航空宇宙,半導体,医療,エネルギー産業の急速な発展により,重要な部品の性能要件が大幅に増加しました切断技術と加工機器の継続的なイノベーションを推進するレーザー切削は,従来の機械切削と比較して,精度,効率性,環境適合性において顕著な利点を提供します.これらの利点には,機械的なストレスをなく接触しない材料の除去が含まれます柔軟な製造のための幅広い材料の適応性,プログラム可能な制御によって可能になる高処理効率により,レーザー切削は広範囲で高精度なアプリケーションに適しています.
パルス持続時間により,レーザー源は連続波レーザー,長パルスレーザー,短パルスレーザー,超短パルスレーザーに分類できる.連続波と長パルスレーザーは高処理速度を提供するが,通常は広範囲な熱影響ゾーン (HAZ) と再鋳造層を誘発する極短パルスレーザー,例えばフェムト秒レーザーは,理論上,物質をプラズマに直接変換することによって"冷凍加工"を達成することができる.物質除去効率は限られているナノ秒パルスレーザーは,コストが低く,アブラーション効率が高くなります.しかし,基本的に熱プロセスであり,典型的な熱欠陥を引き起こすことが多い.微細裂け目や再鋳造層を含む.フェムト秒レーザー処理でさえ,高重複率と高エネルギー密度下では,軽視できない熱効果を示します.
乾燥レーザー加工の内在的な熱的限界を克服するために 研究者は水補助レーザー技術を導入しました水噴射誘導レーザー (WJGL) 処理は,レーザーエネルギー配送と高速水噴射を統合したユニークなハイブリッド技術です.基本概念は1990年代初頭に最初に提案され,その後Synovaによって体系的な開発と商業化が行われ,レーザーマイクロジェット (LMJ) システムの出現につながりました.WJGL は 切断 に 成功 的 に 適用 さ れ て い ます金属,脆い結晶材料,ダイヤモンド,陶器,複合材料の掘削と溝付け
この論文では,WJGL切削技術の包括的なレビューを提示し,その作業原理,レーザー・水結合機構,材料除去プロセス,エネルギー伝送行動を含む.金属における近年の応用進歩複合材料について批判的に議論されています.WJGL技術の基礎研究と産業導入の両方に体系的な指針を提供するために,技術的な課題と将来の開発傾向も分析されています..
水噴流導レーザー加工は,レーザー加工と高速水噴流の利点を組み合わせ,従来の乾燥レーザー切削と比較して独特の利点を提供します.水流は補助ガス流を代替し,同時にレーザー波導体として機能しますレーザーの波長が標的材料に吸収できる限り,WJGLは超硬質,脆性,電気伝導性に関係なく,熱に敏感な材料.
乾燥レーザー加工とは異なり,WJGLではレーザーエネルギーの相当な部分は,直接作業部品の中ではなく水噴射器内に散散する.レーザーパルスとの間のカーフエッジを継続的に冷却する水噴射熱蓄積,残留ストレス,HAZの形成を効果的に抑制する.さらに,水噴出機の高い運動エネルギー密度は,溶けた物質の効率的な除去を可能にします.滑らかな切り壁を製造する再び埋蔵された残骸や穴
水噴出機が工品表面に施す機械的力は極めて小さい (通常は0.1 N以下),従来のレーザー加工で発生するよりも大幅に低い.結果としてWJGLは基本的に接触のないプロセスで,機械的な損傷は最小限に抑えられる.追加の利点には,作業距離の延長,焦点の深さ,高画質比の切断能力,細いカーフ幅は通常25〜150μm.
WJGLは,光ファイバー伝送に類似した水・空気インターフェースでの総内部反射を通じてレーザーエネルギーを導くために,水と空気との屈折率差に依存する.安定したマイクロ水噴射器にレーザービームを注入すると,全体的な内部反射の臨界角よりも小さい角度でレーザーは,最小限の分散で水柱に沿って,作業部品表面に到達するまで伝播します.
典型的なWJGLシステムは,レーザーと光学モジュール,高圧水供給装置,保護ガスモジュール,およびコップリングヘッドの4つの主要なサブシステムで構成されています.超純粋な水は圧縮 (580 MPa) され,直径10〜200 μmのマイクロノズルを通って排出される.毛状の安定した水噴出物を形成する.水噴出口は,通常,耐磨性や熱損傷のためにサファイア,ルビー,またはダイヤモンドで製造されています.レーザービームは,光学窓とレンズを通してノズルの入口に正確に焦点を当てます効率的な水流への結合を保証します
集中レーザービームを マイクロ水噴射器に効率的に結合させることは WJGL の重要な要件ですレーザースポット直径は,エネルギー損失とノズルの損傷を防ぐためにノズルの孔よりも小さい必要があります.第二に,焦点光束の角分布は,水と空気の接点における全体的な内部反射の条件を満たさなければならない.
水噴射内のレーザー伝播は,噴射軸との関係性による経路に応じて,南極線と偏向線に分類することができる.一般的に2つの結合戦略が採用されている:噴嘴入口の近場結合と外側の水流への遠場結合近場結合は,より大きな受容角度とより小さな焦点を提供するが,ノズルの内部では熱障害が発生する可能性があります.遠域結合は,より厳格な幾何学的制約によって熱効果を緩和する..
WJGLでは,サイクリックレーザー・水相互作用プロセスで材料を除去する.最初は,高速な水噴射が作業部品表面に衝撃を与え,薄い水膜を形成する.水流によって導かれるレーザーパルスで 材料表面にエネルギーが送られる吸収されたエネルギーは熱に変換され,局所的な溶融と蒸発を引き起こします.
蒸気やプラズマの急速な形成は,反発圧と衝撃波を生成し,水噴出機の機械的作用とともに,溶けた材料を切断し,再鋳造層形成を抑制する周囲の水環境は プラズマを閉じ込めて 衝撃波を材料に方向転換し アブラション効率を向上させます溶けた物質は洗い流されるこの繰り返しの加熱・冷却サイクルにより,熱損傷が最小限に抑えられる高品質の加工が可能になります.
水噴射器内の高功率レーザー伝播は,吸収,散乱,ラーマン散乱などの非線形光学効果によるエネルギー損失を必然的に伴う.実験的および数学的研究により,レーザーの電力の衰弱は,伝送長さとレーザーの電力の短波長 (例えば532nm) は,赤外線波長 (例えば1064nm) と比べると,一般的に水中での伝達効率が高くなります.
電気磁気,熱伝達,波長の直径を増加させることで 波長の分散を軽減し 内部反射条件の乱れによる エネルギー損失を軽減することが示されていますしかし,水噴射における高功率レーザー伝播に関する包括的な理解は依然として限られています.エネルギー供給効率を最適化するために,さらに実験的検証と理論的モデリングが必要です..
WJGLは,不老鋼,アルミ合金,チタン合金,ニッケルベースの超合金などの金属の精密切削に広く適用されています.従来のレーザー切削と比較して,WJGL は HAZ の 厚さ を 大きく 減らす切断速度が一般的には低いものの,WJGLは優れた表面の整合性,滑らかなカーフ壁,最小限の熱歪み,航空宇宙および医療用アプリケーションにとって重要なもの.
シリコン,サファイア,ガリウムアルセニード,ダイヤモンドを含む硬くて脆い材料は,伝統的な方法を使用して機械に特に挑戦しています.細切りで優良な刃の質半導体ウエファー切断とサファイア基板加工では,WJGLは高い切断効率,滑らかなサイドウォール,最小限の地下損傷を示しています.マイクロ電子機器と光電子機器の製造に非常に適している.
CFRP,アルミニウムマトリックス複合材料,セラミックマトリックス複合材料などの高度な複合材料は,WJGL加工から大幅に利益を得ます.レーザー 脱毛 と 水 冷却 の 組み合わせ が 効果 的 に 脱層 を 抑制 する繊維の引き出しとマトリックス破裂です実験結果は,WJGLは,乾燥レーザーまたは機械的な切削方法と比較して,最小限の熱分解と優れた表面品質で高い側面比切断を達成できることを示しています.
WJGL技術には利点があるにもかかわらず,いくつかの課題に直面している.水噴射内のレーザーエネルギーの衰弱は,特に高電力アプリケーションでは処理効率を制限する.代替 の 導体 媒体 や 最適 化 さ れ た 水 化学 に 関する さらなる 研究 は,エネルギー 損失 を 減らす こと に 役立ち ます水噴出機の小型化は,より高い精度のために不可欠ですが,ジェット安定性と結合効率に課題を提示しています. さらに,高精度なノズルの製造,迅速で正確なレーザー・水の調整プロセス制御の標準化方法論は,イノベーションを必要とする重要な分野であり続けています.
ダイヤモンド,クォーツガラス,サファイア,処理パラメータと補助技術の体系的な最適化も求めています.
このレビューでは,水噴射誘導レーザー切削技術の原理,材料除去メカニズム,および応用進歩を体系的に要約しています.独特のレーザー・水相互作用メカニズムによりWJGLは,加工が難しい幅広い材料を高精度で低ダメージで加工することができます.航空宇宙における強力な可能性を強調しています半導体製造と医療機器製造
レーザー技術や流体制御の進歩が 課題として残っていますWJGLのパフォーマンスをさらに向上させる.WJGLは超精密製造の主流技術になる準備ができています次世代のハイテク産業の需要を高めること.
航空宇宙,半導体,医療,エネルギー産業の急速な発展により,重要な部品の性能要件が大幅に増加しました切断技術と加工機器の継続的なイノベーションを推進するレーザー切削は,従来の機械切削と比較して,精度,効率性,環境適合性において顕著な利点を提供します.これらの利点には,機械的なストレスをなく接触しない材料の除去が含まれます柔軟な製造のための幅広い材料の適応性,プログラム可能な制御によって可能になる高処理効率により,レーザー切削は広範囲で高精度なアプリケーションに適しています.
パルス持続時間により,レーザー源は連続波レーザー,長パルスレーザー,短パルスレーザー,超短パルスレーザーに分類できる.連続波と長パルスレーザーは高処理速度を提供するが,通常は広範囲な熱影響ゾーン (HAZ) と再鋳造層を誘発する極短パルスレーザー,例えばフェムト秒レーザーは,理論上,物質をプラズマに直接変換することによって"冷凍加工"を達成することができる.物質除去効率は限られているナノ秒パルスレーザーは,コストが低く,アブラーション効率が高くなります.しかし,基本的に熱プロセスであり,典型的な熱欠陥を引き起こすことが多い.微細裂け目や再鋳造層を含む.フェムト秒レーザー処理でさえ,高重複率と高エネルギー密度下では,軽視できない熱効果を示します.
乾燥レーザー加工の内在的な熱的限界を克服するために 研究者は水補助レーザー技術を導入しました水噴射誘導レーザー (WJGL) 処理は,レーザーエネルギー配送と高速水噴射を統合したユニークなハイブリッド技術です.基本概念は1990年代初頭に最初に提案され,その後Synovaによって体系的な開発と商業化が行われ,レーザーマイクロジェット (LMJ) システムの出現につながりました.WJGL は 切断 に 成功 的 に 適用 さ れ て い ます金属,脆い結晶材料,ダイヤモンド,陶器,複合材料の掘削と溝付け
この論文では,WJGL切削技術の包括的なレビューを提示し,その作業原理,レーザー・水結合機構,材料除去プロセス,エネルギー伝送行動を含む.金属における近年の応用進歩複合材料について批判的に議論されています.WJGL技術の基礎研究と産業導入の両方に体系的な指針を提供するために,技術的な課題と将来の開発傾向も分析されています..
水噴流導レーザー加工は,レーザー加工と高速水噴流の利点を組み合わせ,従来の乾燥レーザー切削と比較して独特の利点を提供します.水流は補助ガス流を代替し,同時にレーザー波導体として機能しますレーザーの波長が標的材料に吸収できる限り,WJGLは超硬質,脆性,電気伝導性に関係なく,熱に敏感な材料.
乾燥レーザー加工とは異なり,WJGLではレーザーエネルギーの相当な部分は,直接作業部品の中ではなく水噴射器内に散散する.レーザーパルスとの間のカーフエッジを継続的に冷却する水噴射熱蓄積,残留ストレス,HAZの形成を効果的に抑制する.さらに,水噴出機の高い運動エネルギー密度は,溶けた物質の効率的な除去を可能にします.滑らかな切り壁を製造する再び埋蔵された残骸や穴
水噴出機が工品表面に施す機械的力は極めて小さい (通常は0.1 N以下),従来のレーザー加工で発生するよりも大幅に低い.結果としてWJGLは基本的に接触のないプロセスで,機械的な損傷は最小限に抑えられる.追加の利点には,作業距離の延長,焦点の深さ,高画質比の切断能力,細いカーフ幅は通常25〜150μm.
WJGLは,光ファイバー伝送に類似した水・空気インターフェースでの総内部反射を通じてレーザーエネルギーを導くために,水と空気との屈折率差に依存する.安定したマイクロ水噴射器にレーザービームを注入すると,全体的な内部反射の臨界角よりも小さい角度でレーザーは,最小限の分散で水柱に沿って,作業部品表面に到達するまで伝播します.
典型的なWJGLシステムは,レーザーと光学モジュール,高圧水供給装置,保護ガスモジュール,およびコップリングヘッドの4つの主要なサブシステムで構成されています.超純粋な水は圧縮 (580 MPa) され,直径10〜200 μmのマイクロノズルを通って排出される.毛状の安定した水噴出物を形成する.水噴出口は,通常,耐磨性や熱損傷のためにサファイア,ルビー,またはダイヤモンドで製造されています.レーザービームは,光学窓とレンズを通してノズルの入口に正確に焦点を当てます効率的な水流への結合を保証します
集中レーザービームを マイクロ水噴射器に効率的に結合させることは WJGL の重要な要件ですレーザースポット直径は,エネルギー損失とノズルの損傷を防ぐためにノズルの孔よりも小さい必要があります.第二に,焦点光束の角分布は,水と空気の接点における全体的な内部反射の条件を満たさなければならない.
水噴射内のレーザー伝播は,噴射軸との関係性による経路に応じて,南極線と偏向線に分類することができる.一般的に2つの結合戦略が採用されている:噴嘴入口の近場結合と外側の水流への遠場結合近場結合は,より大きな受容角度とより小さな焦点を提供するが,ノズルの内部では熱障害が発生する可能性があります.遠域結合は,より厳格な幾何学的制約によって熱効果を緩和する..
WJGLでは,サイクリックレーザー・水相互作用プロセスで材料を除去する.最初は,高速な水噴射が作業部品表面に衝撃を与え,薄い水膜を形成する.水流によって導かれるレーザーパルスで 材料表面にエネルギーが送られる吸収されたエネルギーは熱に変換され,局所的な溶融と蒸発を引き起こします.
蒸気やプラズマの急速な形成は,反発圧と衝撃波を生成し,水噴出機の機械的作用とともに,溶けた材料を切断し,再鋳造層形成を抑制する周囲の水環境は プラズマを閉じ込めて 衝撃波を材料に方向転換し アブラション効率を向上させます溶けた物質は洗い流されるこの繰り返しの加熱・冷却サイクルにより,熱損傷が最小限に抑えられる高品質の加工が可能になります.
水噴射器内の高功率レーザー伝播は,吸収,散乱,ラーマン散乱などの非線形光学効果によるエネルギー損失を必然的に伴う.実験的および数学的研究により,レーザーの電力の衰弱は,伝送長さとレーザーの電力の短波長 (例えば532nm) は,赤外線波長 (例えば1064nm) と比べると,一般的に水中での伝達効率が高くなります.
電気磁気,熱伝達,波長の直径を増加させることで 波長の分散を軽減し 内部反射条件の乱れによる エネルギー損失を軽減することが示されていますしかし,水噴射における高功率レーザー伝播に関する包括的な理解は依然として限られています.エネルギー供給効率を最適化するために,さらに実験的検証と理論的モデリングが必要です..
WJGLは,不老鋼,アルミ合金,チタン合金,ニッケルベースの超合金などの金属の精密切削に広く適用されています.従来のレーザー切削と比較して,WJGL は HAZ の 厚さ を 大きく 減らす切断速度が一般的には低いものの,WJGLは優れた表面の整合性,滑らかなカーフ壁,最小限の熱歪み,航空宇宙および医療用アプリケーションにとって重要なもの.
シリコン,サファイア,ガリウムアルセニード,ダイヤモンドを含む硬くて脆い材料は,伝統的な方法を使用して機械に特に挑戦しています.細切りで優良な刃の質半導体ウエファー切断とサファイア基板加工では,WJGLは高い切断効率,滑らかなサイドウォール,最小限の地下損傷を示しています.マイクロ電子機器と光電子機器の製造に非常に適している.
CFRP,アルミニウムマトリックス複合材料,セラミックマトリックス複合材料などの高度な複合材料は,WJGL加工から大幅に利益を得ます.レーザー 脱毛 と 水 冷却 の 組み合わせ が 効果 的 に 脱層 を 抑制 する繊維の引き出しとマトリックス破裂です実験結果は,WJGLは,乾燥レーザーまたは機械的な切削方法と比較して,最小限の熱分解と優れた表面品質で高い側面比切断を達成できることを示しています.
WJGL技術には利点があるにもかかわらず,いくつかの課題に直面している.水噴射内のレーザーエネルギーの衰弱は,特に高電力アプリケーションでは処理効率を制限する.代替 の 導体 媒体 や 最適 化 さ れ た 水 化学 に 関する さらなる 研究 は,エネルギー 損失 を 減らす こと に 役立ち ます水噴出機の小型化は,より高い精度のために不可欠ですが,ジェット安定性と結合効率に課題を提示しています. さらに,高精度なノズルの製造,迅速で正確なレーザー・水の調整プロセス制御の標準化方法論は,イノベーションを必要とする重要な分野であり続けています.
ダイヤモンド,クォーツガラス,サファイア,処理パラメータと補助技術の体系的な最適化も求めています.
このレビューでは,水噴射誘導レーザー切削技術の原理,材料除去メカニズム,および応用進歩を体系的に要約しています.独特のレーザー・水相互作用メカニズムによりWJGLは,加工が難しい幅広い材料を高精度で低ダメージで加工することができます.航空宇宙における強力な可能性を強調しています半導体製造と医療機器製造
レーザー技術や流体制御の進歩が 課題として残っていますWJGLのパフォーマンスをさらに向上させる.WJGLは超精密製造の主流技術になる準備ができています次世代のハイテク産業の需要を高めること.
