水導(dǎo)激光：開(kāi)啟精密加工新紀(jì)元的創(chuàng)新技術(shù)
摘要
隨著航空航天、半導(dǎo)體器件、醫(yī)療等領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，基礎(chǔ)材料的高效與高精度加工成為研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)機(jī)械加工存在“硬接觸”引起的精度問(wèn)題，傳統(tǒng)干法激光加工則有熱影響區(qū)、崩邊、毛刺等缺陷。水導(dǎo)激光加工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，本文深入探討其影響因素，挖掘其在精密加工領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，分析其原理、加工機(jī)理、影響因素、優(yōu)勢(shì)，并對(duì)未來(lái)優(yōu)化方向進(jìn)行展望。
關(guān)鍵詞
水導(dǎo)激光；精密加工；激光參數(shù)；水射流；加工優(yōu)勢(shì)
一、引言：精密加工的挑戰(zhàn)與水導(dǎo)激光的誕生
在航空航天、微電子、醫(yī)療等行業(yè)快速發(fā)展的當(dāng)下，單晶材料、金屬材料、復(fù)合材料等在加工中面臨諸多難題。硬脆性、各向異性等特性導(dǎo)致加工時(shí)易產(chǎn)生亞表面損傷、幾何精度失準(zhǔn)等問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)代加工技術(shù)的精度控制和表面完整性保障提出了極高要求。
目前工業(yè)界常用的機(jī)械加工、電火花加工和激光加工各有優(yōu)劣。傳統(tǒng)機(jī)械加工成本低、工藝成熟，在大規(guī)模模具加工中占主導(dǎo)，但“硬接觸”式加工易引發(fā)微裂紋擴(kuò)展、崩邊和刀具磨損，限制了硬脆材料加工良率。電火花加工適用于多種導(dǎo)電材料，可脈沖放電特性使加工效率難以提升，且電極損耗和工作液污染增加了成本與環(huán)境負(fù)擔(dān)。激光加工憑借非接觸式加工和多尺度調(diào)控能力，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)加工方面有優(yōu)勢(shì)，但熱累積效應(yīng)和光束能量密度不均會(huì)導(dǎo)致殘余應(yīng)力集中、熱影響區(qū)和微毛刺缺陷，影響關(guān)鍵部件性能。
在這樣的背景下，水導(dǎo)激光（WJGL）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。它構(gòu)建了納秒激光與高壓水射流相結(jié)合的復(fù)合加工體系，核心系統(tǒng)由納秒激光光源、高壓水循環(huán)裝置、激光-高壓水射流耦合模塊以及三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)構(gòu)成。通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控激光束入射角，實(shí)現(xiàn)激光束在水射流中的全反射，將激光束束縛在直徑為50-100μm的水柱內(nèi)，實(shí)現(xiàn)材料去除與加工區(qū)冷卻同步進(jìn)行，規(guī)避了傳統(tǒng)加工的諸多問(wèn)題。
然而，我們不禁要懷疑，水導(dǎo)激光技術(shù)真的能完全解決傳統(tǒng)加工技術(shù)的所有難題嗎？在實(shí)際應(yīng)用中，它是否會(huì)面臨新的挑戰(zhàn)和問(wèn)題？畢竟，任何新技術(shù)在推廣初期都可能存在不為人知的局限性。
二、水導(dǎo)激光技術(shù)原理：全反射傳輸?shù)膴W秘
水導(dǎo)激光加工技術(shù)的關(guān)鍵是激光與水射流的高效耦合，基于激光在水射流界面的全反射傳輸機(jī)制。水射流充當(dāng)傳輸介質(zhì)，類似多模光纖，當(dāng)激光光束入射角大于或等于全反射臨界角θc時(shí)，光線發(fā)生全反射并沿水射流傳播。
實(shí)際耦合中，激光光束并非完全沿中心軸全反射。Nie等考慮了激光在空氣、玻璃、水三種介質(zhì)中的折射情況，分析了激光入射角、各介質(zhì)折射率及相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系。激光在水射流中傳輸時(shí)，可分為子午光線和斜射光線。子午光線通過(guò)水束中心截面，傳播方向穩(wěn)定，能確保激光能量穩(wěn)定傳輸，減少散射和能量損失，提高傳輸效率。斜射光線不通過(guò)水束中心截面，傳播復(fù)雜，多次反射且每次需滿足全反射條件。
斜射光線增加了激光與水束相互作用面積和時(shí)間，使激光能量更均勻分布，獲得更均勻加工效果。但傳播過(guò)程中的反射次數(shù)和角度控制關(guān)鍵，控制不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致激光能量分散，影響加工精度和效率。
耦合誤差、激光波長(zhǎng)、水射流穩(wěn)定性等因素影響耦合效果。四種耦合誤差中，對(duì)準(zhǔn)耦合是理想狀態(tài)，激光能量高效均勻傳輸至加工材料表面。軸向偏差、徑向偏差和角度偏差會(huì)改變激光傳輸模式，徑向偏差和角度偏差會(huì)改變子午光線和斜射光線強(qiáng)度比，影響噴嘴使用壽命和耦合對(duì)準(zhǔn)與加工。軸向偏差中，遠(yuǎn)場(chǎng)耦合可降低窗口和噴嘴處激光能量密度，提升能量利用效率和耦合穩(wěn)定性。
波長(zhǎng)改變會(huì)影響激光聚焦特性和數(shù)值孔徑（NA），進(jìn)而影響耦合效果。數(shù)值孔徑越大，模式數(shù)量越多，光斑尺寸越小，模式分布越均勻。適當(dāng)離軸耦合和增大噴嘴直徑可使光強(qiáng)分布更均勻。
水射流形成穩(wěn)定層流前經(jīng)歷多個(gè)瞬態(tài)階段，對(duì)激光耦合效率作用機(jī)制尚不明確。Wei等研究了532 nm激光在水射流不同發(fā)展階段的電場(chǎng)分布，發(fā)現(xiàn)瞬態(tài)階段通過(guò)重構(gòu)射流幾何形態(tài)調(diào)控激光傳播路徑完整性，影響能量損耗與耦合效率演變規(guī)律。
但我們也應(yīng)該思考，目前對(duì)于水射流瞬態(tài)階段與激光耦合效率的研究是否足夠深入？是否還有其他未被發(fā)現(xiàn)的因素在影響著耦合過(guò)程？這些疑問(wèn)都需要進(jìn)一步的研究來(lái)解答。
三、水導(dǎo)激光加工機(jī)理：熱作用與冷卻作用的協(xié)同
水導(dǎo)激光燒蝕材料的核心理論是激光能量通過(guò)高壓水射流到達(dá)材料表面，材料吸收能量后出現(xiàn)熔化、蒸發(fā)甚至少量氣化現(xiàn)象，同時(shí)水射流帶走多余熱量和加工殘?jiān)?。其光源為納秒脈沖激光，刻蝕過(guò)程以熱效應(yīng)為基礎(chǔ)。
以環(huán)氧樹(shù)脂與碳纖維復(fù)合材料加工為例，功率密度不同，材料去除情況不同。功率密度偏低，材料基本不變；達(dá)到樹(shù)脂基體去除閾值未達(dá)到碳纖維去除閾值，樹(shù)脂基體被破壞，碳纖維暴露；功率密度足夠高，碳纖維也能被有效去除。這表明水導(dǎo)激光仿真過(guò)程復(fù)雜多變，需綜合考慮多種因素。
Cheng等結(jié)合溫度場(chǎng)、水射流冷卻和自然換熱等因素，建立了碳化硅陶瓷基復(fù)合材料（SiCf/SiC）的水導(dǎo)激光傳熱模型，分析了單個(gè)脈沖作用下表面溫度場(chǎng)變化。祝濤對(duì)水導(dǎo)激光加工熱障涂層DD6高溫合金進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，得出每個(gè)脈沖周期溫度變化基本相同。
水導(dǎo)激光加工中，材料會(huì)經(jīng)歷熔化、冷卻再重鑄等變化。以鎳基合金為例，加工后表面層會(huì)出現(xiàn)尺寸接近8μm的熱影響區(qū)，包含重鑄晶體和再沉積非晶氧化物。重鑄層是激光使材料熔化或氣化后，在水射流冷卻作用下形成。再沉積非晶氧化物是水射流限制等離子體羽流膨脹，促使其與氣體反應(yīng)生成氧化物，在快速冷卻條件下形成。
水導(dǎo)激光加工過(guò)程還涉及材料與水的氧化反應(yīng)。激光作用于材料表面時(shí)，表面溫度急劇上升，金屬原子和氧原子遷移，水射流離解產(chǎn)生的活性氧原子向熔融金屬表面擴(kuò)散，發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致表面元素濃度改變并形成氧化物，在加工界面堆積形成氣泡坑和顆粒飛濺物。
與水下激光加工和水輔助激光加工技術(shù)相比，水下激光加工側(cè)重于水層動(dòng)態(tài)調(diào)控，水層厚度對(duì)加工效果有雙重影響。水下加工盲孔直徑大、形狀規(guī)則，但氣泡無(wú)序運(yùn)動(dòng)使側(cè)壁出現(xiàn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)。水輔助激光加工利用旁軸高壓水射流輔助激光加工，先通過(guò)激光熔化材料，再結(jié)合高壓水剪切應(yīng)力去除材料，但加工表面易殘留沖擊痕跡，難以滿足高精度需求。
不過(guò)，目前關(guān)于水導(dǎo)激光-材料相互作用機(jī)理的研究仍存在局限。現(xiàn)有模型多聚焦于單一熱傳導(dǎo)過(guò)程，尚未實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)、流體沖刷、氧化反應(yīng)、相變等多物理場(chǎng)耦合仿真，對(duì)氣泡坑、邊緣毛刺等典型缺陷預(yù)測(cè)能力不足。這讓我們懷疑，現(xiàn)有的研究是否能夠真正揭示水導(dǎo)激光加工的復(fù)雜機(jī)理？多物理場(chǎng)耦合仿真的發(fā)展能否解決這些問(wèn)題？
四、水導(dǎo)激光在精密加工中的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)
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加工效率高：水導(dǎo)激光實(shí)現(xiàn)了材料去除與加工區(qū)冷卻同步進(jìn)行，減少了傳統(tǒng)加工中冷卻時(shí)間，提高了加工效率。例如在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片氣膜孔加工中，相比傳統(tǒng)加工方法，水導(dǎo)激光加工時(shí)間大幅縮短。
加工精度高：激光與水射流的高效耦合以及子午光線和斜射光線的協(xié)同作用，使激光能量能夠精確地傳輸?shù)郊庸げ牧媳砻妫瑴p少了加工過(guò)程中的誤差。在半導(dǎo)體晶圓切割中，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的切割，切割邊緣光滑，尺寸精度高。
加工深徑比大：水射流的冷卻作用有效抑制了熱影響區(qū)的擴(kuò)大，使得激光能夠深入材料內(nèi)部進(jìn)行加工，從而獲得較大的加工深徑比。在一些深孔加工中，水導(dǎo)激光可以加工出深徑比遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)加工方法的孔。
加工自由度高：水導(dǎo)激光加工不受材料硬度和形狀的限制，可以對(duì)各種硬脆材料、復(fù)合材料以及復(fù)雜形狀的零件進(jìn)行加工。例如在醫(yī)療領(lǐng)域，可以對(duì)人體植入物進(jìn)行精密加工，滿足個(gè)性化的醫(yī)療需求。
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水射流對(duì)激光能量的吸收問(wèn)題：水介質(zhì)受熱引發(fā)的湍流擾動(dòng)會(huì)破壞激光束在水射流中的全反射機(jī)制，降低能量傳輸效率。能量過(guò)度耗散還可能引發(fā)水射流動(dòng)態(tài)失穩(wěn)，造成噴嘴物理?yè)p傷，限制了現(xiàn)有水導(dǎo)激光設(shè)備平均功率的提升，制約了高功率激光器的應(yīng)用潛力。
微尺度水射流的穩(wěn)定性與能量分布均勻性矛盾：縮小噴嘴直徑可提升加工分辨率，但受水的表面張力效應(yīng)影響，超細(xì)水射流易發(fā)生斷裂、振動(dòng)等動(dòng)態(tài)失穩(wěn)現(xiàn)象。微噴嘴內(nèi)徑非對(duì)稱收縮會(huì)導(dǎo)致水射流截面能量分布偏離理想平頂形態(tài)，降低微結(jié)構(gòu)加工精度，單純依賴機(jī)械式縮小噴嘴直徑難以實(shí)現(xiàn)微納加工精度的實(shí)質(zhì)性突破。
五、未來(lái)展望：優(yōu)化方向與發(fā)展趨勢(shì)
針對(duì)水導(dǎo)激光加工技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，未來(lái)優(yōu)化方向主要包括以下幾個(gè)方面。
在水射流對(duì)激光能量的吸收問(wèn)題上，需要研發(fā)新型的水射流穩(wěn)定技術(shù)，減少水介質(zhì)受熱引發(fā)的湍流擾動(dòng)。例如，可以通過(guò)優(yōu)化水射流的噴射參數(shù)、采用特殊的水質(zhì)處理等方法，提高激光能量在水射流中的傳輸效率。
對(duì)于微尺度水射流的穩(wěn)定性與能量分布均勻性矛盾，應(yīng)從射流形成機(jī)理層面以及噴嘴結(jié)構(gòu)方面探索創(chuàng)新解決方案?？梢栽O(shè)計(jì)新型的噴嘴結(jié)構(gòu)，如采用非對(duì)稱噴嘴、多孔噴嘴等，改善水射流的能量分布均勻性。同時(shí)，結(jié)合先進(jìn)的制造技術(shù)，提高噴嘴的加工精度，減少內(nèi)徑非對(duì)稱收縮對(duì)水射流的影響。
此外，還應(yīng)加強(qiáng)多物理場(chǎng)耦合仿真研究，整合等離子體屏蔽效應(yīng)、氧化動(dòng)力學(xué)方程等關(guān)鍵參數(shù)，構(gòu)建更貼近實(shí)際工況的模擬系統(tǒng)。通過(guò)仿真研究，深入了解水導(dǎo)激光-材料相互作用機(jī)理，預(yù)測(cè)加工過(guò)程中的缺陷，為優(yōu)化加工工藝提供理論依據(jù)。
隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，水導(dǎo)激光精密加工技術(shù)有望在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在航空航天領(lǐng)域，可以進(jìn)一步提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工質(zhì)量和性能；在半導(dǎo)體領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)更高精度的芯片切割和微結(jié)構(gòu)加工；在醫(yī)療領(lǐng)域，可以為個(gè)性化醫(yī)療提供更優(yōu)質(zhì)的植入物加工解決方案。
水導(dǎo)激光精密加工技術(shù)作為一種新興的加工技術(shù)，具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應(yīng)用前景。雖然目前還面臨一些挑戰(zhàn)，但通過(guò)不斷的研究和優(yōu)化，相信它將在精密加工領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，為推動(dòng)各行業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。我們期待著水導(dǎo)激光技術(shù)能夠在未來(lái)取得更多的突破，真正成為精密加工領(lǐng)域的主流技術(shù)。
水導(dǎo)激光：開(kāi)啟精密加工新紀(jì)元的創(chuàng)新技術(shù)
08-14-2025
