隨著我國航空、航天、通信、儀表和醫(yī)療等領(lǐng)域的快速發(fā)展，燃料噴嘴、太陽能硅光板、半導(dǎo)體芯片以及心臟支架等元件逐步向微型化和精細化方向發(fā)展，這對相關(guān)材料的切割質(zhì)量以及孔、槽等結(jié)構(gòu)的加工要求也越來越高，從而對加工技術(shù)提出了更高要求。

與其他加工方法相比，激光加工具有顯著優(yōu)勢：1) 屬于非接觸加工，不存在機械應(yīng)力；2) 材料適應(yīng)性好，并可以滿足柔性化制造要求；3) 加工過程可程序化，適合用于大面積加工 。1965 年，激光切割機被用于在金剛石模具上鉆孔。此后，激光加工涉及的領(lǐng)域不斷拓寬，目前已被廣泛應(yīng)用于航空航天、微電子、精密醫(yī)療、儀表等行業(yè)中進行鉆孔、劃槽、切割等作業(yè)。

為克服“干激光”加工過程中的熱問題，研究人員開發(fā)了一種復(fù)合系統(tǒng)，將激光和水進行結(jié)合。1842年，Colladon發(fā)現(xiàn)光可以沿著水射流曲線傳輸，證明了水射流導(dǎo)引光的可能性。1854年, Tyndall通過實驗發(fā)現(xiàn)了光在流動液體中的全反射現(xiàn)象，證實了水射流可以作為光纖對光進行傳輸。1987年，Doi嘗試將激光和水融合在一起，形成了可向加工表面施加激光輻射的“激光刀”。1990年，Wrobel成功地將射流與固體光纖相連，將激光引導(dǎo)到工件表面。1991年，瑞士聯(lián)邦理工大學(xué)的Richerzhagen博士采用噴嘴結(jié)構(gòu)產(chǎn)生射流，并將激光聚焦到噴嘴入口，對水導(dǎo)引光的原理進行了進一步完善。1993年，Richerzhagen開發(fā)了水導(dǎo)激光加工技術(shù)；1997年，Synova公司對該技術(shù)進行商業(yè)改進, 并首先將高速水射流的光波導(dǎo)應(yīng)用于加工領(lǐng)域。除了水導(dǎo)激光加工技術(shù)以外，研究人員還提出了各種水輔助激光技術(shù)，包括液芯激光波導(dǎo)加工、水下激光加工、水射流輔助共軸激光加工和液滴輔助激光加工。在上述加工技術(shù)中，水導(dǎo)激光( WJGL) 加工技術(shù)以其顯著的加工優(yōu)勢在多個制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

水導(dǎo)激光原理

圖1 水導(dǎo)激光的加工特性

水導(dǎo)激光的基本概念是利用水作為導(dǎo)光介質(zhì)來傳輸激光。傳統(tǒng)的光纖通常由玻璃或塑料制成，內(nèi)部通過全內(nèi)反射來傳導(dǎo)光。而水導(dǎo)激光系統(tǒng)則利用水的特殊光學(xué)特性，特別是其對特定波長激光的高透明度和低損耗特性。光在介質(zhì)中傳播時，當(dāng)光從高折射率介質(zhì)進入低折射率介質(zhì)時，如果入射角大于某一臨界角，光將會在界面發(fā)生全內(nèi)反射。傳統(tǒng)光纖即利用此原理，通過玻璃纖維內(nèi)外層折射率的差異，使光在纖維內(nèi)部多次反射而傳輸。水導(dǎo)激光則利用水的折射率（約為1.33）與周圍空氣的折射率（約為1.0）的差異，同樣可以實現(xiàn)全內(nèi)反射。這樣，激光可以在水中沿著特定路徑傳輸，類似于光纖中的光傳播。

水導(dǎo)激光加工優(yōu)勢

傳統(tǒng)加工方式主要包括機械加工、熱切割和傳統(tǒng)激光切割等。這些加工方式或多或少的在精度、效率和對材料的影響方面存在一定的局限性。例如，機械加工雖然廣泛應(yīng)用于各種材料的加工，但由于刀具的磨損和接觸式加工方式，容易引起材料表面的微觀損傷和熱變形，限制了加工精度和表面質(zhì)量。此外，熱切割方式如等離子切割和火焰切割，雖然能夠快速切割厚材料，但其高溫處理過程容易導(dǎo)致材料的熱影響區(qū)增大，產(chǎn)生熱應(yīng)力和微裂紋，降低了成品的機械性能和耐用性。

圖2 傳統(tǒng)激光加工與水導(dǎo)激光加工特點比對

同時水導(dǎo)激光加工技術(shù)相較于傳統(tǒng)激光加工具有顯著的優(yōu)勢。水導(dǎo)激光利用水作為傳導(dǎo)介質(zhì)，能夠有效地冷卻加工區(qū)域，減少熱影響區(qū)，從而避免材料變形和微裂紋的產(chǎn)生，提高加工精度和質(zhì)量。

相較之下，水導(dǎo)激光加工技術(shù)結(jié)合了水和激光的雙重優(yōu)點，克服了傳統(tǒng)加工方式的諸多短板。首先，水導(dǎo)激光通過水流引導(dǎo)激光束的傳輸，有效地冷卻加工區(qū)域，顯著減少了熱影響區(qū)。這種冷卻效果不僅防止了材料因高溫而變形，還減少了熱應(yīng)力和微裂紋的產(chǎn)生，提高了加工件的機械性能和表面質(zhì)量。科學(xué)研究表明，水的高比熱容使其在激光加工過程中能迅速吸收和散熱，有效保護了加工區(qū)域的材料特性。

其次，水導(dǎo)激光加工技術(shù)利用水的光學(xué)特性，增強了激光束的聚焦能力和能量密度。水的導(dǎo)光性和折射率特性使得激光束在水中能保持穩(wěn)定的傳輸路徑，避免了在空氣中傳輸時的能量散射和損失。這不僅提高了加工效率，還使得加工過程更加精準(zhǔn)，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜和精細的切割和打孔操作。

此外，水導(dǎo)激光還具有環(huán)保和安全的優(yōu)勢。加工過程中，水介質(zhì)能夠有效捕捉和帶走產(chǎn)生的煙塵、碎屑和有害氣體，減少了對環(huán)境的污染和對操作人員的健康危害。相比傳統(tǒng)加工方式中常見的高溫?zé)熿F和金屬粉塵，水導(dǎo)激光的濕式操作環(huán)境顯得更加清潔和安全。

圖3 加工不銹鋼對比：皮秒激光（左）、飛秒激光（中）和水導(dǎo)激光（右）

水導(dǎo)激光切割的技術(shù)難點及發(fā)展趨勢

? 激光在水束中的衰減問題

水導(dǎo)激光切割技術(shù)作為一種結(jié)合水射流和激光的先進加工方法，在精密制造中展示了獨特的潛力。然而，由于激光在水中的能量衰減較大，這限制了其在高功率應(yīng)用中的效率。具體來說，水束中的高功率密度激光由于多次散射和吸收，能量衰減幅度較大，導(dǎo)致加工速度下降。例如，切割18毫米厚的碳纖維復(fù)合材料時，速度僅為每分鐘5毫米，這大大限制了該技術(shù)在厚重材料加工中的應(yīng)用。盡管當(dāng)前的研究已經(jīng)揭示了激光在水中傳輸?shù)幕驹恚绾斡行p少這種衰減仍是一個尚待解決的技術(shù)難題。未來，可能會開發(fā)出具有更優(yōu)異導(dǎo)光性能的介質(zhì)材料，以替代水束，從而提升切割效率和工藝適用性。

? 水射流的微細化挑戰(zhàn)

在水導(dǎo)激光切割技術(shù)中，水射流的直徑直接影響著切割的精度和寬度。隨著微細加工技術(shù)的發(fā)展，噴嘴的直徑已經(jīng)可以縮小到30微米，從而實現(xiàn)高精度切割。然而，水射流的進一步微細化面臨著一系列技術(shù)挑戰(zhàn)，包括水束的穩(wěn)定性、有效長度以及激光光斑的直徑控制。這些問題不僅影響切割效果，還對設(shè)備的設(shè)計和制造提出了更高的要求。未來的研究可能會著重于優(yōu)化噴嘴設(shè)計和流體動力學(xué)，以在保持水射流穩(wěn)定性的同時進一步提高切割精度。

? 噴嘴孔加工的技術(shù)要求

為了確保水導(dǎo)激光切割的高質(zhì)量，噴嘴孔的設(shè)計和制造精度至關(guān)重要。噴嘴孔必須具備極薄的壁厚，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(nèi)表面的粗糙度需要控制在極低的水平，以確保水束的穩(wěn)定性和一致性。這些高要求的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)使得噴嘴孔的加工難度極大，尤其是在批量生產(chǎn)中，如何保持一致性和精度是制造業(yè)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

? 耦合對準(zhǔn)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性

在水導(dǎo)激光切割系統(tǒng)中，激光束與水束的耦合和對準(zhǔn)精度直接影響切割質(zhì)量。目前，盡管已經(jīng)采用了高精度的伺服驅(qū)動控制機構(gòu)，但激光與水束的快速、準(zhǔn)確耦合問題仍未得到徹底解決。為了提高耦合精度，需要引入更加先進的檢測和校準(zhǔn)系統(tǒng)，例如水束光纖與激光聚焦耦合檢測系統(tǒng)、工件定位系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)的集成與優(yōu)化是實現(xiàn)高精度水導(dǎo)激光切割的關(guān)鍵。

? 工藝研究的系統(tǒng)性不足

雖然水導(dǎo)激光技術(shù)在理論上展現(xiàn)了許多優(yōu)勢，但在實際應(yīng)用中，工藝控制仍面臨諸多挑戰(zhàn)。目前，行業(yè)內(nèi)缺乏完整的加工工藝與評價體系，導(dǎo)致加工效率、精度以及材料表面完整性等關(guān)鍵指標(biāo)難以穩(wěn)定保持。這種工藝研究的缺失使得水導(dǎo)激光切割技術(shù)在不同材料和厚度條件下的適應(yīng)性較差。因此，未來需要進行更加系統(tǒng)的工藝研究，以建立全面的工藝參數(shù)庫和評價標(biāo)準(zhǔn)，從而提升水導(dǎo)激光技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用潛力。

水導(dǎo)激光在航空發(fā)動機上的應(yīng)用

由于航空發(fā)動機不斷增長的性能需求，高壓渦輪前溫度也一直在提高，因此，對先進葉片冷卻技術(shù)和氣膜冷卻孔加工技術(shù)和設(shè)備的要求也大為提高。飛秒激光加工技術(shù)是隨激光技術(shù)的發(fā)展逐步應(yīng)用于微孔加工，是一種高效且有發(fā)展前景的氣膜孔加工技術(shù)。

傳統(tǒng)激光打孔和電火花打孔都屬于熱加工方法，高度集中的能量在小范圍內(nèi)對材料加熱融化和冷卻凝固，導(dǎo)致產(chǎn)生熱裂紋和重融層。由于微裂紋和重融層對葉片的疲勞性能影響巨大，所以通常在傳統(tǒng)打孔工藝后單獨安排去除重融層工序。

飛秒激光加工技術(shù)是隨激光技術(shù)的發(fā)展逐步應(yīng)用于微孔加工的，由于其脈沖持續(xù)時間極短、峰值功率極高，與傳統(tǒng)的納秒激光加工不同，其獨特的冷加工去除材料機理 使避免了重融層和微裂紋的出現(xiàn)。除了常規(guī)圓柱形孔，當(dāng)前廣泛應(yīng)用于渦輪葉片的主要是異形孔，其具有復(fù)雜三維形狀。相關(guān)研究表明，異形孔相對于圓柱形孔具有更好的冷卻效率。另外，現(xiàn)在葉片表面通常覆蓋有熱障涂層（一般為氧化鋯或陶瓷等非導(dǎo)電材料），未來的渦輪葉片基體也趨向采用非金屬材料，以上兩點會導(dǎo)致采用傳統(tǒng)氣膜孔加工方法 將十分困難或無法進行。而飛秒激光打孔具有材料適應(yīng)性廣、非接觸 加工、無機械應(yīng)變、無大面積熱應(yīng)變、定位精度高、適合加工復(fù)雜孔型、可加工高精度群孔、極小重融層和微裂紋等特點。

圖4 渦輪葉片激光制孔

圖5 傳統(tǒng)激光打孔(A)與水導(dǎo)激光打孔(B)的對比

由于水導(dǎo)激光的全能型技術(shù)，其可以加工各種厚度范圍的各種難加工材料，同時還不會產(chǎn)生熱影響區(qū)和微裂紋等缺陷。因此，水導(dǎo)激光技術(shù)可以完美地實現(xiàn)航空發(fā)動機所有復(fù)雜和精密的加工需求，幫助我國在航空工業(yè)上取得更偉大的成就。

水導(dǎo)激光加工單晶高溫合金

中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所浙江省航空發(fā)動機極端制造技術(shù)研究重點實驗室和寧波大學(xué)機械工程與力學(xué)學(xué)院的科研人員報道了水導(dǎo)激光加工DD6單晶高溫合金的表面質(zhì)量分析研究。東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院、南京中科煜宸激光技術(shù)有限公司、蘇州中科激光智能制造創(chuàng)新研究院及沈陽工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院的科研人員報道了水導(dǎo)激光加工DD6單晶高溫合金重熔層的分析研究。相關(guān)論文分別以“Surface quality analysis of waterjet-guided laser processing DD6 single-crystal superalloys”、“Analysis of remelted layers of DD6 single-crystal superalloys by water jet-guided laser processing”為題發(fā)表在《Materials Today Communications》、《Journal of Alloys and Compounds》上。

圖6 水導(dǎo)激光加工示意圖

圖7  a）切槽的微觀三維形貌；（b）切槽的橫截面視圖

圖8 水導(dǎo)激光開槽出口處的微觀形貌：（a）100倍；（b）500倍；（c）2000倍

圖9 水導(dǎo)激光和傳統(tǒng)納秒激光開槽后材料上表面的形貌：（a）、（b）、（c）：水導(dǎo)激光；（d）、（e）、（f）：傳統(tǒng)納秒激光

圖10 傳統(tǒng)納秒激光加工和水導(dǎo)激光加工DD6合金的對比

圖11 水導(dǎo)激光加工鎳基單晶高溫合金的形貌分析

圖12 重熔層加工橫截面的元素分布

圖13水導(dǎo)激光加工鎳基單晶高溫合金縱截面的元素分布

圖14 加工對晶體結(jié)構(gòu)影響的示意圖

圖15 重熔層微觀結(jié)構(gòu)的電子顯微鏡圖像

圖16重熔層不同區(qū)域的電子顯微鏡圖像

圖17 水導(dǎo)激光加工機理示意圖；(a) 加工界面響應(yīng)；(b) 重熔層中的晶體取向分布

水導(dǎo)激光加工展現(xiàn)出了能夠?qū)崿F(xiàn)精確加工的能力，由于水射流的冷卻作用，其熱損傷有所降低。激光與水射流之間的相互作用引發(fā)了周期性的熱應(yīng)力，從而在重熔層表面形成了脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)。水射流中的氧擴散導(dǎo)致重熔層內(nèi)形成氣泡，且氣泡密度隨著與界面距離的增加而減小。微觀結(jié)構(gòu)檢查揭示了不同程度的氧化現(xiàn)象以及析出相的存在，確定了多晶區(qū)域和非晶區(qū)域。晶體結(jié)構(gòu)的變化包括形成了β-NiAl多晶晶粒，其取向與基體略有不同。水射流施加的機械應(yīng)力影響了重熔層的表面取向，使其與水射流的運動方向一致?！　?/p>

這些研究結(jié)果表明，雖然水導(dǎo)激光加工會在重熔層中引入微觀結(jié)構(gòu)的改變，但與傳統(tǒng)激光加工方法相比，它在加工精度和減少熱影響方面具有顯著優(yōu)勢。優(yōu)化加工參數(shù)可以減輕這些微觀結(jié)構(gòu)的變化，并提高部件的性能。本研究強調(diào)了水導(dǎo)激光技術(shù)在高溫合金應(yīng)用中的潛力，突出了了解微觀結(jié)構(gòu)影響對于確保加工部件穩(wěn)定性的重要性。