ако ефективността на свързване е ниска, загубата на лазерна енергия във водната струя ще се увеличи, намалявайки както ефективността, така и качеството на обработката.
Технически изисквания за отворите на дюзите: За да се осигури високо{0}}качествена-водна лазерна обработка, дизайнът и производствената прецизност на отвора на дюзата са критични. Отворът на дюзата трябва да има изключително тънки стени, като същевременно поддържа висока прецизност на заоблеността и нулева конусност, за да издържи на въздействието на водния поток. Освен това, грапавостта на вътрешната повърхност на отвора трябва да се поддържа изключително ниска, за да се гарантира стабилността и консистенцията на водната струя.
Адаптивност към околната среда: Оборудването за-водна лазерна обработка има високи екологични изисквания. Например работата на оборудването изисква стабилно захранване, чиста вода и постоянна температура и влажност на околната среда. В среда с лоши условия, като големи температурни колебания, висока влажност или нестабилно захранване, работата на оборудването може да се влоши или дори да се повреди. Освен това фактори като прах и вибрации в околната среда могат да попречат на обработката, като повлияят на точността и качеството на обработката. Следователно, в практическите приложения са необходими строг контрол и управление на работната среда на оборудването.
04 Текущо състояние на развитие на индустрията у нас и в чужбина
С непрекъснатия напредък на технологията за лазерна прецизна обработка и нарастващото търсене на пазара, технологията за-водна лазерна обработка също непрекъснато се развива и подобрява. Международно признатите водещи производители на-водно лазерно оборудване включват главно две компании: швейцарската Synova и Avonisys. Понастоящем сред компаниите за лазерно-оборудване за битова вода, тези, които се развиват относително бързо, включват Wot Intelligent Manufacturing, Cosset и Shanghai Lengchen Technology, наред с други. Някои други компании възприемат подхода на директно въвеждане на свързани чуждестранни технологии и след това ги сглобяват и произвеждат на вътрешния пазар, докато оптимизират своите продукти. Въпреки че това може бързо да запълни технологичните пропуски и да намали разходите и времето за научноизследователска и развойна дейност в краткосрочен план, все още има определени проблеми в дългосрочен план, като зависимост от чужди основни технологии, небалансирани инвестиции в научноизследователска и развойна дейност и рискове от разпространение в индустриалната верига. Авторът смята, че трябва да се установи положителен цикъл на „въведение-усвояване-надминаване“. Добрата новина е, че вече има местни компании, способни да предоставят търговско оборудване със 100% местно произведени компоненти. С трансформацията и надграждането на производствената индустрия в Китай технологията за-управлявана лазерна обработка с вода ще играе по-важна роля в-производството от висок клас, особено в производството на нови енергийни превозни средства, космическото пространство и-производството на оборудване от висок клас. Прилагането на-водна лазерна технология ще стимулира технологичните иновации и надграждането на продуктите в тези отрасли.
