水導激光加工：脆硬性材料精密加工的完美解決方案

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。科學研究表明，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。

水導激光應用領(lǐng)域

1.航空航天

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

2.醫(yī)療器械

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

3.電子產(chǎn)品

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

4.金剛石加工

水導激光技術(shù)在加工金剛石零部件方面具有顯著的優(yōu)勢，包括高精度、低熱影響、無機械應力、高效切割和打孔、優(yōu)良的邊緣和表面質(zhì)量、多樣化加工能力以及環(huán)保清潔加工。這些優(yōu)勢使水導激光成為金剛石加工領(lǐng)域的理想選擇，相較于傳統(tǒng)機械加工和其他激光加工方式，水導激光在保持材料完整性和提高加工質(zhì)量方面表現(xiàn)得更加出色。

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)

南京中科煜宸激光技術(shù)有限公司成立于2013年，專注于激光智能制造裝備及工藝領(lǐng)域11年，已交付激光加工類設(shè)備400余套，是一家以增材制造、水導激光、激光焊接、激光核心器件研發(fā)與生產(chǎn)為主營業(yè)務的國家級高新技術(shù)企業(yè)。

中科煜宸立足于自主創(chuàng)新，致力于推進先進水導激光設(shè)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(shè)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