隨著國家航空航天、汽車制造、生物醫(yī)療等領域的迅速發(fā)展，航空發(fā)動機耐熱部件、集成電路半導體晶圓以及心血管支架等關鍵部件的加工精度與質量要求日益提高。而傳統(tǒng)機械加工與激光加工在加工質量、加工效率等方面存在局限，難以滿足高質高效的加工需求。

       水導激光加工技術(WJGL)，作為一種新型激光復合加工技術，兼具長脈沖激光高加工效率和低加工成本的同時，有效抑制了加工過程中的嚴重熱損傷問題，實現(xiàn)近似于超快激光的加工效果。然而，國內對該項技術的研究起步較晚，研制全國產化水導激光加工裝備亟待推進。

       哈爾濱工業(yè)大學楊立軍教授團隊綜述了水導激光加工技術的工作原理與設備組成、激光-水射流耦合傳輸過程分析以及該技術在金屬、半導體以及復合材料加工領域的應用，旨在深入分析水導激光加工的關鍵技術難點，為相關研究人員提供全面參考，推動全國產化水導激光加工裝備的發(fā)展與應用。

       水導激光加工技術基于全反射原理，將光束限制在微細水射流內部形成耦合能束，將激光能量傳輸至工件表面進行加工[圖1 (a)]，具有無嚴重熱缺陷、工作距離長、加工深徑比大以及加工精度高等優(yōu)勢。水導激光加工裝備主要由光學系統(tǒng)、水射流發(fā)生系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、耦合系統(tǒng)以及可視化耦合調節(jié)系統(tǒng)等部分組成 [圖1 (b)]。

       水射流發(fā)生系統(tǒng)中除常規(guī)穩(wěn)壓供水裝置外，還應配備反滲透裝置、真空除氣裝置等水精華裝置，以滿足水導激光加工技術對于水質的要求。此外，光束耦合系統(tǒng)的耦合頭通常垂直放置，避免水射流由于重力發(fā)生彎曲，導致激光逸出水射流，造成耦合失敗。

圖1 水導激光技術原理與設備組成。(a) 水導激光工作原理；(b) 設備組成示意圖

       激光-水射流耦合傳輸是水導激光加工技術的核心環(huán)節(jié)，其傳輸效率與穩(wěn)定性直接決定了加工效率、質量及工作距離等關鍵性能指標。該耦合傳輸過程主要涉及穩(wěn)定微細水射流的形成、光源選擇與光束整形以及光-水耦合與傳輸特征分析。

       針對微細水射流穩(wěn)定性問題，國內外學者主要通過流道結構優(yōu)化[圖2 (a)]以及采用輔助氣體[圖2 (b)]的方法，提高水射流穩(wěn)定性，延長緊密段長度。水導激光光源選擇主要基于水的光吸收物理特性，以減少水下能量損失[圖2 (c)]。此外，借助光路整形技術改善光束質量是提高水導激光加工功率的關鍵路徑[圖2 (d)]。針對光-水耦合傳輸特征，光水耦合相對位置誤差改善以及水射流中耦合效應與光斑形貌分析[圖2 (e)]為主要研究內容。

圖2 激光-水射流耦合傳輸過程分析。(a) 流道結構優(yōu)化；(b) 氣體輔助下的水射流傳輸狀態(tài)；(c) 同一溫度下水對不同波長激光的吸收率；(d) 光路整形技術；(e) 光水耦合誤差與耦合效應研究

       水導激光加工技術在金屬材料、半導體材料以及復合材料等加工領域具有較高的應用價值。相較于電火花加工(EDM)、常規(guī)激光加工等加工技術，水導激光能夠在金屬材料、半導體硬脆材料以及復合材料等難加工材料上實現(xiàn)高質量制孔與切槽加工，其加工形貌邊緣無崩碎、無熱影響區(qū)、無氧化層[圖3 (a)、(b)、(c)]。

       此外，除基礎加工應用外，國內外學者積極嘗試將水導激光加工技術拓展至材料清洗、表面強化以及表面改性等領域，同樣展現(xiàn)出良好的應用潛力[圖3 (d)、(e)]。

圖3 水導激光加工應用。(a) 水導激光(WJGL)與電火花(EDM)、常規(guī)激光(LBM)加工效果對比； (b) 單晶Si水導激光劃槽形貌；(c) SiC/SiC復合材料水導激光與飛秒激光制孔加工對比；(d) 材料清洗與材料強化；(e) 單晶Si水導激光表面改性增加親水性

       水導激光加工技術利用全反射原理導引激光進行非接觸加工，通過提高水射流穩(wěn)定性、優(yōu)化光束質量以及提高耦合效率等關鍵技術，實現(xiàn)無熱損傷、大深徑比加工，并廣泛應用于金屬、半導體及復合材料。

       為進一步提高輸出功率、優(yōu)化加工結果，未來將針對激光光斑直徑縮小、激光耦合位置調整以及激光能量在加工表面分布等問題進行研究。

參考文獻： 中國光學期刊網

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