1Einführung

Die rasante Entwicklung der Luft- und Raumfahrtindustrie, der Halbleiterindustrie, der medizinischen Industrie und der Energieindustrie hat die Leistungsanforderungen an kritische Komponenten erheblich erhöht.Auf diese Weise werden kontinuierliche Innovationen in den Bereichen Schneidtechnologien und Verarbeitungsgeräte vorangetrieben.Im Vergleich zum herkömmlichen mechanischen Schneiden bietet das Laserschneiden bemerkenswerte Vorteile in Bezug auf Präzision, Effizienz und Umweltverträglichkeit.Diese Vorteile umfassen die Entfernung von Kontaktmaterial ohne mechanische Belastung, breite Materialanpassungsfähigkeit für flexible Fertigung und hohe Verarbeitungswirksamkeit durch programmierbare Steuerung, wodurch das Laserschneiden für große Flächen und hochpräzise Anwendungen geeignet ist.

Nach der Impulsdauer können Laserquellen in kontinuierliche Wellenlaser, Langimpulslaser, Kurzimpulslaser und Ultraschallimpulslaser eingeteilt werden.Kontinuierliche Wellen- und Langimpulslaser liefern hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten, induzieren aber typischerweise ausgedehnte hitzebelastete Zonen (HAZs) und Neufassungsschichten• Ultrakurzpulslaser, wie Femtosekundenlaser, können theoretisch "Kaltverarbeitung" durch direkte Umwandlung von Materialien in Plasma erreichen;ihre Effizienz bei der Materialentfernung bleibt begrenztNanosekunden-Pulslaser bieten niedrigere Kosten und eine höhere Ablationseffizienz.Es handelt sich jedoch im Wesentlichen um thermische Prozesse, die häufig zu typischen thermischen Defekten führen.Auch die Femtosekundenlaserbearbeitung kann bei hohen Wiederholungsraten und hohen Energiedichten nicht vernachlässigbare thermische Effekte aufweisen.

Um die thermischen Einschränkungen der Trockenlaserverarbeitung zu überwinden, haben Forscher Wasser-Lasertechnologien eingeführt.Die Wasserstrahl-geleitete Laserverarbeitung (WJGL) ist eine einzigartige Hybridtechnik, die die Energieabgabe durch Laser mit einem Hochgeschwindigkeitswasserstrahl kombiniert.Das grundlegende Konzept wurde erstmals Anfang der 90er Jahre vorgeschlagen, gefolgt von einer systematischen Entwicklung und Vermarktung durch Synova, was zur Entstehung von Laser-Microjet-Systemen (LMJ) führte.WJGL wurde erfolgreich auf die Verarbeitung von, Bohrungen und Rillen von Metallen, spröden kristallinen Materialien, Diamanten, Keramik und Verbundwerkstoffe.

In diesem Papier wird eine umfassende Überprüfung der WJGL-Schnitttechnologie vorgestellt, einschließlich ihrer Arbeitsprinzipien, Laser­Wasser­Kopplungsmechanismen, Materialentfernungsprozesse und Energieübertragungsverhalten.jüngste Fortschritte bei der Anwendung in Metallen, spröde Kristalle und Verbundwerkstoffe wird kritisch diskutiert.Außerdem werden technische Herausforderungen und zukünftige Entwicklungstrends analysiert, um sowohl für die Grundlagenforschung als auch für die industrielle Implementierung der WJGL-Technologie systematische Anleitungen zu geben..

2. Wasserstrahl-gelenkte Laserverarbeitungstechnologie

Die Wasserstrahl-gesteuerte Laserbearbeitung vereint die Vorteile der Laserbearbeitung und der Hochgeschwindigkeitswasserstrahlen und bietet im Vergleich zum herkömmlichen Trockenlaserschneiden besondere Vorteile.Der Wasserstrahl ersetzt Hilfsgasströme und dient gleichzeitig als LaserwellenführerSolange die Wellenlänge des Lasers vom Zielmaterial absorbiert werden kann, kann WJGL ultraharte, spröde,oder thermisch empfindliche Materialien unabhängig von der elektrischen Leitfähigkeit.

Im Gegensatz zur Trockenlaserverarbeitung wird ein wesentlicher Teil der Laserenergie in WJGL im Wasserstrahl und nicht direkt im Werkstück abgeworfen.Der Wasserstrahl kühlt kontinuierlich die Kanten zwischen den Laserpulsen abDie hohe kinetische Energiedichte des Wasserstrahls ermöglicht zudem eine effiziente Entfernung von geschmolzenem Material.Schliessliche Schnittwände ohne Burrs produzieren, wieder abgespeicherte Trümmer und Hohlräume.

Die mechanische Kraft, die der Wasserstrahl auf die Werkstückoberfläche ausübt, ist äußerst gering (normalerweise unter 0,1 N), wesentlich geringer als bei der herkömmlichen Laserbearbeitung.Als Ergebnis, WJGL ist im Wesentlichen ein berührungsloses Verfahren mit minimalem mechanischen Schaden.mit einer Breite von mehr als 20 mm,.

3. Bildung Prinzip des Wasserstrahl-geleiteten Lasers

3.1 Systemkonfiguration und optischer Führungsmechanismus

WJGL stützt sich auf den Brechungsindexunterschied zwischen Wasser und Luft, um die Laserenergie über die totale interne Reflexion an der Wasser-Luft-Schnittstelle zu leiten, analog zur Glasfaserübertragung.Wenn ein Laserstrahl in einen stabilen Mikrowasserstrahl mit einem Winkel injiziert wird, der kleiner als der kritische Winkel für die gesamte innere Reflexion ist, verbreitet sich der Laser mit minimaler Divergenz entlang der Wassersäule, bis er die Werkstückoberfläche erreicht.

Ein typisches WJGL-System besteht aus vier Hauptuntersystemen: einem Laser- und einem optischen Modul, einer Hochdruckwasserversorgungseinheit, einem Schutzgasmodul und einem Kupplungskopf.Ultrareines Wasser wird unter Druck gestellt (580 MPa) und durch eine Mikrodüse mit einem Durchmesser von 10 bis 200 μm ausgestoßenDie Düse wird üblicherweise aus Saphir, Rubin oder Diamant gefertigt, um Verschleiß und thermische Beschädigungen zu widerstehen.Der Laserstrahl wird durch optische Fenster und Linsen genau auf den Düsen-Eingang gerichtet, so dass eine effiziente Kopplung in den Wasserstrahl gewährleistet ist.

3.2 Laser-Wasser-Kopplungsmechanismus

Eine effiziente Kopplung des fokussierten Laserstrahls in den Mikrowasserstrahl ist eine kritische Voraussetzung für WJGL.Der Durchmesser des Laserpunktes muss kleiner sein als der Öffnung der Düse, um Energieverluste und Düsenbeschädigungen zu vermeiden.Zweitens muss die Winkelverteilung des Fokusstrahls die Bedingung für eine totale innere Reflexion an der Wasser-Luft-Schnittstelle erfüllen.

Die Laserverbreitung innerhalb des Wasserstrahls kann je nach ihrer Flugbahn bezüglich der Strahlsachse in meridionale Strahlen und Schiebestrahlen eingeteilt werden.Nahe-Feld-Kopplung an der Düse und Weitfeld-Kopplung in den AußenwasserstrahlDie Näherfeldkopplung bietet einen größeren Aufnahmewinkel und einen kleineren Brennpunkt, kann aber unter thermischen Störungen im Inneren der Düse leiden.Fernfeldkopplung mildert die thermischen Effekte auf Kosten strengerer geometrischer Einschränkungen..

4. Materialentfernungsmechanismus in der WJGL-Verarbeitung

Die Materialentfernung im WJGL erfolgt durch einen zyklischen Laser-Wasser-Interaktionsprozess.Laserimpulse, die vom Wasserstrahl geleitet werden, liefern Energie an die Materialoberfläche, wobei die absorbierte Energie in Wärme umgewandelt wird, was zu lokaler Schmelze und Verdampfung führt.

Die rasche Bildung von Dampf oder Plasma erzeugt Rückstoßdruck und Stoßwellen, die zusammen mit der mechanischen Wirkung des Wasserstrahlsdas geschmolzene Material aus dem Kerf zu entfernen und die Bildung von Neufassungsschichten zu unterdrückenDie umgebende Wasserumgebung beschränkt die Plasmapflaume und leitet die Stoßwellen auf das Material um, was die Ablationseffizienz erhöht.das geschmolzene Material wird weggespültDiese Wiederholung des Heizungs-/Kühlzyklus ermöglicht eine hochwertige Bearbeitung mit minimalem thermischen Schaden.

5Energieübertragung im Wasserstrahl-geleiteten Laser

Die Hochleistungslaserübertragung innerhalb eines Wasserstrahls beinhaltet zwangsläufig Energieverluste durch Absorption, Streuung und nichtlineare optische Effekte wie Ramanstreuung.Experimentelle und numerische Untersuchungen haben gezeigt, daß die Laserleistungsschwäche mit der Übertragungslänge und der Laserleistung zunimmtKurze Wellenlängen (z. B. 532 nm) weisen im Vergleich zu Infrarotwellenlängen (z. B. 1064 nm) im Wasser im Allgemeinen eine höhere Übertragungswirksamkeit auf.

Multiphysikalische Simulationen, die Elektromagnetik, Wärmeübertragung,und Flüssigkeitsdynamik gezeigt haben, dass die Erhöhung des Strahlendurchmessers die Divergenz reduzieren und den durch Verletzung der gesamten inneren Reflexionsbedingungen verursachten Energieverlust mildern kannDas umfassende Verständnis der Hochleistungslaserverbreitung in Wasserstrahlen bleibt jedoch begrenzt.und weitere experimentelle Validierung und theoretische Modellierung sind erforderlich, um die Energieeffizienz zu optimieren.

6. Anwendungen vonWasserstrahlgesteuerte Laserschneidung

6.1 Metallmaterialien

WJGL wurde weitgehend für das Präzisionsschneiden von Metallen wie Edelstahl, Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen und Nickel-basierten Superlegierungen eingesetzt.WJGL verringert die HAZ-Dicke erheblichObwohl die Schneidgeschwindigkeiten im Allgemeinen niedriger sind, erzeugt WJGL eine überlegene Oberflächenintegrität, glatte Schnittwände und minimale thermische Verzerrungen.die für Luft- und Raumfahrt- und medizinische Anwendungen kritisch sind.

6.2 Brüchige kristalline Materialien

Hart- und zerbrechliche Materialien wie Silizium, Saphir, Galliumarsenid und Diamant sind mit herkömmlichen Methoden besonders schwierig zu bearbeiten.Schnitt mit geringer Spaltbarkeit mit ausgezeichneter KantenqualitätBei der Verarbeitung von Halbleiterwafern und Saphirsubstraten hat WJGL eine hohe Schneideeffizienz, glatte Seitenwände und minimale Untergrundschäden gezeigt.mit einer Breite von mehr als 20 mm,.

6.3 Verbundwerkstoffe

Fortgeschrittene Verbundwerkstoffe wie CFKW, Aluminiummatrixverbundwerkstoffe und Keramikmatrixverbundwerkstoffe profitieren erheblich von der WJGL-Verarbeitung.Die kombinierte Laserablation und Wasserkühlung unterdrücken effektiv die Delamination, Faserausziehung und Matrix-Riss.Versuchsergebnisse zeigen, dass WJGL bei minimalem thermischen Abbau und überlegener Oberflächenqualität im Vergleich zu trockenen Laser- oder mechanischen Schneidmethoden hohe Seitenverhältnisse erzielen kann.

7. Technische Herausforderungen und künftige Trends

Trotz seiner Vorteile steht die WJGL-Technologie vor mehreren Herausforderungen.Weitere Forschungen zu alternativen Leitmedien oder einer optimierten Wasserchemie können dazu beitragen, den Energieverlust zu reduzierenDie Miniaturisierung von Wasserstrahlen ist für eine höhere Präzision unerlässlich, stellt jedoch Herausforderungen bei der Stabilität des Strahlstroms und der Kupplungseffizienz dar.schnelle und präzise Ausrichtung des Lasers auf Wasser, und standardisierte Prozesssteuerungsmethoden bleiben Schlüsselbereiche, in denen Innovationen erforderlich sind.

Erweiterung der Anwendbarkeit von WJGL auf ultraharte Materialien wie Diamanten, Quarzglas, Saphir,Die Entwicklung der modernen Keramik erfordert auch eine systematische Optimierung der Verarbeitungsparameter und Hilfstechniken..

8Schlussfolgerungen und Aussichten

Diese Übersicht fasst systematisch die Grundsätze, Mechanismen zur Materialentfernung und den Fortschritt bei der Anwendung der Wasserstrahl-gelenkten Laserschneidetechnologie zusammen.Aufgrund seines einzigartigen Laser-Wasser-Wechselwirkungsmechanismus, WJGL ermöglicht eine hochpräzise, schadensarme Bearbeitung einer Vielzahl von schwer zu verarbeitenden Materialien.und Umweltverschmutzung zu reduzieren, zeigt sein starkes Potenzial in der Luft- und Raumfahrt, Halbleiterherstellung und Herstellung von Medizinprodukten.

Obwohl die Herausforderungen im Zusammenhang mit der Jetstabilität, der Energieübertragungseffizienz und der Komplexität der Ausrüstung bestehen bleiben, sind die fortlaufenden Fortschritte in der Lasertechnologie, der Fluidkontrolle,und Systemintegration werden voraussichtlich die Leistung von WJGL weiter verbessernDurch die kontinuierliche Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie wird WJGL zu einer Mainstream-Technologie in der hochpräzisen Fertigung werden.Unterstützung der wachsenden Nachfrage nach Hightech-Industrien der nächsten Generation.