水導(dǎo)激光:完美的精密加工技術(shù)

      來(lái)源:中科煜宸  作者:中科煜宸  時(shí)間:2024-07-18 10:25:53  已閱:0

      隨著制造業(yè)對(duì)高精度、高效率加工技術(shù)需求的不斷增長(zhǎng),水導(dǎo)激光加工技術(shù)的市場(chǎng)潛力逐漸顯現(xiàn)。在航空航天、電子制造、醫(yī)療器械和汽車(chē)工業(yè)等高端制造領(lǐng)域,對(duì)材料的加工質(zhì)量和精度要求極高,傳統(tǒng)加工方法難以滿(mǎn)足這些需求,而水導(dǎo)激光加工技術(shù)則憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),成為解決這些問(wèn)題的理想選擇。傳統(tǒng)激光加工還存在一些局限性,如熱影響區(qū)大、對(duì)高反射材料和熱敏感材料加工效果不佳等問(wèn)題。為了克服這些問(wèn)題,研究人員嘗試將高速水射流引入激光加工過(guò)程,形成了水導(dǎo)激光技術(shù)。這一技術(shù)利用水射流作為激光束的導(dǎo)向介質(zhì)和冷卻介質(zhì),提高了加工質(zhì)量和材料適應(yīng)性。水導(dǎo)激光加工技術(shù)通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)激光加工和水射流切割技術(shù)的改進(jìn)和創(chuàng)新,以其高能量密度和高精度的特點(diǎn),在制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。


      水導(dǎo)激光原理

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      圖1 水導(dǎo)激光的加工特性


      如圖1所示,水導(dǎo)激光的基本概念是利用水作為導(dǎo)光介質(zhì)來(lái)傳輸激光。傳統(tǒng)的光纖通常由玻璃或塑料制成,內(nèi)部通過(guò)全內(nèi)反射來(lái)傳導(dǎo)光。而水導(dǎo)激光系統(tǒng)則利用水的特殊光學(xué)特性,特別是其對(duì)特定波長(zhǎng)激光的高透明度和低損耗特性。光在介質(zhì)中傳播時(shí),當(dāng)光從高折射率介質(zhì)進(jìn)入低折射率介質(zhì)時(shí),如果入射角大于某一臨界角,光將會(huì)在界面發(fā)生全內(nèi)反射。傳統(tǒng)光纖即利用此原理,通過(guò)玻璃纖維內(nèi)外層折射率的差異,使光在纖維內(nèi)部多次反射而傳輸。水導(dǎo)激光則利用水的折射率(約為1.33)與周?chē)諝獾恼凵渎剩s為1.0)的差異,同樣可以實(shí)現(xiàn)全內(nèi)反射。這樣,激光可以在水中沿著特定路徑傳輸,類(lèi)似于光纖中的光傳播。


      形成微水射流的噴嘴結(jié)構(gòu)

      圖2 形成微水射流的噴嘴結(jié)構(gòu)。(a)縮流示意圖;(b)毛細(xì)型噴嘴;(c)錐形噴嘴;(d)上錐形噴嘴;(e)下錐形噴嘴


      圖2為不同形狀噴嘴下的水射流狀態(tài),為了將激光耦合到水中,以合適的角度射入水流中,確保光在水流與空氣的界面發(fā)生全內(nèi)反射。在傳輸過(guò)程中,水導(dǎo)激光系統(tǒng)必須保持穩(wěn)定的水流形態(tài),以確保激光的持續(xù)傳輸和聚焦。由于水流的穩(wěn)定性和形態(tài)控制是關(guān)鍵,因此通常需要精密的控制系統(tǒng)來(lái)保持水流的穩(wěn)定和均勻,因此噴嘴極為重要。另外水對(duì)不同波長(zhǎng)的光具有不同的吸收和散射特性,在可見(jiàn)光和近紅外波段,水的吸收相對(duì)較低,這使得水導(dǎo)激光在這些波段內(nèi)具有良好的傳輸性能。此外,水的散射特性也較低,有助于減少激光傳輸過(guò)程中的損耗。然而,水對(duì)遠(yuǎn)紅外和紫外波段的光吸收較強(qiáng),因此水導(dǎo)激光主要應(yīng)用于可見(jiàn)光和近紅外波段。


      水導(dǎo)激光加工優(yōu)勢(shì)

      傳統(tǒng)加工方式主要包括機(jī)械加工、熱切割和傳統(tǒng)激光切割等。這些加工方式或多或少的在精度、效率和對(duì)材料的影響方面存在一定的局限性。例如,機(jī)械加工雖然廣泛應(yīng)用于各種材料的加工,但由于刀具的磨損和接觸式加工方式,容易引起材料表面的微觀損傷和熱變形,限制了加工精度和表面質(zhì)量。此外,熱切割方式如等離子切割和火焰切割,雖然能夠快速切割厚材料,但其高溫處理過(guò)程容易導(dǎo)致材料的熱影響區(qū)增大,產(chǎn)生熱應(yīng)力和微裂紋,降低了成品的機(jī)械性能和耐用性。


      常規(guī)激光與水導(dǎo)激光加工對(duì)比.png

      圖3 傳統(tǒng)激光加工與水導(dǎo)激光加工特點(diǎn)比對(duì)


      同時(shí)水導(dǎo)激光加工技術(shù)相較于傳統(tǒng)激光加工具有顯著的優(yōu)勢(shì)。如圖3所示,水導(dǎo)激光利用水作為傳導(dǎo)介質(zhì),能夠有效地冷卻加工區(qū)域,減少熱影響區(qū),從而避免材料變形和微裂紋的產(chǎn)生,提高加工精度和質(zhì)量(圖4)。


      典型切割打孔加工技術(shù)特點(diǎn)比較

      圖4 典型切割打孔加工技術(shù)特點(diǎn)比較


      相較之下,水導(dǎo)激光加工技術(shù)結(jié)合了水和激光的雙重優(yōu)點(diǎn),克服了傳統(tǒng)加工方式的諸多短板。首先,水導(dǎo)激光通過(guò)水流引導(dǎo)激光束的傳輸,有效地冷卻加工區(qū)域,顯著減少了熱影響區(qū)。這種冷卻效果不僅防止了材料因高溫而變形,還減少了熱應(yīng)力和微裂紋的產(chǎn)生,提高了加工件的機(jī)械性能和表面質(zhì)量。科學(xué)研究表明,水的高比熱容使其在激光加工過(guò)程中能迅速吸收和散熱,有效保護(hù)了加工區(qū)域的材料特性。

      其次,水導(dǎo)激光加工技術(shù)利用水的光學(xué)特性,增強(qiáng)了激光束的聚焦能力和能量密度。水的導(dǎo)光性和折射率特性使得激光束在水中能保持穩(wěn)定的傳輸路徑,避免了在空氣中傳輸時(shí)的能量散射和損失。這不僅提高了加工效率,還使得加工過(guò)程更加精準(zhǔn),能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜和精細(xì)的切割和打孔操作。

      此外,水導(dǎo)激光還具有環(huán)保和安全的優(yōu)勢(shì)。加工過(guò)程中,水介質(zhì)能夠有效捕捉和帶走產(chǎn)生的煙塵、碎屑和有害氣體,減少了對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)操作人員的健康危害。相比傳統(tǒng)加工方式中常見(jiàn)的高溫?zé)熿F和金屬粉塵,水導(dǎo)激光的濕式操作環(huán)境顯得更加清潔和安全。


      水導(dǎo)激光應(yīng)用領(lǐng)域


      1. 航空航天

      在航空航天領(lǐng)域,材料通常具有高強(qiáng)度、高硬度和高耐熱性,例如鈦合金、鎳基合金、CFRP、CMC以及陶瓷材料等。傳統(tǒng)加工方法難以同時(shí)滿(mǎn)足精度和效率的要求,而水導(dǎo)激光加工技術(shù)則憑借其高能量密度和精細(xì)冷卻效果優(yōu)勢(shì),能夠精確切割和加工這些高性能材料,減少熱影響區(qū),防止材料變形和性能劣化,從而確保零部件的質(zhì)量和可靠性。


      水導(dǎo)激光在航空航天領(lǐng)域上的應(yīng)用.png

      圖5 水導(dǎo)激光在航空航天領(lǐng)域上的應(yīng)用

      水導(dǎo)激光在航空航天零部件上的應(yīng)用.png

      表1 水導(dǎo)激光在航空航天零部件上的應(yīng)用



      2.醫(yī)療器械

      醫(yī)療器械的制造要求極高的精度和潔凈度,如微創(chuàng)手術(shù)工具、植入物和診斷治療裝置等。水導(dǎo)激光加工技術(shù)通過(guò)水流冷卻和清潔加工表面,避免了傳統(tǒng)激光加工中可能產(chǎn)生的熱損傷和表面污染,確保了器械的精度和生物相容性。此外,水導(dǎo)激光能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜幾何形狀的精密加工,滿(mǎn)足個(gè)性化醫(yī)療器械的需求。


      水導(dǎo)激光在醫(yī)療器械上的應(yīng)用.png

      圖6 水導(dǎo)激光在醫(yī)療器械上的應(yīng)用

      水導(dǎo)激光在醫(yī)療器械零部件的應(yīng)用.png

      表2 水導(dǎo)激光在醫(yī)療器械零部件的應(yīng)用


      3.電子產(chǎn)品

      在電子行業(yè),尤其是微電子和半導(dǎo)體制造中,水導(dǎo)激光加工技術(shù)以其精確度和無(wú)熱損傷的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于硅片切割、芯片封裝和微結(jié)構(gòu)加工。水的冷卻作用減少了激光加工過(guò)程中的熱效應(yīng),防止了微電子元件的熱損壞,提高了產(chǎn)品的可靠性和性能。


      水導(dǎo)激光在電子產(chǎn)品上的應(yīng)用.png

      圖7 水導(dǎo)激光在電子產(chǎn)品上的應(yīng)用

      水導(dǎo)激光在電子產(chǎn)品零部件上的應(yīng)用.png

      表3 水導(dǎo)激光在電子產(chǎn)品零部件上的應(yīng)用


      4.金剛石加工

      水導(dǎo)激光技術(shù)在加工金剛石零部件方面具有顯著的優(yōu)勢(shì),包括高精度、低熱影響、無(wú)機(jī)械應(yīng)力、高效切割和打孔、優(yōu)良的邊緣和表面質(zhì)量、多樣化加工能力以及環(huán)保清潔加工。這些優(yōu)勢(shì)使水導(dǎo)激光成為金剛石加工領(lǐng)域的理想選擇,相較于傳統(tǒng)機(jī)械加工和其他激光加工方式,水導(dǎo)激光在保持材料完整性和提高加工質(zhì)量方面表現(xiàn)得更加出色。


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      圖8 水導(dǎo)激光在金剛石領(lǐng)域的應(yīng)用

      水導(dǎo)激光在金剛石零部件的應(yīng)用.png

      表4 水導(dǎo)激光在金剛石零部件的應(yīng)用




      中科煜宸激光--水導(dǎo)激光加工技術(shù)

      南京中科煜宸激光技術(shù)有限公司成立于2013年,專(zhuān)注于激光智能制造裝備及工藝領(lǐng)域11年,已交付激光加工類(lèi)設(shè)備400余套,是一家以增材制造、水導(dǎo)激光、激光焊接、激光核心器件研發(fā)與生產(chǎn)為主營(yíng)業(yè)務(wù)的國(guó)家級(jí)高新技術(shù)企業(yè)。

      中科煜宸立足于自主創(chuàng)新,致力于推進(jìn)先進(jìn)水導(dǎo)激光設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)和本土化服務(wù),現(xiàn)已發(fā)布五款(RJ系列:RJ203、RJ205、RJ305、RJ505、RJ1005)標(biāo)準(zhǔn)型水導(dǎo)激光加工設(shè)備,覆蓋了科研、航空航天和一般工業(yè)市場(chǎng)上主流的小、中、大型零件的加工能力。

      中科煜宸提供水導(dǎo)激光加工服務(wù)全流程解決方案,已與國(guó)內(nèi)數(shù)百家客戶(hù)建立了水導(dǎo)激光加工服務(wù)合作,工藝團(tuán)隊(duì)通過(guò)近三年的工藝開(kāi)發(fā)和積累,已建立多金屬(鋁合金、不銹鋼、鈦合金、高溫合金、銅合金)、復(fù)合材料(CFRP、CMC)、帶熱障涂層的單晶高溫合金(TBC)、半導(dǎo)體/陶瓷(SIC、ALN、ZrO2、SIN)、金剛石以及多種脆硬材料(磁鋼、鎢鋼)等材料的工藝數(shù)據(jù)庫(kù),先后突破金屬表面粗糙度質(zhì)量提升和高效加工、復(fù)合材料無(wú)燒蝕高效加工、熱障涂層大傾角和深徑比微孔高效加工、大深度金剛石切片、大深度磁鋼和陶瓷高效切割等多項(xiàng)技術(shù)難題。

      圖9  RJ系列水導(dǎo)激光加工裝備