01 Tekniske prinsipper og funksjoner
Det grunnleggende prinsippet for vann-styrt laser er å koble laserstrålen til en mikrovannstråle med høyt-trykk, og lede laseren til overflaten av materialet gjennom vannstrålen. I dette systemet passerer laseren generert av laserkilden først gjennom en serie optiske komponenter (som linser og speil) for kollimering og fokusering, og kombineres deretter med høytrykksvannstrålen gjennom en spesiell dyse. Vannstrålen danner en bitteliten kanal i dysen, og laserstrålen ledes gjennom denne kanalen til overflaten av arbeidsstykket, som vist i figur 1. Fordi brytningsindeksen til vann er forskjellig fra luftens, endres forplantningsbanen til laseren i vann, så det kreves presis optisk design for å sikre stabiliteten og energifokuset til laserstrålen.
Figur 1. Det tekniske prinsippet for vann-styrte lasere.
Høy presisjon: Vann-veiledet laserteknologi kan oppnå prosesseringsnøyaktighet på submillimeter eller til og med mikrometer-nivå. Siden diameteren på vannstrålen er veldig liten, vanligvis bare ti til hundrevis av mikrometer, kan laserstrålen styres nøyaktig til bestemte posisjoner på arbeidsstykket for finskjæring, boring eller gravering. Høy effektivitet: Under den vannstyrte-laserbehandlingen overføres laserstrålen direkte til arbeidsstykkets overflate gjennom vannstrålen, noe som reduserer energitap og spredning i luften. I tillegg gir vannstrålen også kjøle- og spyleeffekter, reduserer effektivt overflatetemperaturen til arbeidsstykket og reduserer den varme-berørte sonen, og forbedrer dermed prosesseringseffektiviteten og kvaliteten. Redusert termisk skade: På grunn av den kjølende effekten av vannstrålen er den varme-påvirkede sonen (HAZ) i vann-veiledet laserbehandling svært liten. Den varmepåvirkede sonen{11} refererer til området på overflaten og inne i arbeidsstykket der termisk deformasjon, skade eller faseendringer oppstår på grunn av varmeledning og stråling under laserbehandling. Den raske avkjølingen av vannstrålen i vann-veiledet laserbehandling fjerner raskt varme fra arbeidsstykkets overflate, og reduserer dermed størrelsen og dybden på den varme-berørte sonen og forhindrer termisk deformasjon og skade på materialet.
Figur 2. (a) SEM-bilder av kuttede seksjoner av titanlegering ved «konvensjonell tørr laserskjæring» og vann-veiledet laserskjæring, (b) sammenligning av kutteflater av CFRP oppnådd ved vann-styrt laser og «konvensjonell tørr laserskjæring».
02 Søknadsfelt
Aerospace Field: Aerospace-feltet har svært høye krav til materialbehandlingspresisjon og kvalitet, og vann-veiledet laserteknologi er mye brukt i dette området. Den kan brukes til å behandle nøkkelkomponenter i romfartsmotorer som blader, turbinskiver og forbrenningskamre, som vanligvis er laget av vanskelige-å-bearbeidede materialer som superlegeringer og titanlegeringer. Vann-styrte lasere kan effektivt kutte og gravere disse materialene samtidig som de sikrer prosesspresisjon og overflatekvalitet, og forbedrer dermed ytelsen og påliteligheten til komponentene. I tillegg kan vann-styrte lasere også brukes til å behandle strukturelle deler av romfartsfartøyer, for eksempel vinger og flykropper, noe som muliggjør maskinering av komplekse former og lette design.
Halvlederfelt: I halvlederproduksjon kan vann-styrte lasere brukes til å kutte halvledermaterialer som silisiumskiver, samt for brikkepakking og testing. Fordi halvledermaterialer krever ekstremt høy prosesseringspresisjon og overflatekvalitet, gjør den høye presisjonen og de lave termiske skadeegenskapene til vannstyrte lasere dem til et ideelt prosesseringsverktøy. De kan oppnå finskjæring av silisiumskiver, unngå sprekker og skader, og dermed forbedre utbyttet og ytelsen til flis. I tillegg kan vann-styrte lasere brukes til mikro-behandling av halvlederenheter, for eksempel fabrikasjon av mikroelektroniske komponenter og etsing av mikrokretser, noe som gir maskineringspresisjon på mikrometer- eller til og med nanometernivå.
Nytt energifelt: I den nye energisektoren kan-vannstyrte lasere brukes til å behandle nøkkelkomponenter i nye energienheter som solcellepaneler og brenselceller. For eksempel, ved produksjon av solcellepaneler kan vann-styrte lasere brukes til å kutte silisiumskiver og etse elektrodemønstre på overflaten av solceller, noe som forbedrer solcellekonverteringseffektiviteten og ytelsen til panelene. I brenselcelleproduksjon kan vann-styrte lasere behandle komponenter som membranelektrodeenheter og bipolare plater, noe som muliggjør høy-skjæring og gravering, og dermed forbedre ytelsen og levetiden til brenselceller.
Figur 3. Bruk av vann-styrte lasere.
03 Utfordringer og problemer som vann-veiledede lasere står overfor
Stabilitet til vannstrålen: Under vann-veiledet laserbehandling kan den høyhastighets-strømmende vannstrålen bli ustabil, noe som kan påvirke kvaliteten på behandlingen. For eksempel, under skjæring, kan svingninger i vannstrålen forårsake avvik i skjærelinjen eller øke overflateruheten, noe som påvirker både maskineringsnøyaktighet og overflatekvalitet. For å sikre stabiliteten til vannstrålen, er det nødvendig å optimalisere vannstrålekontrollsystemet slik at det kan opprettholde en stabil tilstand gjennom hele behandlingen.
Laser-Vannkoblingseffektivitet: Koblingseffektiviteten mellom laserstrålen og vannstrålen påvirker prosesseringsresultatene direkte. Hvis koblingseffektiviteten er lav, vil laserenergitapet i vannstrålen øke, noe som reduserer både prosesseringseffektivitet og kvalitet.
Tekniske krav for dysehull: For å sikre høy-kvalitetsvann-veiledet laserbehandling, er design- og produksjonspresisjonen til dysehullet avgjørende. Dysehullet må ha ekstremt tynne vegger samtidig som det opprettholder høy presisjon i rundhet og null avsmalning for å tåle påvirkningen fra vannstrømmen. I tillegg må ruheten til hullets indre overflate holdes ekstremt lav for å sikre stabiliteten og konsistensen til vannstrålen.
Miljøtilpasningsevne: Vannstyrt-laserbehandlingsutstyr har høye miljøkrav. Driften av utstyret krever for eksempel en stabil strømforsyning, rent vann og et konstant temperatur- og fuktighetsmiljø. I miljøer med dårlige forhold, som store temperatursvingninger, høy luftfuktighet eller ustabil strømforsyning, kan utstyrets ytelse forringes eller til og med svikte. I tillegg kan faktorer som støv og vibrasjoner i miljøet forstyrre behandlingen, og påvirke maskineringsnøyaktigheten og kvaliteten. Derfor, i praktiske applikasjoner, er streng kontroll og styring av utstyrets driftsmiljø nødvendig.
04 Nåværende utviklingsstatus for industrien i inn- og utland
Med den kontinuerlige utviklingen av laserpresisjonsbehandlingsteknologi og den økende markedsetterspørselen, utvikles og forbedres vannveiledet laserbehandlingsteknologi også kontinuerlig.- Internasjonalt anerkjente ledende produsenter av-veiledet laserutstyr inkluderer hovedsakelig to selskaper: Sveits Synova og Avonisys. For tiden, blant bedrifter med veiledet laserbehandlingsutstyr for husholdningsvann-, inkluderer de som utvikler seg relativt raskt blant annet Wot Intelligent Manufacturing, Cosset og Shanghai Lengchen Technology. Noen andre selskaper bruker tilnærmingen med å direkte introdusere relaterte utenlandske teknologier og deretter sette sammen og produsere dem innenlands mens de optimerer produktene sine. Selv om dette raskt kan fylle teknologiske hull og redusere FoU-kostnader og -tid på kort sikt, er det fortsatt visse problemer på lang sikt, som avhengighet av utenlandske kjerneteknologier, ubalanserte FoU-investeringer og spilloverrisiko i industrikjeden. Forfatteren mener at en positiv syklus av 'introduksjon-absorpsjon-overgår' bør etableres. Den gode nyheten er at det nå er innenlandske selskaper som er i stand til å tilby kommersielt utstyr med 100 % lokalt produserte komponenter. Med transformasjonen og oppgraderingen av Kinas produksjonsindustri, vil vann-veiledet laserprosesseringsteknologi spille en viktigere rolle i{14}}avgrenset produksjon, spesielt innen nye energikjøretøyer, romfart og produksjon av{15}}av høyteknologisk utstyr. Anvendelsen av-vannveiledet laserteknologi vil drive teknologisk innovasjon og produktoppgradering i disse bransjene.
