01
水導激光加工原理
根據(jù)脈沖寬度的不同，激光熱源通常分為連續(xù)激光、長脈沖激光、短脈沖激光和超短脈沖激光。連續(xù)激光和長脈沖激光具有較高的加工速度，但會產(chǎn)生較大的熱影響區(qū)，容易形成重鑄層。相比之下，超短脈沖激光可直接將材料轉化為等離子態(tài)，實現(xiàn)材料噴發(fā)去除，從而達到“冷加工”效果，但其加工效率較低。與超短脈沖激光相比，納秒級短脈沖激光獲取成本更低，材料去除率更高。然而，納秒脈沖激光加工會產(chǎn)生大量熱量，因而本質上仍屬熱加工工藝，具有與長脈沖和連續(xù)激光加工相似的典型熱缺陷，易在工件中形成重鑄層。
隨著制造業(yè)對高精度和高效率加工技術的需求不斷增長，為解決傳統(tǒng)激光加工過程中所面臨的熱問題，水導激光應運而生。在水導激光加工中，激光能量并不像“干激光”那樣直接作用于工件表面，而是通過水流傳遞至工件。水流在這里可視作一根玻璃光纖，激光在水流中以類似光纖傳導的方式精確、高效地被傳輸至指定區(qū)域。一旦穩(wěn)定的水射流與工件表面接觸，水射流引導的激光能量便會被材料表面吸收，從而引發(fā)燒蝕區(qū)域的材料熔化、蒸發(fā)。在此過程中，水射流的沖擊力遠小于傳統(tǒng)水射流加工，水流的主要作用是傳導激光，同時帶走加工產(chǎn)生的廢料，并保持工件表面處于較低溫狀態(tài)，以保護其結構不受損傷。穩(wěn)定的水射流在不超過水的擊穿閾值的情況下，能夠耦合不同波長和脈寬的激光，并在適當?shù)墓ぷ骶嚯x內(nèi)作用于多種材質的工件表面，從而滿足廣泛的生產(chǎn)需求。
圖1.水導激光加工原理。
激光與水界面的相互作用：
激光從空氣進入水介質時，會經(jīng)歷折射、散射和反射等過程，水的折射率使激光在界面上得到控制，有助于減少激光束的發(fā)散，從而確保能量能夠集中傳遞至工件。同時水與激光相互作用的這種特性可以避免激光在空氣中傳輸時能量的過多衰減。
水流內(nèi)的激光模態(tài)控制：
由于激光在水射流中傳播時，水流的形態(tài)、速度和厚度會影響激光束的模態(tài)。通過控制水流的流速和形態(tài)，可以調節(jié)激光的模式，從而影響激光的焦點和分布。對激光模態(tài)的精確控制可以進一步優(yōu)化能量在工件上的分布，以滿足微結構的加工需求。
液體介質對激光波形的優(yōu)化：
在水導激光中，水介質具有一定的自愈合能力，能在激光脈沖間隔期間快速恢復傳輸通道。特別是對于高頻脈沖激光，水射流的自愈特性確保了激光束的穩(wěn)定傳輸，同時避免了高頻激光對水流形態(tài)的損耗影響。
02
水導激光打孔
傳統(tǒng)的激光打孔精度不高、重復精度低，加工后不可避免會出現(xiàn)重熔甚至微裂紋。因此，國外的SYNOVA公司與GE公司合作開發(fā)了能夠運用于渦輪葉片氣膜孔的加工技術。圖2通過對比兩種激光打孔技術效果，可以看出，通過傳統(tǒng)激光打孔技術獲得的孔，邊緣比通過水導激光獲得的孔的邊緣更加粗糙，若要獲得更精細的孔，還需進一步的加工處理。通過水導激光加工得到的孔邊緣圓滑，沒有毛刺，獲得了更好的加工質量，具有明顯的技術優(yōu)勢。
圖2.傳統(tǒng)激光打孔與水導激光打孔加工對比。(a)傳統(tǒng)激光打孔;(b)水導激光打孔。
為了更明顯確立水導激光打孔優(yōu)勢。王等人分別用微秒激光、飛秒激光和水導激光對DD6合金進行打孔，得到的孔表面形貌對比如圖3所示。微秒激光得到的孔表面存在顯著的熱影響區(qū)，孔邊緣的連續(xù)性較差，并且存在明顯的熔融材料沉積。這是由于微秒激光的脈寬和功率較大，脈沖結束后材料得不到充分的冷卻，熱量繼續(xù)向材料內(nèi)部傳遞，導致出現(xiàn)大范圍的熱影響區(qū)，蝕除后的材料不能及時有效排出，沉積在材料表面形成液滴狀熔融沉積物。飛秒激光加工得到的孔表面幾乎沒有熱影響區(qū)、材料熔融再沉積等加工損傷，這是因為飛秒激光的脈沖寬度時間比熱量在晶格之間傳輸?shù)臅r間更短，使得飛秒激光加工為近似的“冷加工”過程，從而可以得到更高質量的孔。但由于激光能量的高斯分布，飛秒激光制孔的錐度難以得到控制，且加工得到的孔圓度較差，加工效率低，因此難以滿足大批量孔的加工。相比之下，水導激光在加工過程中水流及時將熔融物帶走，克服了傳統(tǒng)微秒激光加工過程中金屬熔融物飛濺的問題，同時水射流有效地沖刷冷卻加工壁面，能夠極大地提高表面質量，減少熱影響區(qū)。
圖3.不同激光加工手段制取的孔表面形貌。
咨詢水導激光設備電話：13522079385
03
水導激光切割
激光切割在復合材料、陶瓷和難加工材料的精密切割上有許多優(yōu)勢，由于工具和工件之間沒有直接接觸，而不會產(chǎn)生機械應力、摩擦和磨損。然而激光發(fā)出的高熱能會導致工件表面出現(xiàn)硬度損失和局部塌陷等問題。因此許多研究提出了水導激光切割技術。在加工硬脆性或有毒半導體材料時，常常面臨著工件漂移、毒性氣溶膠污染等嚴重問題，采用水導激光加工技術，不僅能有效提升加工質量、生產(chǎn)效率，還能避免環(huán)境污染。Dushkina等對比了水導激光和傳統(tǒng)精密鋸切工藝切割砷化鎵(GaAs)晶片的表面質量,如圖4所示。水導激光切割得到的切縫更整齊,無毛刺和碎屑,且切割速度比鋸切高7-10倍;同時水射流的存在避免了有毒砷化鎵顆粒向空氣中擴散。
圖4.精密鋸切和水導激光切割砷化鎵(GaAs)晶片的前表面質量對比。
Paksoy等人用傳統(tǒng)激光與水導激光分別切割不同厚度的AISI1020鋼板，研究發(fā)現(xiàn)水導激光大大降低了材料表面粗糙度，并最大限度減少了與傳統(tǒng)激光切割相關的問題，例如切口和熱損傷。同時，與傳統(tǒng)激光切割相比，水導激光切割產(chǎn)生的白層更小，表面波紋有著顯著改善。
圖5.水導激光和傳統(tǒng)激光切割后，表面的SEM形貌。(a)水導激光切割；(b)傳統(tǒng)激光切割。
同理，Wagner等人通過對比水導激光切割與傳統(tǒng)激光切割的效果，發(fā)現(xiàn)在切割速度一致的條件下，水導激光切割所加工的材料在其表面粗糙程度和內(nèi)部結構熱影響區(qū)的優(yōu)勢更加明顯。
圖6.激光切割與水導激光切割加工不銹鋼對比圖。(a)傳統(tǒng)激光切割；(b)水導激光切割。
水導激光切割表面形貌特征分析：
郭等人對水導激光切割后的TC4鈦合金表面形貌進行了詳細分析。切割后的表面隆起、凹陷處有不同的特征，根據(jù)形態(tài)特點分為4種區(qū)域：隆起區(qū)、凹陷區(qū)、碎石區(qū)、波紋區(qū)。隆起區(qū)和凹陷區(qū)在切割表面的上部、中部交替循環(huán)出現(xiàn)，碎石區(qū)和波紋區(qū)出現(xiàn)在切割表面的底部，如圖7所示。
圖7.切割表面分區(qū)，從上到下依次為隆起區(qū)、凹陷區(qū)、碎石區(qū)和波紋區(qū)。
04
水導激光切槽
對于陶瓷材料的加工而言有一個巨大的缺陷，即低韌性使得陶瓷上的細小裂紋很容易擴展，從而限制了陶瓷的切削加工。Hu等人研究了不同工藝參數(shù)下的水導激光對陶瓷材料進行切槽，研究發(fā)現(xiàn)激光功率的增加對導致表面材料表面的熔融區(qū)寬度以微米級的增量增加；隨著掃描速度的增加，材料的燒蝕深度減小但燒蝕效率提高。整體實驗結果表明水導激光切槽陶瓷材料的表面形貌相對較好。
圖8.不同激光功率下的水導激光對陶瓷材料切槽的SEM圖像。
