01 المبادئ والميزات التقنية
المبدأ الأساسي لليزر الموجه بالماء- هو دمج شعاع الليزر في نفث ماء صغير عالي الضغط-، وتوجيه الليزر إلى سطح المادة من خلال نفث الماء. في هذا النظام، يمر الليزر الناتج عن مصدر الليزر أولاً عبر سلسلة من المكونات البصرية (مثل العدسات والمرايا) للموازاة والتركيز، ثم يتم دمجه مع نفث الماء عالي الضغط -من خلال فوهة خاصة. يشكل نفاث الماء قناة صغيرة في الفوهة، ويتم توجيه شعاع الليزر عبر هذه القناة إلى سطح قطعة العمل، كما هو موضح في الشكل 1. نظرًا لأن معامل انكسار الماء يختلف عن معامل انكسار الهواء، فإن مسار انتشار الليزر في الماء يتغير، لذلك يلزم تصميم بصري دقيق لضمان استقرار وتركيز الطاقة لشعاع الليزر.
الشكل 1. المبدأ الفني لليزر الموجه بالماء-.
دقة عالية: يمكن لتقنية الليزر الموجهة بالماء- أن تحقق دقة معالجة على مستوى أقل من المليمتر أو حتى الميكرومتر-. نظرًا لأن قطر نفاث الماء صغير جدًا، عادةً ما يتراوح بين عشرات إلى مئات الميكرومترات فقط، فيمكن توجيه شعاع الليزر بدقة إلى مواقع محددة على قطعة العمل لعمليات القطع الدقيقة أو الحفر أو النقش. كفاءة عالية: أثناء المعالجة بالليزر الموجه بالماء-، يتم نقل شعاع الليزر مباشرة إلى سطح قطعة العمل من خلال نفث الماء، مما يقلل من فقدان الطاقة وتناثرها في الهواء. بالإضافة إلى ذلك، يوفر نفاث الماء أيضًا تأثيرات تبريد وشطف، مما يخفض بشكل فعال درجة حرارة سطح قطعة العمل ويقلل المنطقة المتضررة من الحرارة، وبالتالي تحسين كفاءة المعالجة وجودتها. تقليل الضرر الحراري: نظرًا لتأثير التبريد لنفث الماء، تكون المنطقة المتأثرة بالحرارة-(HAZ) في الماء-الموجهة بالليزر صغيرة جدًا. تشير المنطقة المتأثرة بالحرارة- إلى المنطقة الموجودة على السطح وداخل قطعة العمل حيث يحدث تشوه حراري أو تلف أو تغيرات في الطور بسبب التوصيل الحراري والإشعاع أثناء المعالجة بالليزر. يعمل التبريد السريع لنفث الماء في المعالجة بالليزر الموجهة بالماء- على إزالة الحرارة بسرعة من سطح قطعة العمل، وبالتالي تقليل حجم وعمق المنطقة المتضررة بالحرارة- ومنع التشوه الحراري وتلف المادة.
الشكل 2. (أ) صور SEM لأقسام قطع سبائك التيتانيوم عن طريق القطع "بالليزر الجاف التقليدي" والقطع بالليزر الموجه بالماء -، (ب) مقارنة أسطح القطع من CFRP التي تم الحصول عليها عن طريق الليزر الموجه بالماء - والقطع "بالليزر الجاف التقليدي".
02 مجالات التطبيق
مجال الفضاء الجوي: يتطلب مجال الفضاء الجوي متطلبات عالية جدًا فيما يتعلق بدقة معالجة المواد وجودتها، ويتم استخدام تقنية الليزر الموجه بالمياه -على نطاق واسع في هذا المجال. ويمكن استخدامه لمعالجة المكونات الرئيسية لمحركات الفضاء الجوي مثل الشفرات، وأقراص التوربينات، وغرف الاحتراق، والتي عادة ما تكون مصنوعة من مواد يصعب معالجتها -- مثل السبائك الفائقة وسبائك التيتانيوم. يمكن لأشعة الليزر الموجهة بالماء- أن تقوم بقطع هذه المواد ونقشها بشكل فعال مع ضمان دقة المعالجة وجودة السطح، وبالتالي تحسين أداء وموثوقية المكونات. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا استخدام الليزر الموجه بالماء لمعالجة الأجزاء الهيكلية للمركبات الفضائية، مثل الأجنحة وجسم الطائرة، مما يتيح تصنيع الأشكال المعقدة والتصميمات خفيفة الوزن.
مجال أشباه الموصلات: في صناعة أشباه الموصلات، يمكن استخدام الليزر الموجه بالماء-لقطع مواد أشباه الموصلات مثل رقائق السيليكون، وكذلك لتغليف الرقائق واختبارها. نظرًا لأن المواد شبه الموصلة تتطلب دقة معالجة عالية للغاية وجودة سطحية، فإن الدقة العالية وخصائص الضرر الحراري المنخفض لأجهزة الليزر الموجهة بالماء- تجعلها أداة معالجة مثالية. يمكنها تحقيق قطع دقيق لرقائق السيليكون، وتجنب التشققات والأضرار، وبالتالي تحسين إنتاجية وأداء الرقائق. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام الليزر الموجه بالماء -لمعالجة أجهزة أشباه الموصلات الدقيقة، مثل تصنيع المكونات الإلكترونية الدقيقة ونقش الدوائر الدقيقة، مما يوفر دقة المعالجة على مستوى الميكرومتر أو حتى النانومتر.
مجال الطاقة الجديدة: في قطاع الطاقة الجديدة، يمكن استخدام الليزر الموجه بالمياه- لمعالجة المكونات الرئيسية لأجهزة الطاقة الجديدة مثل الألواح الشمسية وخلايا الوقود. على سبيل المثال، في تصنيع الألواح الشمسية، يمكن استخدام الليزر الموجه بالماء-لقطع رقائق السيليكون وحفر أنماط الأقطاب الكهربائية على سطح الخلايا الشمسية، مما يعزز كفاءة التحويل الكهروضوئي وأداء الألواح. في تصنيع خلايا الوقود، يمكن لأشعة الليزر الموجهة بالماء- معالجة مكونات مثل مجموعات الأقطاب الكهربية الغشائية والألواح ثنائية القطب، مما يتيح قطعًا ونقشًا عالي الدقة-، وبالتالي تحسين أداء خلايا الوقود وعمرها الافتراضي.
الشكل 3. تطبيقات الليزر الموجه بالماء-.
03 التحديات والمشكلات التي تواجهها أجهزة الليزر الموجهة بالمياه.-
استقرار نفاث الماء: أثناء المعالجة-الموجهة بالليزر، قد يصبح نفث الماء عالي السرعة-غير مستقر، مما قد يؤثر على جودة المعالجة. على سبيل المثال، أثناء القطع، يمكن أن تتسبب التقلبات في نفث الماء في حدوث انحرافات في خط القطع أو زيادة خشونة السطح، مما يؤثر على كل من دقة المعالجة وجودة السطح. لضمان استقرار نفث الماء، من الضروري تحسين نظام التحكم في نفث الماء حتى يتمكن من الحفاظ على حالة مستقرة طوال عملية المعالجة.
كفاءة اقتران الماء بالليزر-: تؤثر كفاءة الاقتران بين شعاع الليزر ونفث الماء بشكل مباشر على نتائج المعالجة. إذا كانت كفاءة الاقتران منخفضة، فسيزداد فقدان طاقة الليزر في نفث الماء، مما يقلل من كفاءة المعالجة وجودتها.
المتطلبات الفنية لفتحات الفوهة: لضمان معالجة المياه الموجهة بالليزر-عالية الجودة-باستخدام الليزر، يعد تصميم فتحة الفوهة ودقة تصنيعها أمرًا بالغ الأهمية. يجب أن تكون فتحة الفوهة ذات جدران رفيعة للغاية مع الحفاظ على دقة عالية في الاستدارة وعدم الاستدقاق لتحمل تأثير تدفق المياه. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تظل خشونة السطح الداخلي للفتحة منخفضة للغاية لضمان استقرار واتساق تدفق الماء.
القدرة على التكيف البيئي: تتمتع معدات المعالجة بالليزر الموجهة بالمياه-بمتطلبات بيئية عالية. على سبيل المثال، يتطلب تشغيل المعدات مصدر طاقة ثابتًا ومياه نظيفة وبيئة ثابتة لدرجة الحرارة والرطوبة. في البيئات ذات الظروف السيئة، مثل التقلبات الكبيرة في درجات الحرارة، أو الرطوبة العالية، أو إمدادات الطاقة غير المستقرة، قد يتدهور أداء المعدات أو حتى يفشل. بالإضافة إلى ذلك، قد تتداخل عوامل مثل الغبار والاهتزاز في البيئة مع المعالجة، مما يؤثر على دقة المعالجة وجودتها. لذلك، في التطبيقات العملية، من الضروري التحكم والإدارة الصارمة لبيئة تشغيل المعدات.
04 حالة التطوير الحالية للصناعة في الداخل والخارج
ومع التقدم المستمر في تكنولوجيا المعالجة الدقيقة بالليزر والطلب المتزايد في السوق، فإن تكنولوجيا المعالجة بالليزر الموجهة بالماء-تتطور وتتحسن بشكل مستمر أيضًا. تضم الشركات المصنعة الرائدة المعترف بها عالميًا لمعدات الليزر الموجهة بالمياه-شركتين رئيسيتين: Synova وAvonisys السويسريتان. في الوقت الحالي، من بين شركات معدات المعالجة بالليزر الموجهة للمياه- المحلية، فإن الشركات التي تتطور بسرعة نسبيًا تشمل Wot Intelligent Manufacturing، وCosset، وShanghai Lengchen Technology، من بين شركات أخرى. تتبنى بعض الشركات الأخرى نهج الإدخال المباشر للتقنيات الأجنبية ذات الصلة ثم تجميعها وإنتاجها محليًا مع تحسين منتجاتها. وعلى الرغم من أن هذا يمكن أن يسد الفجوات التكنولوجية بسرعة ويقلل من تكاليف البحث والتطوير والوقت على المدى القصير، إلا أنه لا تزال هناك مشاكل معينة على المدى الطويل، مثل الاعتماد على التكنولوجيات الأساسية الأجنبية، والاستثمار غير المتوازن في البحث والتطوير، والمخاطر غير المباشرة في السلسلة الصناعية. يعتقد المؤلف أنه يجب إنشاء دورة إيجابية من "المقدمة-الامتصاص-التجاوز". والخبر السار هو أن هناك الآن شركات محلية قادرة على توفير المعدات التجارية بمكونات منتجة محليًا بنسبة 100%. ومع التحول والارتقاء بصناعة التصنيع في الصين، ستلعب تكنولوجيا المعالجة بالليزر الموجهة بالمياه دورًا أكثر أهمية في التصنيع-المتطور، وخاصة في مركبات الطاقة الجديدة، والفضاء، وتصنيع المعدات المتطورة-. سيؤدي تطبيق تكنولوجيا الليزر الموجهة بالماء- إلى تحفيز الابتكار التكنولوجي وتحديث المنتجات في هذه الصناعات.
