摘要：据悉，中南大学的科研人员综述报道了水导激光切割技术。相关论文以“Water jet-guided laser cutting technology: a review”为题发表在《The International Journal of Advanced Ma
长三角G60激光联盟导读
据悉，中南大学的科研人员综述报道了水导激光切割技术。相关论文以“Water jet-guided laser cutting technology: a review”为题发表在《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》上。
随着航空航天、微电子和医疗领域的快速发展，其构成部件正逐渐向小型化和精细化方向发展，这对零件的切割质量和加工精度提出了更高的要求。水导激光（WJGL）切割是一种利用水射流束将激光引导至加工平面的新技术；由于其具有无热影响、加工精度高和无污染等优点，已在多个领域获得广泛应用。本文首先阐述了水导激光的工作原理和材料去除机理，总结了其相对于传统激光切割的优势，然后介绍了该技术在金属、脆性晶体和复合材料领域的典型应用，最后分析了水导激光切割的技术难点，并展望了该技术的未来发展趋势。
图1 WJGL加工工作原理
图2 WJGL 加工系统示意图
图3 WJGL 耦合机制。a 将激光束耦合到水射流中的示意图及两种策略。b 射线传输路径截面。c 倾斜射线传输示意图
图4 WJGL 加工的材料循环过程
图5 水射流内部激光传输的建模。a 不同喷嘴孔径下 532 nm 和1064 nm 激光波段能量传递的模拟。b 不同平均功率下激光耦合水射流的温度分布。c 水射流不同阶段的电场分布
图6 WJGL 切割各种金属。a 在 100 mm/min 切割速度下，不同距离和入射角切割 0.1 mm 铝。b WJGL 和传统激光切割 50 µm 不锈钢板。c WJGL 和传统激光切割钛板。d WJGL 和传统激光切割镁合金。e WJGL 和 LBM 切割Inconel 625, Haynes 188
图7 WJGL 切割各种金属。a 不同方法和加工次数下 Ti-6Al-4V 合金的切槽形貌。b WJGL 和 LBM 切割Inconel 718 合金的对比。c 不同激光功率下切割Inconel 718 板的横截面形貌
图8 WJGL 切割各种脆性晶体材料
图9 WJGL 切割各种复合材料
图10 WJGL 切割材料应用及领域分布百分比
WJGL切割的技术难点与发展趋势
1.激光在水束中的衰减：高功率密度激光在水束中传播时能量衰减大，这是限制 WJGL 技术加工效率和应用范围的关键因素之一。激光在水中衰减的问题尚未很好解决，导致加工效率较低。未来可能需要选择导光效果更好的介质来引导激光，减少能量损失，提高加工速度和效率。
2.水射流微型化：WJGL 的水射流直径直接影响切割宽度和切割精度。当前工艺可使喷嘴直径达到 30 µm。喷嘴直径越小，水射流直径越小，切割精度越高。然而，减小喷嘴直径带来了一系列问题，例如射流稳定性下降、射流长度变短和光斑直径变小。因此，需要在保持水束稳定性和长度的同时，尽可能减小喷嘴直径，提高切割精度。
3.喷嘴孔加工：高质量的水射流束需要高精度的喷嘴孔。喷嘴孔需要具有非常薄的厚度、无锥度、良好的圆度，以及足够的刚度以抵抗水流冲击。喷嘴孔的圆柱面需要具有极小的粗糙度，同时还需要高制造和安装精度。这些高要求增加了喷嘴孔的制造难度，未来需要开发更精密的加工技术和设备来满足这些要求。
4.激光束与水射流束的快速精确耦合对准：实现激光束和水射流束的快速精确耦合对准将极大地提高加工效率；设备设计需要选择高精度伺服驱动控制机构，配合对准检测系统和工件定位检测系统，以确保光-液耦合的准确性。这需要在控制系统设计和集成方面进行更多的创新和优化。
5.工艺研究：WJGL 加工过程的工艺控制存在诸多问题，缺乏完整的加工工艺和评价体系。目前，加工效率、加工精度和材料表面完整性等指标难以保证。未来需要进行系统性的研究和总结，制定标准化的加工工艺和评价体系，以提高整体加工质量和效率。
6.广泛的加工材料范围：目前，用于切割金属材料的 WJGL 工艺已初步形成，而对于金刚石、石英玻璃、蓝宝石、超硬陶瓷等超硬材料的加工，WJGL工艺仍需进一步优化和探索。这些材料的脆性和高硬度给加工带来了巨大挑战，未来需要深入研究切割参数、辅助技术和工艺优化，以提高加工质量和效率。
本文综述了关于WJGL切割技术的系列文献，系统阐述了WJGL的工作原理和材料去除机理，系统总结了WJGL切割技术在金属、脆性晶体、复合材料等领域应用的现状，充分证明了其在广泛材料加工中的应用价值，并展示了其在高精度、高要求加工任务中的巨大潜力。WJGL 独特的工作原理和材料去除机制使其能够在切割过程中避免热影响区，确保加工的高精度和质量。同时，其在减少环境污染和提高加工效率方面的优势进一步巩固了其在主要高科技领域的地位。然而，当前的 WJGL 技术仍面临水柱稳定性、激光耦合效率和设备复杂性等技术难点，亟待进一步的研究和技术突破。
随着研究的深入和技术的不断完善，WJGL切割技术有望成为高精度加工领域的主流技术之一，为现代制造业和医疗技术的发展提供有力支持。通过产学研的紧密合作，WJGL 技术的未来发展前景将更加广阔，并有望在精密加工领域掀起新的革命，助力实现更高效、更精细的加工任务，满足高科技产业日益增长的需求。
长三角G60激光联盟陈长军转载
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来源：江苏激光联盟
