水导激光加工技术(WJGL)是一种混合加工方法,它将激光与“细如发丝”的水射流相结合,以类似于传统光纤的方式通过全内反射引导激光束,水射流可以持续冷却切割区域并有效地清除碎屑。作为一种“清洁、受控的冷激光技术”,WJGL技术解决了干式激光加工技术存在的重大问题,如热损伤、污染、变形、碎屑沉积、氧化、微裂纹、锥度和精度低。
技术指标
激光器:
(1)脉冲持续时间在us或ns范围内的二极管泵浦固态脉冲Nd:YAG激光器,工作波长为1064、532或355nm。
(2)平均激光功率范围为20-400W。
超纯水:
(1)系统含自带水处理系统、纯净的去离子过滤水。
(2)水射流"细如发丝",耗水量低:在50-800 bar压力下约10L/h;对工件施加的作用力可以忽略不计(<0.1N)。
喷嘴:
(1)喷嘴由蓝宝石或金刚石制成,可以在很长一段时间内产生长而稳定的水射流,无需更换。
(2)直径范围:25-100um。切割切口宽度范围为27-100um,具体取决于喷嘴尺寸。激光能量总是被引导到切口的底部。
技术比较
水导激光加工技术采用在空气-水界面完全反射的激光束。光束可以被引导超过 100 mm的距离,从而实现平行的高纵横比切口。无需对焦或距离控制。
加热、消融和冷却在每个激光脉冲中重复。在下一个激光脉冲发射前,激光烧蚀位置已被冷却至正常水温。该过程实现了约1%时间的激光加工和高达99%时间的冷却。
技术优势
(1)超细水束流,无需对焦的高精密加工
(2)大能量的纳秒激光,可实现高效加工
(3)水束流冷却作用,避免热损伤
(4)水束流冲刷作用,提高加工表面质
加工材料
钻石:原石和合成钻石(CVD、HPHT)
金属:不锈钢、铝、铍铜、铜、黄铜、金、形状记忆合金(镍钛诺)、钛、镍、高温合金
超硬材料:多晶立方氮化硼(PCBK量和低晶金刚石(PCD)、单晶金刚石(SCD)
陶瓷:氧化锆(ZRO2)、氮化铝 (ALN)、氧化铝 (AL203)、氮化硅 (SIN)
半导体:硅(SI)、砷化镓(GAAS)、碳化硅 (SIC)
复合材料:陶瓷基复合材料(CMC)、金刚石复合材料、碳纤维增强复合材料
应用领域及行业应用
一、航天航空
航空航天领域对于零件的加工质量和加工精度有着严格的要求,其应用的材料往往具有难加工的特性,对于传统加工技术有着一定的考验。水导激光技术利用水射流传导激光、具有热影响区小、切割表面锥度小、加工精度高等特点,可以在一定程度上解决当前航空航天领域的加工难题。
例如:航空发动机热端部件加工、涡轮叶片气膜冷却孔加工、陶瓷基复合材料(CMC)叶片的加工、航空/航天CFRP复材结构件加工等。
二、电子信息
水导激光适用于SI、SIC等硬脆材料的加工,不仅可以避免机械加工造成的材料损伤,可以减少激光加工造成的热影响和熔融残渣等问题,极其适用于电子信息领域材料的加工。
例如:微电子晶片划片、晶圆切割、刻蚀机等离子限制环、等离子槽切割、人造金刚石切割、单晶钻石切割打孔等。
三、珠宝行业
水导激光在切割过程中微水射流持续对切割区域进行冷却,可以显著降低宝石切割损坏的风险,并且切割后表面基本没有锥度,可以在程度上节约原材料,提高宝石的利用率。
例如:天然钻石宝石的切割及其他加工。
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公司完成了水导激光加工技术和装备的国产化,并在相关领域达到了国际水平,先后形成了10余项与水导激光”核心技术有关的自主知识产权专利,公司成立伊始,先后在“航空航天、反恐防爆I装备等”相关行业领域,提供加工服务业务,并提供专项技术装备。