技術原理及特點

水導激光的基本原理是將激光束耦合到高壓微水射流中，並通過水束引導激光到達加工材料的表麵。在這種係統中，激光器產(chan) 生的激光首先通過一係列光學元件（如透鏡和反射鏡）進行準直和聚焦，然後通過一個(ge) 特殊的噴嘴與(yu) 高壓水射流結合。水射流在噴嘴中形成一個(ge) 微小的通道，激光束通過這個(ge) 通道被引導至工件表麵，如圖1所示。由於(yu) 水的折射率與(yu) 空氣不同，激光在水中的傳(chuan) 播路徑會(hui) 發生變化，因此需要精確的光學設計來確保激光束的穩定性和能量集中度。

圖1. 水導激光的技術原理。

高精度：水導激光技術能夠實現亞(ya) 毫米甚至微米級的加工精度。由於(yu) 水束的直徑非常小，通常隻有幾十微米到幾百微米，因此可以將激光束精確地引導到工件的特定位置，進行精細的切割、打孔或雕刻等操作。

高效率：在水導激光加工過程中，激光束直接通過水束傳(chuan) 輸到工件表麵，減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衝(chong) 刷的作用，可以有效地降低工件表麵的溫度，減少熱影響區的範圍，從(cong) 而提高加工效率和加工質量。

減少熱損傷(shang) ：由於(yu) 水束流的冷卻作用，水導激光加工過程中的熱影響區（HAZ）非常小。熱影響區是指在激光加工過程中，由於(yu) 熱傳(chuan) 導和熱輻射作用，工件表麵和內(nei) 部材料發生熱變形、熱損傷(shang) 或相變的區域。水導激光通過水束的快速冷卻，可以迅速將工件表麵的熱量帶走，從(cong) 而減少熱影響區的範圍和深度，避免材料的熱變形和熱損傷(shang) 。

圖2.（a）“普通幹激光”切割與(yu) 水導激光切割鈦合金切口截麵的SEM圖像，（b）水導激光與(yu) “普通幹激光”切割CFRP得到的切麵對比。

應用領域

航空航天領域：航空航天領域對材料的加工精度和質量要求非常高，水導激光技術在該領域的應用也十分廣泛。它可以用於(yu) 加工航空航天器的發動機葉片、渦輪盤、燃燒室等關(guan) 鍵部件，這些部件通常由高溫合金、鈦合金等難加工材料製成。水導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麵質量，提高部件的性能和可靠性。此外，水導激光還可以用於(yu) 航空航天器的結構件加工，如機翼、機身等，能夠實現複雜形狀的加工和輕量化設計。

半導體(ti) 領域：在半導體(ti) 製造過程中，水導激光可以用於(yu) 切割矽片、晶圓等半導體(ti) 材料，以及進行芯片的封裝和測試。由於(yu) 半導體(ti) 材料對加工精度和表麵質量要求極高，水導激光的高精度和低熱損傷(shang) 特性使其成為(wei) 理想的加工工具。它可以實現對矽片的精細切割，避免裂紋和損傷(shang) ，提高芯片的良品率和性能。同時，水導激光還可以用於(yu) 半導體(ti) 器件的微加工，如微電子元件的製造、微電路的刻蝕等，能夠實現微米甚至納米級的加工精度。

新能源領域：新能源領域中，水導激光可以用於(yu) 加工太陽能電池板、燃料電池等新能源設備的關(guan) 鍵部件。例如，在太陽能電池板的製造過程中，水導激光可以用於(yu) 切割矽片、刻蝕電池片表麵的電極圖案等，提高電池板的光電轉換效率和性能。在燃料電池的製造中，水導激光可以用於(yu) 加工燃料電池的膜電極組件、雙極板等部件，實現高精度的切割和雕刻，提高燃料電池的性能和壽命。

圖3. 水導激光的應用。

水導激光麵臨(lin) 的挑戰和問題

水束流的穩定性問題：水導激光加工過程中，高速流動的水束流可能會(hui) 出現不穩定流動，導致加工質量受到影響。例如，在切割過程中，水束流的波動可能會(hui) 導致切割線的偏移或表麵粗糙度增加，從(cong) 而影響加工精度和表麵質量。為(wei) 了保證水束流的穩定性，需要優(you) 化水束流的控製係統，確保其在加工過程中能夠保持穩定的狀態。

激光與(yu) 水束的耦合效率問題：激光束與(yu) 水束的耦合效率直接關(guan) 係到加工效果。如果耦合效率較低，會(hui) 導致激光能量在水束中的損失增加，從(cong) 而降低加工效率和質量。

噴嘴孔加工的技術要求：為(wei) 了確保水導激光加工的高質量，噴嘴孔的設計和製造精度至關(guan) 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，以抵抗水流衝(chong) 擊。此外，孔內(nei) 表麵的粗糙度也需要控製在極低的水平，以確保水束的穩定性和一致性。

環境適應性問題：水導激光加工設備對環境的要求較高。例如，設備的運行需要穩定的電源、潔淨的水源以及恒溫恒濕的環境等。在一些環境條件較差的場所，如溫度波動較大、濕度較高或電源不穩定等情況下，可能會(hui) 導致設備的性能下降，甚至出現故障。此外，環境中的灰塵、振動等因素也可能對加工過程產(chan) 生幹擾，影響加工精度和質量。因此，在實際應用中，需要對設備的使用環境進行嚴(yan) 格的控製和管理。

國內(nei) 外行業(ye) 發展現狀

隨著激光精密加工技術的不斷進步和市場需求的不斷擴大，水導激光加工技術也在不斷發展和完善。國外公認的生產(chan) 水導激光設備龍頭企業(ye) 主要有兩(liang) 家，分別是瑞士的Synova和Avonisys。

目前國內(nei) 水導激光加工設備企業(ye) 中發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(ye) 采取直接引進國外的相關(guan) 技術，然後在國內(nei) 組裝生產(chan) 、優(you) 化產(chan) 品，雖然短期內(nei) 能夠快速彌補技術空白和減少技術研發的成本和時間，但長期來看還是存在一定的問題，如核心技術受製於(yu) 人、研發投入失衡和產(chan) 業(ye) 鏈風險外溢等等，筆者認為(wei) 應該構建“引進-吸收-超越”的正向循環。

好消息是目前國內(nei) 已經有企業(ye) 能夠提供商用設備，實現了配件100%國產(chan) 。隨著中國製造業(ye) 的轉型升級，水導激光加工技術將在高端製造領域發揮更加重要的作用，特別是在新能源汽車、航空航天、高端裝備製造等領域，水導激光技術的應用將推動這些行業(ye) 的技術創新和產(chan) 品升級。