隨著醫(yī)療、航空、航天、半導(dǎo)體和能源領(lǐng)域的迅速發(fā)展，對關(guān)鍵零部件的性能要求不斷提高，這推動(dòng)了加工技術(shù)和設(shè)備的進(jìn)步。在這些領(lǐng)域中，零部件切割技術(shù)的選擇對于產(chǎn)品質(zhì)量和性能至關(guān)重要。傳統(tǒng)的機(jī)械切割和高壓水切割技術(shù)雖然被廣泛使用，但激光切割因其在加工效率、精度和環(huán)境友好性方面的優(yōu)勢，正在逐漸成為首選。激光切割技術(shù)通過高能激光束直接照射材料，實(shí)現(xiàn)高精度和高效率的切割，同時(shí)它在切割過程中不會(huì)產(chǎn)生明顯的物理接觸，從而減少了對環(huán)境的污染，符合綠色制造的理念。

激光切割技術(shù)在許多應(yīng)用場景中展現(xiàn)出了優(yōu)越性。例如，在醫(yī)療領(lǐng)域，隨著我國步入老齡化社會(huì)，血管內(nèi)支架市場需求激增，近年來市場增長率已超過20%。激光切割技術(shù)因其高精度和適應(yīng)性，具備了在血管內(nèi)支架加工中廣泛應(yīng)用的潛力。然而，傳統(tǒng)激光切割在某些情況下會(huì)導(dǎo)致材料產(chǎn)生熱損傷，這種熱損傷會(huì)在材料表面形成微小的浮渣和熱影響層，從而影響材料的性能和使用壽命。為了克服這些限制，水導(dǎo)激光切割技術(shù)作為一種創(chuàng)新切割方法應(yīng)運(yùn)而生。它通過在激光切割過程中引入水流，能夠有效減少熱損傷，提高切割后的材料表面質(zhì)量。

什么是水導(dǎo)激光

水導(dǎo)激光切割技術(shù)是一種創(chuàng)新的復(fù)合加工方法，它利用水射流來引導(dǎo)激光束對工件進(jìn)行精確切割。這一技術(shù)的核心在于利用水和空氣不同的折射率特性。當(dāng)激光束以一定角度射向水-空氣界面時(shí)，如果入射角小于全反射的臨界角，激光束將發(fā)生全反射，不會(huì)穿透界面，從而確保激光能量在水束中得到有效限制和傳輸。

激光束首先通過凸透鏡聚焦，然后穿過石英玻璃窗口進(jìn)入耦合水腔。通過精細(xì)調(diào)整聚焦透鏡與小孔噴嘴之間的距離，可以確保激光焦點(diǎn)精確地定位在噴嘴的上表面中心。隨后，激光束進(jìn)入穩(wěn)定的水射流，在其中由于折射率差異而發(fā)生全反射，這一過程類似于光纖中的光傳播。在加工過程中，聚焦后的激光束由高壓水束引導(dǎo)，直接傳輸至工件表面，實(shí)現(xiàn)高效、精確的切割效果。

水導(dǎo)激光原理圖 圖源：網(wǎng)絡(luò)

水導(dǎo)激光的優(yōu)勢

水導(dǎo)激光切割技術(shù)是一種結(jié)合了水射流和激光束的創(chuàng)新加工方法，它在精密制造和微細(xì)加工領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)激光切割相比，水導(dǎo)激光切割具備幾個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢，使其在某些應(yīng)用場景中表現(xiàn)尤為出色。

首先，水導(dǎo)激光切割的顯著特點(diǎn)是避免了熱損傷。傳統(tǒng)的激光切割由于高溫作用，容易引發(fā)材料的熱變形和微觀結(jié)構(gòu)的破壞。而在水導(dǎo)激光切割中，噴射出的水流在激光脈沖間隙期間對材料進(jìn)行有效冷卻，這大大降低了材料的熱應(yīng)力，使其保持原有的物理和化學(xué)性質(zhì)。

其次，水光纖在操作過程中具備較大的工作距離，不需要像傳統(tǒng)激光切割那樣對激光束進(jìn)行精確聚焦，這為加工復(fù)雜幾何形狀的材料提供了更大的靈活性。再者，水流在切割過程中不僅充當(dāng)冷卻劑，還能帶走切割過程中產(chǎn)生的熔融物質(zhì)，從而顯著減少了加工區(qū)域的污染物沉積，這對于高潔凈度要求的加工環(huán)境尤為重要。

此外，由于水導(dǎo)激光切割能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的材料去除，這項(xiàng)技術(shù)特別適合應(yīng)用于薄壁件的加工，在精密度和表面質(zhì)量上均優(yōu)于傳統(tǒng)的激光加工方法。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，水導(dǎo)激光切割有望在更多領(lǐng)域中取代傳統(tǒng)激光切割，成為一種更為高效和環(huán)保的加工手段。

激光切割與水導(dǎo)激光切割的加工示意圖. (a) 傳統(tǒng)激光(熱損傷區(qū)大). (b) 水導(dǎo)激光(熱損傷區(qū)極小).  圖源：網(wǎng)絡(luò)

水導(dǎo)激光切割的技術(shù)難點(diǎn)及發(fā)展趨勢

激光在水束中的衰減問題：水導(dǎo)激光切割技術(shù)作為一種結(jié)合水射流和激光的先進(jìn)加工方法，在精密制造中展示了獨(dú)特的潛力。然而，由于激光在水中的能量衰減較大，這限制了其在高功率應(yīng)用中的效率。具體來說，水束中的高功率密度激光由于多次散射和吸收，能量衰減幅度較大，導(dǎo)致加工速度下降。例如，切割18毫米厚的碳纖維復(fù)合材料時(shí)，速度僅為每分鐘5毫米，這大大限制了該技術(shù)在厚重材料加工中的應(yīng)用。盡管當(dāng)前的研究已經(jīng)揭示了激光在水中傳輸?shù)幕�本原理，但如何有效減少這種衰減仍是一個(gè)尚待解決的技術(shù)難題。未來，可能會(huì)開發(fā)出具有更優(yōu)異導(dǎo)光性能的介質(zhì)材料，以替代水束，從而提升切割效率和工藝適用性。

水射流的微細(xì)化挑戰(zhàn)：在水導(dǎo)激光切割技術(shù)中，水射流的直徑直接影響著切割的精度和寬度。隨著微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，噴嘴的直徑已經(jīng)可以縮小到30微米，從而實(shí)現(xiàn)高精度切割。然而，水射流的進(jìn)一步微細(xì)化面臨著一系列技術(shù)挑戰(zhàn)，包括水束的穩(wěn)定性、有效長度以及激光光斑的直徑控制。這些問題不僅影響切割效果，還對設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造提出了更高的要求。未來的研究可能會(huì)著重于優(yōu)化噴嘴設(shè)計(jì)和流體動(dòng)力學(xué)，以在保持水射流穩(wěn)定性的同時(shí)進(jìn)一步提高切割精度。

噴嘴孔加工的技術(shù)要求：為了確保水導(dǎo)激光切割的高質(zhì)量，噴嘴孔的設(shè)計(jì)和制造精度至關(guān)重要。噴嘴孔必須具備極薄的壁厚，同時(shí)保持高精度的圓度和無錐度，以抵抗水流沖擊。此外，孔內(nèi)表面的粗糙度需要控制在極低的水平，以確保水束的穩(wěn)定性和一致性。這些高要求的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)使得噴嘴孔的加工難度極大，尤其是在批量生產(chǎn)中，如何保持一致性和精度是制造業(yè)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

耦合對準(zhǔn)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性：在水導(dǎo)激光切割系統(tǒng)中，激光束與水束的耦合和對準(zhǔn)精度直接影響切割質(zhì)量。目前，盡管已經(jīng)采用了高精度的伺服驅(qū)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)，但激光與水束的快速、準(zhǔn)確耦合問題仍未得到徹底解決。為了提高耦合精度，需要引入更加先進(jìn)的檢測和校準(zhǔn)系統(tǒng)，例如水束光纖與激光聚焦耦合檢測系統(tǒng)、工件定位系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)的集成與優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)高精度水導(dǎo)激光切割的關(guān)鍵。

工藝研究的系統(tǒng)性不足：雖然水導(dǎo)激光技術(shù)在理論上展現(xiàn)了許多優(yōu)勢，但在實(shí)際應(yīng)用中，工藝控制仍面臨諸多挑戰(zhàn)。目前，行業(yè)內(nèi)缺乏完整的加工工藝與評(píng)價(jià)體系，導(dǎo)致加工效率、精度以及材料表面完整性等關(guān)鍵指標(biāo)難以穩(wěn)定保持。這種工藝研究的缺失使得水導(dǎo)激光切割技術(shù)在不同材料和厚度條件下的適應(yīng)性較差。因此，未來需要進(jìn)行更加系統(tǒng)的工藝研究，以建立全面的工藝參數(shù)庫和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，從而提升水導(dǎo)激光技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用潛力。

轉(zhuǎn)自：DT半導(dǎo)體

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