水導激光加工技術在航空航天領域的應用
發(fā)布日期：2024-08-12 09:56 ????瀏覽量：
激光加工是利用能量密度極高的激光束作用于工件，使材料瞬間熔化或氣化，同時在沖擊波的作用下將熔融材料微粒吹開，從而實現(xiàn)切割、鉆孔等操作的加工工藝。然而，這種加工方式可能會在工件的加工面周圍產生熱損傷，并導致熔融微粒沾污問題，因此在堅硬材料和精密微加工中的應用受到限制。1993年，瑞士科學家Beruold Richerghagen首次提出了水導激光加工技術。隨后，一系列針對不同堅硬材料的水導激光加工研究在全球范圍內展開。
什么是水導激光加工？顧名思義，它就是在激光處理過程中引入了水流。這樣做不僅可以提高加工精度，而且能大大緩解熱損傷和熔融微粒污染的問題。想象一下，一束高能量密度的激光照射到工件上，瞬間熔解或氣化材料，同時借助水流把熔融的顆粒吹離，從而達到切割、鉆孔等目的。這個過程很特別，能夠精準加工出飛機零部件，盡可能降低熱影響區(qū)域，防止零部件發(fā)生變形和性能下降，保障零件質量和可靠性。
在航空航天領域，材料通常具有高強度、高硬度和高耐熱性，例如鈦合金、鎳基合金、碳纖維增強復合材料（CFRP）、陶瓷基復合材料（CMC）以及陶瓷材料等。傳統(tǒng)加工方法難以同時滿足精度和效率的要求，而水導激光加工技術則憑借其高能量密度和精細冷卻效果，能夠精確加工這些高性能材料，減少熱影響區(qū)，防止材料變形和性能劣化，從而確保零部件的質量和可靠性。
噴氣發(fā)動機是航空器和航天器的心臟，其渦輪部件必須在高壓高溫環(huán)境下穩(wěn)定運行。為了降低溫度，這些部件上常常鉆有微小的冷卻孔。但是，由于孔徑極小，材料硬度又很高，傳統(tǒng)的鉆孔方法已經無法勝任。這時候，水導激光加工就派上用場了。它能有效地完成這項任務，保證渦輪部件在極端環(huán)境下的穩(wěn)定性和性能。
在切割航空航天材料時，傳統(tǒng)切割方法往往會產生熱變形和裂紋。而水導激光切割技術可以有效縮小熱影響區(qū)域，避免這些問題。比如，國內許多大學都在進行關于水導激光切割碳纖維增強復合材料（CFRP）的研究。結果表明，在納秒激光切割過程中，原本幾百微米的熱影響區(qū)域可以被水導激光切割技術降低到僅僅幾十微米。對于厚度幾毫米的材料，單邊錐度甚至可以減小11.8%至2°~3°左右。
水導激光加工技術是一種清潔、可靠、高精度且靈活多變的加工技術，在航空航天領域擁有巨大的發(fā)展?jié)摿?。它不僅能切割各種硬質材料，還能有效解決傳統(tǒng)激光加工中存在的熱損傷和殘留物問題。同時，水的冷卻功能也有助于清除碎屑材料，進一步提升加工表面質量，減輕對環(huán)境的負面影響。水導激光加工技術的出現(xiàn)，無疑為航空航天制造業(yè)注入了新的活力。它不僅提高了生產效率，還提升了產品質量，為未來的航空航天事業(yè)奠定了堅實基礎。
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