1. Introduction

Le développement rapide des industries aérospatiale, des semi-conducteurs, médicale et énergétique a considérablement augmenté les exigences de performance des composants critiques, stimulant ainsi l'innovation continue dans les technologies de coupe et les équipements de traitement. Comparé à la découpe mécanique conventionnelle, la découpe laser offre des avantages remarquables en termes de précision, d'efficacité et de compatibilité environnementale. Ces avantages incluent l'enlèvement de matière sans contact et sans contrainte mécanique, une large adaptabilité des matériaux pour une fabrication flexible et une grande efficacité de traitement grâce au contrôle programmable, ce qui rend la découpe laser adaptée aux applications de grande surface et de haute précision.

Selon la durée d'impulsion, les sources laser peuvent être classées en lasers à ondes continues, lasers à impulsions longues, lasers à impulsions courtes et lasers à impulsions ultracourtes. Les lasers à ondes continues et à impulsions longues offrent des vitesses de traitement élevées, mais induisent généralement des zones affectées thermiquement (ZAT) et des couches de refusion importantes. Les lasers à impulsions ultracourtes, tels que les lasers femtoseconde, peuvent théoriquement réaliser un « traitement à froid » en transformant directement les matériaux en plasma ; cependant, leur efficacité d'enlèvement de matière reste limitée, en particulier pour les applications industrielles à grande échelle. Les lasers à impulsions nanosecondes offrent un coût inférieur et une efficacité d'ablation plus élevée, mais ce sont fondamentalement des processus thermiques et entraînent souvent des défauts thermiques typiques, notamment des microfissures et des couches de refusion. Même le traitement au laser femtoseconde peut présenter des effets thermiques non négligeables à des fréquences de répétition et des densités d'énergie élevées.

Pour surmonter les limitations thermiques intrinsèques du traitement laser à sec, les chercheurs ont introduit des technologies laser assistées par eau. Parmi celles-ci, le traitement laser guidé par jet d'eau (WJGL) représente une technique hybride unique qui intègre la fourniture d'énergie laser avec un jet d'eau à grande vitesse. Le concept fondamental a été proposé pour la première fois au début des années 1990, suivi d'un développement systématique et d'une commercialisation par Synova, conduisant à l'émergence des systèmes de microjet laser (LMJ). Aujourd'hui, le WJGL a été appliqué avec succès à la découpe, au perçage et au rainurage de métaux, de matériaux cristallins fragiles, de diamants, de céramiques et de matériaux composites.

Cet article présente une revue complète de la technologie de découpe WJGL, y compris ses principes de fonctionnement, les mécanismes de couplage laser-eau, les processus d'enlèvement de matière et le comportement de transmission d'énergie. Les récents progrès d'application dans les métaux, les cristaux fragiles et les matériaux composites sont examinés de manière critique. Les défis techniques et les tendances de développement futures sont également analysés afin de fournir des conseils systématiques pour la recherche fondamentale et la mise en œuvre industrielle de la technologie WJGL.

2. Technologie de traitement laser guidé par jet d'eau

Le traitement laser guidé par jet d'eau combine les avantages de l'usinage laser et des jets d'eau à grande vitesse, offrant des avantages distinctifs par rapport à la découpe laser à sec conventionnelle. Dans le WJGL, le jet d'eau remplace les flux de gaz auxiliaires et sert simultanément de guide d'ondes laser, de milieu de refroidissement et de mécanisme d'élimination des débris. Tant que la longueur d'onde du laser est absorbable par le matériau cible, le WJGL peut traiter des matériaux ultra-durs, fragiles ou sensibles à la chaleur, quelle que soit la conductivité électrique.

Contrairement au traitement laser à sec, une part importante de l'énergie laser dans le WJGL est dissipée à l'intérieur du jet d'eau plutôt que directement à l'intérieur de la pièce. Le jet d'eau refroidit en continu les bords de la saignée entre les impulsions laser, supprimant efficacement l'accumulation thermique, les contraintes résiduelles et la formation de ZAT. De plus, la densité d'énergie cinétique élevée du jet d'eau permet une élimination efficace du matériau fondu, produisant des parois de coupe lisses, sans bavures, débris redéposés et cavités.

La force mécanique exercée par le jet d'eau sur la surface de la pièce est extrêmement faible (généralement inférieure à 0,1 N), ce qui est significativement inférieur à celle rencontrée dans le traitement laser conventionnel. Par conséquent, le WJGL est essentiellement un processus sans contact avec des dommages mécaniques minimes. Les avantages supplémentaires incluent une distance de travail étendue, une grande profondeur de foyer, une capacité de coupe à rapport d'aspect élevé et des largeurs de saignée fines, généralement comprises entre 25 et 150 µm.

3. Principe de formation du laser guidé par jet d'eau

3.1 Configuration du système et mécanisme de guidage optique

Le WJGL repose sur la différence d'indice de réfraction entre l'eau et l'air pour guider l'énergie laser via la réflexion interne totale à l'interface eau-air, de manière analogue à la transmission par fibre optique. Lorsqu'un faisceau laser est injecté dans un micro-jet d'eau stable à un angle inférieur à l'angle critique pour la réflexion interne totale, le laser se propage le long de la colonne d'eau avec une divergence minimale jusqu'à ce qu'il atteigne la surface de la pièce.

Un système WJGL typique se compose de quatre sous-systèmes principaux : un module laser et optique, une unité d'alimentation en eau haute pression, un module de gaz de protection et une tête de couplage. De l'eau ultra-pure est pressurisée (5 à 80 MPa) et expulsée à travers une micro-buse avec des diamètres allant de 10 à 200 µm, formant un jet d'eau stable en forme de cheveu. La buse est généralement fabriquée en saphir, en rubis ou en diamant pour résister à l'usure et aux dommages thermiques. Le faisceau laser est focalisé avec précision à l'entrée de la buse à travers des fenêtres et des lentilles optiques, assurant un couplage efficace dans le jet d'eau.

3.2 Mécanisme de couplage laser-eau

Un couplage efficace du faisceau laser focalisé dans le micro-jet d'eau est une exigence essentielle pour le WJGL. Premièrement, le diamètre du point laser doit être inférieur à l'orifice de la buse pour éviter les pertes d'énergie et les dommages à la buse. Deuxièmement, la distribution angulaire du faisceau focalisé doit satisfaire la condition de réflexion interne totale à l'interface eau-air.

La propagation du laser dans le jet d'eau peut être classée en rayons méridionaux et en rayons obliques, en fonction de leurs trajectoires par rapport à l'axe du jet. Deux stratégies de couplage sont couramment utilisées : le couplage en champ proche à l'entrée de la buse et le couplage en champ lointain dans le jet d'eau externe. Le couplage en champ proche offre un angle d'acceptation plus grand et un point focal plus petit, mais peut souffrir de perturbations thermiques à l'intérieur de la buse, tandis que le couplage en champ lointain atténue les effets thermiques au prix de contraintes géométriques plus strictes.

4. Mécanisme d'enlèvement de matière dans le traitement WJGL

L'enlèvement de matière dans le WJGL se produit par un processus cyclique d'interaction laser-eau. Initialement, le jet d'eau à grande vitesse impacte la surface de la pièce, formant un film d'eau mince. Les impulsions laser guidées par le jet d'eau fournissent de l'énergie à la surface du matériau, où l'énergie absorbée est convertie en chaleur, provoquant une fusion et une vaporisation localisées.

La formation rapide de vapeur ou de plasma génère une pression de recul et des ondes de choc qui, avec l'action mécanique du jet d'eau, expulsent le matériau fondu de la saignée et suppriment la formation de la couche de refusion. L'environnement aqueux environnant confine le panache de plasma et redirige les ondes de choc vers le matériau, améliorant l'efficacité de l'ablation. À la fin de chaque impulsion laser, les bulles de vapeur s'effondrent, le matériau fondu est évacué et la zone traitée est rapidement refroidie avant le début de l'impulsion suivante. Ce cycle de chauffage-refroidissement répétitif permet un usinage de haute qualité avec des dommages thermiques minimes.

5. Transmission d'énergie dans le laser guidé par jet d'eau

La transmission laser haute puissance dans un jet d'eau implique inévitablement des pertes d'énergie dues à l'absorption, à la diffusion et aux effets optiques non linéaires tels que la diffusion Raman. Des études expérimentales et numériques ont montré que l'atténuation de la puissance laser augmente avec la longueur de transmission et la puissance laser. Les longueurs d'onde plus courtes (par exemple, 532 nm) présentent généralement une efficacité de transmission plus élevée dans l'eau par rapport aux longueurs d'onde infrarouges (par exemple, 1064 nm).

Des simulations multiphysiques combinant l'électromagnétisme, le transfert de chaleur et la dynamique des fluides ont révélé qu'une augmentation du diamètre du faisceau peut réduire la divergence et atténuer les pertes d'énergie causées par la violation des conditions de réflexion interne totale. Cependant, la compréhension globale de la propagation du laser haute puissance dans les jets d'eau reste limitée, et une validation expérimentale et une modélisation théorique supplémentaires sont nécessaires pour optimiser l'efficacité de la fourniture d'énergie.

6. Applications de la découpe laser guidée par jet d'eau6.1 Matériaux métalliques

Le WJGL a été largement appliqué à la découpe de précision de métaux tels que l'acier inoxydable, les alliages d'aluminium, les alliages de titane et les superalliages à base de nickel. Comparé à la découpe laser conventionnelle, le WJGL réduit considérablement l'épaisseur de la ZAT, les couches de refusion et la contamination de surface. Bien que les vitesses de coupe soient généralement plus faibles, le WJGL produit une intégrité de surface supérieure, des parois de saignée lisses et une distorsion thermique minimale, ce qui est essentiel pour les applications aérospatiales et médicales.

6.2 Matériaux cristallins fragiles

Les matériaux durs et fragiles, notamment le silicium, le saphir, l'arséniure de gallium et le diamant, sont particulièrement difficiles à usiner avec les méthodes traditionnelles. Le WJGL permet une découpe sans fissures et à faible écaillage avec une excellente qualité des bords. Dans le découpage de plaquettes de semi-conducteurs et le traitement de substrats de saphir, le WJGL a démontré une grande efficacité de coupe, des parois latérales lisses et des dommages de subsurface minimes, ce qui le rend très adapté à la fabrication microélectronique et optoélectronique.

6.3 Matériaux composites

Les composites avancés tels que les CFRP, les composites à matrice d'aluminium et les composites à matrice céramique bénéficient considérablement du traitement WJGL. L'ablation laser combinée et le refroidissement par eau suppriment efficacement la délamination, l'arrachement des fibres et la fissuration de la matrice. Les résultats expérimentaux indiquent que le WJGL peut réaliser des coupes à rapport d'aspect élevé avec une dégradation thermique minimale et une qualité de surface supérieure par rapport aux méthodes de coupe laser à sec ou mécaniques.

7. Défis techniques et tendances futures

Malgré ses avantages, la technologie WJGL est confrontée à plusieurs défis. L'atténuation de l'énergie laser dans le jet d'eau limite l'efficacité du traitement, en particulier pour les applications haute puissance. Des recherches supplémentaires sur d'autres milieux de guidage ou une chimie de l'eau optimisée peuvent aider à réduire les pertes d'énergie. La miniaturisation des jets d'eau est essentielle pour une plus grande précision, mais pose des défis en matière de stabilité du jet et d'efficacité du couplage. De plus, la fabrication de buses de haute précision, l'alignement laser-eau rapide et précis et les méthodologies de contrôle des processus standardisées restent des domaines clés nécessitant de l'innovation.

L'élargissement de l'applicabilité du WJGL aux matériaux ultra-durs tels que le diamant, le verre de quartz, le saphir et les céramiques avancées exige également une optimisation systématique des paramètres de traitement et des techniques auxiliaires.

8. Conclusions et perspectives

Cette revue résume systématiquement les principes, les mécanismes d'enlèvement de matière et les progrès d'application de la technologie de découpe laser guidée par jet d'eau. En raison de son mécanisme unique d'interaction laser-eau, le WJGL permet un usinage de haute précision et à faible dommage sur une large gamme de matériaux difficiles à traiter. Sa capacité à supprimer les défauts thermiques, à améliorer l'intégrité de la surface et à réduire la contamination environnementale souligne son fort potentiel dans les domaines de l'aérospatiale, de la fabrication de semi-conducteurs et de la fabrication de dispositifs médicaux.

Bien que des défis liés à la stabilité du jet, à l'efficacité de la transmission d'énergie et à la complexité de l'équipement persistent, les progrès en cours dans la technologie laser, le contrôle des fluides et l'intégration des systèmes devraient encore améliorer les performances du WJGL. Grâce à une collaboration continue entre le monde universitaire et l'industrie, le WJGL est sur le point de devenir une technologie courante dans la fabrication ultra-précise, soutenant les demandes croissantes des industries de haute technologie de nouvelle génération.