随着医疗、航空、航天、半导体和能源领域的迅速发展，对关键零部件的性能要求不断提高，这推动了加工技术和设备的进步。在这些领域中，零部件切割技术的选择对于产品质量和性能至关重要。传统的机械切割和高压水切割技术虽然被广泛使用，但激光切割因其在加工效率、精度和环境友好性方面的优势，正在逐渐成为首选。激光切割技术通过高能激光束直接照射材料，实现高精度和高效率的切割，同时它在切割过程中不会产生明显的物理接触，从而减少了对环境的污染，符合绿色制造的理念。

激光切割技术在许多应用场景中展现出了优越性。例如，在医疗领域，随着我国步入老龄化社会，血管内支架市场需求激增，近年来市场增长率已超过20%。激光切割技术因其高精度和适应性，具备了在血管内支架加工中广泛应用的潜力。然而，传统激光切割在某些情况下会导致材料产生热损伤，这种热损伤会在材料表面形成微小的浮渣和热影响层，从而影响材料的性能和使用寿命。为了克服这些限制，水导激光切割技术作为一种创新切割方法应运而生。它通过在激光切割过程中引入水流，能够有效减少热损伤，提高切割后的材料表面质量。

什么是水导激光

水导激光切割技术是一种创新的复合加工方法，它利用水射流来引导激光束对工件进行精确切割。这一技术的核心在于利用水和空气不同的折射率特性。当激光束以一定角度射向水-空气界面时，如果入射角小于全反射的临界角，激光束将发生全反射，不会穿透界面，从而确保激光能量在水束中得到有效限制和传输。

激光束首先通过凸透镜聚焦，然后穿过石英玻璃窗口进入耦合水腔。通过精细调整聚焦透镜与小孔喷嘴之间的距离，可以确保激光焦点精确地定位在喷嘴的上表面中心。随后，激光束进入稳定的水射流，在其中由于折射率差异而发生全反射，这一过程类似于光纤中的光传播。在加工过程中，聚焦后的激光束由高压水束引导，直接传输至工件表面，实现高效、精确的切割效果。

水导激光原理图 图源：网络

水导激光的优势

水导激光切割技术是一种结合了水射流和激光束的创新加工方法，它在精密制造和微细加工领域得到了广泛应用。与传统激光切割相比，水导激光切割具备几个独特的优势，使其在某些应用场景中表现尤为出色。

首先，水导激光切割的显著特点是避免了热损伤。传统的激光切割由于高温作用，容易引发材料的热变形和微观结构的破坏。而在水导激光切割中，喷射出的水流在激光脉冲间隙期间对材料进行有效冷却，这大大降低了材料的热应力，使其保持原有的物理和化学性质。

其次，水光纤在操作过程中具备较大的工作距离，不需要像传统激光切割那样对激光束进行精确聚焦，这为加工复杂几何形状的材料提供了更大的灵活性。再者，水流在切割过程中不仅充当冷却剂，还能带走切割过程中产生的熔融物质，从而显著减少了加工区域的污染物沉积，这对于高洁净度要求的加工环境尤为重要。

此外，由于水导激光切割能够实现高精度的材料去除，这项技术特别适合应用于薄壁件的加工，在精密度和表面质量上均优于传统的激光加工方法。随着技术的不断进步，水导激光切割有望在更多领域中取代传统激光切割，成为一种更为高效和环保的加工手段。

激光切割与水导激光切割的加工示意图. (a) 传统激光(热损伤区大). (b) 水导激光(热损伤区极小).  图源：网络

水导激光切割的技术难点及发展趋势

激光在水束中的衰减问题：水导激光切割技术作为一种结合水射流和激光的先进加工方法，在精密制造中展示了独特的潜力。然而，由于激光在水中的能量衰减较大，这限制了其在高功率应用中的效率。具体来说，水束中的高功率密度激光由于多次散射和吸收，能量衰减幅度较大，导致加工速度下降。例如，切割18毫米厚的碳纤维复合材料时，速度仅为每分钟5毫米，这大大限制了该技术在厚重材料加工中的应用。尽管当前的研究已经揭示了激光在水中传输的基本原理，但如何有效减少这种衰减仍是一个尚待解决的技术难题。未来，可能会开发出具有更优异导光性能的介质材料，以替代水束，从而提升切割效率和工艺适用性。

水射流的微细化挑战：在水导激光切割技术中，水射流的直径直接影响着切割的精度和宽度。随着微细加工技术的发展，喷嘴的直径已经可以缩小到30微米，从而实现高精度切割。然而，水射流的进一步微细化面临着一系列技术挑战，包括水束的稳定性、有效长度以及激光光斑的直径控制。这些问题不仅影响切割效果，还对设备的设计和制造提出了更高的要求。未来的研究可能会着重于优化喷嘴设计和流体动力学，以在保持水射流稳定性的同时进一步提高切割精度。

喷嘴孔加工的技术要求：为了确保水导激光切割的高质量，喷嘴孔的设计和制造精度至关重要。喷嘴孔必须具备极薄的壁厚，同时保持高精度的圆度和无锥度，以抵抗水流冲击。此外，孔内表面的粗糙度需要控制在极低的水平，以确保水束的稳定性和一致性。这些高要求的设计标准使得喷嘴孔的加工难度极大，尤其是在批量生产中，如何保持一致性和精度是制造业面临的关键挑战。

耦合对准控制系统的复杂性：在水导激光切割系统中，激光束与水束的耦合和对准精度直接影响切割质量。目前，尽管已经采用了高精度的伺服驱动控制机构，但激光与水束的快速、准确耦合问题仍未得到彻底解决。为了提高耦合精度，需要引入更加先进的检测和校准系统，例如水束光纤与激光聚焦耦合检测系统、工件定位系统等，这些系统的集成与优化是实现高精度水导激光切割的关键。

工艺研究的系统性不足：虽然水导激光技术在理论上展现了许多优势，但在实际应用中，工艺控制仍面临诸多挑战。目前，行业内缺乏完整的加工工艺与评价体系，导致加工效率、精度以及材料表面完整性等关键指标难以稳定保持。这种工艺研究的缺失使得水导激光切割技术在不同材料和厚度条件下的适应性较差。因此，未来需要进行更加系统的工艺研究，以建立全面的工艺参数库和评价标准，从而提升水导激光技术的工业应用潜力。

转自：DT半导体

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