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文章導讀
1 引言
隨著航空航天、半導體、醫(yī)療及能源等行業(yè)的快速發(fā)展，對關鍵零部件性能的要求日益提高。這一趨勢推動了零件加工方法與裝備的持續(xù)進步。在零件切割領域，相較于傳統(tǒng)機械切割，激光切割在加工精度、效率及環(huán)保性方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢[1-4]：
(1) 采用非接觸式加工方式，不會對工件材料產生機械應力；
(2) 廣泛的材料適應性可滿足柔性制造需求；
(3) 高加工效率與可編程加工過程使其適用于大面積加工。根據(jù)脈沖寬度，激光光源可分為連續(xù)激光[5-7]、長脈沖激光[8-10]、短脈沖激光[11-14]和超短脈沖激光[15-17]。連續(xù)激光與長脈沖激光加工速度快，但會產生較大熱影響區(qū)（HAZ）并易在工件表面形成重鑄層。超短脈沖激光可直接將材料轉化為等離子體實現(xiàn)爆發(fā)式材料去除，理論上達到"冷加工"效果，但加工效率較低[18]。相比之下，納秒短脈沖激光成本低且材料去除效率高。然而Biffi和Previtali指出，納秒脈沖激光加工本質上仍屬熱基工藝，存在長脈沖激光加工的典型熱缺陷，如顯著熱影響區(qū)、重鑄層和微裂紋[19]。飛秒激光加工在特征尺寸從微米到納米級的精密工程領域得到廣泛開發(fā)與研究，盡管飛秒激光被稱為"冷加工"，但在高重復頻率和高激光能量密度下仍存在可觀的熱效應[20-23]。
為解決干式激光加工過程中產生的熱問題，研究人員將激光與水射流相結合，形成新型復合加工技術。1991年，瑞士聯(lián)邦理工學院Richerzhagen博士通過特殊噴嘴裝置產生高速水射流，將激光注入裝置內部并聚焦于噴嘴入口，詳細闡述了水導激光原理[24]；隨后于1993年開發(fā)出水射流導引激光加工技術，為后續(xù)水導激光切割裝備的發(fā)展奠定基礎[25,26]。1997年，Synova公司對該技術進行商業(yè)化改進，首次將高速水射流光學波導應用于加工，隨后對多種材料進行加工實驗并取得優(yōu)異成果。迄今已生產并投入應用于多種材料加工的裝備，如LCS[27,28]、DCS[29]和MCS[30]等系統(tǒng)，廣泛應用于金屬、超硬材料、金剛石、陶瓷基復合材料等的切割、鉆孔、開槽等加工領域[31]。Synova的激光微射流加工技術解決了傳統(tǒng)干式激光加工相關的熱損傷、污染、加工速度、變形、碎屑沉積、氧化、微裂紋和錐度等突出問題。因此，水導激光切割技術作為新型切割技術，在超精密加工領域具有巨大潛力。本文旨在全面綜述水導激光切割技術原理、材料去除機制及其在金屬、脆性晶體和復合材料中的最新應用進展，深入分析其技術難點與關鍵挑戰(zhàn)，并展望未來發(fā)展趨勢。通過整合理論模型、實驗數(shù)據(jù)與應用案例，為水導激光的理論研究與工程應用提供系統(tǒng)參考，推動其在超精密制造領域的深入拓展。
2 水導激光加工技術
水導激光（WJGL）技術結合水射流與激光的雙重優(yōu)勢，相較傳統(tǒng)激光加工展現(xiàn)出諸多突出特點。采用水射流消除了傳統(tǒng)干式激光切割廣泛使用的輔助氣流帶來的諸多問題，展現(xiàn)出卓越的適應性與加工能力。只要所選激光波長能被材料吸收，該技術即可加工各種超硬、脆性或熱機械敏感材料，無論其是否具有導電性[32-37]。
與干式激光加工不同，WJGL的大部分能量耗散于水中而非材料內部。水射流在激光脈沖間及時冷卻切縫邊緣及周邊區(qū)域，減小熱影響區(qū)與熱殘余應力，防止材料內部熱損傷。WJGL可實現(xiàn)高精度、高質量燒蝕與切割邊緣。由于動能密度遠高于干式激光切割使用的任何輔助氣流，水射流能更高效地將熔融材料從切縫中排出，其冷卻效應使得燒蝕產生的切壁極其光滑，邊緣無沉積物、毛刺和空腔。WJGL加工可視為非接觸式，不受機械應力與磨損影響，且工件與噴嘴間保持足夠距離。水射流傳遞至工件表面的機械力極?。ㄐ∮?.1 N），不會造成材料表面劃傷，而傳統(tǒng)激光加工的機械力約為WJGL的十倍（1至5 N）[38]。WJGL相較于傳統(tǒng)干式激光加工的主要優(yōu)勢如下[39]：(1) 水射流導引的激光能量分布均勻，接觸工件表面時趨于平滑加工，不會產生干式激光常見的粗糙邊緣、非平行切縫、毛刺等現(xiàn)象；(2) 水射流長距離穩(wěn)定，擴展加工工作距離，激光長景深聚焦，提高加工深徑比；(3) 水射流冷卻效應有助于最小化高功率激光加工過程中的材料熱變形與熱損傷，同時減小熱影響區(qū)。此外，水射流沖刷作用有助于去除加工過程中產生的殘留物，從而改善工件表面光潔度；(4) 水射流束直徑通常為25~150 μm，使得加工切縫更精細，穩(wěn)定水射流有助于實現(xiàn)高精度加工結果。表1展示了傳統(tǒng)激光加工與WJGL加工的對比分析。
3 水導激光形成原理
激光燒蝕是通過脈沖或連續(xù)波高功率激光束照射固體表面去除材料的過程。在低功率強度下，材料通過吸收激光能量被加熱，導致熔化、汽化或升華。在高功率強度下，材料可轉化為等離子體。高能量密度光線會導致強烈的局部熱效應，影響被加工表面質量，如表面污染、熱影響區(qū)、毛刺和微裂紋。傳統(tǒng)干式激光切割需要輔助氣體來去除熔融碎屑并獲得理想切割質量。WJGL以類似方式燒蝕材料，但采用完全不同的方法避免干式激光引發(fā)的缺陷，因此許多激光誘發(fā)問題得以根本性避免。
WJGL利用水與空氣的折射率差異實現(xiàn)激光能量的間接傳輸。當激光以小于全反射臨界角的角度注入時，會在水-氣界面產生全反射，激光能量不直接聚焦于工件，而是通過水射流毛細層中的流動傳遞能量，類似于激光在玻璃光纖中的傳輸。當水射流穩(wěn)定接觸工件表面時，激光能量被工件表面吸收，引起加工區(qū)域材料熔化與蒸發(fā)[40,41]。該過程在降低材料熱損傷的同時，提高了加工精度與效率。WJGL加工技術工作原理如圖1所示。
基礎WJGL支撐系統(tǒng)由四個主要單元組成：激光與光學單元、供水單元、保護氣體單元和耦合頭單元，如圖2所示。其中供水單元與耦合單元起關鍵作用。在供水單元中，超純水通過泵加壓（5~80 MPa）穿過耦合裝置的孔口，形成毛細層流水射流，如同發(fā)絲般纖細且長度可變的"光纖"。形成穩(wěn)定水射流是確保WJGL傳輸?shù)那疤釛l件?？卓谥睆椒秶鸀?0至200 μm。耦合單元上安裝的噴嘴由藍寶石、紅寶石或金剛石制成，以抵抗磨損和高溫。透明光學窗口嵌入耦合裝置頂部，激光穿過光學窗口后聚焦于噴嘴開口處進入水射流束。保護氣體單元的主要功能是通過同軸保護氣流包裹水射流，最小化周圍大氣干擾并增強水射流的穩(wěn)定長度。WJGL可提供多種商用激光源，包括脈沖二極管泵浦固體（DPSS）激光器、光纖激光器和盤形激光器，工作波長涵蓋1064 nm、532 nm或355 nm，應根據(jù)具體應用和切割要求進行選擇。
在耦合單元中，激光通過一系列透鏡和反射鏡進行準直、擴束和反射，然后精確聚焦于產生水射流的噴嘴孔中心。二向色鏡偏轉激光束，同時將聚焦視覺圖像傳輸至CCD相機。離開噴嘴后，激光束通過全反射在水-氣界面內沿水射流導向傳輸。激光束在整個超長且完美圓柱形工作距離上被引導至工件表面[42,43]。
3.1 水導激光耦合機制
激光聚焦后在水射流內的完全耦合是WJGL技術的關鍵技術之一。激光穿過保護窗口和水層到達噴嘴入口附近的焦點，并將激光束耦合到水射流中形成水束光纖需滿足以下條件：
(1) 激光聚焦后光斑直徑需小于穩(wěn)定微水射流直徑：為順利將激光束導入水射流，激光聚焦光斑直徑（dLas）需首先滿足小于噴嘴孔徑（dNoz），即dLas < dNoz（如圖3a1所示）。防止激光束燒灼噴嘴口內壁，從而減少激光能量損失和噴嘴磨損，提高耦合效率。
(2) 聚焦激光束需在微水柱中發(fā)生全反射：為防止部分激光光纖從水射流外壁逃逸，對聚焦光束的光線角度提出更高要求。耦合腔內入射激光束的光線角度需小于允許激光束在水-氣界面形成全反射的臨界角。為降低耦合調節(jié)難度，聚焦激光束的光線角度越小越好，以滿足全反射余量[44,45]。
根據(jù)激光束軌跡，其在水射流中的傳播路徑可分為兩種形式：一種是入射光線穿過微水柱中心軸，稱為子午光線，其特征是入射光和反射光位于水束光纖的子午面上。當子午光線的入射角大于或等于在水-氣界面發(fā)生全反射的臨界角時，該子午光線將在該界面發(fā)生全反射并沿穩(wěn)定水射流方向繼續(xù)傳播。另一種是入射光和反射光均不在水束光纖子午面上的光線，稱為斜光線[46]。兩種不同的光線傳輸剖面如圖3b所示。
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如圖3a2和a3所示，光-水射流耦合采用兩種策略。一種是在噴嘴導管入口平面耦合激光束，稱為近場耦合。近場耦合的數(shù)值孔徑僅由光學特性決定，具有較大的接收角。另一種是將激光束在遠場耦合到噴嘴管道外部的水射流中。遠場耦合的數(shù)值孔徑不僅取決于光學特性，還與噴嘴幾何結構相關。近場耦合可實現(xiàn)更大的接收角和更小的聚焦激光束光斑尺寸，但噴嘴內部的熱擾動可能導致水射流斷裂。遠場耦合可減弱噴嘴導管中的熱擾動[48]。
3.2 水導激光加工材料去除機制
水導激光燒蝕循環(huán)如圖4[49-52]所示：（1）純水射流通過噴嘴高速噴射沖擊工件表面，形成穩(wěn)定的水束纖維，并在工件表面形成水薄膜；（2）激光被引入水射流束，激光脈沖經水束纖維傳導至工件表面，激光能量高效傳遞給被加工材料，激光功率轉化為熱能并被材料吸收，加熱加工區(qū)域；（3）當加工區(qū)域積累大量熱量后，材料熔化和蒸發(fā)。吸收激光能量后工件表面產生的蒸汽或等離子體會產生壓力，使部分水射流與工件分離，同時產生沖擊波。該反作用力及等離子體膨脹力有助于排出熔融材料，避免切割邊緣形成重鑄層。由于水膜內部產生的壓力大于空氣，可將沖擊波導向材料，從而提高激光加工效率。同時水射流將高溫粒子推離，防止其干擾加工過程；（4）在每個激光脈沖結束時，蒸汽泡潰滅且等離子體消失，熔融材料在水射流輔助下被排出，熔化區(qū)域得到冷卻。同時碎屑被沖走，防止毛刺形成；（5）激光燒蝕完成后，進入下一個激光脈沖，開啟新一輪燒蝕過程。整個過程是連續(xù)的加熱-冷卻循環(huán)。通過調整激光脈沖的持續(xù)時間和間隔，可優(yōu)化加工速率和冷卻效果。
3.3 水導激光能量傳輸
在水導激光加工過程中，高功率激光能量與水射流的耦合傳輸會引發(fā)一系列問題，包括傳輸過程中的能量損失和拉曼散射，這些都會影響激光在水射流內部的能量傳輸。因此，確保高功率激光在水射流中穩(wěn)定高效傳輸至關重要。Brecher等人[53]提出的耦合熱力學-流體動力學模型成功預測了水射流中的激光功率衰減和溫度分布，實驗結果表明功率損失與傳輸長度呈正相關，6 kW激光在50 mm傳輸長度中功率損失達45%~50%。Deng等人[54]采用時域有限差分法通過電動力學模擬求解麥克斯韋方程組，系統(tǒng)揭示了水導激光加工中激光傳播、能量吸收和熱效應的關鍵規(guī)律，得出結論：相同條件下，在2 cm長水射流中，532 nm波長激光的能量傳輸效率遠大于1064 nm波長激光。圖5a展示了兩種激光波長在不同噴嘴孔徑下的能量傳輸模擬結果。Zhao等人[55]研究了高功率激光耦合水射流的熱效應影響，通過COMSOL多物理場模擬獲得溫度分布，結論表明水射流溫度隨激光功率增加顯著升高（圖5b），重復頻率增加也會導致溫度升高，而脈沖寬度對溫度分布影響較小。隨后采用有限元法求解麥克斯韋方程組模擬高功率激光在水射流中的傳播，獲得電場分布，得出結論：增大光束直徑可減小發(fā)散角，降低因不滿足全反射條件導致的能量損失[56]。Wei等人[57]探索了水射流形成過程對激光耦合效率的影響，對不同耦合階段進行模擬分析（圖5c），耦合效率用圖中η表示。隨著水射流發(fā)展，空腔增長導致水-氣界面延伸，從而有效約束激光并提高耦合效率。
圖5 水射流內激光傳輸建模。a 不同噴嘴孔徑下532 nm與1064 nm激光波段能量傳輸模擬[54]。b 不同平均功率下激光耦合水射流的溫度分布[55]。c 水射流不同階段的電場分布[57]
最后，通過模擬水導激光耦合過程中各類偏差對耦合效率的影響，發(fā)現(xiàn)橫向偏移是影響耦合效率的主要因素。從上述研究進展可見，目前對高功率激光與水射流耦合后的傳輸過程缺乏全面深入的研究，多采用數(shù)值模擬進行分析，后續(xù)研究可從機理深化、技術創(chuàng)新、多物理場耦合和工程驗證四方面突破，系統(tǒng)揭示能量損失本質，推動水導激光技術從實驗室向工業(yè)應用轉化。
4 水導激光切割技術應用
4.1 水導激光在金屬材料切割中的應用
水導激光切割技術應用于精密儀器、醫(yī)療和航空航天領域的金屬材料包括不銹鋼、鋁合金、黃銅和鈦合金等。Wagner等人[58]對150 μm厚不銹鋼薄片進行水導激光加工與傳統(tǒng)紅外激光加工對比實驗，加工測試表明在相同切割條件下，水導激光切割區(qū)域具有更小的熱影響區(qū)。Porter等人[59]對99%純鋁、CuZn37黃銅和8Cr9Ni不銹鋼三種金屬材料進行水導激光切割實驗，發(fā)現(xiàn)Nd:YAG激光器的1064 nm波長不適用于較長水射流，該波長激光束能量會被水強烈吸收。50 mm及以下范圍的水射流長度更適合加工；過高的切割速度和角度會導致熔渣堆積。圖6a展示了切割速度100 mm/min時，不同噴射距離和入射角下水導激光切割0.1 mm厚鋁材的形貌結果。Hock等人[60]采用532 nm波長激光對不銹鋼薄片和銅片進行傳統(tǒng)激光與水導激光切割對比實驗，圖6b展示了水導激光與傳統(tǒng)激光切割50 μm不銹鋼的形貌對比。雖然傳統(tǒng)激光效率更高，但加工區(qū)域存在厚重生鑄層和熱影響區(qū)，而水導激光切割無殘留、切縫小且?guī)缀鯚o熱影響區(qū)，但其加工耗時遠長于傳統(tǒng)激光切割。
Li等人[61]對工業(yè)純鈦板材料進行傳統(tǒng)激光與水導激光切割實驗研究。結果表明水導激光加工的加工質量和潔凈度顯著優(yōu)于傳統(tǒng)激光加工，切割表面更平整光滑，高速水射流的沖擊和冷卻作用更有效地細化切割表面并去除熔融碎屑。圖6c展示了兩種切割方法切割鈦板的形貌對比。隨后他們對Mg-Zn合金進行水導激光與傳統(tǒng)激光切割對比試驗，得出結論：水導激光加工區(qū)域更潔凈平整，幾乎無熔融殘留物附著，其熱損傷可忽略不計；而傳統(tǒng)激光加工存在大量熔融殘留物堆積并伴隨明顯重鑄層[62]。圖6d展示了切割形貌對比。
Adelmann等人[63]采用532 nm Nd:YAG激光器的水導激光系統(tǒng)對鋁合金、鈦合金和鋼進行高深寬比加工實驗，證實水導激光能實現(xiàn)極高深寬比的矩形精密切割。在1.5 mm厚鋼板中實現(xiàn)12.5深寬比，4.7 mm鈦合金中達39.2，8 mm鋁合金中達66.7。Madhukar等人[64]開展水導激光切割金屬薄板研究，對比水導激光加工、激光水下加工和傳統(tǒng)激光的切縫特性與質量。結果表明水導激光切割具有顯著優(yōu)勢，無熱影響區(qū)特性使得所得切割表面粗糙度較低。在鈦合金薄板切割實驗中，切割表面獲得±2.5 μm的表面粗糙度。Liu等人[65]研究水導激光加工鎳基高溫合金過程中水射流流速對熱影響區(qū)厚度和加工表面材料相變的影響。
Bektas等人[66]對航空常用合金Haynes 188、Inconel 718、Inconel 625、Rene 41和Ti-6Al-4V進行水導激光切割實驗，測量各材料的表面粗糙度、錐度和重鑄層。結果表明水導激光切割相比傳統(tǒng)激光切割具有更優(yōu)的表面完整性，切割表面未觀察到縱向條紋，僅存在微量離散微米級浮渣。此外，表面粗糙度、切縫錐度和重鑄層特性均顯著低于LBM切割。圖6e展示水導激光切割Inconel 625表面和Haynes 188錐度形貌，紅色箭頭指示切割方向。Liao等人[40]深入分析水導激光切割鎳基高溫合金時切割表面形成機理，發(fā)現(xiàn)水射流快速冷卻效應導致材料凝固過程中晶格位移，產生高密度位錯。同時高壓等離子體羽流在水約束條件下對基體施加沖擊波形成機械孿晶。這些沿不同方向排列的機械孿晶相互交叉形成亞微米菱形結構。位錯與交叉孿晶的存在延長工件低周疲勞壽命，顯著提升材料整體性能。
Chao等人[67]采用氣體輔助激光（GAL）與水導激光對Ti-6Al-4V合金進行超窄切縫切割實驗。結果表明GAL可加工深寬比12至15的切縫。由于氧氣卷入及相對較低的熱質傳遞效率，輔助氣體導致形成含β-Ti相和氧化物的氧化物重鑄層，使切縫表面粗糙度增至20 μm。水導激光加工切縫深寬比較低，值為1.9至2.5，可通過增加加工次數(shù)增加深度。借助水射流，重熔殘留物和熱量可被即時清除，抑制重鑄層和熱影響區(qū)形成。表面形成數(shù)百納米厚超薄氧化物外層和超細α-Ti晶粒內層，使粗糙度降至12 μm。圖7a展示不同方法和加工次數(shù)下Ti-6Al-4V合金切口形貌。Zhao等人[68]采用水導激光對耐高溫Inconel 718合金進行切割實驗，相比傳統(tǒng)干式激光切割有效減少熱損傷并提高切割質量。圖7b展示水導激光與LBM切割對比。隨后他們在水導激光設備中安裝新型多焦點透鏡，有助于緩解激光能量過度集中并減弱水-激光耦合過程中水的分解，實現(xiàn)更高效的水-激光耦合，在350 W激光功率下實現(xiàn)1 mm厚Inconel 718板材的穿透切割[69]。圖7c展示不同激光功率下切割Inconel 718板材的橫截面形貌。
4.2 水導激光在脆性晶體材料切割中的應用
處理硬脆晶體材料時，傳統(tǒng)切割技術存在工件坐標漂移、高崩邊率和有毒氣溶膠污染等嚴重問題。采用水導激光能有效改善加工質量，避免環(huán)境污染，同時保持高生產效率。Dushkina等人[70]對硅、砷化鎵和鍺半導體晶圓進行水導激光與金剛石砂輪切割對比實驗，水導激光相較于金剛石砂輪具有高切割效率和快切割速度，且切邊光滑無微裂紋和細毛刺。Bruckert等人[71]分別采用532 nm和1064 nm波長水導激光對多晶硅太陽能電池進行劃片加工研究，發(fā)現(xiàn)短波長水導激光切出的電池具有更低電流轉換損耗。通過探究不同工藝參數(shù)對加工后電流轉換損耗的影響，結果表明單線軌跡和較短脈沖寬度效果更佳，可實現(xiàn)任意軌跡劃片。Nilsson等人[72]對含GaN層的藍寶石晶圓進行水導激光切割實驗，以9 mm/s速度成功劃刻10 μm深、49 μm寬溝槽。切割邊緣獲得優(yōu)異光滑度與直線度，如圖8a所示。
水導激光切割各類脆性晶體材料。a 水導激光切割含GaN層藍寶石晶圓[72]。b 水導激光與傳統(tǒng)激光切割金剛石[74]。c 不同次數(shù)水導激光切割單晶硅[75]。d 水導激光切割砷化鎵與硅[76]。e 水導激光切割硅[77]。f 水導激光與干式激光切割金剛石[78]。
Richmann等人[73]采用水導激光切割技術對厚度達3 mm的藍寶石進行切割，獲得了切縫側壁平行、粗糙度＜0.5 μm、切縫寬度＜100 μm的優(yōu)質切口。切口前沿質量優(yōu)異，曲率半徑小于20 μm，且無任何崩邊現(xiàn)象。Shi等人[74]對比研究了水導激光加工與干式激光加工對天然金剛石切割的效果。兩種切割方式均會使天然金剛石表面在高溫下轉化為石墨，但水導激光切割的天然金剛石表面僅在金剛石表面形成薄層碳同素異形體，因而殘余應力和微裂紋更少。圖8b展示了兩種切割方式獲得的金剛石表面形貌。Qiao等人[75]使用Nd:DPSS重復頻率激光系統(tǒng)對單晶硅進行水導激光切割實驗，研究評估了水導激光微加工對表面形貌變化、最大深寬比及切縫邊緣變化的影響。結果表明激光輸出功率、切割速度和重復頻率是影響加工效率和質量的關鍵因素。切口及其他表面邊緣無氧化或裂紋，切縫具有12.7的高深寬比，形成極陡直的切割面，在350倍放大下僅見極少局部破損。圖8c展示了首次與二次切割的橫截面表面形貌，證明水導激光技術非常適用于單晶硅劃片。
Perrottet等人[76]在水導激光設備中增設新型噴射裝置，可在工件表面形成水膜，并對砷化鎵和硅進行切割實驗，兩者均獲得無顆粒雜質的光滑切割面（圖8d）。Madhukar等人[77]采用水導激光對硅進行切割開槽實驗，發(fā)現(xiàn)在固定激光參數(shù)下，飛濺和重鑄層隨水射流速度增加而減少。通過控制激光與工藝參數(shù)，可獲得深度控制在14-520 μm范圍內無微裂紋和熱損傷的溝槽（圖8e）。
Zhang等人[78]分別采用水導激光和傳統(tǒng)干式激光對高壓高溫合成單晶金剛石樣品進行切割實驗，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)干式激光切片橫截面呈“V”形且切縫表面出現(xiàn)石墨層，而水導激光切片獲得光滑平整的橫截面且切縫表面金剛石結構無變化。最終基于參數(shù)調諧技術研究，找到了適合水導激光切割單晶金剛石樣品的工藝方案。圖8f展示了切割效果對比。
4.3 水導激光在復合材料切割中的應用
鋁基碳化硅復合材料（Al MMC）、碳纖維增強聚合物復合材料（CFRP）及陶瓷基復合材料（CMC）等先進復合材料因其高比強度、良好化學惰性等優(yōu)異特性，能在極端環(huán)境中保持卓越性能。然而這些材料采用傳統(tǒng)切割、劃片等技術加工時易產生毛刺、分層、裂紋和崩邊等缺陷，難以保證加工質量。相較而言，水導激光技術結合激光的高效蝕除能力與水射流的隔絕冷卻作用，能有效減少加工表面的石墨化現(xiàn)象，提高加工質量，成為具有明顯優(yōu)勢的加工技術。Sun等人[79,80]采用水導激光加工技術研究0.5 mm厚CFRP材料切割過程，提出了多種切割方法。測試結果表明水射流不僅具有減小熱影響區(qū)的作用，還對激光傳播產生重要影響；加工切縫存在鋸齒狀形貌并伴隨加工錐度。Wu等人[81]采用水導激光對CFRP進行低損傷大深度切割實驗，獲得了激光功率、進給速率和水射流速度等工藝參數(shù)對切割結果的影響規(guī)律；最終通過采用不同切割路徑實現(xiàn)了10 mm厚CFRP的高效切割，獲得潔凈的切割面通道內壁、整齊的碳纖維斷面且無熱膨脹現(xiàn)象。圖9a展示了水導激光切割示意圖及10 mm厚CFRP切割表面形貌。Elkington等人[82]對6 mm厚CFRP進行水導激光切割實驗，得出水射流壓力與平均功率的增加與切割速度呈正相關，并在240 W、16 kHz和400 bar參數(shù)下獲得最佳切割性能，整體切割速度達21 mm/min。
圖9 水導激光切割各類復合材料。a 水導激光切割CFRP橫截面形貌[81]。b 水導激光與毫秒脈沖激光加工Al MMC孔洞截面形貌對比[83]。c 水導激光刻劃SiC/SiC CMCs形貌[85]。d 不同功率下水導激光切割表面與橫截面形貌[87]
Marimuthu等人[83]分別采用水導激光與毫秒脈沖激光對2 mm厚Al MMC進行孔洞切割，獲得圖9b所示橫截面。由于激光功率較低且水射流具有冷卻作用，水導激光加工過程中鋁基體與碳化硅增強顆粒均通過“冷燒蝕”方式去除，避免了熔池對流引起的加工截面碳化硅顆粒遷移，從而保證了加工截面的微觀形貌。此外，由于水射流對激光的約束作用，水導激光加工獲得的橫截面錐度極?。?.1~0.3°），較毫秒脈沖激光加工獲得的錐度（1.5~3°）具有顯著優(yōu)勢。Elkington等人[84]研究了水導激光切割SiC CMC材料的基本特性；他們采用平均功率400 W的高功率532 nm調Q脈沖激光，探究不同工藝參數(shù)對切割質量的影響。發(fā)現(xiàn)切割速度與脈沖頻率是決定水導激光切割質量與整體切割速度的關鍵因素。由于水射流的冷卻特性，消除了傳統(tǒng)激光加工常見的熱損傷。但發(fā)現(xiàn)當纖維取向平行于切割長度方向時，會出現(xiàn)材料基體與纖維的非均勻去除，導致切縫寬度不均。Cheng等人[85]采用水導激光對SiC/SiC CMCs進行單排刻劃實驗，其橫截面幾乎觀察不到熱影響區(qū)與重鑄層，以及SiC纖維的拔出和分層現(xiàn)象，并得出單排刻劃存在極限值的結論。圖9c展示了不同激光脈沖能量下的刻劃結果與極限深度。Wei等人[86]分別對SiC/SiC復合材料進行飛秒激光與水導激光切割實驗，得出結論：水導激光切割獲得的表面更光潔，能有效抑制甚至消除氧化損傷，且不改變基體物理相組成。
Hu等人[87]采用水導激光對CMCs進行切割實驗，發(fā)現(xiàn)隨著激光平均功率增加，微槽切割邊緣質量較好。定性觀察顯示切割邊緣無明顯重鑄層、裂紋或碎屑，槽口邊緣直線度極佳，表面形貌較好，水導激光在CMCs斜面切割中表現(xiàn)出優(yōu)異性能。圖9d展示了不同功率下的切割表面與橫截面形貌。
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4.4 材料切割應用總結
“冷加工”特性與高質量加工能力使水導激光技術在航空航天、芯片制造和精密醫(yī)療等領域獲得廣泛應用。水導激光能夠高效加工金屬、半導體及復合材料等各種難加工材料，尤其在加工高強度、高硬度材料方面表現(xiàn)突出。該技術憑借無熱影響區(qū)、無毛刺、切邊整齊等特點顯著提升工藝質量，減少后續(xù)加工需求。對水導激光加工的研究證明了其在多種材料加工中的應用價值，雖然水導激光在基礎實驗研究階段已取得諸多成果，但其向大規(guī)模工業(yè)化生產的轉化仍處于探索階段，其中最具代表性的工業(yè)應用是瑞士Synova公司。例如在航空航天領域，水導激光可用于精確切割鈦合金、鎳基合金等難加工金屬，確保零件高精度與高質量。Synova的LMJ技術精密切割和鉆孔渦輪葉片、渦輪部件、耐熱結構件等，使復合材料層分層和裂紋減少，平均重鑄層厚度降至1 μm；在芯片制造領域，水導激光可實現(xiàn)半導體材料的微加工，滿足微電子器件的嚴苛要求。Synova的LMJ已廣泛用于LED藍寶石襯底、手機和手表藍寶石玻璃的切割，切割速度最高達200 mm/s；在精密醫(yī)療器械制造領域，水導激光用于切割不銹鋼和生物相容性材料，確保產品潔凈度與高精度。Synova采用LMJ技術切割薄金屬基材，最小粗糙度≥0.12 μm，切割深寬比高達1:100，已廣泛應用于心血管扁平支架、植入部件、手術工具等醫(yī)療器械加工[88]。表2展示了水導激光切割不同材料采用的工藝參數(shù)。
盡管水導激光在許多領域表現(xiàn)出色，但在面對需要加工高質量、大深徑/深寬比孔洞、槽縫和邊緣，以及狹窄工作空間時，其加工能力仍存在局限。例如對于精度要求極高、尺寸極小的深孔加工，水導激光可能難以完全滿足要求。此外，針對金剛石、石英玻璃、藍寶石和超硬陶瓷等超硬材料加工，水導激光工藝仍需進一步優(yōu)化探索，以應對這些材料的脆脆特性?？傮w而言，水導激光切割技術在各種材料加工中的應用前景廣闊；隨著技術不斷進步與工藝優(yōu)化，水導激光有望在更多領域展現(xiàn)其獨特優(yōu)勢，進一步推動難加工材料加工技術的發(fā)展。圖10展示了水導激光切割材料應用占比及其所屬領域分布（部分圖片引用自Synova官網[88]）。
圖10 水導激光切割材料應用占比及領域分布
水導激光切割的技術難點與發(fā)展趨勢
水束中激光衰減問題：高功率密度激光在水束中傳播時存在較大能量衰減，這是限制WJGL技術加工效率和應用范圍的關鍵因素之一。激光在水中衰減問題尚未得到很好解決，導致加工效率偏低。未來可能需要選擇導光效果更佳的介質進行激光傳導，以降低能量損耗，提升加工速度與效率。
水射流微型化挑戰(zhàn)：WJGL的水射流直徑直接影響切割寬度與切割精度。當前工藝可使噴嘴孔徑達到30μm。噴嘴直徑越小，水射流直徑越小，切割精度越高。但減小噴嘴直徑會帶來一系列問題，如射流穩(wěn)定性下降、射流長度縮短、光斑直徑變小等。因此需要在保持水束穩(wěn)定性和長度的前提下盡可能減小噴嘴直徑，以提高切割精度。
噴嘴孔加工要求：高質量水射流需要高精度噴嘴孔。噴嘴孔需具備極薄的厚度、無錐度、良好圓度，以及足夠剛度以抵抗水流沖擊。噴嘴孔圓柱面需要具有極小的粗糙度，同時需要高制造和安裝精度。這些高要求增加了噴嘴孔的制造難度，未來需要開發(fā)更精密的加工技術和設備來滿足這些要求。
激光束與水射流快速精確耦合對準：實現(xiàn)激光束與水射流快速精確的耦合對準將極大提升加工效率；設備設計需選用高精度伺服驅動控制機構，配合對準檢測系統(tǒng)和工件定位檢測系統(tǒng)，確保光-液耦合精度。這需要在控制系統(tǒng)設計與集成方面進行更多創(chuàng)新優(yōu)化。
工藝研究不足：WJGL加工過程的工藝控制存在諸多問題，缺乏完整的加工工藝和評價體系。目前加工效率、加工精度、材料表面完整性等指標難以保證。未來需要進行系統(tǒng)研究和總結，制定標準化加工流程和評價體系，提升整體加工質量和效率。
適用材料范圍拓展：目前針對金屬材料切割的WJGL工藝已初步形成，而對于金剛石、石英玻璃、藍寶石、超硬陶瓷等超硬材料加工，WJGL工藝仍需進一步優(yōu)化探索。這些材料的脆性和高硬度給加工帶來巨大挑戰(zhàn)，未來需要深入研究切割參數(shù)、輔助技術和工藝優(yōu)化，以提高加工質量和效率。
03
結論/展望
本文綜述了關于水導激光切割技術的系列文獻，系統(tǒng)闡述了WJGL的工作原理與材料去除機制，全面總結了WJGL切割技術在金屬、脆性晶體、復合材料等領域的應用現(xiàn)狀，充分證明了其在多種材料加工中的應用價值，展現(xiàn)了其在高精度、高要求加工任務中的巨大潛力。WJGL獨特的工作原理與材料去除機制使其在切割過程中能夠避免熱影響區(qū)，確保加工的高精度與高質量，同時在減少環(huán)境污染、提高加工效率方面的優(yōu)勢進一步鞏固了其在各大高科技領域的地位。然而當前WJGL技術仍面臨水柱穩(wěn)定性、激光耦合效率、設備復雜性等技術難點，亟需進一步深入研究與技術突破。
隨著研究的深入和技術的不斷完善，WJGL切割技術有望成為高精度加工領域的主流技術之一，為現(xiàn)代制造業(yè)和醫(yī)療技術的發(fā)展提供有力支撐。通過產學研的緊密合作，WJGL技術的未來發(fā)展前景將更加廣闊，有望在精密加工領域掀起新的革命，助力實現(xiàn)更高效、更精細的加工任務，滿足日益增長的高科技產業(yè)需求。
