1. Giriş

Havacılık, yarı iletken, tıbbi ve enerji endüstrilerinin hızlı gelişimi, kritik bileşenler için performans gereksinimlerini önemli ölçüde artırdı.Böylece kesim teknolojilerinde ve işleme ekipmanlarında sürekli yeniliklere yol açarGeleneksel mekanik kesim ile karşılaştırıldığında, lazer kesimi hassasiyet, verimlilik ve çevre uyumluluğu açısından dikkate değer avantajlar sunar.Bu avantajlar arasında mekanik stres olmadan temas dışı malzeme çıkarılması vardır., esnek üretim için geniş malzeme uyarlanabilirliği ve programlanabilir kontrol ile mümkün olan yüksek işleme verimliliği, lazer kesimi büyük alan ve yüksek hassasiyetli uygulamalar için uygundur.

Darbe süresine göre, lazer kaynakları sürekli dalga lazerleri, uzun dalga lazerleri, kısa dalga lazerleri ve ultra kısa dalga lazerleri olarak sınıflandırılabilir.Sürekli dalga ve uzun darbeler lazerleri yüksek işleme hızları sağlar, ancak tipik olarak geniş ısı etkilenen bölgeler (HAZ) ve yeniden oluşturulan katmanlar oluştururFemtosaniye lazerleri gibi ultra kısa darbeler, teorik olarak maddeleri doğrudan plazma haline dönüştürerek “soğuk işleme” ulaşabilir.Malzeme çıkarma verimliliği sınırlı kalıyor.Özellikle büyük ölçekli endüstriyel uygulamalar için, nanosaniye titreşimli lazerler daha düşük maliyet ve daha yüksek ablasyon verimliliği sunar.Ama bunlar temelde termal süreçlerdir ve genellikle tipik termal kusurlara neden olurlar.Mikro çatlaklar ve yeniden oluşturulan katmanlar dahil olmak üzere, femtosaniye lazer işleme bile yüksek tekrarlama oranları ve yüksek enerji yoğunlukları altında önemsiz olmayan termal etkileri gösterebilir.

Kuru lazer işleminin içsel termal sınırlamalarının üstesinden gelmek için, araştırmacılar su destekli lazer teknolojilerini tanıttı.Su jeti yönlendirilmiş lazer (WJGL) işleme, yüksek hızlı bir su jeti ile lazer enerjisi dağıtımını entegre eden benzersiz bir hibrit tekniği temsil eder.Temel kavram ilk olarak 1990'ların başında önerildi ve ardından Synova tarafından sistematik olarak geliştirildi ve ticarileştirildi ve bu da lazer mikrojet (LMJ) sistemlerinin ortaya çıkmasına neden oldu.WJGL kesme için başarıyla uygulandı, metallerin, kırılgan kristal malzemelerin, elmasların, seramiklerin ve kompozit malzemelerin sondajı ve oluklama.

Bu makale, WJGL kesim teknolojisinin çalışma ilkeleri, lazer/su birleştirme mekanizmaları, malzeme çıkarma süreçleri ve enerji aktarım davranışı da dahil olmak üzere kapsamlı bir inceleme sunar.Metallerde son uygulama ilerlemeleri, kırılgan kristaller ve kompozit malzemeler eleştiriliyor.Teknik zorluklar ve gelecekteki gelişim eğilimleri, hem temel araştırma hem de endüstriyel WJGL teknolojisinin uygulanması için sistematik bir rehberlik sağlamak için analiz edilir..

2Su Jet Yönlendirilmiş Lazer İşleme Teknolojisi

Su jeti ile yönetilen lazer işleme, lazer işleme ve yüksek hızlı su jetlerinin avantajlarını birleştirir ve geleneksel kuru lazer kesimi ile karşılaştırıldığında belirgin avantajlar sunar.Su jeti yardımcı gaz akışlarını değiştirir ve aynı zamanda bir lazer dalga kılavuzu olarak hizmet ederLazer dalga boyu hedef malzeme tarafından emilebildiği sürece, WJGL ultra sert, kırılgan,veya elektrik iletkenliğinden bağımsız olarak termal olarak hassas malzemeler.

Kuru lazer işleminin aksine, WJGL'de lazer enerjisinin önemli bir kısmı doğrudan iş parçacığının içinde değil, su jeti içinde dağılır.Su jeti sürekli olarak lazer darbeleri arasında kesim kenarları soğutur, ısı birikmesini, kalıntı stresini ve HAZ oluşumunu etkili bir şekilde bastırır.Yumuşak kesilmiş duvarlar üretmek, burrs olmadan, yeniden yerleştirilmiş kalıntılar ve çürükler.

Su jeti tarafından iş parçasının yüzeyine uygulanan mekanik kuvvet son derece küçüktür (genellikle 0,1 N'in altında), geleneksel lazer işleminde karşılaşılanlardan önemli ölçüde daha düşüktür.Sonuç olarak, WJGL esasen minimum mekanik hasar ile temassız bir işlemdir. Ek avantajlar arasında daha uzun çalışma mesafesi, büyük odaklama derinliği, yüksek boyut oranı kesme yeteneği,ve tipik olarak 25 ila 150 μm arasında olan ince kenar genişlikleri.

3Su jeti ile yönetilen lazerin oluşum prensibi

3.1 Sistem yapılandırması ve optik yönlendirme mekanizması

WJGL, optik fiber iletimine benzer şekilde su-hava arayüzünde toplam iç yansıma yoluyla lazer enerjisini yönlendirmek için su ve hava arasındaki kırılma endeksi farkına dayanır.Bir lazer ışını, toplam iç yansıma için kritik açıdan daha küçük bir açıyla istikrarlı bir mikro su jeti içine enjekte edildiğinde, lazer, iş parçasının yüzeyine ulaşana kadar su sütunu boyunca en az farklılık ile yayılır.

Tipik bir WJGL sistemi dört ana alt sistemden oluşur: bir lazer ve optik modül, bir yüksek basınçlı su kaynağı ünitesi, bir koruyucu gaz modülü ve bir koplama başlığı.Ultra saf su basınç altına alınır (580 MPa) ve çapı 10 ila 200 μm arasında değişen bir mikro nozelden atılır, istikrarlı, saç benzeri bir su jeti oluşturur. Düzlük genellikle aşınmaya ve termal hasara karşı dayanıklı olmak için safir, yakut veya elmastan yapılır.Lazer ışını optik pencereler ve lensler aracılığıyla nozzle girişine tam olarak odaklanırSu jetine verimli bir şekilde bağlanmasını sağlar.

3.2 Lazer  Su Bağlantı Mekanizmi

Odaklanmış lazer ışınının mikro su jeti ile verimli bir şekilde birleştirilmesi WJGL için kritik bir gereksinimdir.Enerji kaybını ve nozel hasarını önlemek için lazer noktası çapı nozel deliğinden daha küçük olmalıdır.İkincisi, odaklanmış ışığın açısal dağılımı, su/hava arayüzünde toplam iç yansımanın şartını karşılamalıdır.

Su jeti içindeki lazer yayımı, jet eksenine göre yörüngelerine bağlı olarak meridional ışınlara ve eğimli ışınlara sınıflandırılabilir.nozel girişinde yakın alan çiftleştirme ve dış su jeti içine uzak alan çiftleştirmeYakın alan çiftleştirmesi daha büyük bir kabul açısı ve daha küçük bir odak noktası sağlar, ancak nozelin içindeki termal rahatsızlıklardan muzdarip olabilir.Uzak alanlı koplama, daha katı geometrik kısıtlamalar pahasına termal etkileri hafifletir..

4. WJGL işleme malzeme kaldırma mekanizması

WJGL'deki malzeme çıkarımı, döngüsel bir lazer/su etkileşim süreci ile gerçekleşir. Başlangıçta, yüksek hızlı su jeti ince bir su filmi oluşturarak iş parçası yüzeyini etkiler.Su jeti tarafından yönlendirilen lazer darbeleri, malzeme yüzeyine enerji verir., emilen enerji ısıya dönüştürülür ve yerel erimeye ve buharlaşmaya neden olur.

Buhar veya plazma oluşumunun hızla gerçekleşmesi geri tepme basıncı ve çarpma dalgaları yaratır.Erimiş malzemeyi kesimden çıkarmak ve yeniden katman oluşumunu bastırmakÇevredeki su ortamı plazma tüpünü kısıtlıyor ve çarpma dalgalarını malzemeye doğru yönlendiriyor, bu da ablasyon verimliliğini artırıyor.Erimiş malzeme akıtılır.Bu tekrarlayan ısıtma/soğutma döngüsü, minimum termal hasar ile yüksek kaliteli işleme olanak tanır.

5Su Jet Yönlendirilmiş Lazer'de Enerji İletişim

Bir su jeti içindeki yüksek güçlü lazer iletimi kaçınılmaz olarak emilim, dağılım ve Raman dağılımı gibi doğrusal olmayan optik etkilere bağlı olarak enerji kaybı içerir.Deneysel ve sayısal çalışmalar, lazer gücünün hafifletilmesinin iletim uzunluğu ve lazer gücüne göre arttığını göstermiştir.Daha kısa dalga boyları (örneğin, 532 nm) genellikle kızılötesi dalga boylarına (örneğin, 1064 nm) kıyasla suda daha yüksek iletim verimliliği gösterir.

Elektromanyetik, ısı aktarımı,ve sıvı dinamikleri, ışın çapının artmasının, toplam iç yansıma koşullarının ihlalinden kaynaklanan farklılığı azaltabileceğini ve enerji kaybını hafifletebileceğini ortaya çıkardı.Bununla birlikte, su jetlerinde yüksek güçlü lazer yayımı hakkında kapsamlı bir anlayış sınırlı kalmaktadır.Enerji dağıtım verimliliğini optimize etmek için daha fazla deneysel doğrulama ve teorik modelleme gereklidir..

6UygulamalarSu jeti ile yönetilen lazer kesimi

6.1 Metal malzemeler

WJGL, paslanmaz çelik, alüminyum alaşımları, titanyum alaşımları ve nikel bazlı süper alaşımlar gibi metallerin hassas kesimi için yaygın olarak uygulanmıştır.WJGL, HAZ kalınlığını önemli ölçüde azaltırKesim hızları genellikle daha düşük olmasına rağmen, WJGL üstün yüzey bütünlüğü, pürüzsüz kesim duvarları ve minimum termal bozulma sağlar.Havacılık ve tıbbi uygulamalar için kritik olan.

6.2 Kırılgan Kristal Malzemeler

Silikon, safir, galiyum arsenür ve elmas gibi sert ve kırılgan malzemeler, geleneksel yöntemlerle makine için özellikle zorlayıcıdır.mükemmel kenar kalitesi ile düşük çipleme kesimiYarım iletken wafer dilimleme ve safir substrat işleme, WJGL yüksek kesme verimliliği, pürüzsüz yan duvarlar ve asgari yeraltı hasarı göstermiştir,mikroelektronik ve optoelektronik üretimi için son derece uygun hale getirir.

6.3 Kompozit malzemeler

CFRP, alüminyum matris kompozitleri ve seramik matris kompozitleri gibi gelişmiş kompozitler, WJGL işleminden önemli ölçüde yararlanır.Kombine lazer ablasyonu ve su soğutması, delaminasyonu etkili bir şekilde bastırır, fiber çekme, ve matris kırılma.Deneysel sonuçlar, WJGL'nin, minimum termal bozulma ve kuru lazer veya mekanik kesim yöntemleriyle karşılaştırıldığında üstün yüzey kalitesi ile yüksek boyut oranı kesimlerine ulaşabileceğini göstermektedir.

7. Teknik Zorluklar ve Gelecekteki Eğilimler

WJGL teknolojisinin avantajlarına rağmen, birkaç zorlukla karşı karşıyadır.Alternatif kılavuzlama ortamları veya optimize edilmiş su kimyası üzerine daha fazla araştırma, enerji kaybını azaltmaya yardımcı olabilirSu jetlerinin minyatürleştirilmesi daha yüksek hassasiyet için gereklidir, ancak jet istikrarı ve bağlantı verimliliğinde zorluklar ortaya çıkarır.Hızlı ve doğru lazer/su hizalandırması, ve standartlaştırılmış süreç kontrol metodolojileri, yenilik gerektiren kilit alanlar olmaya devam etmektedir.

WJGL'nin kullanılabilirliğini elmas, kuvars cam, safir,ve gelişmiş seramik ayrıca işleme parametrelerinin ve yardımcı tekniklerin sistematik olarak optimize edilmesini gerektiriyor.

8Sonuçlar ve Görünümler

Bu inceleme, su jeti yönlendirilen lazer kesme teknolojisinin ilkelerini, malzeme çıkarma mekanizmalarını ve uygulama ilerlemesini sistematik olarak özetlemektedir.Eşsiz lazer/su etkileşim mekanizması sayesinde, WJGL, çok çeşitli işlenmesi zor malzemelerde yüksek hassasiyetli, düşük hasarlı işleme olanak tanır.ve çevresel kirliliği azaltmak, havacılık alanında güçlü potansiyelini vurgular., yarı iletken üretimi ve tıbbi cihaz üretimi.

Jet istikrarı, enerji aktarım verimliliği ve ekipman karmaşıklığı ile ilgili zorluklar devam etse de, lazer teknolojisinde devam eden ilerlemeler, sıvı kontrolü,ve sistem entegrasyonunun WJGL performansını daha da geliştirmesi bekleniyor.Akademisyenler ve endüstriler arasında devam eden işbirliğiyle WJGL, ultra hassas üretimde ana akım bir teknoloji olmaya hazır.Yeni nesil yüksek teknoloji endüstrilerinin artan taleplerini desteklemek.