Med den raske utviklingen av medisinske, luftfarts-, romfarts-, halvleder- og energifeltene øker ytelseskravene til nøkkelkomponenter stadig, noe som har fremmet fremdriften innen prosesseringsteknologi og utstyr. På disse feltene er valget av komponentskjæreteknologi avgjørende for produktkvalitet og ytelse. Selv om tradisjonell mekanisk skjæring og høytrykksvannskjæringsteknologi er mye brukt, blir laserskjæring etter hvert førstevalget på grunn av fordelene i prosesseffektivitet, presisjon og miljøvennlighet. Laserskjæringsteknologi bestråler materialet direkte gjennom en høyenergilaserstråle for å oppnå høy presisjon og høyeffektiv kutting. Samtidig gir det ikke åpenbar fysisk kontakt under skjæreprosessen, og reduserer dermed forurensning til miljøet og samsvarer med konseptet med grønn produksjon.
Laserskjæringsteknologi har vist sin overlegenhet i mange bruksscenarier. For eksempel, i det medisinske feltet, når landet mitt går inn i et aldrende samfunn, har markedsetterspørselen etter intravaskulære stenter økt, og markedsveksten har overskredet 20 % de siste årene. Laserskjæringsteknologi har potensial til å bli mye brukt i intravaskulær stentbehandling på grunn av sin høye presisjon og tilpasningsevne. Tradisjonell laserskjæring kan imidlertid i noen tilfeller forårsake termisk skade på materialet, som vil danne bittesmå avskum og varmepåvirket lag på overflaten av materialet, og dermed påvirke ytelsen og levetiden til materialet. For å overvinne disse begrensningene har vannstyrt laserskjæringsteknologi dukket opp som en innovativ skjæremetode. Ved å introdusere vannstrøm under laserskjæringsprosessen, kan det effektivt redusere termisk skade og forbedre overflatekvaliteten til det kuttede materialet.
Hva er vannstyrt laser
Vannstyrt laserskjæreteknologi er en innovativ komposittbehandlingsmetode som bruker en vannstråle for å lede laserstrålen for å kutte arbeidsstykket nøyaktig. Kjernen i denne teknologien er å bruke de forskjellige brytningsindekskarakteristikkene til vann og luft. Når laserstrålen rettes mot vann-luft-grensesnittet i en viss vinkel, hvis innfallsvinkelen er mindre enn den kritiske vinkelen for total refleksjon, vil laserstrålen bli fullstendig reflektert og vil ikke trenge gjennom grensesnittet, og dermed sikre at laseren energi begrenses effektivt og overføres i vannstrålen.
Laserstrålen blir først fokusert av en konveks linse og passerer deretter gjennom et kvartsglassvindu inn i det koblede vannhulrommet. Ved å finjustere avstanden mellom fokuseringslinsen og pinhole-dysen, kan det sikres at laserfokuset er nøyaktig plassert i midten av den øvre overflaten av dysen. Deretter går laserstrålen inn i en stabil vannstråle, hvor total refleksjon oppstår på grunn av forskjellen i brytningsindeks, en prosess som ligner forplantningen av lys i en optisk fiber. Under behandlingen styres den fokuserte laserstrålen av en høytrykksvannstråle og overføres direkte til overflaten av arbeidsstykket, og oppnår effektive og presise skjæreresultater.
Fordeler med vannstyrt laser
Vannstrålelaserskjæringsteknologi er en innovativ prosesseringsmetode som kombinerer vannstråler og laserstråler. Den har blitt mye brukt innen presisjonsproduksjon og mikrobearbeiding. Sammenlignet med tradisjonell laserskjæring har vannstyrt laserskjæring flere unike fordeler som gjør den spesielt god i visse bruksscenarier.
For det første er det som kjennetegner vanndrevet laserskjæring at det unngår termisk skade. På grunn av den høye temperaturen kan tradisjonell laserskjæring lett forårsake termisk deformasjon av materialer og skade på mikrostrukturen. Ved vannstyrt laserskjæring avkjøler den utkastede vannstrømmen materialet effektivt under laserpulsgapet, noe som i stor grad reduserer materialets termiske spenning og lar det opprettholde sine opprinnelige fysiske og kjemiske egenskaper.
For det andre har vannfiber en stor arbeidsavstand under drift og krever ikke presis fokusering av laserstrålen som tradisjonell laserskjæring, noe som gir større fleksibilitet for behandling av materialer med komplekse geometrier. Videre fungerer vannstrømmen ikke bare som et kjølemiddel under skjæreprosessen, men tar også bort det smeltede materialet som produseres under skjæreprosessen, og reduserer dermed avsetningen av forurensninger i prosessområdet betydelig, noe som er spesielt viktig for prosessmiljøer med høy krav til renslighet.
I tillegg, fordi vannstyrt laserskjæring kan oppnå høy presisjons fjerning av materialer, er denne teknologien spesielt egnet for behandling av tynnveggede deler, og er overlegen tradisjonelle laserbehandlingsmetoder når det gjelder presisjon og overflatekvalitet. Med den kontinuerlige utviklingen av teknologi, forventes vannstyrt laserskjæring å erstatte tradisjonell laserskjæring på flere felt og bli en mer effektiv og miljøvennlig behandlingsmetode.
Tekniske vanskeligheter og utviklingstrender for vannstyrt laserskjæring
1. Dempingen av laser i vannstråle: Som en avansert prosesseringsmetode som kombinerer vannstråle og laser, har vannstyrt laserskjæringsteknologi vist et unikt potensial innen presisjonsproduksjon. På grunn av den store energidempningen til laser i vann, begrenser dette imidlertid effektiviteten i høyeffektapplikasjoner. Spesielt har laseren med høy effekttetthet i vannstrålen en stor energidempning på grunn av multippel spredning og absorpsjon, noe som resulterer i en reduksjon i prosesseringshastighet. For eksempel, når du skjærer 18 mm tykke karbonfiberkomposittmaterialer, er hastigheten bare 5 mm per minutt, noe som i stor grad begrenser bruken av denne teknologien i behandlingen av tykke materialer. Selv om nåværende forskning har avslørt de grunnleggende prinsippene for laseroverføring i vann, er det fortsatt et teknisk problem som skal løses hvordan man effektivt kan redusere denne dempningen. I fremtiden kan dielektriske materialer med bedre lysledende egenskaper utvikles for å erstatte vannstråler, og dermed forbedre kutteeffektiviteten og prosessanvendbarheten.
2. Utfordringen med vannstråleminiatyrisering: I vannstyrt laserskjæringsteknologi påvirker vannstrålens diameter direkte presisjonen og bredden på skjæringen. Med utviklingen av mikrobearbeidingsteknologi kan diameteren på dysen reduseres til 30 mikron, og dermed oppnå høy presisjonsskjæring. Den videre miniatyriseringen av vannstråler står imidlertid overfor en rekke tekniske utfordringer, inkludert stabiliteten til vannstrålen, den effektive lengden og diameterkontrollen til laserpunktet. Disse problemene påvirker ikke bare kutteeffekten, men stiller også høyere krav til design og produksjon av utstyret. Fremtidig forskning kan fokusere på å optimalisere dysedesignet og væskedynamikken for ytterligere å forbedre skjærenøyaktigheten samtidig som stabiliteten til vannstrålen opprettholdes.
3. Tekniske krav til behandling av dysehull: For å sikre høy kvalitet på vannstyrt laserskjæring, er design og produksjonsnøyaktighet av dysehullet avgjørende. Dysehullet må ha en ekstremt tynn veggtykkelse samtidig som den opprettholder høypresisjonsrundhet og ingen avsmalning for å motstå vannstrømpåvirkning. I tillegg må ruheten til den indre overflaten av hullet kontrolleres på et ekstremt lavt nivå for å sikre stabiliteten og konsistensen til vannstrålen. Disse høye krav designstandardene gjør behandlingen av dysehull ekstremt vanskelig, spesielt i masseproduksjon. Hvordan opprettholde konsistens og nøyaktighet er en nøkkelutfordring for produksjonsindustrien.
4. Kompleksiteten til koblingsjusteringskontrollsystemet: I det vannstyrte laserskjæresystemet påvirker koblings- og innrettingsnøyaktigheten til laserstrålen og vannstrålen direkte skjærekvaliteten. For øyeblikket, selv om høypresisjons servostyringsmekanismer har blitt tatt i bruk, er problemet med rask og nøyaktig kobling av laser og vannstråle ikke fullstendig løst. For å forbedre koblingsnøyaktigheten er det nødvendig å introdusere mer avanserte deteksjons- og kalibreringssystemer, slik som vannstrålefiber og laserfokuserende koblingsdeteksjonssystem, arbeidsstykkeposisjoneringssystem osv. Integrering og optimalisering av disse systemene er nøkkelen til å oppnå vannstyrt laserskjæring med høy presisjon.
5. Utilstrekkelig systematisk prosessforskning: Selv om vannstyrt laserteknologi har vist mange fordeler i teorien, står prosesskontroll fortsatt overfor mange utfordringer i praktiske anvendelser. For tiden mangler industrien en komplett prosessteknologi og evalueringssystem, noe som gjør det vanskelig å opprettholde nøkkelindikatorer som prosesseffektivitet, nøyaktighet og materialoverflateintegritet. Mangelen på denne prosessforskningen gjør tilpasningsevnen til vannstyrt laserskjæringsteknologi dårlig under forskjellige materialer og tykkelsesforhold. Derfor er det nødvendig med mer systematisk prosessforskning i fremtiden for å etablere et omfattende prosessparameterbibliotek og evalueringsstandarder, for å øke det industrielle anvendelsespotensialet til vannstyrt laserteknologi.
