随着航空航天、半导体、生物医疗等高端制造领域对关键零部件（如航空发动机耐热部件、集成电路晶圆、心血管支架等）的加工质量要求日益严苛，传统加工技术如机械加工（刀具磨损快、应力大）、电火花加工（材料需导电、表面完整性差）和电化学加工（易引入热损伤、环保问题）已难以满足“低热损伤、无微裂纹”的高质量需求。激光加工技术虽具有无机械应力、高自由度和高可控性等优点，但传统长脉冲激光热影响区大，而超快激光则成本高昂、效率较低。水导激光加工技术应运而生，它巧妙地将激光与水射流相结合，兼具高效与高质量的特点。水导激光加工设备能够实现对金属、陶瓷、半导体材料、树脂基复合材料、碳纤维复合材料等材料的精密切割、雕刻、钻孔、表面处理等加工，在汽车、航空航天、电子等领域广泛应用。QYResearch调研显示，2024年全球水导激光加工设备市场规模大约为17.59亿美元，预计2031年将达到32.15亿美元，2025-2031期间年复合增长率（CAGR）为9.0%。本文将系统解析水导激光技术的工作机理、耦合传输特性及其在多种材料加工中的广泛应用。一、水导激光的工作原理与系统构成水导激光技术的核心原理如图1所示。图1水导激光技术原理从图中可以看到，激光束经聚焦透镜后，透过玻璃窗口进入高压耦合水腔，在喷嘴处与微细高速水射流耦合。由于水与空气的折射率差异，激光在水-气界面发生全反射，被约束在水射流内部如光纤般传输至工件表面。耦合能束作用于材料时，激光能量使材料熔化、汽化乃至产生等离子体微爆破，冲击压力将熔融物质排出，实现材料去除。在此过程中，水射流扮演双重角色：一是作为“液光光纤”导引激光；二是及时冷却加工区并冲刷去除熔渣和碎屑，从而极大抑制热累积。该技术相比传统激光加工具备显著优势：1.近乎无热损伤：水射流的持续冷却作用使热影响区极小，避免了材料变质和微裂纹。2.工作距离长：激光通过水射流传输，无需频繁聚焦，即可在较长距离上保持加工能力。3.高精度与高深径比：水射流直径通常为25-150μm，能实现微米级结构的精细加工，且加工深径比大，切口锥度小。一套完整的水导激光加工系统主要包括光学系统（激光器与光路传输）、水射流发生系统（高压水泵、净化装置）、供气系统（提供辅助气体以稳定水射流）、耦合系统（喷嘴是关键部件）以及可视化耦合调节系统（用于实时监控和精密对焦）。二、激光-水射流耦合传输机理激光与水射流的高效、稳定耦合是决定加工性能的关键，该过程涉及复杂的流体动力学与光学传输问题：1.微细水射流的形成与稳定水射流的理想状态是“缩流”，即射流直径略小于喷嘴直径，使激光束不与喷嘴内壁接触，避免能量损耗和喷嘴烧蚀。“缩流”的形成机制主要有低速回流和液压翻转两种。前者通过优化喷嘴几何结构（如下锥形喷嘴）实现稳定流动；后者因汽蚀气泡扰动易导致射流雾化，应尽量避免。研究表明，喷嘴圆柱段长径比≤0.7时，有利于形成稳定的低速回流“缩流”。此外，采用多流道设计（如双侧入水、轴对称流道）能有效降低腔内湍流，提升射流稳定性。水射流出喷嘴后的流态可分为紧密段、过渡段、破碎段和水滴段。紧密段是激光全反射传输的有效工作区间，其长度直接决定加工距离。引入辅助气体约束可显著减少水-气摩擦，延长紧密段长度。2.光源选择与光束整形水的吸收特性对波长极为敏感，对532nm绿光和1064nm近红外光吸收相对较低，因此这两种光源常被选用。激光在水中的传输遵循Beer-Lambert定律，能量会随传输距离衰减。同时，激光加热会导致水温升高，改变水的折射率，可能引起光束漂移（“热透镜效应”）。因此，耦合腔内的水层应尽可能薄。高功率下还可能发生非线性效应（如受激拉曼散射）和空化气泡，导致额外能量损耗。通过使用可调谐振腔、非衍射光束透镜和多焦点透镜等光束整形技术，可以优化光斑质量，提升耦合效率和传输稳定性。3.光-水耦合与传输特性激光在水射流中的传输路径可分为子午光线（通过中心）和斜射光线。耦合成功的两个基本条件是：聚焦光斑半径小于喷嘴半径，且入射光线发散角小于全反射临界角。耦合时的相对位置误差（纵向、横向、角度）会严重影响能量传输效率。其中，横向和角度误差危害最大，易导致能量逸散烧损部件；而纵向误差影响较小，通过调节可实现端面耦合、近场耦合和远场耦合等不同模式。端面耦合通常是理想状态。高精度的光束调节系统（如双透镜离轴光学系统、压电偏转镜）对保证耦合质量至关重要。三、水导激光的多元化应用水导激光技术在金属、半导体及复合材料加工中展现出独特优势。1.金属材料加工在304不锈钢制孔中，水导激光可避免传统激光产生的严重重铸层和热损伤，形成相对干净的“U”形孔洞。用于TC4钛合金表面强化时，水导激光能产生更均匀的应力分布，显著提高零件的疲劳寿命。在清洗304不锈钢表面环氧树脂涂层时，能实现基体无损伤的彻底清洁。对于难加工的高温合金（如Inconel718），通过响应曲面法优化参数，水导激光能实现高精度切割，预测与实验切深误差极小。2.半导体材料加工针对GaN、单晶硅等硬脆材料，水导激光能有效避免机械加工带来的裂纹。与传统激光在硅片上产生的严重热损伤和残渣相比，水导激光加工的沟槽边缘光滑，无热影响区。通过优化扫描速度、功率等参数，可在硅片上加工出深宽比高达19.03、锥度仅0.013°的高质量微槽。此外，水导激光还可用于SiC的精密加工和硅表面亲水性微纳结构改性。3.复合材料加工对于碳纤维增强树脂（CFRP），水导激光能有效抑制分层、纤维拔出等缺陷。高功率水导激光（如240W）可将切割速度提升至21mm/min，满足工业效率需求。在SiC颗粒增强铝基复合材料加工中，水导激光能保持SiC颗粒的原始分布，避免传统激光加工导致的颗粒迁移和基体熔化。对于连续纤维增强的陶瓷基复合材料（如C_f/SiC），通过引入辅助气体排出积水和抑制飞溅，可成功制备大深径比（13.6）的微结构，且无纤维拉出或裂纹。先进的工艺优化方法，如神经网络预测模型，也为复杂复合材料的高质量加工提供了新思路。四、挑战与未来展望尽管水导激光技术优势显著，但仍面临耦合效率与精度有待提升、对超硬材料（如金刚石）加工工艺不成熟、高深宽比结构加工仍存局限等挑战。未来发展方向包括：1.减小光斑，提升耦合效率：优化激光器光束质量与精密光学元件，在保证加工分辨率的同时提高能量传输效率。2.动态补偿耦合位置：研究水温-折射率变化规律，开发自适应控制系统，以补偿热效应引起的光束漂移。3.深入研究加工表面能量分布：揭示表面形貌与水射流流场的相互作用机制，实现对材料去除过程的更精确控制。水导激光加工技术通过激光与水射流的创新结合，为解决难加工材料的高质量、高效率加工难题提供了强有力的方案。其在抑制热损伤、实现高精度和加工大深径比结构方面的独特优势，使其在高端制造领域具有广阔的应用前景。随着耦合机理的进一步明晰、关键技术的持续突破以及工艺参数的智能化优化，水导激光技术有望在航空航天、半导体、医疗设备等更多领域发挥不可替代的作用。参考文献：[1]孙瑾聪,王水旺,谢万达,等.水导激光耦合、传输机理与应用研究现状（特邀）[J].中国激光,2025,52(14):11-32.[2]格隆汇.聚焦：水导激光加工设备行业：“十五五”全球及中国市场供需、竞争与前景预测[EB/OL].(2025-04-05)[2025-11-19].https://www.qyresearch.com.cn/reports/5604637/water-guided-laser-processing-equipment
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