众所周知，由于碳纤维增强复合材料（CFRP）自身的高硬度和高耐磨性等特点，想要对其进行高效率和高精度地加工是一项非常具有挑战性的任务，传统的加工方法会存在诸如加工速度慢、热损伤、对材料性能产生不良影响、加工精度不足等问题。由瑞士Synova公司发明的水导激光技术，将水刀和激光的优点整合在一起，可以完全避免这些加工缺陷，完美适配CFRP的高效精密加工需求。

图1 使用水导激光技术加工的CFRP层压板示例

水导激光技术是通过水射流对激光进行引导的新型激光加工技术，其工作原理如图2所示。激光束通过透镜聚焦于压力水槽的喷嘴处，水槽中的压力水在喷嘴的下面形成1个头发丝般粗细的低压水射流，激光束被完全包含在水射流中，并在空气/水界面处以全反射方式沿水射流传播，这样就可以通过低压水射流引导激光束，且只产生极小的能量损失。被加工材料吸收激光脉冲的能量而熔化或气化，水射流冲走被熔化的材料，实现对材料的激光加工。而在两个激光脉冲之间，水射流对被加热的工件进行冷却，防止被加工材料因受热而发生结构变化。

图2水导激光技术工作原理

水导激光技术中水射流的直径在一定的长度范围内是稳定不变的，这个长度取决于喷嘴的直径和工作水压，最长可达到水射流直径的1000倍左右，因而这种水射流引导的激光束的工作距离最长可以达到几个厘米，远大于传统激光加工技术的工作距离，而且还不需要聚焦控制系统。若超过这个稳定长度后，水射流的形状将不再成圆柱状，而是变成液滴，这时激光束将以漫反射方式离开水柱，激光束的能量分散，不会产生对材料的烧蚀。由于激光束的直径只取决于喷嘴孔的直径，因而传统的激光切割加工遇到的问题，如激光束椭圆度、散光和偏振等引起的不连续性以及方向依赖性将不再存在。水射流的作用除了引导激光束之外，它还能起到冷却工件、清除熔化的材料、减少粉尘污染等作用。水射流采用去离子水或者过滤水，水压根据实际应用通常定在20-500bar之间。水射流非常细，其直径约为25-75μm，故水射流对工件的作用力可以忽略不计，耗水量也极低，通常约为2-3L/h。

图3 水导激光刀头部分

由于水导激光的技术全能性，其可以加工各种厚度范围的各种难加工复合材料，同时还不会产生热影响区和微裂纹等缺陷。因此，水导激光技术可以完美地满足几乎所有CFRP零件的复杂和精密的加工需求。相比传统激光加工技术，水导激光技术有以下几点优势：

■水射流是圆柱体结构能使传导的激光平行输出，所以激光切割面高度平行，不产生坡度；

■加工深度取决于水流长度，长度可以超过几个厘米，而且不需要昂贵的聚焦光学系统，切割厚的或非平面的零件也不必考虑焦点；

■水导激光降低了脉冲激光加工对材料的热损伤，提高了切割边缘的均匀性；

■因加工表面有水的存在，有效防止了激光烧蚀后熔融物附着在加工表面。

图4 Synova集成了水导激光技术的五轴CNC和龙门机床设备

Synova公司已经将水导激光技术集成到五轴CNC和龙门机床设备中，可以适用于加工各种形状和尺寸的CFRP零件。为了实现工业4.0功能，激光功率计、定位传感器和自动喷射角度校也正被集成到水导激光技术系统中。这套系统非常灵活，可以作为一个独立的系统整合到零件生产过程中，或作为全自动生产线的一部分，无需操作人员实现大批量生产。对于复合材料，水导激光技术通过更快的生产速度、更低的运营成本、更高的可靠性和更大的产能来降低制造成本。随着新材料、市场和有竞争力的金属技术的不断发展，这种效率确实是复合材料发展所需要的。

参考文献&素材来源

[1]Fusing waterjet, laser for efficiency in CFRP/CMC machining [J/OL]. CompositesWorld. 2019-5-2. https://www.compositesworld.com/articles/fusing-waterjet-laser-for-efficiency-in-cfrpcmc-machining

[2]符祚钢 微水刀激光加工技术及其应用〔J〕世界制造技术与装备市场 2009

[3]胡泽先 微水刀激光切割工艺〔J〕商品与质量 2020

[4]水导激光，“完美”的精密加工技术？[J/OL] https://www.sohu.com/a/641473413_121119000

转自：organosheet

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