Study on Flow Characteristics in Confined Spaces during Water-Jet Guided Laser Micro-Grooving of RB-SiC

在先进制造领域，在硬质材料中创建微小且精确的通道一直是一个持续的挑战。一种强大的方法涉及使用聚焦光束来熔化或汽化材料，这一过程被称为激光加工。为了使这一过程更有效，工程师通常会加入一股水流来冷却区域并冲走碎屑。当这两种力量结合时，水被引导至紧贴着激光束流动，从而创造出一种既能通过热量进行切割，又能同时清理切口的混合工具。这种技术在加工反应键合碳化硅时特别有价值，这是一种用于高性能光学和电子器件的极硬陶瓷。然而，当激光切割非常窄的通道时，内部空间变得如此狭窄，以至于水和光的行为与在开放空气中不同。准确理解水的运动方式以及这种运动如何影响激光的切割能力，对于使这些微细沟槽变得平滑且精确至关重要。

研究人员致力于调查在反应键合碳化硅上切割出的五十微米宽沟槽内隐藏的行为。他们将计算机模拟与物理加工实验相结合，以观察当激光和水射流在如此受限的空间内协同工作时会发生什么。他们的工作揭示了水并不仅仅是沿着通道笔直向下流动。相反，它形成了三维螺旋，在移动时发生扭转。当水射流的压力从二十兆帕增加到三十五兆帕时，这些螺旋变得更加剧烈，在沟槽壁上产生了旋涡和湍流。这种湍流导致水本身的密度变得不均匀，进而导致光在其中的传播方式发生波动。结果，激光束发生散射，其传递到沟槽底部的能量变得不均匀而非一致。

加工完成后的沟槽底部质量取决于激光能量分布的均匀程度与水射流清除熔融材料的能力之间的一种微妙平衡。研究发现，在测试范围内，随着水压升高，沟槽底部的粗糙度并没有稳步改善。相反，它先是变得更粗糙，然后最终又变得更平滑。与此同时，加工区域的氧化程度（即与氧气的化学反应）也随之增加。研究人员还观察到，激光脉冲使用的设置非常重要。增加激光发射的频率会使表面变得更粗糙，而提高激光在材料上的移动速度则有助于减少这些表面缺陷。

通过绘制复杂的旋流水、散射光与被移除材料之间的关系图，这项工作为正在发生的物理作用力提供了更清晰的图景。研究结果为需要优化此类困难材料切割过程的工程师提供了实用的指导。他们不再需要猜测合适的设置，而是可以了解到，微小通道内的水流是一个关键因素，必须对其进行管理，以确保激光能量保持聚焦且最终表面平滑。