01 Nguyên lý và tính năng kỹ thuật
Nguyên tắc cơ bản của tia laser dẫn đường-bằng nước là ghép chùm tia laser thành một tia nước-vi áp suất cao và dẫn tia laser tới bề mặt vật liệu thông qua tia nước. Trong hệ thống này, tia laser do nguồn laser tạo ra trước tiên đi qua một loạt thành phần quang học (chẳng hạn như thấu kính và gương) để chuẩn trực và lấy nét, sau đó được kết hợp với tia nước áp suất cao{3}}thông qua một vòi phun đặc biệt. Tia nước tạo thành một kênh nhỏ trong vòi phun và chùm tia laser được dẫn qua kênh này đến bề mặt phôi, như trong Hình 1. Do chiết suất của nước khác với chiết suất của không khí nên đường truyền của tia laser trong nước thay đổi, do đó cần có thiết kế quang học chính xác để đảm bảo độ ổn định và tiêu điểm năng lượng của chùm tia laser.
Hình 1. Nguyên lý kỹ thuật của tia laser dẫn đường{1}}bằng nước.
Độ chính xác cao: Công nghệ laser dẫn đường-bằng nước có thể đạt được độ chính xác xử lý ở mức dưới milimet hoặc thậm chí là micromet-. Do đường kính của tia nước rất nhỏ, thường chỉ từ hàng chục đến hàng trăm micromet nên chùm tia laser có thể được dẫn hướng chính xác đến các vị trí cụ thể trên phôi để thực hiện các thao tác cắt, khoan hoặc khắc tinh xảo. Hiệu suất cao: Trong quá trình xử lý-laze dẫn hướng bằng nước, chùm tia laze được truyền trực tiếp tới bề mặt phôi thông qua tia nước, giảm tổn thất năng lượng và tán xạ trong không khí. Ngoài ra, tia nước còn mang lại hiệu quả làm mát và xả nước, giảm nhiệt độ bề mặt phôi một cách hiệu quả và giảm vùng ảnh hưởng nhiệt, từ đó cải thiện hiệu quả và chất lượng xử lý. Giảm hư hỏng do nhiệt: Do hiệu ứng làm mát của tia nước, vùng-bị ảnh hưởng nhiệt (HAZ) trong quá trình xử lý laser dẫn hướng bằng nước-rất nhỏ. Vùng bị ảnh hưởng bởi nhiệt là khu vực trên bề mặt và bên trong phôi nơi xảy ra biến dạng nhiệt, hư hỏng hoặc thay đổi pha do dẫn nhiệt và bức xạ trong quá trình xử lý bằng laser. Việc làm mát nhanh chóng tia nước trong quy trình xử lý bằng laser{13}}dẫn hướng bằng nước sẽ nhanh chóng loại bỏ nhiệt khỏi bề mặt phôi, do đó làm giảm kích thước và độ sâu của vùng{14}}bị ảnh hưởng bởi nhiệt, đồng thời ngăn ngừa biến dạng nhiệt và hư hỏng vật liệu.
Hình 2. (a) Ảnh SEM của các phần cắt bằng hợp kim titan bằng phương pháp cắt 'laser khô thông thường' và cắt laser dẫn hướng bằng nước-, (b) so sánh các bề mặt cắt của CFRP thu được bằng cách cắt bằng tia laser dẫn đường -nước và cắt 'laser khô thông thường'.
02 Lĩnh vực ứng tuyển
Lĩnh vực hàng không vũ trụ: Lĩnh vực hàng không vũ trụ có yêu cầu rất cao về độ chính xác và chất lượng xử lý vật liệu, đồng thời-công nghệ laser dẫn đường bằng nước được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực này. Nó có thể được sử dụng để xử lý các bộ phận chính của động cơ hàng không vũ trụ như cánh quạt, đĩa tuabin và buồng đốt. Những bộ phận này thường được chế tạo từ những vật liệu--khó xử lý như siêu hợp kim và hợp kim titan. Laser dẫn đường-bằng nước có thể cắt và khắc các vật liệu này một cách hiệu quả đồng thời đảm bảo độ chính xác khi xử lý và chất lượng bề mặt, từ đó cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của các bộ phận. Ngoài ra, tia laser dẫn đường bằng nước-cũng có thể được sử dụng để xử lý các bộ phận kết cấu của phương tiện hàng không vũ trụ, chẳng hạn như cánh và thân máy bay, cho phép gia công các hình dạng phức tạp và thiết kế nhẹ.
Lĩnh vực bán dẫn: Trong sản xuất chất bán dẫn, tia laser dẫn đường{0}}bằng nước có thể được sử dụng để cắt các vật liệu bán dẫn như tấm silicon cũng như để đóng gói và thử nghiệm chip. Vì vật liệu bán dẫn yêu cầu độ chính xác xử lý và chất lượng bề mặt cực kỳ cao nên độ chính xác cao và đặc tính hư hỏng do nhiệt thấp của tia laser dẫn đường-nước khiến chúng trở thành công cụ xử lý lý tưởng. Chúng có thể cắt tốt các tấm silicon, tránh các vết nứt và hư hỏng, do đó cải thiện năng suất và hiệu suất của chip. Ngoài ra, tia laser dẫn hướng bằng nước có thể được sử dụng cho các thiết bị bán dẫn xử lý vi mô, chẳng hạn như chế tạo các linh kiện vi điện tử và khắc vi mạch, mang lại độ chính xác gia công ở cấp độ micromet hoặc thậm chí nanomet.
Trường năng lượng mới: Trong lĩnh vực năng lượng mới, tia laser dẫn đường-bằng nước có thể được sử dụng để xử lý các bộ phận chính của thiết bị năng lượng mới như tấm pin mặt trời và pin nhiên liệu. Ví dụ: trong quá trình sản xuất tấm pin mặt trời, tia laser dẫn đường-bằng nước có thể được sử dụng để cắt các tấm silicon và khắc mẫu điện cực trên bề mặt pin mặt trời, nâng cao hiệu suất và hiệu suất chuyển đổi quang điện của các tấm pin. Trong sản xuất pin nhiên liệu, tia laser dẫn đường-bằng nước có thể xử lý các thành phần như cụm điện cực màng và tấm lưỡng cực, cho phép cắt và khắc có độ chính xác-cao, do đó cải thiện hiệu suất và tuổi thọ của pin nhiên liệu.
Hình 3. Các ứng dụng của tia laser dẫn đường-bằng nước.
03 thách thức và vấn đề mà nước phải đối mặt-Laser dẫn đường
Độ ổn định của tia nước: Trong quá trình xử lý-laser dẫn hướng bằng nước,-tia nước chảy tốc độ cao có thể trở nên không ổn định, điều này có thể ảnh hưởng đến chất lượng xử lý. Ví dụ, trong quá trình cắt, sự dao động của tia nước có thể gây ra sai lệch trong đường cắt hoặc tăng độ nhám bề mặt, ảnh hưởng đến cả độ chính xác gia công và chất lượng bề mặt. Để đảm bảo sự ổn định của tia nước cần tối ưu hóa hệ thống điều khiển tia nước để duy trì trạng thái ổn định trong suốt quá trình xử lý.
-Hiệu suất ghép nước bằng tia laze: Hiệu suất ghép giữa chùm tia laze và tia nước ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả xử lý. Nếu hiệu suất ghép thấp, tổn thất năng lượng laser trong tia nước sẽ tăng lên, làm giảm cả hiệu quả và chất lượng xử lý.
Yêu cầu kỹ thuật đối với lỗ vòi phun: Để đảm bảo xử lý bằng laser dẫn hướng-nước chất lượng cao, độ chính xác trong thiết kế và sản xuất của lỗ vòi phun là rất quan trọng. Lỗ phun cần phải có thành cực mỏng đồng thời duy trì độ tròn có độ chính xác cao và độ côn bằng 0 để chịu được tác động của dòng nước. Ngoài ra, độ nhám của bề mặt bên trong lỗ phải được giữ ở mức cực thấp để đảm bảo độ ổn định và nhất quán của tia nước.
Khả năng thích ứng với môi trường: Thiết bị xử lý laser dẫn đường-bằng nước có yêu cầu cao về môi trường. Ví dụ, hoạt động của thiết bị đòi hỏi nguồn điện ổn định, nước sạch và môi trường có nhiệt độ và độ ẩm ổn định. Trong môi trường có điều kiện kém, chẳng hạn như nhiệt độ dao động lớn, độ ẩm cao hoặc nguồn điện không ổn định, hiệu suất của thiết bị có thể suy giảm hoặc thậm chí hỏng hóc. Ngoài ra, các yếu tố như bụi và độ rung trong môi trường có thể cản trở quá trình xử lý, ảnh hưởng đến độ chính xác và chất lượng gia công. Vì vậy, trong ứng dụng thực tế, việc kiểm soát, quản lý chặt chẽ môi trường hoạt động của thiết bị là cần thiết.
04 Hiện trạng phát triển ngành trong và ngoài nước
Với sự tiến bộ không ngừng của công nghệ xử lý chính xác bằng laser và nhu cầu thị trường ngày càng tăng,-công nghệ xử lý laser dẫn hướng bằng nước cũng liên tục phát triển và cải tiến. Các nhà sản xuất thiết bị laser dẫn đường bằng nước-được quốc tế công nhận chủ yếu bao gồm hai công ty: Synova và Avonisys của Thụy Sĩ. Hiện tại, trong số các công ty thiết bị xử lý laser dẫn đường-trong nước, những công ty đang phát triển tương đối nhanh bao gồm Wot Intelligence Manufacturing, Cosset và Shanghai Lengchen Technology, cùng nhiều công ty khác. Một số công ty khác áp dụng phương pháp trực tiếp giới thiệu các công nghệ liên quan của nước ngoài sau đó lắp ráp, sản xuất trong nước đồng thời tối ưu hóa sản phẩm của mình. Mặc dù điều này có thể nhanh chóng lấp đầy khoảng trống công nghệ, giảm chi phí và thời gian R&D trong ngắn hạn nhưng về lâu dài vẫn tồn tại một số vấn đề nhất định như phụ thuộc vào công nghệ cốt lõi của nước ngoài, đầu tư R&D mất cân bằng và rủi ro lan tỏa trong chuỗi công nghiệp. Tác giả tin rằng nên thiết lập một chu kỳ tích cực về 'sự giới thiệu-sự hấp thụ-vượt qua'. Tin vui là hiện nay đã có các công ty trong nước có khả năng cung cấp thiết bị thương mại với 100% linh kiện được sản xuất trong nước. Với sự chuyển đổi và nâng cấp của ngành sản xuất của Trung Quốc, công nghệ xử lý laze dẫn hướng bằng nước sẽ đóng vai trò quan trọng hơn trong ngành sản xuất cao cấp, đặc biệt là trong các phương tiện sử dụng năng lượng mới, hàng không vũ trụ và sản xuất thiết bị cao cấp. Việc áp dụng công nghệ laser dẫn đường{17}}bằng nước sẽ thúc đẩy đổi mới công nghệ và nâng cấp sản phẩm trong các ngành này.
