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文章導(dǎo)讀
1 引言
隨著航空航天、半導(dǎo)體、醫(yī)療及能源等行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)關(guān)鍵零部件性能的要求日益提高。這一趨勢(shì)推動(dòng)了零件加工方法與裝備的持續(xù)進(jìn)步。在零件切割領(lǐng)域，相較于傳統(tǒng)機(jī)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(shì)[1-4]：
(1) 采用非接觸式加工方式，不會(huì)對(duì)工件材料產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力；
(2) 廣泛的材料適應(yīng)性可滿足柔性制造需求；
(3) 高加工效率與可編程加工過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)脈沖激光加工速度快，但會(huì)產(chǎn)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(zhuǎn)化為等離子體實(shí)現(xiàn)爆發(fā)式材料去除，理論上達(dá)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B(niǎo)iffi和Previtali指出，納秒脈沖激光加工本質(zhì)上仍屬熱基工藝，存在長(zhǎng)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(jí)的精密工程領(lǐng)域得到廣泛開(kāi)發(fā)與研究，盡管飛秒激光被稱為"冷加工"，但在高重復(fù)頻率和高激光能量密度下仍存在可觀的熱效應(yīng)[20-23]。
為解決干式激光加工過(guò)程中產(chǎn)生的熱問(wèn)題，研究人員將激光與水射流相結(jié)合，形成新型復(fù)合加工技術(shù)。1991年，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院Richerzhagen博士通過(guò)特殊噴嘴裝置產(chǎn)生高速水射流，將激光注入裝置內(nèi)部并聚焦于噴嘴入口，詳細(xì)闡述了水導(dǎo)激光原理[24]；隨后于1993年開(kāi)發(fā)出水射流導(dǎo)引激光加工技術(shù)，為后續(xù)水導(dǎo)激光切割裝備的發(fā)展奠定基礎(chǔ)[25,26]。1997年，Synova公司對(duì)該技術(shù)進(jìn)行商業(yè)化改進(jìn)，首次將高速水射流光學(xué)波導(dǎo)應(yīng)用于加工，隨后對(duì)多種材料進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)并取得優(yōu)異成果。迄今已生產(chǎn)并投入應(yīng)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(yīng)用于金屬、超硬材料、金剛石、陶瓷基復(fù)合材料等的切割、鉆孔、開(kāi)槽等加工領(lǐng)域[31]。Synova的激光微射流加工技術(shù)解決了傳統(tǒng)干式激光加工相關(guān)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(wèn)題。因此，水導(dǎo)激光切割技術(shù)作為新型切割技術(shù)，在超精密加工領(lǐng)域具有巨大潛力。本文旨在全面綜述水導(dǎo)激光切割技術(shù)原理、材料去除機(jī)制及其在金屬、脆性晶體和復(fù)合材料中的最新應(yīng)用進(jìn)展，深入分析其技術(shù)難點(diǎn)與關(guān)鍵挑戰(zhàn)，并展望未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)整合理論模型、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與應(yīng)用案例，為水導(dǎo)激光的理論研究與工程應(yīng)用提供系統(tǒng)參考，推動(dòng)其在超精密制造領(lǐng)域的深入拓展。
2 水導(dǎo)激光加工技術(shù)
水導(dǎo)激光（WJGL）技術(shù)結(jié)合水射流與激光的雙重優(yōu)勢(shì)，相較傳統(tǒng)激光加工展現(xiàn)出諸多突出特點(diǎn)。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(lái)的諸多問(wèn)題，展現(xiàn)出卓越的適應(yīng)性與加工能力。只要所選激光波長(zhǎng)能被材料吸收，該技術(shù)即可加工各種超硬、脆性或熱機(jī)械敏感材料，無(wú)論其是否具有導(dǎo)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(nèi)部。水射流在激光脈沖間及時(shí)冷卻切縫邊緣及周邊區(qū)域，減小熱影響區(qū)與熱殘余應(yīng)力，防止材料內(nèi)部熱損傷。WJGL可實(shí)現(xiàn)高精度、高質(zhì)量燒蝕與切割邊緣。由于動(dòng)能密度遠(yuǎn)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(yīng)使得燒蝕產(chǎn)生的切壁極其光滑，邊緣無(wú)沉積物、毛刺和空腔。WJGL加工可視為非接觸式，不受機(jī)械應(yīng)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(jī)械力極?。ㄐ∮?.1 N），不會(huì)造成材料表面劃傷，而傳統(tǒng)激光加工的機(jī)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(shì)如下[39]：(1) 水射流導(dǎo)引的激光能量分布均勻，接觸工件表面時(shí)趨于平滑加工，不會(huì)產(chǎn)生干式激光常見(jiàn)的粗糙邊緣、非平行切縫、毛刺等現(xiàn)象；(2) 水射流長(zhǎng)距離穩(wěn)定，擴(kuò)展加工工作距離，激光長(zhǎng)景深聚焦，提高加工深徑比；(3) 水射流冷卻效應(yīng)有助于最小化高功率激光加工過(guò)程中的材料熱變形與熱損傷，同時(shí)減小熱影響區(qū)。此外，水射流沖刷作用有助于去除加工過(guò)程中產(chǎn)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(xì)，穩(wěn)定水射流有助于實(shí)現(xiàn)高精度加工結(jié)果。表1展示了傳統(tǒng)激光加工與WJGL加工的對(duì)比分析。
3 水導(dǎo)激光形成原理
激光燒蝕是通過(guò)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(guò)程。在低功率強(qiáng)度下，材料通過(guò)吸收激光能量被加熱，導(dǎo)致熔化、汽化或升華。在高功率強(qiáng)度下，材料可轉(zhuǎn)化為等離子體。高能量密度光線會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的局部熱效應(yīng)，影響被加工表面質(zhì)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(lái)去除熔融碎屑并獲得理想切割質(zhì)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(wèn)題得以根本性避免。
WJGL利用水與空氣的折射率差異實(shí)現(xiàn)激光能量的間接傳輸。當(dāng)激光以小于全反射臨界角的角度注入時(shí)，會(huì)在水-氣界面產(chǎn)生全反射，激光能量不直接聚焦于工件，而是通過(guò)水射流毛細(xì)層中的流動(dòng)傳遞能量，類似于激光在玻璃光纖中的傳輸。當(dāng)水射流穩(wěn)定接觸工件表面時(shí)，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(guò)程在降低材料熱損傷的同時(shí)，提高了加工精度與效率。WJGL加工技術(shù)工作原理如圖1所示。
基礎(chǔ)WJGL支撐系統(tǒng)由四個(gè)主要單元組成：激光與光學(xué)單元、供水單元、保護(hù)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(guān)鍵作用。在供水單元中，超純水通過(guò)泵加壓（5~80 MPa）穿過(guò)耦合裝置的孔口，形成毛細(xì)層流水射流，如同發(fā)絲般纖細(xì)且長(zhǎng)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(lán)寶石、紅寶石或金剛石制成，以抵抗磨損和高溫。透明光學(xué)窗口嵌入耦合裝置頂部，激光穿過(guò)光學(xué)窗口后聚焦于噴嘴開(kāi)口處進(jìn)入水射流束。保護(hù)氣體單元的主要功能是通過(guò)同軸保護(hù)氣流包裹水射流，最小化周圍大氣干擾并增強(qiáng)水射流的穩(wěn)定長(zhǎng)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(pán)形激光器，工作波長(zhǎng)涵蓋1064 nm、532 nm或355 nm，應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用和切割要求進(jìn)行選擇。
在耦合單元中，激光通過(guò)一系列透鏡和反射鏡進(jìn)行準(zhǔn)直、擴(kuò)束和反射，然后精確聚焦于產(chǎn)生水射流的噴嘴孔中心。二向色鏡偏轉(zhuǎn)激光束，同時(shí)將聚焦視覺(jué)圖像傳輸至CCD相機(jī)。離開(kāi)噴嘴后，激光束通過(guò)全反射在水-氣界面內(nèi)沿水射流導(dǎo)向傳輸。激光束在整個(gè)超長(zhǎng)且完美圓柱形工作距離上被引導(dǎo)至工件表面[42,43]。
3.1 水導(dǎo)激光耦合機(jī)制
激光聚焦后在水射流內(nèi)的完全耦合是WJGL技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。激光穿過(guò)保護(hù)窗口和水層到達(dá)噴嘴入口附近的焦點(diǎn)，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(dǎo)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(nèi)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(duì)聚焦光束的光線角度提出更高要求。耦合腔內(nèi)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(diào)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(guò)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(dāng)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(shí)，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(dǎo)管入口平面耦合激光束，稱為近場(chǎng)耦合。近場(chǎng)耦合的數(shù)值孔徑僅由光學(xué)特性決定，具有較大的接收角。另一種是將激光束在遠(yuǎn)場(chǎng)耦合到噴嘴管道外部的水射流中。遠(yuǎn)場(chǎng)耦合的數(shù)值孔徑不僅取決于光學(xué)特性，還與噴嘴幾何結(jié)構(gòu)相關(guān)。近場(chǎng)耦合可實(shí)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(nèi)部的熱擾動(dòng)可能導(dǎo)致水射流斷裂。遠(yuǎn)場(chǎng)耦合可減弱噴嘴導(dǎo)管中的熱擾動(dòng)[48]。
3.2 水導(dǎo)激光加工材料去除機(jī)制
水導(dǎo)激光燒蝕循環(huán)如圖4[49-52]所示：（1）純水射流通過(guò)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(jīng)水束纖維傳導(dǎo)至工件表面，激光能量高效傳遞給被加工材料，激光功率轉(zhuǎn)化為熱能并被材料吸收，加熱加工區(qū)域；（3）當(dāng)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(chǎn)生的蒸汽或等離子體會(huì)產(chǎn)生壓力，使部分水射流與工件分離，同時(shí)產(chǎn)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(nèi)部產(chǎn)生的壓力大于空氣，可將沖擊波導(dǎo)向材料，從而提高激光加工效率。同時(shí)水射流將高溫粒子推離，防止其干擾加工過(guò)程；（4）在每個(gè)激光脈沖結(jié)束時(shí)，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(shí)碎屑被沖走，防止毛刺形成；（5）激光燒蝕完成后，進(jìn)入下一個(gè)激光脈沖，開(kāi)啟新一輪燒蝕過(guò)程。整個(gè)過(guò)程是連續(xù)的加熱-冷卻循環(huán)。通過(guò)調(diào)整激光脈沖的持續(xù)時(shí)間和間隔，可優(yōu)化加工速率和冷卻效果。
3.3 水導(dǎo)激光能量傳輸
在水導(dǎo)激光加工過(guò)程中，高功率激光能量與水射流的耦合傳輸會(huì)引發(fā)一系列問(wèn)題，包括傳輸過(guò)程中的能量損失和拉曼散射，這些都會(huì)影響激光在水射流內(nèi)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(guān)重要。Brecher等人[53]提出的耦合熱力學(xué)-流體動(dòng)力學(xué)模型成功預(yù)測(cè)了水射流中的激光功率衰減和溫度分布，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明功率損失與傳輸長(zhǎng)度呈正相關(guān)，6 kW激光在50 mm傳輸長(zhǎng)度中功率損失達(dá)45%~50%。Deng等人[54]采用時(shí)域有限差分法通過(guò)電動(dòng)力學(xué)模擬求解麥克斯韋方程組，系統(tǒng)揭示了水導(dǎo)激光加工中激光傳播、能量吸收和熱效應(yīng)的關(guān)鍵規(guī)律，得出結(jié)論：相同條件下，在2 cm長(zhǎng)水射流中，532 nm波長(zhǎng)激光的能量傳輸效率遠(yuǎn)大于1064 nm波長(zhǎng)激光。圖5a展示了兩種激光波長(zhǎng)在不同噴嘴孔徑下的能量傳輸模擬結(jié)果。Zhao等人[55]研究了高功率激光耦合水射流的熱效應(yīng)影響，通過(guò)COMSOL多物理場(chǎng)模擬獲得溫度分布，結(jié)論表明水射流溫度隨激光功率增加顯著升高（圖5b），重復(fù)頻率增加也會(huì)導(dǎo)致溫度升高，而脈沖寬度對(duì)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(chǎng)分布，得出結(jié)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(dǎo)致的能量損失[56]。Wei等人[57]探索了水射流形成過(guò)程對(duì)激光耦合效率的影響，對(duì)不同耦合階段進(jìn)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(zhǎng)導(dǎo)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(nèi)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(chǎng)分布[57]
最后，通過(guò)模擬水導(dǎo)激光耦合過(guò)程中各類偏差對(duì)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(jìn)展可見(jiàn)，目前對(duì)高功率激光與水射流耦合后的傳輸過(guò)程缺乏全面深入的研究，多采用數(shù)值模擬進(jìn)行分析，后續(xù)研究可從機(jī)理深化、技術(shù)創(chuàng)新、多物理場(chǎng)耦合和工程驗(yàn)證四方面突破，系統(tǒng)揭示能量損失本質(zhì)，推動(dòng)水導(dǎo)激光技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室向工業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)化。
4 水導(dǎo)激光切割技術(shù)應(yīng)用
4.1 水導(dǎo)激光在金屬材料切割中的應(yīng)用
水導(dǎo)激光切割技術(shù)應(yīng)用于精密儀器、醫(yī)療和航空航天領(lǐng)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(duì)150 μm厚不銹鋼薄片進(jìn)行水導(dǎo)激光加工與傳統(tǒng)紅外激光加工對(duì)比實(shí)驗(yàn)，加工測(cè)試表明在相同切割條件下，水導(dǎo)激光切割區(qū)域具有更小的熱影響區(qū)。Porter等人[59]對(duì)99%純鋁、CuZn37黃銅和8Cr9Ni不銹鋼三種金屬材料進(jìn)行水導(dǎo)激光切割實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)Nd:YAG激光器的1064 nm波長(zhǎng)不適用于較長(zhǎng)水射流，該波長(zhǎng)激光束能量會(huì)被水強(qiáng)烈吸收。50 mm及以下范圍的水射流長(zhǎng)度更適合加工；過(guò)高的切割速度和角度會(huì)導(dǎo)致熔渣堆積。圖6a展示了切割速度100 mm/min時(shí)，不同噴射距離和入射角下水導(dǎo)激光切割0.1 mm厚鋁材的形貌結(jié)果。Hock等人[60]采用532 nm波長(zhǎng)激光對(duì)不銹鋼薄片和銅片進(jìn)行傳統(tǒng)激光與水導(dǎo)激光切割對(duì)比實(shí)驗(yàn)，圖6b展示了水導(dǎo)激光與傳統(tǒng)激光切割50 μm不銹鋼的形貌對(duì)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(dǎo)激光切割無(wú)殘留、切縫小且?guī)缀鯚o(wú)熱影響區(qū)，但其加工耗時(shí)遠(yuǎn)長(zhǎng)于傳統(tǒng)激光切割。
Li等人[61]對(duì)工業(yè)純鈦板材料進(jìn)行傳統(tǒng)激光與水導(dǎo)激光切割實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明水導(dǎo)激光加工的加工質(zhì)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(xì)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(duì)比。隨后他們對(duì)Mg-Zn合金進(jìn)行水導(dǎo)激光與傳統(tǒng)激光切割對(duì)比試驗(yàn)，得出結(jié)論：水導(dǎo)激光加工區(qū)域更潔凈平整，幾乎無(wú)熔融殘留物附著，其熱損傷可忽略不計(jì)；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(duì)比。
Adelmann等人[63]采用532 nm Nd:YAG激光器的水導(dǎo)激光系統(tǒng)對(duì)鋁合金、鈦合金和鋼進(jìn)行高深寬比加工實(shí)驗(yàn)，證實(shí)水導(dǎo)激光能實(shí)現(xiàn)極高深寬比的矩形精密切割。在1.5 mm厚鋼板中實(shí)現(xiàn)12.5深寬比，4.7 mm鈦合金中達(dá)39.2，8 mm鋁合金中達(dá)66.7。Madhukar等人[64]開(kāi)展水導(dǎo)激光切割金屬薄板研究，對(duì)比水導(dǎo)激光加工、激光水下加工和傳統(tǒng)激光的切縫特性與質(zhì)量。結(jié)果表明水導(dǎo)激光切割具有顯著優(yōu)勢(shì)，無(wú)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(shí)驗(yàn)中，切割表面獲得±2.5 μm的表面粗糙度。Liu等人[65]研究水導(dǎo)激光加工鎳基高溫合金過(guò)程中水射流流速對(duì)熱影響區(qū)厚度和加工表面材料相變的影響。
Bektas等人[66]對(duì)航空常用合金Haynes 188、Inconel 718、Inconel 625、Rene 41和Ti-6Al-4V進(jìn)行水導(dǎo)激光切割實(shí)驗(yàn)，測(cè)量各材料的表面粗糙度、錐度和重鑄層。結(jié)果表明水導(dǎo)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(jí)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(dǎo)激光切割I(lǐng)nconel 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(dǎo)激光切割鎳基高溫合金時(shí)切割表面形成機(jī)理，發(fā)現(xiàn)水射流快速冷卻效應(yīng)導(dǎo)致材料凝固過(guò)程中晶格位移，產(chǎn)生高密度位錯(cuò)。同時(shí)高壓等離子體羽流在水約束條件下對(duì)基體施加沖擊波形成機(jī)械孿晶。這些沿不同方向排列的機(jī)械孿晶相互交叉形成亞微米菱形結(jié)構(gòu)。位錯(cuò)與交叉孿晶的存在延長(zhǎng)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(dǎo)激光對(duì)Ti-6Al-4V合金進(jìn)行超窄切縫切割實(shí)驗(yàn)。結(jié)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(duì)較低的熱質(zhì)傳遞效率，輔助氣體導(dǎo)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(dǎo)激光加工切縫深寬比較低，值為1.9至2.5，可通過(guò)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(shí)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(xì)α-Ti晶粒內(nèi)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(dǎo)激光對(duì)耐高溫Inconel 718合金進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，相比傳統(tǒng)干式激光切割有效減少熱損傷并提高切割質(zhì)量。圖7b展示水導(dǎo)激光與LBM切割對(duì)比。隨后他們?cè)谒畬?dǎo)激光設(shè)備中安裝新型多焦點(diǎn)透鏡，有助于緩解激光能量過(guò)度集中并減弱水-激光耦合過(guò)程中水的分解，實(shí)現(xiàn)更高效的水-激光耦合，在350 W激光功率下實(shí)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I(lǐng)nconel 718板材的橫截面形貌。
4.2 水導(dǎo)激光在脆性晶體材料切割中的應(yīng)用
處理硬脆晶體材料時(shí)，傳統(tǒng)切割技術(shù)存在工件坐標(biāo)漂移、高崩邊率和有毒氣溶膠污染等嚴(yán)重問(wèn)題。采用水導(dǎo)激光能有效改善加工質(zhì)量，避免環(huán)境污染，同時(shí)保持高生產(chǎn)效率。Dushkina等人[70]對(duì)硅、砷化鎵和鍺半導(dǎo)體晶圓進(jìn)行水導(dǎo)激光與金剛石砂輪切割對(duì)比實(shí)驗(yàn)，水導(dǎo)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(wú)微裂紋和細(xì)毛刺。Bruckert等人[71]分別采用532 nm和1064 nm波長(zhǎng)水導(dǎo)激光對(duì)多晶硅太陽(yáng)能電池進(jìn)行劃片加工研究，發(fā)現(xiàn)短波長(zhǎng)水導(dǎo)激光切出的電池具有更低電流轉(zhuǎn)換損耗。通過(guò)探究不同工藝參數(shù)對(duì)加工后電流轉(zhuǎn)換損耗的影響，結(jié)果表明單線軌跡和較短脈沖寬度效果更佳，可實(shí)現(xiàn)任意軌跡劃片。Nilsson等人[72]對(duì)含GaN層的藍(lán)寶石晶圓進(jìn)行水導(dǎo)激光切割實(shí)驗(yàn)，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(dǎo)激光切割各類脆性晶體材料。a 水導(dǎo)激光切割含GaN層藍(lán)寶石晶圓[72]。b 水導(dǎo)激光與傳統(tǒng)激光切割金剛石[74]。c 不同次數(shù)水導(dǎo)激光切割單晶硅[75]。d 水導(dǎo)激光切割砷化鎵與硅[76]。e 水導(dǎo)激光切割硅[77]。f 水導(dǎo)激光與干式激光切割金剛石[78]。
Richmann等人[73]采用水導(dǎo)激光切割技術(shù)對(duì)厚度達(dá)3 mm的藍(lán)寶石進(jìn)行切割，獲得了切縫側(cè)壁平行、粗糙度＜0.5 μm、切縫寬度＜100 μm的優(yōu)質(zhì)切口。切口前沿質(zhì)量?jī)?yōu)異，曲率半徑小于20 μm，且無(wú)任何崩邊現(xiàn)象。Shi等人[74]對(duì)比研究了水導(dǎo)激光加工與干式激光加工對(duì)天然金剛石切割的效果。兩種切割方式均會(huì)使天然金剛石表面在高溫下轉(zhuǎn)化為石墨，但水導(dǎo)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(yīng)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(fù)頻率激光系統(tǒng)對(duì)單晶硅進(jìn)行水導(dǎo)激光切割實(shí)驗(yàn)，研究評(píng)估了水導(dǎo)激光微加工對(duì)表面形貌變化、最大深寬比及切縫邊緣變化的影響。結(jié)果表明激光輸出功率、切割速度和重復(fù)頻率是影響加工效率和質(zhì)量的關(guān)鍵因素。切口及其他表面邊緣無(wú)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(jiàn)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(dǎo)激光技術(shù)非常適用于單晶硅劃片。
Perrottet等人[76]在水導(dǎo)激光設(shè)備中增設(shè)新型噴射裝置，可在工件表面形成水膜，并對(duì)砷化鎵和硅進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，兩者均獲得無(wú)顆粒雜質(zhì)的光滑切割面（圖8d）。Madhukar等人[77]采用水導(dǎo)激光對(duì)硅進(jìn)行切割開(kāi)槽實(shí)驗(yàn)，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(guò)控制激光與工藝參數(shù)，可獲得深度控制在14-520 μm范圍內(nèi)無(wú)微裂紋和熱損傷的溝槽（圖8e）。
Zhang等人[78]分別采用水導(dǎo)激光和傳統(tǒng)干式激光對(duì)高壓高溫合成單晶金剛石樣品進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，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(dǎo)激光切片獲得光滑平整的橫截面且切縫表面金剛石結(jié)構(gòu)無(wú)變化。最終基于參數(shù)調(diào)諧技術(shù)研究，找到了適合水導(dǎo)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(duì)比。
4.3 水導(dǎo)激光在復(fù)合材料切割中的應(yīng)用
鋁基碳化硅復(fù)合材料（Al MMC）、碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料（CFRP）及陶瓷基復(fù)合材料（CMC）等先進(jìn)復(fù)合材料因其高比強(qiáng)度、良好化學(xué)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(shù)加工時(shí)易產(chǎn)生毛刺、分層、裂紋和崩邊等缺陷，難以保證加工質(zhì)量。相較而言，水導(dǎo)激光技術(shù)結(jié)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(zhì)量，成為具有明顯優(yōu)勢(shì)的加工技術(shù)。Sun等人[79,80]采用水導(dǎo)激光加工技術(shù)研究0.5 mm厚CFRP材料切割過(guò)程，提出了多種切割方法。測(cè)試結(jié)果表明水射流不僅具有減小熱影響區(qū)的作用，還對(duì)激光傳播產(chǎn)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(dǎo)激光對(duì)CFRP進(jìn)行低損傷大深度切割實(shí)驗(yàn)，獲得了激光功率、進(jìn)給速率和水射流速度等工藝參數(shù)對(duì)切割結(jié)果的影響規(guī)律；最終通過(guò)采用不同切割路徑實(shí)現(xiàn)了10 mm厚CFRP的高效切割，獲得潔凈的切割面通道內(nèi)壁、整齊的碳纖維斷面且無(wú)熱膨脹現(xiàn)象。圖9a展示了水導(dǎo)激光切割示意圖及10 mm厚CFRP切割表面形貌。Elkington等人[82]對(duì)6 mm厚CFRP進(jìn)行水導(dǎo)激光切割實(shí)驗(yàn)，得出水射流壓力與平均功率的增加與切割速度呈正相關(guān)，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(dá)21 mm/min。
圖9 水導(dǎo)激光切割各類復(fù)合材料。a 水導(dǎo)激光切割CFRP橫截面形貌[81]。b 水導(dǎo)激光與毫秒脈沖激光加工Al MMC孔洞截面形貌對(duì)比[83]。c 水導(dǎo)激光刻劃SiC/SiC CMCs形貌[85]。d 不同功率下水導(dǎo)激光切割表面與橫截面形貌[87]
Marimuthu等人[83]分別采用水導(dǎo)激光與毫秒脈沖激光對(duì)2 mm厚Al MMC進(jìn)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(dǎo)激光加工過(guò)程中鋁基體與碳化硅增強(qiáng)顆粒均通過(guò)“冷燒蝕”方式去除，避免了熔池對(duì)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(duì)激光的約束作用，水導(dǎo)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(shì)。Elkington等人[84]研究了水導(dǎo)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(diào)Q脈沖激光，探究不同工藝參數(shù)對(duì)切割質(zhì)量的影響。發(fā)現(xiàn)切割速度與脈沖頻率是決定水導(dǎo)激光切割質(zhì)量與整體切割速度的關(guān)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(jiàn)的熱損傷。但發(fā)現(xiàn)當(dāng)纖維取向平行于切割長(zhǎng)度方向時(shí)，會(huì)出現(xiàn)材料基體與纖維的非均勻去除，導(dǎo)致切縫寬度不均。Cheng等人[85]采用水導(dǎo)激光對(duì)SiC/SiC CMCs進(jìn)行單排刻劃實(shí)驗(yàn)，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(jié)論。圖9c展示了不同激光脈沖能量下的刻劃結(jié)果與極限深度。Wei等人[86]分別對(duì)SiC/SiC復(fù)合材料進(jìn)行飛秒激光與水導(dǎo)激光切割實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)論：水導(dǎo)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(dǎo)激光對(duì)CMCs進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著激光平均功率增加，微槽切割邊緣質(zhì)量較好。定性觀察顯示切割邊緣無(wú)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(dǎo)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(yīng)用總結(jié)
“冷加工”特性與高質(zhì)量加工能力使水導(dǎo)激光技術(shù)在航空航天、芯片制造和精密醫(yī)療等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。水導(dǎo)激光能夠高效加工金屬、半導(dǎo)體及復(fù)合材料等各種難加工材料，尤其在加工高強(qiáng)度、高硬度材料方面表現(xiàn)突出。該技術(shù)憑借無(wú)熱影響區(qū)、無(wú)毛刺、切邊整齊等特點(diǎn)顯著提升工藝質(zhì)量，減少后續(xù)加工需求。對(duì)水導(dǎo)激光加工的研究證明了其在多種材料加工中的應(yīng)用價(jià)值，雖然水導(dǎo)激光在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究階段已取得諸多成果，但其向大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化仍處于探索階段，其中最具代表性的工業(yè)應(yīng)用是瑞士Synova公司。例如在航空航天領(lǐng)域，水導(dǎo)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(zhì)量。Synova的LMJ技術(shù)精密切割和鉆孔渦輪葉片、渦輪部件、耐熱結(jié)構(gòu)件等，使復(fù)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(lǐng)域，水導(dǎo)激光可實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體材料的微加工，滿足微電子器件的嚴(yán)苛要求。Synova的LMJ已廣泛用于LED藍(lán)寶石襯底、手機(jī)和手表藍(lán)寶石玻璃的切割，切割速度最高達(dá)200 mm/s；在精密醫(yī)療器械制造領(lǐng)域，水導(dǎo)激光用于切割不銹鋼和生物相容性材料，確保產(chǎn)品潔凈度與高精度。Synova采用LMJ技術(shù)切割薄金屬基材，最小粗糙度≥0.12 μm，切割深寬比高達(dá)1:100，已廣泛應(yīng)用于心血管扁平支架、植入部件、手術(shù)工具等醫(yī)療器械加工[88]。表2展示了水導(dǎo)激光切割不同材料采用的工藝參數(shù)。
盡管水導(dǎo)激光在許多領(lǐng)域表現(xiàn)出色，但在面對(duì)需要加工高質(zhì)量、大深徑/深寬比孔洞、槽縫和邊緣，以及狹窄工作空間時(shí)，其加工能力仍存在局限。例如對(duì)于精度要求極高、尺寸極小的深孔加工，水導(dǎo)激光可能難以完全滿足要求。此外，針對(duì)金剛石、石英玻璃、藍(lán)寶石和超硬陶瓷等超硬材料加工，水導(dǎo)激光工藝仍需進(jìn)一步優(yōu)化探索，以應(yīng)對(duì)這些材料的脆脆特性?？傮w而言，水導(dǎo)激光切割技術(shù)在各種材料加工中的應(yīng)用前景廣闊；隨著技術(shù)不斷進(jìn)步與工藝優(yōu)化，水導(dǎo)激光有望在更多領(lǐng)域展現(xiàn)其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步推動(dòng)難加工材料加工技術(shù)的發(fā)展。圖10展示了水導(dǎo)激光切割材料應(yīng)用占比及其所屬領(lǐng)域分布（部分圖片引用自Synova官網(wǎng)[88]）。
圖10 水導(dǎo)激光切割材料應(yīng)用占比及領(lǐng)域分布
水導(dǎo)激光切割的技術(shù)難點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)
水束中激光衰減問(wèn)題：高功率密度激光在水束中傳播時(shí)存在較大能量衰減，這是限制WJGL技術(shù)加工效率和應(yīng)用范圍的關(guān)鍵因素之一。激光在水中衰減問(wèn)題尚未得到很好解決，導(dǎo)致加工效率偏低。未來(lái)可能需要選擇導(dǎo)光效果更佳的介質(zhì)進(jìn)行激光傳導(dǎo)，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(dāng)前工藝可使噴嘴孔徑達(dá)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(huì)帶來(lái)一系列問(wèn)題，如射流穩(wěn)定性下降、射流長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhì)量水射流需要高精度噴嘴孔。噴嘴孔需具備極薄的厚度、無(wú)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(shí)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(lái)需要開(kāi)發(fā)更精密的加工技術(shù)和設(shè)備來(lái)滿足這些要求。
激光束與水射流快速精確耦合對(duì)準(zhǔn)：實(shí)現(xiàn)激光束與水射流快速精確的耦合對(duì)準(zhǔn)將極大提升加工效率；設(shè)備設(shè)計(jì)需選用高精度伺服驅(qū)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)，配合對(duì)準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)和工件定位檢測(cè)系統(tǒng)，確保光-液耦合精度。這需要在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成方面進(jìn)行更多創(chuàng)新優(yōu)化。
工藝研究不足：WJGL加工過(guò)程的工藝控制存在諸多問(wèn)題，缺乏完整的加工工藝和評(píng)價(jià)體系。目前加工效率、加工精度、材料表面完整性等指標(biāo)難以保證。未來(lái)需要進(jìn)行系統(tǒng)研究和總結(jié)，制定標(biāo)準(zhǔn)化加工流程和評(píng)價(jià)體系，提升整體加工質(zhì)量和效率。
適用材料范圍拓展：目前針對(duì)金屬材料切割的WJGL工藝已初步形成，而對(duì)于金剛石、石英玻璃、藍(lán)寶石、超硬陶瓷等超硬材料加工，WJGL工藝仍需進(jìn)一步優(yōu)化探索。這些材料的脆性和高硬度給加工帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)，未來(lái)需要深入研究切割參數(shù)、輔助技術(shù)和工藝優(yōu)化，以提高加工質(zhì)量和效率。
03
結(jié)論/展望
本文綜述了關(guān)于水導(dǎo)激光切割技術(shù)的系列文獻(xiàn)，系統(tǒng)闡述了WJGL的工作原理與材料去除機(jī)制，全面總結(jié)了WJGL切割技術(shù)在金屬、脆性晶體、復(fù)合材料等領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，充分證明了其在多種材料加工中的應(yīng)用價(jià)值，展現(xiàn)了其在高精度、高要求加工任務(wù)中的巨大潛力。WJGL獨(dú)特的工作原理與材料去除機(jī)制使其在切割過(guò)程中能夠避免熱影響區(qū)，確保加工的高精度與高質(zhì)量，同時(shí)在減少環(huán)境污染、提高加工效率方面的優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步鞏固了其在各大高科技領(lǐng)域的地位。然而當(dāng)前WJGL技術(shù)仍面臨水柱穩(wěn)定性、激光耦合效率、設(shè)備復(fù)雜性等技術(shù)難點(diǎn)，亟需進(jìn)一步深入研究與技術(shù)突破。
隨著研究的深入和技術(shù)的不斷完善，WJGL切割技術(shù)有望成為高精度加工領(lǐng)域的主流技術(shù)之一，為現(xiàn)代制造業(yè)和醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展提供有力支撐。通過(guò)產(chǎn)學(xué)研的緊密合作，WJGL技術(shù)的未來(lái)發(fā)展前景將更加廣闊，有望在精密加工領(lǐng)域掀起新的革命，助力實(shí)現(xiàn)更高效、更精細(xì)的加工任務(wù)，滿足日益增長(zhǎng)的高科技產(chǎn)業(yè)需求。
