瑞士西諾瓦公司（Synova）是一家專注研發(fā)水射流激光技術的公司，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、半導體等領域得到了一定程度的應用。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)瓦大學的Daniel Colladon教授首次在學校演講廳講解基于全內(nèi)反射稱為“光導”的光學現(xiàn)象。同年，他在巴黎藝術與科學天文臺展示了模型。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，并沿著從另一側噴出的一個洞上再次進行聚焦。當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)明首次應用在照亮噴泉上，向世人展示。180年后的今天，同樣的導光效果也發(fā)生在光纖中。作為瑞士科學家的后人，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)大學機械碩士學位后，在攻讀博士學位期間獲得了一項用于牙科應用的激光項目資助，目的是開發(fā)用于牙科應用（去除齲齒）的激光能量傳輸系統(tǒng)。當時，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激光鉆孔。
最終，Richerzhagen決定采用第二種方法，因為水射流引導激光具有明顯的優(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，其特點是將光學器件和水射流耦合分開，使用高質量噴嘴產(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。
但實驗結果沒有達到Richerzhagen的心理預期，事實上盡管實驗計算和模擬表明所有激光束都應該通過噴嘴，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找到了導致噴嘴損壞的癥結。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化為熱量。水溫持續(xù)升高導致了折射率不斷發(fā)生變化，這會產(chǎn)生所謂的“負透鏡”效應。激光脈沖后一段時間，水由于熱傳導和對流等熱交換過程而冷卻。結果，折射率再次上升至初始水平。這時，熱導透鏡失去了作用。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的下一個任務是測量激光束穿過水時的變化。通過實驗認證和數(shù)學計算，他找到了確定折射率與水溫間關系的準確方法。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
目前，從Synova公司公布的信息顯示，其激光器使用的是半導體泵浦固態(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。
水射流導向激光（激光微射流）是一種革命性的切割技術，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，該技術得到廣泛應用，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)定的高質量切削效果，長寬比較高，切邊寬度很小（>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，避免毛刺形成。
事實證明，激光微射流技術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，比如半導體行業(yè)。柱狀導向激光切割質量優(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。激光微射流技術正越來越多地應用于許多工業(yè)部門加工各種材料，通常是高科技材料如陶瓷復合材料或需要高質量表面光潔度的CVD工具。各國研究機構都已經(jīng)開始開發(fā)水射流導向激光技術的應用。 可以預見，這項技術的發(fā)展前景一片光明。
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