瑞士西諾瓦公司(Synova)是一家專注研發(fā)水射流激光技術(shù)的公司,自1994年Laser MicroJet(LMJ)專利首次注冊認證以來,經(jīng)過近30年發(fā)展,目前已在航空航天、半導(dǎo)體等領(lǐng)域得到了一定程度的應(yīng)用。相比傳統(tǒng)激光熱加工的方式,這種加工方式是將激光與細如發(fā)絲的水射流相結(jié)合,并以類似于傳統(tǒng)光纖的方式通過全內(nèi)反射精確引導(dǎo)激光束。
在水射流激光加工過程中,經(jīng)過高壓噴射出的水流可以持續(xù)冷卻切割區(qū),有效去除激光切割生成的碎屑。作為一種“冷、清潔、可控的激光器”,LMJ技術(shù)可有效解決傳統(tǒng)激光器加工中容易產(chǎn)生的一些問題,如熱損傷、污染、變形、碎屑沉積、氧化、微裂紋和錐度。
百年前的工藝初探
1841年,瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的Daniel Colladon教授首次在學(xué)校演講廳講解基于全內(nèi)反射稱為“光導(dǎo)”的光學(xué)現(xiàn)象。同年,他在巴黎藝術(shù)與科學(xué)天文臺展示了模型。這是世界上首次提出將光和水融合的理論。
Daniel Colladon的模型使用了電弧燈作為光源。一個鏡頭將光線聚焦通過水箱,并沿著從另一側(cè)噴出的一個洞上再次進行聚焦。當(dāng)水中光線以一定角度掃過水射流邊緣時,全內(nèi)反射將光線“困”在液體中。光線沿著水射流的方向進行彎曲弧形反彈,直到濺入收集盤中。實際上,通過這樣一個裝置,實現(xiàn)了讓光線沿著水的曲線移動。
1889年巴黎世博會期間,這項發(fā)明首次應(yīng)用在照亮噴泉上,向世人展示。180年后的今天,同樣的導(dǎo)光效果也發(fā)生在光纖中。作為瑞士科學(xué)家的后人,同時也是Synova公司的創(chuàng)始人Bernold Richerzhagen,發(fā)明的水射流激光工藝與Colladon的實驗類似,但在水射流中使用的是激光束而不是白光,體積小得多,壓力也更高。
后繼有人
Richerzhagen獲得德國亞琛工業(yè)大學(xué)機械碩士學(xué)位后,在攻讀博士學(xué)位期間獲得了一項用于牙科應(yīng)用的激光項目資助,目的是開發(fā)用于牙科應(yīng)用(去除齲齒)的激光能量傳輸系統(tǒng)。當(dāng)時,Richerzhagen考慮了兩種在激光鉆孔過程中冷卻牙齒的方法。一種是噴水,另一種是用水射流的全反射引導(dǎo)激光鉆孔。
最終,Richerzhagen決定采用第二種方法,因為水射流引導(dǎo)激光具有明顯的優(yōu)勢:平行激光束、長焦距和快速冷卻,從而可以避免熱損傷,因為牙齒周邊的神經(jīng)系統(tǒng)對溫度變化非常敏感。他將激光束和水射流耦合的第一臺原型機采用了脈沖激光(開始用染料激光,后來用YAG紅外激光),10bar水壓,水源是去離子水,以及高壓水射流噴嘴(直徑100μm)。
該裝置基于準靜止水流理論,以在自由水射流中實現(xiàn)穩(wěn)定的層流。水從腔室中持續(xù)、均勻地加速直到通過噴嘴。如圖1所示,其特點是將光學(xué)器件和水射流耦合分開,使用高質(zhì)量噴嘴產(chǎn)生穩(wěn)定水射流。激光束再通過水室中的窗口聚焦到水射流噴嘴上,并耦合到從噴嘴噴出的水射流中。
但實驗結(jié)果沒有達到Richerzhagen的心理預(yù)期,事實上盡管實驗計算和模擬表明所有激光束都應(yīng)該通過噴嘴,但噴嘴很容易損壞。與此同時,他也積極準備專利申請(LASAG,編號FR 2 676 913,1991年5月)。之后兩年,Richerzhagen專注解決噴嘴易損壞的問題,探究激光束沒有準確聚焦到噴嘴的實際原因。
經(jīng)過研究,Richerzhagen找到了導(dǎo)致噴嘴損壞的癥結(jié)。他發(fā)現(xiàn)在每個脈沖期間,水吸收了一小部分激光能量后就轉(zhuǎn)化為熱量。水溫持續(xù)升高導(dǎo)致了折射率不斷發(fā)生變化,這會產(chǎn)生所謂的“負透鏡”效應(yīng)。激光脈沖后一段時間,水由于熱傳導(dǎo)和對流等熱交換過程而冷卻。結(jié)果,折射率再次上升至初始水平。這時,熱導(dǎo)透鏡失去了作用。這種現(xiàn)象稱為熱暈或熱散焦。
傳輸損耗隨著脈沖能量的增加而增加,熱散焦導(dǎo)致了耦合出現(xiàn)問題。這種散焦也致使激光束變寬,焦點位置發(fā)生偏移。因此,有相當(dāng)一部分的激光能量打在了焦點以外的區(qū)域,從而引發(fā)了噴嘴損壞。
在確定水溫升高對激光束產(chǎn)生影響后,Richerzhagen的下一個任務(wù)是測量激光束穿過水時的變化。通過實驗認證和數(shù)學(xué)計算,他找到了確定折射率與水溫間關(guān)系的準確方法。更進一步,他又通過數(shù)值模擬重現(xiàn)對熱散焦下光束輪廓的實驗測量。1993年,Richerzhagen成功展示了第一臺燒蝕材料的水射流導(dǎo)向激光器,并最終在1994年完成了對這項發(fā)明的專利申請,銷售商標為Laser MicroJet?(LMJ),工作原理如圖2所示。
一種全新的激光加工技術(shù)
目前,從Synova公司公布的信息顯示,其激光器使用的是半導(dǎo)體泵浦固態(tài)脈沖Nd:YAG激光器,脈沖持續(xù)時間以微秒或納米秒計算,波長為1064nm或532 nm,平均激光功率范圍20W-400W。在 50-800bar下每小時的耗水量在10升左右,引起的力可以忽略不計(<0.1牛)。噴嘴是由藍寶石或鉆石制成,足夠的硬度保證長時間噴出長而穩(wěn)定的水射流。
水射流導(dǎo)向激光(激光微射流)是一種革命性的切割技術(shù),既有水射流切割低溫、工作距離大的優(yōu)點,又兼具常規(guī)激光切割的精度和速度。因此,該技術(shù)得到廣泛應(yīng)用,并在其他非常規(guī)加工方法(EDM、激光、磨削、磨料水射流)中展現(xiàn)了獨特的優(yōu)勢。
對比傳統(tǒng)激光束和微射流激光束,由于激光束的發(fā)散,傳統(tǒng)的對焦激光束工作距離有限,從幾毫米到幾分之一毫米,不僅需要精準對焦和距離控制,還限制了切邊的長寬比,錐形激光束產(chǎn)生非平行加工壁。另外,激光熱加工中廢料粒子發(fā)生沉積后,廢料去除效率低,且易產(chǎn)生毛刺。
激光微射流技術(shù)用的是一束在空氣—水界面完全反射的激光束。光束的加工距離超過10厘米且能形成平行切邊,無需對焦或距離控制。切割面不平也不成問題,可進行3D切割,可變切割深度高達幾厘米。 柱狀激光可產(chǎn)生平行切割壁,可實現(xiàn)穩(wěn)定的高質(zhì)量切削效果,長寬比較高,切邊寬度很?。?gt;20μm),能以更小的材料損耗實現(xiàn)同樣深的切削效果。
水射流的冷卻作用可避免熱損傷和材料變化,從而保持了較高的強度。薄薄的水膜消除了廢料粒子的沉積和污染,無需加工表面保護層,高動能的水射流噴出熔融物質(zhì),避免毛刺形成。
事實證明,激光微射流技術(shù)特別適于加工切邊非常薄、表面涂層精致以及易于變形、熱敏感的高精密工件,比如半導(dǎo)體行業(yè)。柱狀導(dǎo)向激光切割質(zhì)量優(yōu)良,材料損失小,是平行切削脆性材料和硬材的理想解決方案。
當(dāng)前,Synova公司的研發(fā)團隊仍在不斷研究、改進、優(yōu)化解決方案。激光微射流技術(shù)正越來越多地應(yīng)用于許多工業(yè)部門加工各種材料,通常是高科技材料如陶瓷復(fù)合材料或需要高質(zhì)量表面光潔度的CVD工具。各國研究機構(gòu)都已經(jīng)開始開發(fā)水射流導(dǎo)向激光技術(shù)的應(yīng)用。 可以預(yù)見,這項技術(shù)的發(fā)展前景一片光明。
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