01 Tehniskie principi un īpašības
Ūdens{0}}vadītā lāzera pamatprincips ir savienot lāzera staru augsta spiediena-mikroūdens strūklā un vadīt lāzeru uz materiāla virsmu caur ūdens strūklu. Šajā sistēmā lāzera avota radītais lāzers vispirms iziet cauri vairākiem optiskiem komponentiem (piemēram, lēcām un spoguļiem), lai veiktu kolimāciju un fokusēšanu, un pēc tam tiek apvienots ar augstspiediena ūdens strūklu, izmantojot īpašu sprauslu. Ūdens strūkla veido niecīgu kanālu sprauslā, un lāzera stars tiek virzīts pa šo kanālu uz apstrādājamās detaļas virsmu, kā parādīts 1. attēlā. Tā kā ūdens laušanas koeficients atšķiras no gaisa, lāzera izplatīšanās ceļš ūdenī mainās, tāpēc ir nepieciešams precīzs optiskais dizains, lai nodrošinātu lāzera stara stabilitāti un enerģijas fokusu.
1. attēls. Ūdens{1}}vadāmo lāzeru tehniskais princips.
Augsta precizitāte: ar ūdeni{0}}vadāma lāzera tehnoloģija var sasniegt submilimetra vai pat mikrometra{1}}līmeņa apstrādes precizitāti. Tā kā ūdens strūklas diametrs ir ļoti mazs, parasti tikai no desmitiem līdz simtiem mikrometru, lāzera staru var precīzi virzīt uz noteiktām sagataves pozīcijām, lai veiktu smalkas griešanas, urbšanas vai gravēšanas darbības. Augsta efektivitāte: lāzera apstrādes ar ūdeni{4}}vadības laikā lāzera stars caur ūdens strūklu tiek pārraidīts tieši uz sagataves virsmu, samazinot enerģijas zudumus un izkliedi gaisā. Turklāt ūdens strūkla nodrošina arī dzesēšanas un skalošanas efektus, efektīvi pazeminot sagataves virsmas temperatūru un samazinot siltuma -ietekmēto zonu, tādējādi uzlabojot apstrādes efektivitāti un kvalitāti. Samazināti termiskie bojājumi: ūdens strūklas atvēsinošās iedarbības dēļ siltuma -ietekmētā zona (HAZ) ūdens-vadītā lāzerapstrādē ir ļoti maza. Siltuma -ietekmētā zona attiecas uz apstrādājamā priekšmeta virsmas un iekšpuses laukumu, kurā lāzera apstrādes laikā rodas termiskā deformācija, bojājumi vai fāzes izmaiņas siltuma vadīšanas un starojuma dēļ. Ātrā ūdens strūklas dzesēšana ūdens{13}}vadītā lāzerapstrādē ātri noņem siltumu no sagataves virsmas, tādējādi samazinot siltuma ietekmētās zonas izmēru un dziļumu un novēršot termisko deformāciju un materiāla bojājumus.
2. attēls. (a) SEM attēli no titāna sakausējuma grieztām sekcijām, izmantojot “parasto sauso lāzergriešanu” un ūdens-vadāmo lāzergriešanu, (b) CFRP griezto virsmu salīdzinājums, kas iegūts ar ūdens-vadāmo lāzeru un “parasto sauso lāzergriešanu”.
02 Lietojumprogrammas lauki
Aviācijas un kosmosa lauks: aviācijas un kosmosa nozarei ir ļoti augstas prasības materiālu apstrādes precizitātei un kvalitātei, un šajā jomā plaši tiek izmantota ūdens{0}}vadāmā lāzera tehnoloģija. To var izmantot, lai apstrādātu aviācijas un kosmosa dzinēju galvenos komponentus, piemēram, lāpstiņas, turbīnu diskus un sadegšanas kameras, kuras parasti ir izgatavotas no grūti{2}}apstrādājamiem-materiāliem, piemēram, supersakausējumiem un titāna sakausējumiem. Ar ūdeni{5}}vadāmi lāzeri var efektīvi griezt un iegravēt šos materiālus, vienlaikus nodrošinot apstrādes precizitāti un virsmas kvalitāti, tādējādi uzlabojot komponentu veiktspēju un uzticamību. Turklāt ar ūdeni{7}}vadāmus lāzerus var izmantot arī kosmosa transportlīdzekļu strukturālo daļu, piemēram, spārnu un fizelāžu, apstrādei, ļaujot apstrādāt sarežģītas formas un vieglas konstrukcijas.
Pusvadītāju lauks: pusvadītāju ražošanā ar ūdeni{0}}vadāmus lāzerus var izmantot pusvadītāju materiālu, piemēram, silīcija plāksnīšu, griešanai, kā arī mikroshēmu iepakošanai un testēšanai. Tā kā pusvadītāju materiāliem ir nepieciešama ārkārtīgi augsta apstrādes precizitāte un virsmas kvalitāte, ar ūdeni vadāmo lāzeru augstās precizitātes un zemās termiskās bojājumu īpašības padara tos par ideālu apstrādes rīku. Ar tiem var panākt smalku silīcija vafeļu griešanu, izvairoties no plaisām un bojājumiem, tādējādi uzlabojot skaidu ražu un veiktspēju. Turklāt ar ūdeni{5}}vadāmus lāzerus var izmantot pusvadītāju ierīču mikro-apstrādei, piemēram, mikroelektronisko komponentu izgatavošanai un mikroshēmu kodināšanai, nodrošinot apstrādes precizitāti mikrometru vai pat nanometru līmenī.
Jauns enerģijas lauks: jaunajā enerģētikas sektorā ar ūdeni{0}}vadāmus lāzerus var izmantot, lai apstrādātu galvenos jaunu enerģijas ierīču komponentus, piemēram, saules paneļus un kurināmā elementus. Piemēram, saules bateriju paneļu ražošanā ar ūdeni -vadāmus lāzerus var izmantot, lai grieztu silīcija plāksnes un iegravētu elektrodu rakstus uz saules bateriju virsmas, tādējādi uzlabojot paneļu fotoelementu pārveidošanas efektivitāti un veiktspēju. Kurināmā elementu ražošanā ar ūdeni{4}}vadāmi lāzeri var apstrādāt tādus komponentus kā membrānas elektrodu komplekti un bipolārās plāksnes, nodrošinot augstas-precizitātes griešanu un gravēšanu, tādējādi uzlabojot kurināmā elementu veiktspēju un kalpošanas laiku.
3. attēls. Ūdens-vadāmo lāzeru pielietojumi.
03 Izaicinājumi un problēmas, ar kurām saskaras ūdens{1}}vadāmie lāzeri
Ūdens strūklas stabilitāte: veicot ar ūdeni{0}}vadāmu lāzera apstrādi, ātrgaitas-ūdens strūkla var kļūt nestabila, kas var ietekmēt apstrādes kvalitāti. Piemēram, griešanas laikā ūdens strūklas svārstības var izraisīt novirzes griešanas līnijā vai palielināt virsmas raupjumu, ietekmējot gan apstrādes precizitāti, gan virsmas kvalitāti. Lai nodrošinātu ūdens strūklas stabilitāti, ir nepieciešams optimizēt ūdens strūklas vadības sistēmu, lai tā varētu uzturēt stabilu stāvokli visā apstrādes laikā.
Lāzera-ūdens savienojuma efektivitāte: savienojuma efektivitāte starp lāzera staru un ūdens strūklu tieši ietekmē apstrādes rezultātus. Ja savienojuma efektivitāte ir zema, palielināsies lāzera enerģijas zudumi ūdens strūklā, samazinot gan apstrādes efektivitāti, gan kvalitāti.
Sprauslu caurumu tehniskās prasības: lai nodrošinātu augstas kvalitātes -ūdens-vadāmu lāzerapstrādi, sprauslas atveres konstrukcija un izgatavošanas precizitāte ir ļoti svarīga. Sprauslas caurumam jābūt ar īpaši plānām sienām, vienlaikus saglabājot augstu apaļuma precizitāti un nulles konusu, lai izturētu ūdens plūsmas ietekmi. Turklāt urbuma iekšējās virsmas nelīdzenumam jābūt ārkārtīgi zemam, lai nodrošinātu ūdens strūklas stabilitāti un konsistenci.
Pielāgošanās videi: ar ūdeni{0}}vadāmām lāzera apstrādes iekārtām ir augstas vides prasības. Piemēram, iekārtas darbībai ir nepieciešama stabila strāvas padeve, tīrs ūdens un pastāvīga temperatūras un mitruma vide. Vidēs ar sliktiem apstākļiem, piemēram, lielām temperatūras svārstībām, augstu mitruma līmeni vai nestabilu strāvas padevi, iekārtas veiktspēja var pasliktināties vai pat sabojāties. Turklāt tādi faktori kā putekļi un vibrācija vidē var traucēt apstrādi, ietekmējot apstrādes precizitāti un kvalitāti. Tāpēc praktiskajos lietojumos ir nepieciešama stingra iekārtu darbības vides kontrole un pārvaldība.
04 Pašreizējais nozares attīstības stāvoklis mājās un ārzemēs
Nepārtraukti pilnveidojoties lāzera precīzās apstrādes tehnoloģijai un pieaugot tirgus pieprasījumam, nepārtraukti attīstās un pilnveidojas arī ūdens{0}}vadāmā lāzera apstrādes tehnoloģija. Starptautiski atzītie vadošie ūdens-vadāmo lāzeriekārtu ražotāji galvenokārt ir divi uzņēmumi: Šveices Synova un Avonisys. Pašlaik starp sadzīves ūdens-vadāmās lāzerapstrādes iekārtu uzņēmumiem, kas attīstās salīdzinoši ātri, cita starpā ir Wot Intelligent Manufacturing, Cosset un Shanghai Lengchen Technology. Daži citi uzņēmumi izmanto pieeju, kas tieši ievieš saistītās ārvalstu tehnoloģijas un pēc tam tās montē un ražo iekšzemē, vienlaikus optimizējot savus produktus. Lai gan tas var ātri aizpildīt tehnoloģiskās nepilnības un īstermiņā samazināt pētniecības un izstrādes izmaksas un laiku, ilgtermiņā joprojām pastāv noteiktas problēmas, piemēram, atkarība no ārvalstu pamattehnoloģijām, nelīdzsvaroti ieguldījumi pētniecībā un izstrādē un pārnešanas riski rūpniecības ķēdē. Autors uzskata, ka ir jāizveido pozitīvs “ievadīšanas-absorbcijas-pārspējas” cikls. Labā ziņa ir tā, ka tagad ir vietējie uzņēmumi, kas spēj nodrošināt komerciālu aprīkojumu ar 100% vietēji ražotiem komponentiem. Pārveidojot un pilnveidojot Ķīnas ražošanas nozari, ar ūdeni{13}}vadāmai lāzera apstrādes tehnoloģijai būs lielāka nozīme augstākās klases ražošanā, jo īpaši jaunu enerģijas transportlīdzekļu, kosmosa un augstākās klases iekārtu ražošanā. Ar ūdeni{17}}vadāmas lāzertehnoloģijas izmantošana veicinās tehnoloģiskos jauninājumus un produktu modernizāciju šajās nozarēs.
