隨著(zhù)制造業(yè)對高精度、高效率加工技術(shù)需求的不斷增長(cháng)，水導激光加工技術(shù)的市場(chǎng)潛力逐漸顯現。在航空航天、電子制造、醫療器械和汽車(chē)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，傳統加工方法難以滿(mǎn)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(wèn)題的理想選擇。傳統激光加工還存在一些局限性，如熱影響區大、對高反射材料和熱敏感材料加工效果不佳等問(wèn)題。為了克服這些問(wèn)題，研究人員嘗試將高速水射流引入激光加工過(guò)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(guò)對傳統激光加工和水射流切割技術(shù)的改進(jìn)和創(chuàng )新，以其高能量密度和高精度的特點(diǎn)，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(lái)傳輸激光。傳統的光纖通常由玻璃或塑料制成，內部通過(guò)全內反射來(lái)傳導光。而水導激光系統則利用水的特殊光學(xué)特性，特別是其對特定波長(cháng)激光的高透明度和低損耗特性。光在介質(zhì)中傳播時(shí)，當光從高折射率介質(zhì)進(jìn)入低折射率介質(zhì)時(shí)，如果入射角大于某一臨界角，光將會(huì )在界面發(fā)生全內反射。傳統光纖即利用此原理，通過(guò)玻璃纖維內外層折射率的差異，使光在纖維內部多次反射而傳輸。水導激光則利用水的折射率（約為1.33）與周?chē)諝獾恼凵渎剩s為1.0）的差異，同樣可以實(shí)現全內反射。這樣，激光可以在水中沿著(zhù)特定路徑傳輸，類(lèi)似于光纖中的光傳播。

圖2 形成微水射流的噴嘴結構。（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)生全內反射。在傳輸過(guò)程中，水導激光系統必須保持穩定的水流形態(tài)，以確保激光的持續傳輸和聚焦。由于水流的穩定性和形態(tài)控制是關(guān)鍵，因此通常需要精密的控制系統來(lái)保持水流的穩定和均勻，因此噴嘴極為重要。另外水對不同波長(cháng)的光具有不同的吸收和散射特性，在可見(jiàn)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(guò)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(jiàn)光和近紅外波段。

水導激光加工優(yōu)勢

傳統加工方式主要包括機械加工、熱切割和傳統激光切割等。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(guān)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(guò)程容易導致材料的熱影響區增大，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 傳統激光加工與水導激光加工特點(diǎn)比對

同時(shí)水導激光加工技術(shù)相較于傳統激光加工具有顯著(zhù)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域，減少熱影響區，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(diǎn)比較

相較之下，水導激光加工技術(shù)結合了水和激光的雙重優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統加工方式的諸多短板。首先，水導激光通過(guò)水流引導激光束的傳輸，有效地冷卻加工區域，顯著(zhù)減少了熱影響區。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(xué)研究表明，水的高比熱容使其在激光加工過(guò)程中能迅速吸收和散熱，有效保護了加工區域的材料特性。

其次，水導激光加工技術(shù)利用水的光學(xué)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定的傳輸路徑，避免了在空氣中傳輸時(shí)的能量散射和損失。這不僅提高了加工效率，還使得加工過(guò)程更加精準，能夠實(shí)現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(guò)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。相比傳統加工方式中常見(jiàn)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。傳統加工方法難以同時(shí)滿(mǎn)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，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(guò)水流冷卻和清潔加工表面，避免了傳統激光加工中可能產(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，水導激光能夠實(shí)現復雜幾何形狀的精密加工，滿(mǎn)足個(gè)性化醫療器械的需求。

圖6 水導激光在醫療器械上的應用

表2 水導激光在醫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(wú)熱損傷的特點(diǎn)廣泛應用于硅片切割、芯片封裝和微結構加工。水的冷卻作用減少了激光加工過(guò)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(jìn)先進(jìn)水導激光設備的國產(chǎn)化開(kāi)發(fā)和本土化服務(wù)，現已發(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(chǎng)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(wù)全流程解決方案，已與國內數百家客戶(hù)建立了水導激光加工服務(wù)合作，工藝團隊通過(guò)近三年的工藝開(kāi)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）等材料的工藝數據庫，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(wú)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