1Introdução

O rápido desenvolvimento das indústrias aeroespacial, de semicondutores, médica e energética aumentou significativamente os requisitos de desempenho dos componentes críticos,impulsionando assim a inovação contínua nas tecnologias de corte e equipamento de processamentoEm comparação com o corte mecânico convencional, o corte a laser oferece vantagens notáveis em termos de precisão, eficiência e compatibilidade ambiental.Estas vantagens incluem a remoção do material sem contacto sem esforço mecânico, ampla adaptabilidade do material para fabricação flexível e alta eficiência de processamento possibilitada por controle programável, tornando o corte a laser adequado para aplicações de grande área e alta precisão.

De acordo com a duração do pulso, as fontes de laser podem ser categorizadas em lasers de ondas contínuas, lasers de pulso longo, lasers de pulso curto e lasers de pulso ultrashort.Os lasers de onda contínua e de pulso longo fornecem altas velocidades de processamento, mas normalmente induzem extensas zonas afetadas pelo calor (HAZs) e camadas de recastOs lasers de pulso ultracurtos, tais como os lasers de femtossegundos, podem, teoricamente, realizar o "processamento a frio" transformando directamente materiais em plasma;A sua eficiência na remoção de materiais permanece limitada, especialmente para aplicações industriais de grande escala. Os lasers pulsados de nanossegundos oferecem um custo mais baixo e uma maior eficiência de ablação,Mas são fundamentalmente processos térmicos e muitas vezes resultam em defeitos térmicos típicosMesmo o processamento a laser de femtossegundos pode apresentar efeitos térmicos não negligenciáveis sob altas taxas de repetição e altas densidades de energia.

Para superar as limitações térmicas intrínsecas do processamento a laser seco, os investigadores introduziram tecnologias a laser assistidas por água.O processamento a laser guiado por jato de água (WJGL) representa uma técnica híbrida única que integra a entrega de energia a laser com um jato de água de alta velocidadeO conceito fundamental foi proposto pela primeira vez no início dos anos 90, seguido de um desenvolvimento e comercialização sistemáticos pela Synova, que levaram ao surgimento de sistemas de microjet laser (LMJ).A WJGL foi aplicada com êxito ao corte, perfuração e escoamento de metais, materiais cristalinos frágeis, diamantes, cerâmica e materiais compósitos.

Este artigo apresenta uma revisão abrangente da tecnologia de corte WJGL, incluindo os seus princípios de funcionamento, os mecanismos de acoplagem laser/água, os processos de remoção de materiais e o comportamento de transmissão de energia.Avanços recentes em matéria de aplicações em metais, cristais frágeis e materiais compostos é discutida criticamente.Os desafios técnicos e as futuras tendências de desenvolvimento são também analisados para fornecer orientações sistemáticas tanto para a investigação fundamental como para a implementação industrial da tecnologia WJGL.

2Tecnologia de processamento a laser guiada por jato de água

O processamento a laser guiado por jato de água combina as vantagens da usinagem a laser e dos jatos de água de alta velocidade, oferecendo benefícios distintivos em comparação com o corte a laser seco convencional.o jato de água substitui os fluxos de gás auxiliares e serve simultaneamente como um guia de ondas laserDesde que o comprimento de onda do laser seja absorvido pelo material alvo, o WJGL pode processar ultra-duro, quebradiço,ou materiais sensíveis ao calor, independentemente da condutividade elétrica.

Ao contrário do processamento a laser seco, uma parte substancial da energia do laser no WJGL é dissipada no jato de água e não diretamente dentro da peça.O jato de água arrefece continuamente as bordas de corte entre pulsos de laserAlém disso, a alta densidade de energia cinética do jato de água permite uma remoção eficiente do material fundido,Produção de paredes de corte lisa e livre de borbulhas, resíduos reabastecidos e cáries.

A força mecânica exercida pelo jato de água sobre a superfície da peça de trabalho é extremamente pequena (normalmente inferior a 0,1 N), significativamente inferior à encontrada no processamento convencional a laser.Como resultado,, WJGL é essencialmente um processo sem contato com danos mecânicos mínimos.e larguras de corte finas normalmente variando de 25 a 150 μm.

3Princípio de formação do laser guiado por jato de água

3.1 Configuração do sistema e mecanismo de orientação óptica

A WJGL depende da diferença de índice de refração entre água e ar para orientar a energia do laser através da reflexão interna total na interface água-ar, análoga à transmissão de fibra óptica.Quando um feixe de laser é injetado num micro jato de água estável num ângulo menor que o ângulo crítico para a reflexão interna total, o laser propaga-se ao longo da coluna de água com uma divergência mínima até atingir a superfície da peça.

Um sistema WJGL típico é constituído por quatro subsistemas principais: um módulo láser e óptico, uma unidade de abastecimento de água de alta pressão, um módulo de gás protetor e uma cabeça de engate.A água ultra-pura é pressurizada (580 MPa) e expulsada através de um micro-bocal com diâmetros que variam de 10 a 200 μmO bico é comumente fabricado de safira, rubi ou diamante para resistir ao desgaste e danos térmicos.O feixe de laser é focado precisamente na entrada do bocal através de janelas ópticas e lentes, assegurando um acoplamento eficiente no jato de água.

3.2 Mecanismo de acoplagem por laser e água

O acoplamento eficiente do feixe de laser focado no micro jato de água é um requisito crítico para WJGL.O diâmetro do ponto laser deve ser menor do que o orifício do bico para evitar perdas de energia e danos no bico.Em segundo lugar, a distribuição angular do feixe focado deve satisfazer a condição de reflexo interno total na interface água/ar.

A propagação do laser dentro do jato de água pode ser classificada em raios meridionais e raios inclinados, dependendo de suas trajetórias em relação ao eixo do jato.acoplamento de campo próximo na entrada do bico e acoplamento de campo distante no jato de água externoO acoplamento de campo próximo proporciona um ângulo de aceitação maior e um ponto focal menor, mas pode sofrer perturbações térmicas no interior do bico.Considerando que o acoplamento de campo distante mitiga os efeitos térmicos à custa de restrições geométricas mais rigorosas;.

4Mecanismo de remoção de material no processamento de WJGL

A remoção de material no WJGL ocorre através de um processo de interação cíclica laser-água. Inicialmente, o jato de água de alta velocidade impacta a superfície da peça, formando um filme de água fina.Os pulsos de laser guiados pelo jato de água fornecem energia à superfície do material, onde a energia absorvida é convertida em calor, causando fusão e vaporização localizadas.

A rápida formação de vapor ou plasma gera pressão de recuo e ondas de choque que, juntamente com a ação mecânica do jato de água,expulsar o material fundido do corte e suprimir a formação de camadas de recastO ambiente de água circundante limita a pluma de plasma e redireciona as ondas de choque para o material, aumentando a eficiência da ablação.O material fundido é lavadoEste ciclo de aquecimento/resfriamento repetitivo permite uma usinagem de alta qualidade com danos térmicos mínimos.

5Transmissão de energia em laser guiado por jato de água

A transmissão a laser de alta potência dentro de um jato de água inevitavelmente envolve perda de energia devido à absorção, dispersão e efeitos ópticos não lineares, como a dispersão de Raman.Estudos experimentais e numéricos demonstraram que a atenuação da potência do laser aumenta com a extensão de transmissão e a potência do laserOs comprimentos de onda mais curtos (por exemplo, 532 nm) apresentam geralmente uma maior eficiência de transmissão na água em comparação com os comprimentos de onda infravermelhos (por exemplo, 1064 nm).

Simulações multifísicas combinando eletromagnética, transferência de calor,e dinâmica de fluidos revelaram que o aumento do diâmetro do feixe pode reduzir a divergência e mitigar a perda de energia causada pela violação das condições de reflexão interna totalNo entanto, a compreensão abrangente da propagação de laser de alta potência em jatos de água permanece limitada.e mais validação experimental e modelagem teórica são necessários para otimizar a eficiência da entrega de energia.

6Aplicações deCorte a laser guiado por jato de água

6.1 Materiais metálicos

A WJGL tem sido amplamente aplicada ao corte de precisão de metais como aço inoxidável, ligas de alumínio, ligas de titânio e superligas à base de níquel.WJGL reduz significativamente a espessura do HAZEmbora as velocidades de corte sejam geralmente mais baixas, a WJGL produz uma integridade de superfície superior, paredes de corte lisas e distorção térmica mínima,que são críticos para aplicações aeroespaciais e médicas.

6.2 Materiais cristalinos frágeis

Materiais duros e frágeis, incluindo silício, safira, arsenieto de gálio e diamante, são particularmente difíceis de mecanizar usando métodos tradicionais.corte de baixa franja com excelente qualidade de bordaNo corte de wafer semicondutor e no processamento de substrato de safira, a WJGL demonstrou alta eficiência de corte, paredes laterais lisas e danos mínimos no subsolo,que o torna altamente adequado para a fabricação de microeletrónica e optoeletrónica.

6.3 Materiais compostos

Os compósitos avançados, como o CFRP, os compósitos de matriz de alumínio e os compósitos de matriz de cerâmica, beneficiam significativamente do processamento WJGL.A ablação a laser combinada e o resfriamento a água suprimem eficazmente a delaminação, fibra de extração, e matriz quebra.Os resultados experimentais indicam que o WJGL pode alcançar cortes de alta proporção com degradação térmica mínima e qualidade de superfície superior em comparação com os métodos de corte a laser seco ou mecânico.

7Desafios técnicos e tendências futuras

Apesar de suas vantagens, a tecnologia WJGL enfrenta vários desafios: a atenuação da energia do laser dentro do jato de água limita a eficiência do processamento, especialmente para aplicações de alta potência.Mais pesquisas sobre meios alternativos de orientação ou química da água otimizada podem ajudar a reduzir a perda de energiaA miniaturização dos jatos de água é essencial para uma maior precisão, mas coloca desafios na estabilidade do jato e na eficiência do acoplamento.Alinhamento rápido e preciso de água por laser, e as metodologias de controlo de processos normalizadas continuam a ser domínios-chave que exigem inovação.

Expandir a aplicabilidade da WJGL a materiais ultra-duros como diamantes, vidro de quartzo, safira,A cerâmica avançada exige também uma otimização sistemática dos parâmetros de processamento e das técnicas auxiliares.

8Conclusões e perspectivas

Esta revisão resume sistematicamente os princípios, os mecanismos de remoção de material e o progresso da aplicação da tecnologia de corte a laser guiada por jato de água.Devido ao seu mecanismo único de interacção laser/água, WJGL permite uma usinagem de alta precisão e baixo dano em uma ampla gama de materiais difíceis de processar.e reduzir a contaminação ambiental destaca o seu forte potencial no, fabricação de semicondutores e fabricação de dispositivos médicos.

Embora os desafios relacionados com a estabilidade do jato, a eficiência de transmissão de energia e a complexidade do equipamento permaneçam, os avanços em curso na tecnologia laser, controle de fluidos,A integração dos sistemas deverá melhorar ainda mais o desempenho da WJGL.Com a colaboração contínua entre a academia e a indústria, a WJGL está prestes a tornar-se uma tecnologia dominante na fabricação de ultra-precisão,Apoio às demandas crescentes das indústrias de alta tecnologia de próxima geração.