眾所周知，由于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）自身的高硬度和高耐磨性等特點(diǎn)，想要對(duì)其進(jìn)行高效率和高精度地加工是一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，傳統(tǒng)的加工方法會(huì)存在諸如加工速度慢、熱損傷、對(duì)材料性能產(chǎn)生不良影響、加工精度不足等問題。由瑞士Synova公司發(fā)明的水導(dǎo)激光技術(shù)，將水刀和激光的優(yōu)點(diǎn)整合在一起，可以完全避免這些加工缺陷，完美適配CFRP的高效精密加工需求。

圖1 使用水導(dǎo)激光技術(shù)加工的CFRP層壓板示例

水導(dǎo)激光技術(shù)是通過水射流對(duì)激光進(jìn)行引導(dǎo)的新型激光加工技術(shù)，其工作原理如圖2所示。激光束通過透鏡聚焦于壓力水槽的噴嘴處，水槽中的壓力水在噴嘴的下面形成1個(gè)頭發(fā)絲般粗細(xì)的低壓水射流，激光束被完全包含在水射流中，并在空氣/水界面處以全反射方式沿水射流傳播，這樣就可以通過低壓水射流引導(dǎo)激光束，且只產(chǎn)生極小的能量損失。被加工材料吸收激光脈沖的能量而熔化或氣化，水射流沖走被熔化的材料，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的激光加工。而在兩個(gè)激光脈沖之間，水射流對(duì)被加熱的工件進(jìn)行冷卻，防止被加工材料因受熱而發(fā)生結(jié)構(gòu)變化。

圖2水導(dǎo)激光技術(shù)工作原理

水導(dǎo)激光技術(shù)中水射流的直徑在一定的長度范圍內(nèi)是穩(wěn)定不變的，這個(gè)長度取決于噴嘴的直徑和工作水壓，最長可達(dá)到水射流直徑的1000倍左右，因而這種水射流引導(dǎo)的激光束的工作距離最長可以達(dá)到幾個(gè)厘米，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)激光加工技術(shù)的工作距離，而且還不需要聚焦控制系統(tǒng)。若超過這個(gè)穩(wěn)定長度后，水射流的形狀將不再成圓柱狀，而是變成液滴，這時(shí)激光束將以漫反射方式離開水柱，激光束的能量分散，不會(huì)產(chǎn)生對(duì)材料的燒蝕。由于激光束的直徑只取決于噴嘴孔的直徑，因而傳統(tǒng)的激光切割加工遇到的問題，如激光束橢圓度、散光和偏振等引起的不連續(xù)性以及方向依賴性將不再存在。水射流的作用除了引導(dǎo)激光束之外，它還能起到冷卻工件、清除熔化的材料、減少粉塵污染等作用。水射流采用去離子水或者過濾水，水壓根據(jù)實(shí)際應(yīng)用通常定在20-500bar之間。水射流非常細(xì)，其直徑約為25-75μm，故水射流對(duì)工件的作用力可以忽略不計(jì)，耗水量也極低，通常約為2-3L/h。

圖3 水導(dǎo)激光刀頭部分

由于水導(dǎo)激光的技術(shù)全能性，其可以加工各種厚度范圍的各種難加工復(fù)合材料，同時(shí)還不會(huì)產(chǎn)生熱影響區(qū)和微裂紋等缺陷。因此，水導(dǎo)激光技術(shù)可以完美地滿足幾乎所有CFRP零件的復(fù)雜和精密的加工需求。相比傳統(tǒng)激光加工技術(shù)，水導(dǎo)激光技術(shù)有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

■水射流是圓柱體結(jié)構(gòu)能使傳導(dǎo)的激光平行輸出，所以激光切割面高度平行，不產(chǎn)生坡度；

■加工深度取決于水流長度，長度可以超過幾個(gè)厘米，而且不需要昂貴的聚焦光學(xué)系統(tǒng)，切割厚的或非平面的零件也不必考慮焦點(diǎn)；

■水導(dǎo)激光降低了脈沖激光加工對(duì)材料的熱損傷，提高了切割邊緣的均勻性；

■因加工表面有水的存在，有效防止了激光燒蝕后熔融物附著在加工表面。

圖4 Synova集成了水導(dǎo)激光技術(shù)的五軸CNC和龍門機(jī)床設(shè)備

Synova公司已經(jīng)將水導(dǎo)激光技術(shù)集成到五軸CNC和龍門機(jī)床設(shè)備中，可以適用于加工各種形狀和尺寸的CFRP零件。為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0功能，激光功率計(jì)、定位傳感器和自動(dòng)噴射角度校也正被集成到水導(dǎo)激光技術(shù)系統(tǒng)中。這套系統(tǒng)非常靈活，可以作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)整合到零件生產(chǎn)過程中，或作為全自動(dòng)生產(chǎn)線的一部分，無需操作人員實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。對(duì)于復(fù)合材料，水導(dǎo)激光技術(shù)通過更快的生產(chǎn)速度、更低的運(yùn)營成本、更高的可靠性和更大的產(chǎn)能來降低制造成本。隨著新材料、市場和有競爭力的金屬技術(shù)的不斷發(fā)展，這種效率確實(shí)是復(fù)合材料發(fā)展所需要的。

參考文獻(xiàn)&素材來源

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[3]胡澤先 微水刀激光切割工藝〔J〕商品與質(zhì)量 2020

[4]水導(dǎo)激光，“完美”的精密加工技術(shù)？[J/OL] https://www.sohu.com/a/641473413_121119000

轉(zhuǎn)自：organosheet

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