01
水導(dǎo)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(zhǎng)脈沖激光、短脈沖激光和超短脈沖激光。連續(xù)激光和長(zhǎng)脈沖激光具有較高的加工速度，但會(huì)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(zhuǎn)化為等離子態(tài)，實(shí)現(xiàn)材料噴發(fā)去除，從而達(dá)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(jí)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(huì)產(chǎn)生大量熱量，因而本質(zhì)上仍屬熱加工工藝，具有與長(zhǎng)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(duì)高精度和高效率加工技術(shù)的需求不斷增長(zhǎng)，為解決傳統(tǒng)激光加工過程中所面臨的熱問題，水導(dǎo)激光應(yīng)運(yùn)而生。在水導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)的激光能量便會(huì)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(yuǎn)小于傳統(tǒng)水射流加工，水流的主要作用是傳導(dǎo)激光，同時(shí)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(hù)其結(jié)構(gòu)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(zhǎng)和脈寬的激光，并在適當(dāng)?shù)墓ぷ骶嚯x內(nèi)作用于多種材質(zhì)的工件表面，從而滿足廣泛的生產(chǎn)需求。
圖1.水導(dǎo)激光加工原理。
激光與水界面的相互作用：
激光從空氣進(jìn)入水介質(zhì)時(shí)，會(huì)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(shí)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(shí)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(shí)，水流的形態(tài)、速度和厚度會(huì)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(diào)節(jié)激光的模式，從而影響激光的焦點(diǎn)和分布。對(duì)激光模態(tài)的精確控制可以進(jìn)一步優(yōu)化能量在工件上的分布，以滿足微結(jié)構(gòu)的加工需求。
液體介質(zhì)對(duì)激光波形的優(yōu)化：
在水導(dǎo)激光中，水介質(zhì)具有一定的自愈合能力，能在激光脈沖間隔期間快速恢復(fù)傳輸通道。特別是對(duì)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(shí)避免了高頻激光對(duì)水流形態(tài)的損耗影響。
02
水導(dǎo)激光打孔
傳統(tǒng)的激光打孔精度不高、重復(fù)精度低，加工后不可避免會(huì)出現(xiàn)重熔甚至微裂紋。因此，國(guó)外的SYNOVA公司與GE公司合作開發(fā)了能夠運(yùn)用于渦輪葉片氣膜孔的加工技術(shù)。圖2通過對(duì)比兩種激光打孔技術(shù)效果，可以看出，通過傳統(tǒng)激光打孔技術(shù)獲得的孔，邊緣比通過水導(dǎo)激光獲得的孔的邊緣更加粗糙，若要獲得更精細(xì)的孔，還需進(jìn)一步的加工處理。通過水導(dǎo)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(zhì)量，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
圖2.傳統(tǒng)激光打孔與水導(dǎo)激光打孔加工對(duì)比。(a)傳統(tǒng)激光打孔;(b)水導(dǎo)激光打孔。
為了更明顯確立水導(dǎo)激光打孔優(yōu)勢(shì)。王等人分別用微秒激光、飛秒激光和水導(dǎo)激光對(duì)DD6合金進(jìn)行打孔，得到的孔表面形貌對(duì)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(jié)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(dǎo)致出現(xiàn)大范圍的熱影響區(qū)，蝕除后的材料不能及時(shí)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?yàn)轱w秒激光的脈沖寬度時(shí)間比熱量在晶格之間傳輸?shù)臅r(shí)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(zhì)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(dǎo)激光在加工過程中水流及時(shí)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(shí)水射流有效地沖刷冷卻加工壁面，能夠極大地提高表面質(zhì)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。
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03
水導(dǎo)激光切割
激光切割在復(fù)合材料、陶瓷和難加工材料的精密切割上有許多優(yōu)勢(shì)，由于工具和工件之間沒有直接接觸，而不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力、摩擦和磨損。然而激光發(fā)出的高熱能會(huì)導(dǎo)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(dǎo)激光切割技術(shù)。在加工硬脆性或有毒半導(dǎo)體材料時(shí)，常常面臨著工件漂移、毒性氣溶膠污染等嚴(yán)重問題，采用水導(dǎo)激光加工技術(shù)，不僅能有效提升加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率，還能避免環(huán)境污染。Dushkina等對(duì)比了水導(dǎo)激光和傳統(tǒng)精密鋸切工藝切割砷化鎵(GaAs)晶片的表面質(zhì)量,如圖4所示。水導(dǎo)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(shí)水射流的存在避免了有毒砷化鎵顆粒向空氣中擴(kuò)散。
圖4.精密鋸切和水導(dǎo)激光切割砷化鎵(GaAs)晶片的前表面質(zhì)量對(duì)比。
Paksoy等人用傳統(tǒng)激光與水導(dǎo)激光分別切割不同厚度的AISI1020鋼板，研究發(fā)現(xiàn)水導(dǎo)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(guān)的問題，例如切口和熱損傷。同時(shí)，與傳統(tǒng)激光切割相比，水導(dǎo)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(dǎo)激光和傳統(tǒng)激光切割后，表面的SEM形貌。(a)水導(dǎo)激光切割；(b)傳統(tǒng)激光切割。
同理，Wagner等人通過對(duì)比水導(dǎo)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(dǎo)激光切割所加工的材料在其表面粗糙程度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)熱影響區(qū)的優(yōu)勢(shì)更加明顯。
圖6.激光切割與水導(dǎo)激光切割加工不銹鋼對(duì)比圖。(a)傳統(tǒng)激光切割；(b)水導(dǎo)激光切割。
水導(dǎo)激光切割表面形貌特征分析：
郭等人對(duì)水導(dǎo)激光切割后的TC4鈦合金表面形貌進(jìn)行了詳細(xì)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(diǎn)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(dǎo)激光切槽
對(duì)于陶瓷材料的加工而言有一個(gè)巨大的缺陷，即低韌性使得陶瓷上的細(xì)小裂紋很容易擴(kuò)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(dǎo)激光對(duì)陶瓷材料進(jìn)行切槽，研究發(fā)現(xiàn)激光功率的增加對(duì)導(dǎo)致表面材料表面的熔融區(qū)寬度以微米級(jí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明水導(dǎo)激光切槽陶瓷材料的表面形貌相對(duì)較好。
圖8.不同激光功率下的水導(dǎo)激光對(duì)陶瓷材料切槽的SEM圖像。
