1. Introducción

El rápido desarrollo de las industrias aeroespacial, de semiconductores, médica y energética ha aumentado significativamente los requisitos de rendimiento de los componentes críticos, impulsando así la innovación continua en las tecnologías de corte y los equipos de procesamiento. En comparación con el corte mecánico convencional, el corte por láser ofrece notables ventajas en términos de precisión, eficiencia y compatibilidad ambiental. Estas ventajas incluyen la eliminación de material sin contacto sin estrés mecánico, la amplia adaptabilidad del material para la fabricación flexible y la alta eficiencia de procesamiento habilitada por el control programable, lo que hace que el corte por láser sea adecuado para aplicaciones de gran área y alta precisión.

Según la duración del pulso, las fuentes láser se pueden clasificar en láseres de onda continua, láseres de pulso largo, láseres de pulso corto y láseres de pulso ultracorto. Los láseres de onda continua y de pulso largo proporcionan altas velocidades de procesamiento, pero típicamente inducen extensas zonas afectadas por el calor (ZAC) y capas de refundido. Los láseres de pulso ultracorto, como los láseres de femtosegundos, pueden lograr teóricamente el “procesamiento en frío” transformando directamente los materiales en plasma; sin embargo, su eficiencia de eliminación de material sigue siendo limitada, especialmente para aplicaciones industriales a gran escala. Los láseres pulsados de nanosegundos ofrecen un menor costo y una mayor eficiencia de ablación, pero son fundamentalmente procesos térmicos y, a menudo, dan como resultado defectos térmicos típicos, como microfisuras y capas de refundido. Incluso el procesamiento con láser de femtosegundos puede exhibir efectos térmicos no despreciables bajo altas tasas de repetición y altas densidades de energía.

Para superar las limitaciones térmicas intrínsecas del procesamiento láser en seco, los investigadores han introducido tecnologías láser asistidas por agua. Entre ellas, el procesamiento láser guiado por chorro de agua (WJGL) representa una técnica híbrida única que integra la entrega de energía láser con un chorro de agua de alta velocidad. El concepto fundamental se propuso por primera vez a principios de la década de 1990, seguido de un desarrollo sistemático y la comercialización por parte de Synova, lo que llevó a la aparición de los sistemas de microchorro láser (LMJ). Hoy en día, WJGL se ha aplicado con éxito al corte, taladrado y ranurado de metales, materiales cristalinos frágiles, diamantes, cerámicas y materiales compuestos.

Este artículo presenta una revisión exhaustiva de la tecnología de corte WJGL, incluidos sus principios de funcionamiento, los mecanismos de acoplamiento láser-agua, los procesos de eliminación de material y el comportamiento de transmisión de energía. Se discute críticamente el progreso reciente de la aplicación en metales, cristales frágiles y materiales compuestos. También se analizan los desafíos técnicos y las tendencias de desarrollo futuro para proporcionar una guía sistemática tanto para la investigación fundamental como para la implementación industrial de la tecnología WJGL.

2. Tecnología de procesamiento láser guiado por chorro de agua

El procesamiento láser guiado por chorro de agua combina las ventajas del mecanizado por láser y los chorros de agua de alta velocidad, ofreciendo beneficios distintivos en comparación con el corte por láser en seco convencional. En WJGL, el chorro de agua reemplaza los flujos de gas auxiliares y sirve simultáneamente como guía de onda láser, medio de enfriamiento y mecanismo de eliminación de residuos. Siempre que la longitud de onda del láser sea absorbible por el material objetivo, WJGL puede procesar materiales ultra duros, frágiles o sensibles al calor, independientemente de la conductividad eléctrica.

A diferencia del procesamiento láser en seco, una parte sustancial de la energía láser en WJGL se disipa dentro del chorro de agua en lugar de directamente dentro de la pieza de trabajo. El chorro de agua enfría continuamente los bordes de la ranura entre los pulsos láser, suprimiendo eficazmente la acumulación térmica, la tensión residual y la formación de ZAC. Además, la alta densidad de energía cinética del chorro de agua permite la eliminación eficiente del material fundido, produciendo paredes de corte lisas, libres de rebabas, residuos redepositados y cavidades.

La fuerza mecánica ejercida por el chorro de agua sobre la superficie de la pieza de trabajo es extremadamente pequeña (típicamente por debajo de 0,1 N), significativamente menor que la que se encuentra en el procesamiento láser convencional. Como resultado, WJGL es esencialmente un proceso sin contacto con un daño mecánico mínimo. Las ventajas adicionales incluyen una mayor distancia de trabajo, una gran profundidad de enfoque, una alta capacidad de corte de relación de aspecto y anchos de ranura finos que generalmente oscilan entre 25 y 150 µm.

3. Principio de formación del láser guiado por chorro de agua

3.1 Configuración del sistema y mecanismo de guía óptica

WJGL se basa en la diferencia de índice de refracción entre el agua y el aire para guiar la energía láser a través de la reflexión interna total en la interfaz agua-aire, de forma análoga a la transmisión por fibra óptica. Cuando un haz láser se inyecta en un microchorro de agua estable en un ángulo menor que el ángulo crítico para la reflexión interna total, el láser se propaga a lo largo de la columna de agua con una divergencia mínima hasta que llega a la superficie de la pieza de trabajo.

Un sistema WJGL típico consta de cuatro subsistemas principales: un módulo láser y óptico, una unidad de suministro de agua a alta presión, un módulo de gas protector y un cabezal de acoplamiento. El agua ultrapura se presuriza (5–80 MPa) y se expulsa a través de una microboquilla con diámetros que oscilan entre 10 y 200 µm, formando un chorro de agua estable en forma de cabello. La boquilla se fabrica comúnmente con zafiro, rubí o diamante para resistir el desgaste y el daño térmico. El haz láser se enfoca con precisión en la entrada de la boquilla a través de ventanas y lentes ópticas, lo que garantiza un acoplamiento eficiente en el chorro de agua.

3.2 Mecanismo de acoplamiento láser-agua

El acoplamiento eficiente del haz láser enfocado en el microchorro de agua es un requisito fundamental para WJGL. Primero, el diámetro del punto láser debe ser menor que el orificio de la boquilla para evitar la pérdida de energía y el daño de la boquilla. Segundo, la distribución angular del haz enfocado debe satisfacer la condición de reflexión interna total en la interfaz agua-aire.

La propagación del láser dentro del chorro de agua se puede clasificar en rayos meridionales y rayos oblicuos, según sus trayectorias en relación con el eje del chorro. Se emplean comúnmente dos estrategias de acoplamiento: acoplamiento de campo cercano en la entrada de la boquilla y acoplamiento de campo lejano en el chorro de agua externo. El acoplamiento de campo cercano proporciona un ángulo de aceptación mayor y un punto focal más pequeño, pero puede sufrir perturbaciones térmicas dentro de la boquilla, mientras que el acoplamiento de campo lejano mitiga los efectos térmicos a costa de restricciones geométricas más estrictas.

4. Mecanismo de eliminación de material en el procesamiento WJGL

La eliminación de material en WJGL se produce a través de un proceso cíclico de interacción láser-agua. Inicialmente, el chorro de agua de alta velocidad impacta en la superficie de la pieza de trabajo, formando una fina película de agua. Los pulsos láser guiados por el chorro de agua entregan energía a la superficie del material, donde la energía absorbida se convierte en calor, causando fusión y vaporización localizadas.

La rápida formación de vapor o plasma genera presión de retroceso y ondas de choque que, junto con la acción mecánica del chorro de agua, expulsan el material fundido de la ranura y suprimen la formación de la capa de refundido. El entorno acuático circundante confina la columna de plasma y redirige las ondas de choque hacia el material, mejorando la eficiencia de ablación. Al final de cada pulso láser, las burbujas de vapor colapsan, el material fundido se elimina y la zona procesada se enfría rápidamente antes de que comience el siguiente pulso. Este ciclo repetitivo de calentamiento y enfriamiento permite un mecanizado de alta calidad con un daño térmico mínimo.

5. Transmisión de energía en el láser guiado por chorro de agua

La transmisión láser de alta potencia dentro de un chorro de agua implica inevitablemente la pérdida de energía debido a la absorción, la dispersión y los efectos ópticos no lineales, como la dispersión Raman. Los estudios experimentales y numéricos han demostrado que la atenuación de la potencia del láser aumenta con la longitud de transmisión y la potencia del láser. Las longitudes de onda más cortas (por ejemplo, 532 nm) generalmente exhiben una mayor eficiencia de transmisión en agua en comparación con las longitudes de onda infrarrojas (por ejemplo, 1064 nm).

Las simulaciones multifísicas que combinan electromagnetismo, transferencia de calor y dinámica de fluidos han revelado que el aumento del diámetro del haz puede reducir la divergencia y mitigar la pérdida de energía causada por la violación de las condiciones de reflexión interna total. Sin embargo, la comprensión integral de la propagación del láser de alta potencia en chorros de agua sigue siendo limitada, y se requiere una mayor validación experimental y modelado teórico para optimizar la eficiencia de entrega de energía.

6. Aplicaciones de Corte por láser guiado por chorro de agua

6.1 Materiales metálicos

WJGL se ha aplicado ampliamente al corte de precisión de metales como acero inoxidable, aleaciones de aluminio, aleaciones de titanio y superaleaciones a base de níquel. En comparación con el corte por láser convencional, WJGL reduce significativamente el grosor de la ZAC, las capas de refundido y la contaminación de la superficie. Aunque las velocidades de corte son generalmente más bajas, WJGL produce una integridad superficial superior, paredes de ranura lisas y una distorsión térmica mínima, que son fundamentales para las aplicaciones aeroespaciales y médicas.

6.2 Materiales cristalinos frágiles

Los materiales duros y frágiles, incluidos el silicio, el zafiro, el arseniuro de galio y el diamante, son particularmente difíciles de mecanizar utilizando métodos tradicionales. WJGL permite un corte sin grietas y con poco astillado con una excelente calidad de borde. En el corte de obleas de semiconductores y el procesamiento de sustratos de zafiro, WJGL ha demostrado una alta eficiencia de corte, paredes laterales lisas y un daño subsuperficial mínimo, lo que lo hace muy adecuado para la fabricación de microelectrónica y optoelectrónica.

6.3 Materiales compuestos

Los compuestos avanzados como CFRP, compuestos de matriz de aluminio y compuestos de matriz cerámica se benefician significativamente del procesamiento WJGL. La ablación láser combinada y el enfriamiento por agua suprimen eficazmente la deslaminación, la extracción de fibras y el agrietamiento de la matriz. Los resultados experimentales indican que WJGL puede lograr cortes de alta relación de aspecto con una degradación térmica mínima y una calidad superficial superior en comparación con los métodos de corte láser en seco o mecánico.

7. Desafíos técnicos y tendencias futuras

A pesar de sus ventajas, la tecnología WJGL enfrenta varios desafíos. La atenuación de la energía láser dentro del chorro de agua limita la eficiencia del procesamiento, especialmente para aplicaciones de alta potencia. Una mayor investigación sobre medios de guía alternativos o una química del agua optimizada puede ayudar a reducir la pérdida de energía. La miniaturización de los chorros de agua es esencial para una mayor precisión, pero plantea desafíos en la estabilidad del chorro y la eficiencia del acoplamiento. Además, la fabricación de boquillas de alta precisión, la alineación rápida y precisa del láser-agua y las metodologías de control de procesos estandarizadas siguen siendo áreas clave que requieren innovación.

La expansión de la aplicabilidad de WJGL a materiales ultra duros como el diamante, el vidrio de cuarzo, el zafiro y las cerámicas avanzadas también exige una optimización sistemática de los parámetros de procesamiento y las técnicas auxiliares.

8. Conclusiones y perspectivas

Esta revisión resume sistemáticamente los principios, los mecanismos de eliminación de material y el progreso de la aplicación de la tecnología de corte por láser guiado por chorro de agua. Debido a su exclusivo mecanismo de interacción láser-agua, WJGL permite un mecanizado de alta precisión y bajo daño en una amplia gama de materiales difíciles de procesar. Su capacidad para suprimir los defectos térmicos, mejorar la integridad de la superficie y reducir la contaminación ambiental destaca su fuerte potencial en la fabricación aeroespacial, de semiconductores y de dispositivos médicos.

Aunque persisten los desafíos relacionados con la estabilidad del chorro, la eficiencia de la transmisión de energía y la complejidad del equipo, se espera que los avances continuos en la tecnología láser, el control de fluidos y la integración de sistemas mejoren aún más el rendimiento de WJGL. Con la colaboración continua entre la academia y la industria, WJGL está a punto de convertirse en una tecnología principal en la fabricación de ultraprecisión, lo que respalda las crecientes demandas de las industrias de alta tecnología de próxima generación.