1Introduzione

Il rapido sviluppo dell'industria aerospaziale, dei semiconduttori, della medicina e dell'energia ha aumentato significativamente i requisiti di prestazione dei componenti critici,promuovendo così l'innovazione continua nelle tecnologie di taglio e nelle attrezzature di lavorazioneRispetto al taglio meccanico convenzionale, il taglio laser offre notevoli vantaggi in termini di precisione, efficienza e compatibilità ambientale.Questi vantaggi comprendono la rimozione del materiale senza contatto senza sollecitazione meccanica, ampia adattabilità dei materiali per una produzione flessibile e elevata efficienza di lavorazione abilitata da un controllo programmabile, rendendo il taglio laser adatto ad applicazioni di grande area e di alta precisione.

Secondo la durata dell'impulso, le sorgenti laser possono essere classificate in laser a onda continua, laser a impulso lungo, laser a impulso corto e laser a impulso ultrashort.I laser a onde continue e a impulsi lunghi forniscono alte velocità di elaborazione, ma in genere inducono estese zone colpite dal calore (HAZ) e strati di ricostituzioneI laser ad impulso ultrashort, come i laser femtosecondi, possono teoricamente realizzare "elaborazione a freddo" trasformando direttamente i materiali in plasma;la loro efficienza di rimozione dei materiali rimane limitata, soprattutto per applicazioni industriali su larga scala. I laser a impulso nanosegondi offrono un costo inferiore e una maggiore efficienza di ablazione,ma sono essenzialmente processi termici e spesso provocano tipici difetti termiciAnche l'elaborazione laser femtoseconda può presentare effetti termici non trascurabili in condizioni di elevate frequenze di ripetizione e elevate densità di energia.

Per superare i limiti termici intrinseci della lavorazione laser a secco, i ricercatori hanno introdotto tecnologie laser assistite dall'acqua.Il trattamento laser guidato da getto d'acqua (WJGL) rappresenta una tecnica ibrida unica che integra la consegna di energia laser con un getto d'acqua ad alta velocitàIl concetto fondamentale è stato proposto per la prima volta all'inizio degli anni '90, seguito da uno sviluppo sistematico e dalla commercializzazione da parte di Synova, che ha portato all'emergere dei sistemi laser microjet (LMJ).WJGL è stato applicato con successo al taglio, perforazione e scanalatura di metalli, materiali cristallini fragili, diamanti, ceramiche e materiali compositi.

Questo documento presenta una revisione completa della tecnologia di taglio WJGL, compresi i suoi principi di funzionamento, i meccanismi di accoppiamento laser/acqua, i processi di rimozione dei materiali e il comportamento di trasmissione dell'energia.Progressi recenti nell'applicazione nei metalli, cristalli fragili e materiali compositi è oggetto di una discussione critica.Sono inoltre analizzate le sfide tecniche e le tendenze di sviluppo futuro per fornire una guida sistematica sia per la ricerca fondamentale che per l'implementazione industriale della tecnologia WJGL..

2Tecnologia di elaborazione laser guidata da getto d'acqua

La lavorazione laser guidata da getto d'acqua combina i vantaggi dell'elaborazione laser e dei getti d'acqua ad alta velocità, offrendo vantaggi distintivi rispetto al taglio laser a secco convenzionale.il getto d'acqua sostituisce i flussi di gas ausiliari e funge contemporaneamente da guida d'onda laserFinché la lunghezza d'onda del laser è assorbibile dal materiale bersaglio, WJGL può elaborare materiali ultra-duri, fragili,o materiali sensibili al calore indipendentemente dalla conduttività elettrica.

A differenza della lavorazione laser a secco, una parte sostanziale dell'energia laser nel WJGL viene dissipata all'interno del getto d'acqua piuttosto che direttamente all'interno del pezzo da lavorare.Il getto d'acqua raffredda continuamente i bordi di taglio tra gli impulsi laser, sopprimendo efficacemente l'accumulo termico, lo stress residuo e la formazione di HAZ.la produzione di pareti lisce e libere da sbavature, detriti ridisposti e carie.

La forza meccanica esercitata dal getto d'acqua sulla superficie del pezzo è estremamente piccola (in genere inferiore a 0,1 N), significativamente inferiore a quella riscontrata nella lavorazione laser convenzionale.Come risultato, WJGL è essenzialmente un processo senza contatto con danni meccanici minimi.e larghezze di taglio sottili in genere comprese tra 25 e 150 μm.

3Principio di formazione del laser a getto d'acqua

3.1 Configurazione del sistema e meccanismo di guida ottica

WJGL si basa sulla differenza di indice di rifrazione tra acqua e aria per guidare l'energia laser attraverso una riflessione interna totale all'interfaccia acqua-aria, analoga alla trasmissione di fibra ottica.Quando un raggio laser viene iniettato in un getto d'acqua stabile a un angolo inferiore all'angolo critico per la riflessione interna totale, il laser si propaga lungo la colonna d'acqua con una minima divergenza fino a raggiungere la superficie del pezzo da lavorare.

Un tipico sistema WJGL è costituito da quattro sottosistemi principali: un modulo laser e ottico, un'unità di alimentazione ad alta pressione, un modulo di gas protettivo e una testa di accoppiamento.L'acqua ultrapura viene pressurizzata (580 MPa) ed espulsa attraverso un microugello con diametri compresi tra 10 e 200 μmL'ugello è comunemente realizzato in zaffiro, rubino o diamante per resistere all'usura e ai danni termici.Il raggio laser è focalizzato con precisione all'ingresso dell'ugello attraverso finestre ottiche e lenti, garantendo un accoppiamento efficiente nel getto d'acqua.

3.2 Meccanismo di accoppiamento laser-acqua

L'efficiente accoppiamento del raggio laser focalizzato nel getto d'acqua micro è un requisito fondamentale per WJGL.il diametro del punto laser deve essere inferiore all'orificio dell'ugello per evitare perdite di energia e danni all'ugello;In secondo luogo, la distribuzione angolare del fascio focalizzato deve soddisfare la condizione di riflessione interna totale all'interfaccia acqua/aria.

La propagazione laser all'interno del getto d'acqua può essere classificata in raggi meridionali e raggi obliqui, a seconda delle loro traiettorie relative all'asse del getto.accoppiamento a campo vicino all'entrata dell'ugello e accoppiamento a campo lontano nel getto d'acqua esternoL'accoppiamento a campo vicino fornisce un angolo di accettazione più ampio e un punto focale più piccolo, ma può subire disturbi termici all'interno dell'ugello.considerando che l'accoppiamento a campo lontano attenua gli effetti termici a scapito di vincoli geometrici più severi;.

4. Meccanismo di rimozione del materiale nella lavorazione WJGL

La rimozione del materiale nel WJGL avviene attraverso un processo di interazione ciclica laser/acqua. Inizialmente, il getto d'acqua ad alta velocità colpisce la superficie del pezzo da lavorare, formando un sottile film d'acqua.Impulsi laser guidati dal getto d'acqua forniscono energia alla superficie del materiale, dove l'energia assorbita viene convertita in calore, causando fusione e vaporizzazione localizzate.

La rapida formazione di vapore o plasma genera pressione di ricollo e onde d'urto che, insieme all'azione meccanica del getto d'acqua,espellere il materiale fuso dal tronco e sopprimere la formazione di strati rifattiL'ambiente acqueo circostante limita il pennacchio di plasma e reindirizza le onde d'urto verso il materiale, migliorando l'efficienza dell'ablazione.il materiale fuso viene ripulitoQuesto ciclo di riscaldamento/raffreddamento ripetitivo consente una lavorazione di alta qualità con un minimo di danni termici.

5Trasmissione di energia in laser guidato da getto d'acqua

La trasmissione laser ad alta potenza all'interno di un getto d'acqua comporta inevitabilmente perdite di energia a causa di assorbimento, dispersione ed effetti ottici non lineari come la dispersione di Raman.Studi sperimentali e numerici hanno dimostrato che l'attenuazione della potenza del laser aumenta con la lunghezza di trasmissione e la potenza del laserLe lunghezze d'onda più brevi (ad esempio, 532 nm) presentano generalmente una maggiore efficienza di trasmissione in acqua rispetto alle lunghezze d'onda infrarosse (ad esempio, 1064 nm).

Simulazioni multifisiche che combinano elettromagnetismo, trasferimento di calore,e la dinamica dei fluidi hanno rivelato che l'aumento del diametro del fascio può ridurre la divergenza e mitigare la perdita di energia causata dalla violazione delle condizioni di riflessione interna totaleTuttavia, la comprensione completa della propagazione laser ad alta potenza nei getti d'acqua rimane limitata.Per ottimizzare l'efficienza della fornitura di energia sono necessarie ulteriori convalide sperimentali e modellazioni teoriche..

6. Applicazioni diTaglio laser guidato da getto d'acqua

6.1 Materiali metallici

WJGL è stato ampiamente applicato per il taglio di precisione di metalli come acciaio inossidabile, leghe di alluminio, leghe di titanio e superleghe a base di nichel.WJGL riduce significativamente lo spessore HAZAnche se le velocità di taglio sono generalmente inferiori, WJGL produce un'integrità superficiale superiore, pareti lisce e una distorsione termica minima,che sono critici per le applicazioni aerospaziali e mediche.

6.2 Materiali cristallini fragili

I materiali duri e fragili, tra cui silicio, zaffiro, arseniuro di gallio e diamanti, sono particolarmente difficili da lavorare con metodi tradizionali.Taglio a ridotto taglio con ottima qualità dei bordiNella lavorazione di wafer semiconduttori e del substrato di zaffiro, WJGL ha dimostrato un'elevata efficienza di taglio, pareti laterali lisce e danni minimi al sottosuolo,con un'ampiezza superiore o uguale a 2 mm.

6.3 Materiali compositi

I compositi avanzati come il CFRP, i compositi a matrice di alluminio e i compositi a matrice di ceramica beneficiano in modo significativo della lavorazione WJGL.L'ablazione laser combinata e il raffreddamento ad acqua sopprimono efficacemente la delaminazione, allontanamento della fibra e rottura della matrice.I risultati sperimentali indicano che il WJGL può ottenere tagli ad alto rapporto di aspetto con un minimo degrado termico e una qualità superficiale superiore rispetto ai metodi di taglio laser a secco o meccanici.

7Sfide tecniche e tendenze future

Nonostante i suoi vantaggi, la tecnologia WJGL deve affrontare diverse sfide: l'attenuazione dell'energia laser all'interno del getto d'acqua limita l'efficienza del trattamento, soprattutto per applicazioni ad alta potenza.Ulteriori ricerche su mezzi di guida alternativi o chimica ottimizzata dell'acqua potrebbero contribuire a ridurre i danni energeticiLa miniaturizzazione dei getti d'acqua è essenziale per una maggiore precisione, ma pone sfide nella stabilità dei getti e nell'efficienza dell'accoppiamento.allineamento veloce ed accurato del laser/acqua, e le metodologie standardizzate di controllo dei processi rimangono settori chiave che richiedono innovazione.

L'ampliamento dell'applicabilità di WJGL a materiali ultra-duri come diamanti, vetro al quarzo, zaffiri,La ceramica avanzata richiede anche un'ottimizzazione sistematica dei parametri di lavorazione e delle tecniche ausiliarie..

8Conclusioni e prospettive

Questa revisione riassume in modo sistematico i principi, i meccanismi di rimozione dei materiali e i progressi di applicazione della tecnologia di taglio laser guidato da getto d'acqua.Grazie al suo unico meccanismo di interazione laser/acqua, WJGL consente una lavorazione ad alta precisione e a basso danno su una vasta gamma di materiali difficili da elaborare.L'aerospaziale ha un forte potenziale di sviluppo e di riduzione della contaminazione ambientale., produzione di semiconduttori e fabbricazione di dispositivi medici.

Anche se le sfide relative alla stabilità del getto, all'efficienza di trasmissione dell'energia e alla complessità delle apparecchiature rimangono, i progressi in corso nella tecnologia laser, nel controllo dei fluidi,L'integrazione dei sistemi dovrebbe migliorare ulteriormente le prestazioni del WJGL.Con la continua collaborazione tra il mondo accademico e l'industria, WJGL è pronto a diventare una tecnologia di tendenza nella produzione di ultra-precisione,sostegno alle crescenti richieste delle industrie ad alta tecnologia di nuova generazione.