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，并通過水束引導激光到達加工材料的表面。在這種系統中，激光器產生的激光首先通過一系列光學元件（如透鏡和反射鏡）進行準直和聚焦，然后通過一個特殊的噴嘴與高壓水射流結合。水射流在噴嘴中形成一個微小的通道，激光束通過這個通道被引導至工件表面，如圖1所示。由于水的折射率與空氣不同，激光在水中的傳播路徑會發生變化，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毫米甚至微米級的加工精度。由于水束的直徑非常小，通常只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輸到工件表面，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沖刷的作用，可以有效地降低工件表面的溫度，減少熱影響區的范圍，從而提高加工效率和加工質量。

減少熱損傷：由于水束流的冷卻作用，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，由于熱傳導和熱輻射作用，工件表面和內部材料發生熱變形、熱損傷或相變的區域。水導激光通過水束的快速冷卻，可以迅速將工件表面的熱量帶走，從而減少熱影響區的范圍和深度，避免材料的熱變形和熱損傷。

圖2.（a）“普通干激光”切割與水導激光切割鈦合金切口截面的SEM圖像，（b）水導激光與“普通干激光”切割CFRP得到的切面對比。

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。它可以用于加工航空航天器的發動機葉片、渦輪盤、燃燒室等關鍵部件，這些部件通常由高溫合金、鈦合金等難加工材料制成。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面質量，提高部件的性能和可靠性。此外，水導激光還可以用于航空航天器的結構件加工，如機翼、機身等，能夠實現復雜形狀的加工和輕量化設計。

半導體領域：在半導體制造過程中，水導激光可以用于切割硅片、晶圓等半導體材料，以及進行芯片的封裝和測試。由于半導體材料對加工精度和表面質量要求極高，水導激光的高精度和低熱損傷特性使其成為理想的加工工具。它可以實現對硅片的精細切割，避免裂紋和損傷，提高芯片的良品率和性能。同時，水導激光還可以用于半導體器件的微加工，如微電子元件的制造、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，水導激光可以用于加工太陽能電池板、燃料電池等新能源設備的關鍵部件。例如，在太陽能電池板的制造過程中，水導激光可以用于切割硅片、刻蝕電池片表面的電極圖案等，提高電池板的光電轉換效率和性能。在燃料電池的制造中，水導激光可以用于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。

水導激光面臨的挑戰和問題

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導致切割線的偏移或表面粗糙度增加，從而影響加工精度和表面質量。為了保證水束流的穩定性，需要優化水束流的控制系統，確保其在加工過程中能夠保持穩定的狀態。

激光與水束的耦合效率問題：激光束與水束的耦合效率直接關系到加工效果。如果耦合效率較低，會導致激光能量在水束中的損失增加，從而降低加工效率和質量。

噴嘴孔加工的技術要求：為了確保水導激光加工的高質量，噴嘴孔的設計和制造精度至關重要。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，以抵抗水流沖擊。此外，孔內表面的粗糙度也需要控制在極低的水平，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、潔凈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生干擾，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格的控制和管理。

國內外行業發展現狀

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。國外公認的生產水導激光設備龍頭企業主要有兩家，分別是瑞士的Synova和Avonisys。

目前國內水導激光加工設備企業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，也有其他企業采取直接引進國外的相關技術，然后在國內組裝生產、優化產品，雖然短期內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，如核心技術受制于人、研發投入失衡和產業鏈風險外溢等等，筆者認為應該構建“引進-吸收-超越”的正向循環。

好消息是目前國內已經有企業能夠提供商用設備，實現了配件100%國產。隨著中國制造業的轉型升級，水導激光加工技術將在高端制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、高端裝備制造等領域，水導激光技術的應用將推動這些行業的技術創新和產品升級。