隨著制造業(yè)對(duì)高精度、高效率加工技術(shù)需求的不斷增長(zhǎng)，水導(dǎo)激光加工技術(shù)的市場(chǎng)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(duì)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(dǎo)激光加工技術(shù)則憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，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(duì)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(dǎo)激光技術(shù)。
這一技術(shù)利用水射流作為激光束的導(dǎo)向介質(zhì)和冷卻介質(zhì)，提高了加工質(zhì)量和材料適應(yīng)性。水導(dǎo)激光加工技術(shù)通過對(duì)傳統(tǒng)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(yīng)用。
水導(dǎo)激光原理
圖1 水導(dǎo)激光的加工特性
如圖1所示，水導(dǎo)激光的基本概念是利用水作為導(dǎo)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(dǎo)光。而水導(dǎo)激光系統(tǒng)則利用水的特殊光學(xué)特性，特別是其對(duì)特定波長(zhǎng)激光的高透明度和低損耗特性。光在介質(zhì)中傳播時(shí)，當(dāng)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(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(dǎo)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(shí)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(xì)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(dǎo)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(duì)不同波長(zhǎng)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(duì)較低，這使得水導(dǎo)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(duì)遠(yuǎn)紅外和紫外波段的光吸收較強(qiáng)，因此水導(dǎo)激光主要應(yīng)用于可見光和近紅外波段。
水導(dǎo)激光加工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)
傳統(tǒng)加工方式主要包括機(jī)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(duì)材料的影響方面存在一定的局限性。例如，機(jī)械加工雖然廣泛應(yīng)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(dǎo)致材料的熱影響區(qū)增大，產(chǎn)生熱應(yīng)力和微裂紋，降低了成品的機(jī)械性能和耐用性。
圖3 傳統(tǒng)激光加工與水導(dǎo)激光加工特點(diǎn)比對(duì)
同時(shí)水導(dǎo)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(shì)。如圖3所示，水導(dǎo)激光利用水作為傳導(dǎo)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(diǎn)比較
相較之下，水導(dǎo)激光加工技術(shù)結(jié)合了水和激光的雙重優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)加工方式的諸多短板。首先，水導(dǎo)激光通過水流引導(dǎo)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(yīng)力和微裂紋的產(chǎn)生，提高了加工件的機(jī)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程中能迅速吸收和散熱，有效保護(hù)了加工區(qū)域的材料特性。
其次，水導(dǎo)激光加工技術(shù)利用水的光學(xué)特性，增強(qiáng)了激光束的聚焦能力和能量密度。水的導(dǎo)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(shí)的能量散射和損失。這不僅提高了加工效率，還使得加工過程更加精準(zhǔn)，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜和精細(xì)的切割和打孔操作。
此外，水導(dǎo)激光還具有環(huán)保和安全的優(yōu)勢(shì)。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(duì)環(huán)境的污染和對(duì)操作人員的健康危害。相比傳統(tǒng)加工方式中常見的高溫?zé)熿F和金屬粉塵，水導(dǎo)激光的濕式操作環(huán)境顯得更加清潔和安全。
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水導(dǎo)激光應(yīng)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(qiáng)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(shí)滿足精度和效率的要求，而水導(dǎo)激光加工技術(shù)則憑借其高能量密度和精細(xì)冷卻效果優(yōu)勢(shì)，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(dǎo)激光在航空航天領(lǐng)域上的應(yīng)用
表1 水導(dǎo)激光在航空航天零部件上的應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)激光能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜幾何形狀的精密加工，滿足個(gè)性化醫(yī)療器械的需求。
圖6 水導(dǎo)激光在醫(yī)療器械上的應(yīng)用
表2 水導(dǎo)激光在醫(yī)療器械零部件的應(yīng)用
3
電子產(chǎn)品
在電子行業(yè)，尤其是微電子和半導(dǎo)體制造中，水導(dǎo)激光加工技術(shù)以其精確度和無熱損傷的特點(diǎn)廣泛應(yīng)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(yīng)，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(dǎo)激光在電子產(chǎn)品上的應(yīng)用
表3 水導(dǎo)激光在電子產(chǎn)品零部件上的應(yīng)用
4
金剛石加工
水導(dǎo)激光技術(shù)在加工金剛石零部件方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，包括高精度、低熱影響、無機(jī)械應(yīng)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(shì)使水導(dǎo)激光成為金剛石加工領(lǐng)域的理想選擇，相較于傳統(tǒng)機(jī)械加工和其他激光加工方式，水導(dǎo)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(dǎo)激光在金剛石領(lǐng)域的應(yīng)用
表4 水導(dǎo)激光在金剛石零部件的應(yīng)用
作者：李代旭
