技術(shù)原理及特點(diǎn)
水導(dǎo)激光的基本原理是將激光束耦合到高壓微水射流中，并通過水束引導(dǎo)激光到達(dá)加工材料的表面。在這種系統(tǒng)中，激光器產(chǎn)生的激光首先通過一系列光學(xué)元件（如透鏡和反射鏡）進(jìn)行準(zhǔn)直和聚焦，然后通過一個特殊的噴嘴與高壓水射流結(jié)合。水射流在噴嘴中形成一個微小的通道，激光束通過這個通道被引導(dǎo)至工件表面，如圖1所示。由于水的折射率與空氣不同，激光在水中的傳播路徑會發(fā)生變化，因此需要精確的光學(xué)設(shè)計來確保激光束的穩(wěn)定性和能量集中度。
圖1. 水導(dǎo)激光的技術(shù)原理。
高精度：水導(dǎo)激光技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)亞毫米甚至微米級的加工精度。由于水束的直徑非常小，通常只有幾十微米到幾百微米，因此可以將激光束精確地引導(dǎo)到工件的特定位置，進(jìn)行精細(xì)的切割、打孔或雕刻等操作。
高效率：在水導(dǎo)激光加工過程中，激光束直接通過水束傳輸?shù)焦ぜ砻妫瑴p少了能量在空氣中的損失和散射。此外，水束還起到了冷卻和沖刷的作用，可以有效地降低工件表面的溫度，減少熱影響區(qū)的范圍，從而提高加工效率和加工質(zhì)量。
減少熱損傷：由于水束流的冷卻作用，水導(dǎo)激光加工過程中的熱影響區(qū)（HAZ）非常小。熱影響區(qū)是指在激光加工過程中，由于熱傳導(dǎo)和熱輻射作用，工件表面和內(nèi)部材料發(fā)生熱變形、熱損傷或相變的區(qū)域。水導(dǎo)激光通過水束的快速冷卻，可以迅速將工件表面的熱量帶走，從而減少熱影響區(qū)的范圍和深度，避免材料的熱變形和熱損傷。
圖2.（a）“普通干激光”切割與水導(dǎo)激光切割鈦合金切口截面的SEM圖像，（b）水導(dǎo)激光與“普通干激光”切割CFRP得到的切面對比。
應(yīng)用領(lǐng)域
航空航天領(lǐng)域：航空航天領(lǐng)域?qū)Σ牧系募庸ぞ群唾|(zhì)量要求非常高，水導(dǎo)激光技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用也十分廣泛。它可以用于加工航空航天器的發(fā)動機(jī)葉片、渦輪盤、燃燒室等關(guān)鍵部件，這些部件通常由高溫合金、鈦合金等難加工材料制成。水導(dǎo)激光能夠有效地切割和雕刻這些材料，同時保證加工精度和表面質(zhì)量，提高部件的性能和可靠性。此外，水導(dǎo)激光還可以用于航空航天器的結(jié)構(gòu)件加工，如機(jī)翼、機(jī)身等，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜形狀的加工和輕量化設(shè)計。
半導(dǎo)體領(lǐng)域：在半導(dǎo)體制造過程中，水導(dǎo)激光可以用于切割硅片、晶圓等半導(dǎo)體材料，以及進(jìn)行芯片的封裝和測試。由于半導(dǎo)體材料對加工精度和表面質(zhì)量要求極高，水導(dǎo)激光的高精度和低熱損傷特性使其成為理想的加工工具。它可以實(shí)現(xiàn)對硅片的精細(xì)切割，避免裂紋和損傷，提高芯片的良品率和性能。同時，水導(dǎo)激光還可以用于半導(dǎo)體器件的微加工，如微電子元件的制造、微電路的刻蝕等，能夠?qū)崿F(xiàn)微米甚至納米級的加工精度。
新能源領(lǐng)域：新能源領(lǐng)域中，水導(dǎo)激光可以用于加工太陽能電池板、燃料電池等新能源設(shè)備的關(guān)鍵部件。例如，在太陽能電池板的制造過程中，水導(dǎo)激光可以用于切割硅片、刻蝕電池片表面的電極圖案等，提高電池板的光電轉(zhuǎn)換效率和性能。在燃料電池的制造中，水導(dǎo)激光可以用于加工燃料電池的膜電極組件、雙極板等部件，實(shí)現(xiàn)高精度的切割和雕刻，提高燃料電池的性能和壽命。
圖3. 水導(dǎo)激光的應(yīng)用。
水導(dǎo)激光面臨的挑戰(zhàn)和問題
水束流的穩(wěn)定性問題：水導(dǎo)激光加工過程中，高速流動的水束流可能會出現(xiàn)不穩(wěn)定流動，導(dǎo)致加工質(zhì)量受到影響。例如，在切割過程中，水束流的波動可能會導(dǎo)致切割線的偏移或表面粗糙度增加，從而影響加工精度和表面質(zhì)量。為了保證水束流的穩(wěn)定性，需要優(yōu)化水束流的控制系統(tǒng)，確保其在加工過程中能夠保持穩(wěn)定的狀態(tài)。
激光與水束的耦合效率問題：激光束與水束的耦合效率直接關(guān)系到加工效果。如果耦合效率較低，會導(dǎo)致激光能量在水束中的損失增加，從而降低加工效率和質(zhì)量。
噴嘴孔加工的技術(shù)要求：為了確保水導(dǎo)激光加工的高質(zhì)量，噴嘴孔的設(shè)計和制造精度至關(guān)重要。噴嘴孔需要具備極薄的壁厚，同時保持高精度的圓度和無錐度，以抵抗水流沖擊。此外，孔內(nèi)表面的粗糙度也需要控制在極低的水平，以確保水束的穩(wěn)定性和一致性。
環(huán)境適應(yīng)性問題：水導(dǎo)激光加工設(shè)備對環(huán)境的要求較高。例如，設(shè)備的運(yùn)行需要穩(wěn)定的電源、潔凈的水源以及恒溫恒濕的環(huán)境等。在一些環(huán)境條件較差的場所，如溫度波動較大、濕度較高或電源不穩(wěn)定等情況下，可能會導(dǎo)致設(shè)備的性能下降，甚至出現(xiàn)故障。此外，環(huán)境中的灰塵、振動等因素也可能對加工過程產(chǎn)生干擾，影響加工精度和質(zhì)量。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要對設(shè)備的使用環(huán)境進(jìn)行嚴(yán)格的控制和管理。
國內(nèi)外行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
隨著激光精密加工技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場需求的不斷擴(kuò)大，水導(dǎo)激光加工技術(shù)也在不斷發(fā)展和完善。國外公認(rèn)的生產(chǎn)水導(dǎo)激光設(shè)備龍頭企業(yè)主要有兩家，分別是瑞士的Synova和Avonisys。
目前國內(nèi)水導(dǎo)激光加工設(shè)備企業(yè)中發(fā)展較快的主要有渥特智造、科詩特和上海冷辰科技等公司，也有其他企業(yè)采取直接引進(jìn)國外的相關(guān)技術(shù)，然后在國內(nèi)組裝生產(chǎn)、優(yōu)化產(chǎn)品，雖然短期內(nèi)能夠快速彌補(bǔ)技術(shù)空白和減少技術(shù)研發(fā)的成本和時間，但長期來看還是存在一定的問題，如核心技術(shù)受制于人、研發(fā)投入失衡和產(chǎn)業(yè)鏈風(fēng)險外溢等等，筆者認(rèn)為應(yīng)該構(gòu)建“引進(jìn)-吸收-超越”的正向循環(huán)。
好消息是目前國內(nèi)已經(jīng)有企業(yè)能夠提供商用設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了配件100%國產(chǎn)。隨著中國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，水導(dǎo)激光加工技術(shù)將在高端制造領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用，特別是在新能源汽車、航空航天、高端裝備制造等領(lǐng)域，水導(dǎo)激光技術(shù)的應(yīng)用將推動這些行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品升級。
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