水导激光：完美的精密加工技术

随着制造业对高精度、高效率加工技术需求的不断增长，水导激光加工技术的市场潜力逐渐显现。在航空航天、电子制造、医疗器械和汽车工业等高端制造领域，对材料的加工质量和精度要求极高，传统加工方法难以满足这些需求，而水导激光加工技术则凭借其独特的优势，成为解决这些问题的理想选择。传统激光加工还存在一些局限性，如热影响区大、对高反射材料和热敏感材料加工效果不佳等问题。为了克服这些问题，研究人员尝试将高速水射流引入激光加工过程，形成了水导激光技术。这一技术利用水射流作为激光束的导向介质和冷却介质，提高了加工质量和材料适应性。水导激光加工技术通过对传统激光加工和水射流切割技术的改进和创新，以其高能量密度和高精度的特点，在制造业中得到了广泛应用。

水导激光原理

图1 水导激光的加工特性

如图1所示，水导激光的基本概念是利用水作为导光介质来传输激光。传统的光纤通常由玻璃或塑料制成，内部通过全内反射来传导光。而水导激光系统则利用水的特殊光学特性，特别是其对特定波长激光的高透明度和低损耗特性。光在介质中传播时，当光从高折射率介质进入低折射率介质时，如果入射角大于某一临界角，光将会在界面发生全内反射。传统光纤即利用此原理，通过玻璃纤维内外层折射率的差异，使光在纤维内部多次反射而传输。水导激光则利用水的折射率（约为1.33）与周围空气的折射率（约为1.0）的差异，同样可以实现全内反射。这样，激光可以在水中沿着特定路径传输，类似于光纤中的光传播。

图2 形成微水射流的喷嘴结构。（a）缩流示意图；（b）毛细型喷嘴；（c）锥形喷嘴；（d）上锥形喷嘴；（e）下锥形喷嘴

图2为不同形状喷嘴下的水射流状态，为了将激光耦合到水中，以合适的角度射入水流中，确保光在水流与空气的界面发生全内反射。在传输过程中，水导激光系统必须保持稳定的水流形态，以确保激光的持续传输和聚焦。由于水流的稳定性和形态控制是关键，因此通常需要精密的控制系统来保持水流的稳定和均匀，因此喷嘴极为重要。另外水对不同波长的光具有不同的吸收和散射特性，在可见光和近红外波段，水的吸收相对较低，这使得水导激光在这些波段内具有良好的传输性能。此外，水的散射特性也较低，有助于减少激光传输过程中的损耗。然而，水对远红外和紫外波段的光吸收较强，因此水导激光主要应用于可见光和近红外波段。

水导激光加工技术的优势

传统加工方式主要包括机械加工、热切割和传统激光切割等。这些加工方式或多或少的在精度、效率和对材料的影响方面存在一定的局限性。例如，机械加工虽然广泛应用于各种材料的加工，但由于刀具的磨损和接触式加工方式，容易引起材料表面的微观损伤和热变形，限制了加工精度和表面质量。此外，热切割方式如等离子切割和火焰切割，虽然能够快速切割厚材料，但其高温处理过程容易导致材料的热影响区增大，产生热应力和微裂纹，降低了成品的机械性能和耐用性。

图3 传统激光加工与水导激光加工特点比对

同时水导激光加工技术相较于传统激光加工具有显著的优势。如图3所示，水导激光利用水作为传导介质，能够有效地冷却加工区域，减少热影响区，从而避免材料变形和微裂纹的产生，提高加工精度和质量（图4）。

图4 典型切割打孔加工技术特点比较

相较之下，水导激光加工技术结合了水和激光的双重优点，克服了传统加工方式的诸多短板。首先，水导激光通过水流引导激光束的传输，有效地冷却加工区域，显著减少了热影响区。这种冷却效果不仅防止了材料因高温而变形，还减少了热应力和微裂纹的产生，提高了加工件的机械性能和表面质量。科学研究表明，水的高比热容使其在激光加工过程中能迅速吸收和散热，有效保护了加工区域的材料特性。

其次，水导激光加工技术利用水的光学特性，增强了激光束的聚焦能力和能量密度。水的导光性和折射率特性使得激光束在水中能保持稳定的传输路径，避免了在空气中传输时的能量散射和损失。这不仅提高了加工效率，还使得加工过程更加精准，能够实现复杂和精细的切割和打孔操作。

此外，水导激光还具有环保和安全的优势。加工过程中，水介质能够有效捕捉和带走产生的烟尘、碎屑和有害气体，减少了对环境的污染和对操作人员的健康危害。相比传统加工方式中常见的高温烟雾和金属粉尘，水导激光的湿式操作环境显得更加清洁和安全。

水导激光应用领域

1

航空航天

在航空航天领域，材料通常具有高强度、高硬度和高耐热性，例如钛合金、镍基合金、CFRP、CMC以及陶瓷材料等。传统加工方法难以同时满足精度和效率的要求，而水导激光加工技术则凭借其高能量密度和精细冷却效果优势，能够精确切割和加工这些高性能材料，减少热影响区，防止材料变形和性能劣化，从而确保零部件的质量和可靠性。

图5 水导激光在航空航天领域上的应用

表1 水导激光在航空航天零部件上的应用

2

医疗器械

医疗器械的制造要求极高的精度和洁净度，如微创手术工具、植入物和诊断治疗装置等。水导激光加工技术通过水流冷却和清洁加工表面，避免了传统激光加工中可能产生的热损伤和表面污染，确保了器械的精度和生物相容性。此外，水导激光能够实现复杂几何形状的精密加工，满足个性化医疗器械的需求。

图6 水导激光在医疗器械上的应用

表2 水导激光在医疗器械零部件的应用

3

电子产品

在电子行业，尤其是微电子和半导体制造中，水导激光加工技术以其精确度和无热损伤的特点广泛应用于硅片切割、芯片封装和微结构加工。水的冷却作用减少了激光加工过程中的热效应，防止了微电子元件的热损坏，提高了产品的可靠性和性能。

图7 水导激光在电子产品上的应用

表3 水导激光在电子产品零部件上的应用

4

金刚石加工

水导激光技术在加工金刚石零部件方面具有显著的优势，包括高精度、低热影响、无机械应力、高效切割和打孔、优良的边缘和表面质量、多样化加工能力以及环保清洁加工。这些优势使水导激光成为金刚石加工领域的理想选择，相较于传统机械加工和其他激光加工方式，水导激光在保持材料完整性和提高加工质量方面表现得更加出色。

图8 水导激光在金刚石领域的应用

表4 水导激光在金刚石零部件的应用

中科煜宸激光–水导激光加工技术

南京中科煜宸激光技术有限公司成立于2013年，专注于激光智能制造装备及工艺领域11年，已交付激光加工类设备400余套，是一家以增材制造、水导激光、激光焊接、激光核心器件研发与生产为主营业务的国家级高新技术企业。

中科煜宸立足于自主创新，致力于推进先进水导激光设备的国产化开发和本土化服务，现已发布五款（RJ系列：RJ203、RJ205、RJ305、RJ505、RJ1005）标准型水导激光加工设备，覆盖了科研、航空航天和一般工业市场上主流的小、中、大型零件的加工能力。

中科煜宸提供水导激光加工服务全流程解决方案，已与国内数百家客户建立了水导激光加工服务合作，工艺团队通过近三年的工艺开发和积累，已建立多金属（铝合金、不锈钢、钛合金、高温合金、铜合金）、复合材料（CFRP、CMC）、带热障涂层的单晶高温合金（TBC）、半导体/陶瓷（SIC、ALN、ZrO2、SIN）、金刚石以及多种脆硬材料（磁钢、钨钢）等材料的工艺数据库，先后突破金属表面粗糙度质量提升和高效加工、复合材料无烧蚀高效加工、热障涂层大倾角和深径比微孔高效加工、大深度金刚石切片、大深度磁钢和陶瓷高效切割等多项技术难题。

图9  RJ系列水导激光加工装备

作者简介：

李代旭，南京中科煜宸激光技术有限公司，工艺经理，从事水导激光加工工艺研究。