水導(dǎo)激光作為一種高效的加工技術(shù)，借助高速水射流在激光脈沖間隙將加工區(qū)域冷卻至水溫，可有效減少多脈沖導(dǎo)致的局部熱積聚與熱膨脹，顯著提升加工質(zhì)量；同時(shí)，基于全反射效應(yīng)，光束能在水射流中高效傳播，大幅提高加工效率。

       上海大學(xué)戴曄教授課題組系統(tǒng)綜述了水下激光加工、水射流輔助激光加工和水導(dǎo)激光加工三種水復(fù)合激光加工技術(shù)的原理、設(shè)備組成及應(yīng)用進(jìn)展。研究表明，水導(dǎo)激光技術(shù)憑借其獨(dú)特的水射流引導(dǎo)機(jī)制，在航空航天、微電子等領(lǐng)域的精密加工中展現(xiàn)出突出優(yōu)勢(shì)。文章詳細(xì)分析了穩(wěn)定水射流形成的影響因素，探討了氣體輔助、激光耦合等關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)，并對(duì)未來(lái)發(fā)展方向提出了展望，為精密制造領(lǐng)域提供了重要的理論參考和技術(shù)指導(dǎo)。

       三種水復(fù)合激光加工技術(shù)：水下激光加工技術(shù)、水射流輔助激光加工技術(shù)與水導(dǎo)激光加工技術(shù)，其核心雖然都是通過(guò)水抑制激光加工過(guò)程中產(chǎn)生的熱效應(yīng)，但它們的技術(shù)原理有所不同，如圖1 所示。

       水下激光加工技術(shù)以其裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而具有顯著優(yōu)勢(shì)，并且能兼容多種激光光源（如飛秒激光與CO2激光），表現(xiàn)出廣泛的適用性。然而，當(dāng)樣品置于靜止水體中時(shí)，該技術(shù)對(duì)加工區(qū)域的冷卻效率以及對(duì)熔渣的沖刷效果較為有限，這可能會(huì)影響加工精度與材料的表面質(zhì)量。

       水射流輔助激光加工技術(shù)通過(guò)引入高壓水射流，顯著提高了加工區(qū)域的冷卻效率以及對(duì)熔渣的清除能力。然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)在加工效率和表面質(zhì)量方面仍然存在局限性。

       水導(dǎo)激光加工技術(shù)通過(guò)將激光束耦合至水射流中進(jìn)行傳輸，顯著提高了加工效率和加工質(zhì)量。然而，該技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用與發(fā)展仍面臨挑戰(zhàn)，主要挑戰(zhàn)是高昂的設(shè)備成本以及復(fù)雜的系統(tǒng)集成要求。

圖1 水復(fù)合激光加工技術(shù)

       在水復(fù)合激光加工技術(shù)中，水下激光加工技術(shù)是實(shí)現(xiàn)的在激光加工過(guò)程中用水進(jìn)行冷卻的技術(shù)，但由于靜態(tài)水的冷卻效果不佳，所以發(fā)展出了利用高速水射流進(jìn)行輔助加工的技術(shù)，其中包括穩(wěn)定高壓水技術(shù)、激光耦合技術(shù)與氣體輔助技術(shù)等。

       而水導(dǎo)激光加工設(shè)備中具有許多復(fù)雜的工程問(wèn)題。其中激光耦合器是整個(gè)水導(dǎo)激光耦合系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。高壓水通過(guò)兩側(cè)的進(jìn)水口進(jìn)入激光耦合器，最后從水腔底部中心的噴嘴射出，形成水射流。激光在耦合到水射流的過(guò)程中，需要經(jīng)過(guò)如圖2(b)所示的三個(gè)不同的介質(zhì)層：空氣、光學(xué)窗口和水層。由物鏡聚焦的激光經(jīng)過(guò)兩側(cè)折射后最終以角度 θ3耦合到噴嘴的入口端面，然后在滿足全反射的條件下，通過(guò)水射流形成的水束進(jìn)行傳輸。

圖2 水導(dǎo)激光耦合示意圖

4.1 水下激光加工技術(shù)應(yīng)用

       水下激光加工可顯著改善通孔的側(cè)壁質(zhì)量，但形貌分析表明所得通孔仍存在特征錐度，這種幾何缺陷主要源于激光焦點(diǎn)動(dòng)態(tài)調(diào)控過(guò)程中的能量梯度效應(yīng)，隨著焦點(diǎn)深度h增加，激光能量密度呈指數(shù)衰減。

       江蘇大學(xué)的任乃飛教授等利用單脈沖能量為120 μJ的飛秒激光對(duì)厚度為1 mm的氧化鋁陶瓷進(jìn)行通孔加工。圖3(a)和(b)分別展示了在空氣與水下加工通孔的入口圖、出口圖與截面圖。他們的研究發(fā)現(xiàn)了在水下加工時(shí)，當(dāng)脈沖重復(fù)率大于 50 kHz 時(shí)，隨著脈沖重復(fù)頻率增加，產(chǎn)生的等離子體增多，受水約束的等離子體相應(yīng)增加，等離子體的屏蔽效應(yīng)增強(qiáng)，減弱了水輔助效果，從而導(dǎo)致孔截面錐度增大，孔質(zhì)量相應(yīng)下降。

       南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的章永年教授等利用波長(zhǎng)為532 nm、脈寬10 ps的激光對(duì)304不銹鋼進(jìn)行加工，通過(guò)水輔助的方法獲得了高縱深比的通孔結(jié)構(gòu)，如圖3(c)所示。由圖3(d)可以看出，隨著激光能量增大，通孔的錐度減小。揭示了隨著脈沖能量增加，激光在水中引起的等離子體密度增大，從而產(chǎn)生更強(qiáng)大的沖擊波，提高了材料的去除率。

圖3 水下激光加工技術(shù)應(yīng)用

4.2 水射流輔助激光加工技術(shù)應(yīng)用

       水射流輔助激光加工技術(shù)通過(guò)高壓水射流與激光的協(xié)同作用，高速水射流產(chǎn)生的瞬時(shí)剪切應(yīng)力可有效剝離激光軟化層，使材料去除效率顯著提升，并且由于水的冷卻顯著提升了微通道加工質(zhì)量。

       上海交通大學(xué)的沈洪教授等利用水射流輔助激光加工技術(shù)對(duì)鎳基高溫合金進(jìn)行打孔研究。圖4(a)與(b)分別顯示了皮秒激光在空氣和水射流輔助環(huán)境下，在不同的脈沖數(shù)下孔洞形貌演化的掃描電鏡圖像。可以發(fā)現(xiàn)，在低脈沖數(shù)下由于表面水層的存在，水射流輔助加工的效率明顯低于在空氣中的加工。但水射流輔助加工由于水射流的沖刷帶走了熔融材料，孔洞周圍沒(méi)有出現(xiàn)明顯的熔融材料堆積，相較于傳統(tǒng)加工方法提升了加工質(zhì)量。

       江蘇大學(xué)的朱浩教授等在水射流輔助皮秒激光加工鎳基高溫合金通孔的基礎(chǔ)上，增加了電化學(xué)腐蝕作為后處理方式，又進(jìn)一步提高了加工通孔質(zhì)量，如圖4(c-d)所示。

圖4 水射流輔助激光加工技術(shù)應(yīng)用

4.3 水導(dǎo)激光加工技術(shù)應(yīng)用

       水導(dǎo)激光加工技術(shù)因其獨(dú)特的長(zhǎng)工作距離特性和同軸高壓水射流的持續(xù)冷卻作用，在大尺度通孔加工領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)通過(guò)穩(wěn)定的射流引導(dǎo)高能激光和高效的冷卻機(jī)制，為實(shí)現(xiàn)無(wú)錐度（錐角<1°）的高質(zhì)量通孔加工提供了一種具有工程可行性的解決方案。

       寧波材料所的張文武教授等采用水導(dǎo)激光技術(shù)對(duì)Cf/SiC復(fù)合材料進(jìn)行鉆孔加工，系統(tǒng)研究了加工參數(shù)對(duì)微孔深度和質(zhì)量的影響，并得到了平均直徑為510 µm，深度4.1 mm，深徑比為8.03的通孔。相較于傳統(tǒng)加工方法其橫截面沒(méi)有明顯的熱影響區(qū)，側(cè)壁錐度僅為0.72°，且內(nèi)壁碳纖維沒(méi)有發(fā)生變形與損壞如圖5(a-h)所示。

       哈爾濱工業(yè)大學(xué)的楊立軍教授等使用水導(dǎo)激光在厚8.5 mm的TBC合金上實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的45°傾斜通孔制備，其深徑比可達(dá)20，如圖5(i-l)所示。斜孔在入口處沒(méi)有明顯的陶瓷破碎，在出口處沒(méi)有明顯的金屬毛刺。內(nèi)表面的熱屏障涂層、黏結(jié)層和基底層之間無(wú)縫過(guò)渡，沒(méi)有明顯的缺陷或界面分層。證明了水導(dǎo)激光在復(fù)合材料加工領(lǐng)域的強(qiáng)大能力。

       本課題組也利用寧波飛納激光技術(shù)有限公司研制的水導(dǎo)激光加工裝備對(duì)3毫米厚的鈮硅合金進(jìn)行了加工，在20秒內(nèi)可以得到直徑1 mm、錐度僅為0.0016°的通孔，此外，我們還打出了縱橫比達(dá)18的“SHU"字母標(biāo)識(shí)異形通孔。

圖5 水導(dǎo)激光加工技術(shù)應(yīng)用

       水復(fù)合激光加工技術(shù)是一種綠色環(huán)保的加工方法，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場(chǎng)的不斷拓展，未來(lái)將迎來(lái)更加廣闊的發(fā)展空間和機(jī)遇。它將與其他技術(shù)進(jìn)行融合和創(chuàng)新，如與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更加自動(dòng)化和智能化的加工過(guò)程。隨著對(duì)水復(fù)合激光加工技術(shù)研究的深入和工藝的不斷優(yōu)化，其材料加工范圍也將進(jìn)一步拓展，適用于更多種類和更復(fù)雜形狀的材料加工需求。

       水復(fù)合激光加工技術(shù)作為一種復(fù)合加工技術(shù)，正在為制造業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型注入新的動(dòng)力。隨著技術(shù)的不斷成熟與應(yīng)用擴(kuò)展，我們相信這一類技術(shù)能夠在更多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，推動(dòng)相關(guān)制造裝備的快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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