在传统雷射切割中，切割头距离工件的距离必须保持正确的远近以确保雷射光束的聚焦以及切割气体的有效传送。为此，需要一个聚焦控制系统和数个运动轴来跟随工件运动。微水刀雷射以一种截然不同的方式完成切割工作。雷射光束穿过加压水腔聚焦，并被导入水射流中，如(图一)所示。水射流通过内部全反射将雷射光束引导至工件上，从而使切割在一定的距离之外进行，无需Z轴运动。这样的话，沿Z轴方向较高高度的三维元件，在处理时无需使用五轴雷射光束控制头或聚焦控制系统[1]。

《图一 微水刀雷射之工作原理》

发丝粗细的水射流，与传统切割头不同，拥有触及狭窄凹缝的优势。此外，即使遇到沿Z轴方向突然的突起时，也没有与工件相撞的危险。然而，该发明大部分应用在平面切割，水射流仅用于冷却和废料排除。除了切割矽晶圆以外，目前在金属切割方面的应用为PCB板锡膏印刷钢网，铁氧体磁芯开气隙，和用来扩张堵塞血管的医疗支架。制造商已在很多会议论文和出版文字中作过这些说明。此项独立工作研究以各种不同距离、进刀速度和倾斜角度切割金属薄片；为处理已成形金属物件，如机械零件等必须知道的变数[2, 3]。

原理

微水刀雷射使用脉冲性质良好的Nd:YAG雷射。制造商认为当雷射接触工件时，雷射脉冲形成等离子，立即将高压水射流从工件上分离开。每个脉冲过后，水射流冷却表面，并用相对切割气体而言更小却更集中的力量排出切割废料。

切割距离受到稳定的水射流长度以及水和雷射光束之间相互作用的制约。水射流长度主要取决于喷嘴直径和水压。制造商认为：直径100微米的喷嘴，在水压为25MPa时，可产生200毫米长的水射流，而直径50微米的喷嘴在50MPa时则产生100毫米水射流[1]。

当考虑最初雷射功率中有多少传输到工件上时，水射流对光的吸收是一个重要因素。 (图二)大致上说明了纯水作为雷射波长功能的吸收系数[4, 5, 6]。

《图二 水比波长之吸收系数》

运用Beer-Lambert's 公式，可以计算最初的雷射能量中有多少实际到达工件上：

《公式一》

1064奈米波长的剩余功率，作为进入水的距离的功能，在(图三)中显示。波长532奈米和355奈米几乎不被吸收，因此图中没有显示。然而，由于雷射产生的高强度光，非线性效应也会引起实际损失[7]。

《图三 水吸收后剩余的雷射功率》

实验步骤

目的是研究金属薄板不同切割距离和倾斜角度的加工效果，主要集中在切割是否可行上。使用的设备是整合了微水刀雷射元件的150瓦1064奈米的脉冲 Nd:YAG雷射和分离的xyz台面。构架的开放式构建提供了一个很好的观察切割过程的视角，如(图四)。

《图四 在ITW-Chemnitz的微水刀雷射》

切割0.1和0.2毫米厚的含铝99％的细条Cu37Zn黄铜和18Cr9Ni不锈钢，离喷嘴之距离为30、50、70、90和110毫米，进刀速度是25、100和200毫米/分钟，倾斜角度为0°。在进刀速度和300赫兹雷射脉冲频率的使用下，每2个脉冲之间的距离分别为1.39微米、5.56微米和11.11微米。当水射流直径为100微米时，雷射脉冲重叠多次。为了研究倾斜角度的效果，铝和不锈钢细条也以30°和60°的倾斜角度固定住，以100毫米/分钟的速度以及上面的切割距离切割。倾斜角度以正常工件台面为基准。 (图五)表明细条状样品在使用的支撑框架中的架构。框架的总高度为150毫米左右。切割方向是从边缘开始穿过细条，即沿着等高线。要切割样品，微水刀雷射喷嘴只在框架上方的xy平面移动。由于空间局限，用传统雷射进行切割任务将极其困难。而且使传统雷射在弹性弯曲的工件上聚焦更是困难重重。

《图五 实验架构》

使用的雷射参数见(表一)。给定的功率和能量值只在雷射光源处有效，因为水射流吸收了部分的雷射。将平均功率除以脉冲频率可以计算出脉冲能量；将脉冲能量除以脉冲长度可算出平均脉冲功率。由于Vena contracta效应，实际的水射流直径比喷嘴小。根据制造商的说法，可以使用0.83的乘数。运用Bernoulli针对动态压力的公式，通过水压来计算水射流的喷射速度[2]。

结果与讨论

切割道上表面的照片如(图六)到(图十六)所示。将切割距离作为纵列，进刀速度或倾斜角度作为横行排列。倾斜角度是从正常的工作表面算起的。这些图像的取景位置能非常好地表现整个切割道。在(图六)到(图十一)中，没有断线的切割道位于虚线的左边。毫无疑问，结果只对讨论中的雷射参数、水射流直径和压力直接有效。然而，结果从某种程度上表示了切割其他金属的可能性，因为铝和黄铜对雷射吸收率低且热传导性高，故而不容易处理。

《图六 以不同距离和速度，在倾斜度为0°时，切割0.1毫米铝》

《图七 以不同距离和速度，在倾斜度为0°时，切割0.2毫米铝》

《图八 以不同距离和速度，在倾斜度为0°时，切割0.1毫米黄铜》

总的来说，50毫米似乎是​​相当可靠的切割距离。除了雷射被水射流吸收外，增长距离会造成水射流的偶尔干扰，这明显地表现在切割道的不连续性上。这不是所预期的，根据制造商的说法[1]，假定水射流保持稳定的距离长达200毫米。干扰极有可能是由水中的气泡造成。作为解决方法，非常推荐制造商所提供的除气机。距离更长问题也更大，这个事实显示了气泡虽然没有大到能暂时干扰水流穿过喷嘴，但会引发水流中的小干扰，慢慢小干扰变大麻烦，导致以后水射流的中断。即使雷射脉冲也能干扰到水射流[8]。等离子激发的振波向水射流上端传播可能是另一个干扰源，因为水流速度（200米/秒）比声音在水里的速度（1500米/秒）慢得多。

《图九 以不同距离和速度，在倾斜度为0°时，切割0.2毫米黄铜》

《图十 以不同距离和速度，在倾斜度为0°时，切割0.1毫米不锈钢》

虽然较快的进刀速度展现短小的干扰，表现为切割道的不连续性，在所测试的进刀范围内，进刀相比切割距离，其产生的影响似乎小得多。众所周知，所有使用的切割速度使得雷射脉冲多次重叠，这点在实验步骤部分已做过介绍。 (图十二)显示了在快速进刀时，忘记关掉雷射的情况下，当进刀突然变快（快到2000毫米/分钟）时所发生的一切。所讨论的材料是0.1毫米不锈钢，切割距离是30毫米。进刀太快，以至于能在切割道上辨认出每个单独的脉冲。尽管进刀速度快，每个单独的脉冲还是能够穿过材料。然而，不充分的脉冲重叠可能会在材料被穿透之前，造成熔渣喷溅，并在材料的上端固化。为此，需要脉冲重叠，使水射流顺利地穿越材料，排出熔渣。在这个例子中，熔渣固化，堆积的高度离切割道边缘有70微米左右。同样的现象可以在(图十)和(图十一)的不锈钢上看到，此时材料必定在切割道不连续之后才被穿越。铝和黄铜的反应不尽相同，这可能是由于氧化层防止熔渣将自身焊接起来。另一个成因可能是钢较高的固化温度，造成熔渣在水射流有时间排除它（液态）之前就固化了。深入研究的课题可能是雷射参数和切割速度对熔渣重新固化的影响。

《图十一 以不同距离和速度，在倾斜度为0°时，切割0.2毫米不锈钢》

《图十二 快速进刀时，忘记关掉雷射》

当切割距离远到连雷射都无法在工件表面划线时，就像(图七)、(图八)和(图九)所示的110毫米，减小进刀也不会带来什么差别。这说明即使有更多的脉冲重叠时，工件温度也不会在一个个脉冲之后逐渐升高。所以，水射流必须在雷射脉冲之间有效冷却工件。水射流在雷射脉冲之间冷却工件的同时，以下发现说明一些热量在0.1毫秒雷射脉冲之间或紧随其后就传导开了。切入不锈钢的切割道在遇水时，积聚一层铁锈，这证明了热影响区的存在。其他的发现是：当切割距离更远，远到剩余的雷射强度只够在0.1毫米的样品表面上划线时，0.2毫米的样品常常是完好无损。可以用较厚样品具有较高的热传导性，通过传导保持表面温度较低，来解释这点。以前未出版的研究文献也发现，切割0.1毫米厚、下侧涂有塑胶的铜时，塑胶熔化，熔渣距切割道0.1毫米。可以看见，切割废料在样品下边像飞舞的火花，所以切割废料也需要一定时间来冷却。这在制造商撰写的一些出版的文章插图中亦能看到[9]。就微水刀雷射而言，雷射参数对热影响区大小的影响 是一个有趣的研究课题。描述水射流、雷射与材料的互相作用的理论性研究则是另一个课题了。

《图十三 以不同距离和倾斜角度，在100毫米/分钟的切割速度下，切割0.1毫米铝》

《图十四 以不同距离和倾斜角度，在100毫米/分钟的切割速度下，切割0.2毫米铝》

倾斜角度产生的2个最重要的因素是其对雷射强度的影响和穿越薄板的距离。当水射流射到倾斜的表面时，水流和表面的接触区域从一个圈伸长到一个椭圆。雷射能量降低为其和倾斜角余弦之乘积。这只在切割过程的一开始、工件表面尚且完好无损时是正确的。穿过薄板的距离也取决于倾斜角度的余弦值。以倾斜60°的表面举例，穿过薄板的距离加倍了。雷射在水射流里的内部反射致使雷射非两极化，所以对雷射能量的吸收影响不大。造成不确定性的因素是相干扰和表面粗糙度，因为它们对吸收有不可预见的影响。穿越氧化物层等表面薄层的光路长度随着倾斜角度而改变。

《图十五 以不同距离和倾斜角度，在100毫米/分钟的切割速度下，切割0.1毫米不锈钢》

《图十六 以不同距离和倾斜角度，在100毫米/分钟的切割速度下，切割0.2毫米不锈钢》

另一方面，表面粗糙度可能会通过使表面脊状物之间多次反射在某个角度更有效，进而影响吸收。如果测试在新近磨过的表面上进行，就可以在尽可能少的干扰因素下，研究倾斜角度的影响。然而，这些试验却代表了现实世界的结果。切割参数和结果之间的关系就不那么直接。当增加倾斜角度，使0.2毫米样品变得更难切时，倾斜角度对0.1毫米样品的影响却似乎较少。倾斜角度对于穿过薄板的距离之影响，相对于较厚的样品来说，显然更大。增加倾斜角度也会使重新附着的熔渣堆积在切割道上端的尖锐边缘。这在(图十三)到(图十六)中清晰可见：当倾斜60° 时，熔渣固化，堆积高度离切割道边缘有35微米。

如果没有样品振动的话，许多倾​​斜样品的切割道肯定会更完美，这些振动使雷射脉冲在一大片区域上扩散开。尽管水射流产生的0.2牛顿的外力相对较小，但像所测试的样品一样，灵活的结构应该有更多的支撑。尽管外力小，水射流有非常高的压力，可能会给较脆弱的材料带来问题，这点也是值得注意的。

结论

由于水吸收了雷射光束能量，1064奈米波长的Nd:YAG雷射并不十分适合于较长水射流的使用。就所讨论的雷射参数、水射流直径和压力而言，发现50毫米的数值是切割距离的相当可靠的上限。也可以用较短的水射流切割倾斜的表面，水射流将足够的雷射强度传递到工件上。有角度的样品之偶尔的振动使雷射脉冲扩散在一片大的区域上，阻碍了切割道的连续性。尽管水射流带来的外力很小，软性的结构需要支撑来减少振动。由于水射流易受长水射流之干扰的影响，即使小干扰也会致使水射流在下游处断裂。最后，发现了熔渣的二次附着和热影响区的痕迹，尽管有水射流的冷却。表明需要重叠脉冲，使水射流顺利地穿过材料以排出熔渣，避免二次附着。增加倾斜角度也会造成一些熔渣的二次附着。

---本文由Synova提供---

＜参考资料：

[1]Synova S.A. (2002-2003) The Water Jet Guided Laser. http://www.synova.ch/pdf/microjet.pdf

[2]Richerzhagen B, Housh R, Wagner F, Manley J (2004) Water Jet Guided Laser Cutting: a Powerful Hybrid Technology for Fine Cutting and Grooving. ALAC 2004. Ann Arbor, Michigan, USA, 21.09.2004. http://www.synova.ch/pdf/ALAC04.pdf

[3]Nilsson T, Boillat C, Mabillard G, Housh R, Wagner F, Richerzhagen B (2004) A Technological Leap In Stencil Cutting. On Board Technology 06/2004. http://www.OnBoard-Technology.com

[4]Chaplin, Martin (-2005) Water structure and behavior, Molecular Vibration and Absorption. http://www.lsbu.ac.uk/water/vibrat.html

[5]Sogandares F, Fry E (1997) Absorption spectrum (340-640nm) of pure water. l. Photothermal measurements. Applied Optics 36:8699-8709.

[6]Nikogosyan D (1997) Properties of Optical and Laser-related Materials. John Wiley & Sons Ltd. Chichester, England.

[7]Spiegel ?, V?g? N, Wagner F (2004) High efficiency Raman scattering in micrometer-sized water jets. Optical engineering 43:450-454.

[8]Couty P, Spiegel ?, V?g? N, Ugurtas B, Hoffmann P (2004) Laser-induced break-up of water jet waveguide. Experiments in Fluids 36:919-927.

[9]Richerzhagen B (2002) Industrial applications of the water jet guided laser. The Industrial Laser User 28/2002. ＞

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