С быстрым развитием медицинской, авиационной, аэрокосмической, полупроводниковой и энергетической отраслей требования к производительности ключевых компонентов постоянно растут, что способствовало прогрессу технологий обработки и оборудования. В этих областях выбор технологии резки компонентов имеет решающее значение для качества и производительности продукции. Хотя широко используются традиционные технологии механической резки и резки водой под высоким давлением, лазерная резка постепенно становится первым выбором из-за ее преимуществ в эффективности обработки, точности и экологичности. Технология лазерной резки напрямую облучает материал высокоэнергетическим лазерным лучом для достижения высокоточной и высокоэффективной резки. В то же время она не создает явного физического контакта во время процесса резки, тем самым снижая загрязнение окружающей среды и соответствуя концепции зеленого производства.
Технология лазерной резки показала свое превосходство во многих сценариях применения. Например, в медицинской сфере, поскольку моя страна входит в стареющее общество, рыночный спрос на внутрисосудистые стенты резко возрос, и темпы роста рынка превысили 20% в последние годы. Технология лазерной резки имеет потенциал для широкого использования в обработке внутрисосудистых стентов из-за ее высокой точности и адаптивности. Однако традиционная лазерная резка может вызвать термическое повреждение материала в некоторых случаях, что приведет к образованию крошечной пены и термически обработанного слоя на поверхности материала, тем самым влияя на производительность и срок службы материала. Чтобы преодолеть эти ограничения, технология лазерной резки с водным управлением появилась как инновационный метод резки. Вводя поток воды во время процесса лазерной резки, она может эффективно уменьшить термическое повреждение и улучшить качество поверхности разрезаемого материала.
Что такое лазер с водным наведением?
Технология лазерной резки с водным наведением — это инновационный метод композитной обработки, который использует струю воды для направления лазерного луча для точной резки заготовки. Суть этой технологии заключается в использовании различных показателей преломления воды и воздуха. Когда лазерный луч направлен на границу раздела вода-воздух под определенным углом, если угол падения меньше критического угла полного отражения, лазерный луч будет полностью отражен и не проникнет через границу, тем самым гарантируя, что энергия лазера эффективно ограничивается и передается в водном луче.
Лазерный луч сначала фокусируется выпуклой линзой, а затем проходит через кварцевое стекло в связанную водную полость. Тонко регулируя расстояние между фокусирующей линзой и соплом с точечным отверстием, можно гарантировать, что фокус лазера будет точно позиционирован в центре верхней поверхности сопла. Затем лазерный луч попадает в стабильную струю воды, где происходит полное отражение из-за разницы в показателе преломления, процесс, аналогичный распространению света в оптоволокне. Во время обработки сфокусированный лазерный луч направляется водяным лучом высокого давления и напрямую передается на поверхность заготовки, достигая эффективных и точных результатов резки.
Преимущества лазера с водным наведением
Технология лазерной резки с использованием струи воды — это инновационный метод обработки, сочетающий в себе струи воды и лазерные лучи. Он широко используется в областях точного производства и микрообработки. По сравнению с традиционной лазерной резкой лазерная резка с использованием воды имеет несколько уникальных преимуществ, которые делают ее особенно эффективной в определенных сценариях применения.
Прежде всего, отличительной чертой лазерной резки с водным приводом является то, что она позволяет избежать термических повреждений. Из-за высокой температуры традиционная лазерная резка может легко вызвать термическую деформацию материалов и повреждение микроструктуры. При лазерной резке с водным приводом выбрасываемый поток воды эффективно охлаждает материал в промежутке лазерного импульса, что значительно снижает термическое напряжение материала и позволяет ему сохранять свои первоначальные физические и химические свойства.
Во-вторых, водное волокно имеет большое рабочее расстояние во время работы и не требует точной фокусировки лазерного луча, как традиционная лазерная резка, что обеспечивает большую гибкость при обработке материалов со сложной геометрией. Кроме того, поток воды не только выполняет функцию охлаждающей жидкости в процессе резки, но и уносит расплавленный материал, образующийся в процессе резки, тем самым значительно снижая осаждение загрязняющих веществ в зоне обработки, что особенно важно для сред обработки с высокими требованиями к чистоте.
Кроме того, поскольку лазерная резка с водным наведением может обеспечить высокоточное удаление материала, эта технология особенно подходит для обработки тонкостенных деталей и превосходит традиционные методы лазерной обработки с точки зрения точности и качества поверхности. С непрерывным развитием технологий ожидается, что лазерная резка с водным наведением заменит традиционную лазерную резку в большем количестве областей и станет более эффективным и экологически чистым методом обработки.
Технические трудности и тенденции развития лазерной резки с водным наведением
1. Затухание лазера в водном луче: как передовой метод обработки, объединяющий водоструйную и лазерную технологию, технология лазерной резки с водным направлением показала уникальный потенциал в прецизионном производстве. Однако из-за большого затухания энергии лазера в воде это ограничивает ее эффективность в мощных приложениях. В частности, лазер высокой плотности мощности в водном луче имеет большое затухание энергии из-за многократного рассеяния и поглощения, что приводит к снижению скорости обработки. Например, при резке композитных материалов из углеродного волокна толщиной 18 мм скорость составляет всего 5 мм в минуту, что значительно ограничивает применение этой технологии при обработке толстых материалов. Хотя текущие исследования выявили основные принципы передачи лазерного луча в воде, то, как эффективно уменьшить это затухание, все еще является технической проблемой, которую предстоит решить. В будущем могут быть разработаны диэлектрические материалы с лучшими свойствами световода для замены водных лучей, тем самым повышая эффективность резки и применимость процесса.
2. Проблема миниатюризации струи воды: В технологии лазерной резки с водным наведением диаметр струи воды напрямую влияет на точность и ширину резки. С развитием технологии микрообработки диаметр сопла может быть уменьшен до 30 микрон, что позволяет добиться высокоточной резки. Однако дальнейшая миниатюризация струй воды сталкивается с рядом технических проблем, включая стабильность водяного луча, эффективную длину и контроль диаметра пятна лазера. Эти проблемы не только влияют на эффект резки, но и выдвигают более высокие требования к проектированию и производству оборудования. Будущие исследования могут быть сосредоточены на оптимизации конструкции сопла и динамики жидкости для дальнейшего повышения точности резки при сохранении стабильности струи воды.
3. Технические требования к обработке отверстий сопел: Для обеспечения высокого качества лазерной резки с водным наведением решающее значение имеют конструкция и точность изготовления отверстия сопла. Отверстие сопла должно иметь чрезвычайно тонкую толщину стенки, сохраняя при этом высокоточную округлость и отсутствие конусности, чтобы противостоять удару потока воды. Кроме того, шероховатость внутренней поверхности отверстия должна контролироваться на чрезвычайно низком уровне, чтобы обеспечить стабильность и постоянство водяного потока. Эти высокие требования к стандартам проектирования делают обработку отверстий сопел чрезвычайно сложной, особенно в массовом производстве. Как сохранить постоянство и точность — ключевая задача, стоящая перед обрабатывающей промышленностью.
4. Сложность системы управления выравниванием соединения: В системе лазерной резки с водным наведением точность соединения и выравнивания лазерного луча и водяного луча напрямую влияет на качество резки. В настоящее время, хотя были приняты высокоточные механизмы управления сервоприводом, проблема быстрого и точного соединения лазера и водяного луча не была полностью решена. Для повышения точности соединения необходимо внедрить более совершенные системы обнаружения и калибровки, такие как система обнаружения соединения волоконно-оптического и лазерного фокусирующего соединения водяного луча, система позиционирования заготовки и т. д. Интеграция и оптимизация этих систем являются ключом к достижению высокоточной лазерной резки с водным наведением.
5. Недостаточное систематическое исследование процесса: Хотя технология лазерной резки с водным наведением показала много преимуществ в теории, управление процессом все еще сталкивается со многими проблемами в практическом применении. В настоящее время в отрасли отсутствует полная технология обработки и система оценки, что затрудняет поддержание ключевых показателей, таких как эффективность обработки, точность и целостность поверхности материала. Отсутствие этого исследования процесса делает адаптивность технологии лазерной резки с водным наведением плохой для различных материалов и условий толщины. Поэтому в будущем необходимо более систематическое исследование процесса для создания всеобъемлющей библиотеки параметров процесса и стандартов оценки, чтобы повысить потенциал промышленного применения технологии лазерной резки с водным наведением.
