隨著制造業(yè)對高精度,、高效率加工技術(shù)需求的不斷增長,，水導激光加工技術(shù)的市場潛力逐漸顯現(xiàn),。在航空航天,、電子制造、醫(yī)療器械和汽車工業(yè)等高端制造領(lǐng)域,，對材料的加工質(zhì)量和精度要求極高,，傳統(tǒng)加工方法難以滿足這些需求，而水導激光加工技術(shù)則憑借其獨特的優(yōu)勢,，成為解決這些問題的理想選擇,。傳統(tǒng)激光加工還存在一些局限性，如熱影響區(qū)大,、對高反射材料和熱敏感材料加工效果不佳等問題,。為了克服這些問題，研究人員嘗試將高速水射流引入激光加工過程,，形成了水導激光技術(shù),。這一技術(shù)利用水射流作為激光束的導向介質(zhì)和冷卻介質(zhì)，提高了加工質(zhì)量和材料適應性,。水導激光加工技術(shù)通過對傳統(tǒng)激光加工和水射流切割技術(shù)的改進和創(chuàng)新，以其高能量密度和高精度的特點,，在制造業(yè)中得到了廣泛應用,。

水導激光原理

圖1 水導激光的加工特性

如圖1所示,，水導激光的基本概念是利用水作為導光介質(zhì)來傳輸激光。傳統(tǒng)的光纖通常由玻璃或塑料制成,，內(nèi)部通過全內(nèi)反射來傳導光,。而水導激光系統(tǒng)則利用水的特殊光學特性，特別是其對特定波長激光的高透明度和低損耗特性,。光在介質(zhì)中傳播時,，當光從高折射率介質(zhì)進入低折射率介質(zhì)時，如果入射角大于某一臨界角,，光將會在界面發(fā)生全內(nèi)反射,。傳統(tǒng)光纖即利用此原理，通過玻璃纖維內(nèi)外層折射率的差異,，使光在纖維內(nèi)部多次反射而傳輸,。水導激光則利用水的折射率（約為1.33）與周圍空氣的折射率（約為1.0）的差異，同樣可以實現(xiàn)全內(nèi)反射,。這樣,，激光可以在水中沿著特定路徑傳輸，類似于光纖中的光傳播,。

圖2 形成微水射流的噴嘴結(jié)構(gòu),。（a）縮流示意圖；（b）毛細型噴嘴,；（c）錐形噴嘴,；（d）上錐形噴嘴；（e）下錐形噴嘴

圖2為不同形狀噴嘴下的水射流狀態(tài),，為了將激光耦合到水中,，以合適的角度射入水流中，確保光在水流與空氣的界面發(fā)生全內(nèi)反射,。在傳輸過程中,，水導激光系統(tǒng)必須保持穩(wěn)定的水流形態(tài)，以確保激光的持續(xù)傳輸和聚焦,。由于水流的穩(wěn)定性和形態(tài)控制是關(guān)鍵,，因此通常需要精密的控制系統(tǒng)來保持水流的穩(wěn)定和均勻，因此噴嘴極為重要,。另外水對不同波長的光具有不同的吸收和散射特性,，在可見光和近紅外波段，水的吸收相對較低,，這使得水導激光在這些波段內(nèi)具有良好的傳輸性能,。此外，水的散射特性也較低,，有助于減少激光傳輸過程中的損耗,。然而,，水對遠紅外和紫外波段的光吸收較強，因此水導激光主要應用于可見光和近紅外波段,。

水導激光加工優(yōu)勢

傳統(tǒng)加工方式主要包括機械加工,、熱切割和傳統(tǒng)激光切割等。這些加工方式或多或少的在精度,、效率和對材料的影響方面存在一定的局限性,。例如，機械加工雖然廣泛應用于各種材料的加工,，但由于刀具的磨損和接觸式加工方式,，容易引起材料表面的微觀損傷和熱變形，限制了加工精度和表面質(zhì)量,。此外,，熱切割方式如等離子切割和火焰切割，雖然能夠快速切割厚材料,，但其高溫處理過程容易導致材料的熱影響區(qū)增大,，產(chǎn)生熱應力和微裂紋，降低了成品的機械性能和耐用性,。

圖3 傳統(tǒng)激光加工與水導激光加工特點比對

同時水導激光加工技術(shù)相較于傳統(tǒng)激光加工具有顯著的優(yōu)勢,。如圖3所示，水導激光利用水作為傳導介質(zhì),，能夠有效地冷卻加工區(qū)域,，減少熱影響區(qū)，從而避免材料變形和微裂紋的產(chǎn)生,，提高加工精度和質(zhì)量（圖4）,。

圖4 典型切割打孔加工技術(shù)特點比較

相較之下，水導激光加工技術(shù)結(jié)合了水和激光的雙重優(yōu)點,，克服了傳統(tǒng)加工方式的諸多短板,。首先，水導激光通過水流引導激光束的傳輸,，有效地冷卻加工區(qū)域,，顯著減少了熱影響區(qū)。這種冷卻效果不僅防止了材料因高溫而變形,，還減少了熱應力和微裂紋的產(chǎn)生,，提高了加工件的機械性能和表面質(zhì)量?？茖W研究表明,，水的高比熱容使其在激光加工過程中能迅速吸收和散熱，有效保護了加工區(qū)域的材料特性。

其次,，水導激光加工技術(shù)利用水的光學特性,，增強了激光束的聚焦能力和能量密度,。水的導光性和折射率特性使得激光束在水中能保持穩(wěn)定的傳輸路徑,，避免了在空氣中傳輸時的能量散射和損失。這不僅提高了加工效率,，還使得加工過程更加精準,，能夠?qū)崿F(xiàn)復雜和精細的切割和打孔操作。

此外,，水導激光還具有環(huán)保和安全的優(yōu)勢,。加工過程中，水介質(zhì)能夠有效捕捉和帶走產(chǎn)生的煙塵,、碎屑和有害氣體,，減少了對環(huán)境的污染和對操作人員的健康危害。相比傳統(tǒng)加工方式中常見的高溫煙霧和金屬粉塵,，水導激光的濕式操作環(huán)境顯得更加清潔和安全,。

在航空航天領(lǐng)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,、CFRP,、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(shù)則憑借其高能量密度和精細冷卻效果優(yōu)勢,，能夠精確切割和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(zhì)量和可靠性。

圖5 水導激光在航空航天領(lǐng)域上的應用

表1 水導激光在航空航天零部件上的應用

醫(yī)療器械的制造要求極高的精度和潔凈度,，如微創(chuàng)手術(shù)工具,、植入物和診斷治療裝置等。水導激光加工技術(shù)通過水流冷卻和清潔加工表面,，避免了傳統(tǒng)激光加工中可能產(chǎn)生的熱損傷和表面污染,，確保了器械的精度和生物相容性。此外,，水導激光能夠?qū)崿F(xiàn)復雜幾何形狀的精密加工,，滿足個性化醫(yī)療器械的需求。

圖6 水導激光在醫(yī)療器械上的應用

表2 水導激光在醫(yī)療器械零部件的應用

在電子行業(yè),，尤其是微電子和半導體制造中,，水導激光加工技術(shù)以其精確度和無熱損傷的特點廣泛應用于硅片切割,、芯片封裝和微結(jié)構(gòu)加工。水的冷卻作用減少了激光加工過程中的熱效應,，防止了微電子元件的熱損壞,，提高了產(chǎn)品的可靠性和性能。

圖7 水導激光在電子產(chǎn)品上的應用

表3 水導激光在電子產(chǎn)品零部件上的應用

圖8 水導激光在金剛石領(lǐng)域的應用

表4 水導激光在金剛石零部件的應用

中科煜宸激光--水導激光加工技術(shù)

中科煜宸立足于自主創(chuàng)新，致力于推進先進水導激光設備的國產(chǎn)化開發(fā)和本土化服務,，現(xiàn)已發(fā)布五款（RJ系列：RJ203,、RJ205、RJ305,、RJ505,、RJ1005）標準型水導激光加工設備，覆蓋了科研,、航空航天和一般工業(yè)市場上主流的小,、中、大型零件的加工能力,。

中科煜宸提供水導激光加工服務全流程解決方案,，已與國內(nèi)數(shù)百家客戶建立了水導激光加工服務合作，工藝團隊通過近三年的工藝開發(fā)和積累,，已建立多金屬（鋁合金,、不銹鋼、鈦合金、高溫合金,、銅合金）,、復合材料（CFRP、CMC）,、帶熱障涂層的單晶高溫合金（TBC）,、半導體/陶瓷（SIC、ALN,、ZrO2,、SIN）,、金剛石以及多種脆硬材料（磁鋼,、鎢鋼）等材料的工藝數(shù)據(jù)庫，先后突破金屬表面粗糙度質(zhì)量提升和高效加工,、復合材料無燒蝕高效加工,、熱障涂層大傾角和深徑比微孔高效加工、大深度金剛石切片,、大深度磁鋼和陶瓷高效切割等多項技術(shù)難題,。

圖9  RJ系列水導激光加工裝備