水导激光加工技术：水光纤与激光的完美组合

随着我国航空航天、微电子、医疗等领域的快速发展，对硬脆半导体材料、金属材料和复合材料的加工效率、精度、表面粗糙度和一致性等提出了更高的要求。因这些材料的硬脆性、各向异性等特征，加工过程中易产生亚表面损伤、几何精度失准等问题，对现代加工技术的精度控制、表面完整性保障提出了挑战。机械加工、电火花加工和激光加工这三大工业加工技术，在适应的场景与工艺瓶颈上也呈现显著的差异。而水导激光技术（Water-jet guided laser, WJGL）通过激光与水射流融合，创新性地解决了上述技术存在的瓶颈，近年脱颖而出，引起了产业界的极大关注。

一、

水导激光技术原理

图1 水导激光装置图与原理图。（a）水导激光核心系统；（b）水导激光光束能量分布

如图1（a）所示，水导激光核心系统一般由高功率纳秒激光光源、高压水循环系统、激光-高压水射流耦合装置构成，通过精准调控激光束的入射角小于水射流的全反射临界角，从而实现激光载能束在水射流中的全反射传输。这种全反射传输机制使激光束被完全束缚在直径30-100 μm的水柱内，同步完成材料去除与加工区冷却，从本质上规避了传统加工中的机械应力、热损伤及环境污染问题。图1（b）是通过激光束分析仪（SP620U，Spiricon）测得水导激光光束能量分布，呈现出典型的均匀平顶特征，与传统高斯光束的梯度分布形成鲜明对比。这种平顶化分布表明水射流对激光能量的约束作用有效抑制了光束中心能量过高的现象，从而降低了热累积效应引起的材料局部过热风险，为高精度加工中热影响区的精确控制提供了物理基础。

二、

水导激光加工优势

相较于常规干法激光加工，水导激光技术在加工机理与性能上呈现显著差异化优势：

首先，无聚焦限制的长焦深加工：通过水射流约束形成直径30-100 μm的柱状光束（有效长度80-100 mm），无需动态调焦即可实现深宽比>20:1的微结构加工；

其次，无束腰柱状激光：高压水约束激光束能量沿轴向呈均匀平顶分布，区别于传统激光高斯光束的束腰能量集中效应，使材料沿光束路径同步消融，实现锥度角

此外，熔渣原位清除：高压水射流实时排出汽化与熔融产物，避免传统激光加工中熔渣重凝导致的表面凸起。

图2 常规干法激光与水导激光切割特点对比

三、

水导激光技术的应用

以下举几个我们最近尝试的例子，可以清晰看出水导激光比起常规干法激光加工的优势。

01

Ni-Si合金的加工

随着航空航天技术进步，涡轮叶片材料耐温性要求提升至1850-1950℃，而镍基合金已接近其1150℃的极限温度。兼具低密度（6.6-7.2 g/cm³）与高温强度的Nb-Si合金成为潜在替代材料，但其高温易氧化特性导致传统方法难以有效制备气膜孔。水导激光技术利用高压水射流实现双重优势：实时冷却抑制氧化反应，同步冲刷熔融物消除热损伤，为Nb-Si合金高完整性加工提供了创新解决方案。

图3 (a)WJGL和常规干法激光加工的示意图，k表示激光入射方向；(b)分别由WJGL和常规干法激光切割的切缝的光学显微照片；(c)和(d)分别为WJGL和常规干法激光切割的切缝的SEM；(e-f)WJGL和常规干法激光、EDM加工后3D形貌；(g-i) EDM、常规干法激光和WJGL加工横截面；(j-l) 不同水压下WJGL加工横截面

图3比较了电火花线切割（Electrical Discharge Machining, EDM）、常规干法激光切割（Conventional laser, CL）和WJGL切割的切割上表面、截面的变化。由于电火花切割和常规干法激光切割的切割过程不能有效地抑制热效应，Nb-Si合金很容易被氧化，从而导致切割表面非常粗糙（如图3(e-f)所示）。而水导激光加工后看不到非常明显的重熔层和残渣，然而表面仍有轻微的裂纹和孔洞,如图3(i)所示，这是由于切割过程中的流体不稳定机制导致的。在水导激光水射流水压较低时，由于水射流的冲刷和冷却作用较弱，表面的起伏区域和孔洞结构较为明显。而在水射流为高水压下进行加工，其切面形成了一个相对比较光滑的表面。

图4 WJGL加工Nb-Si合金实例展示

图4展示了一个具体的WJGL加工实例，分别展示了加工出的直径为1 mm、深度为3 mm的通孔入口与出口。在入口的边缘没有明显的毛刺和热影响区，只有少许未被高压水清除的熔融残留物。入口和出口开口之间的直径差仅为10 μm，其锥度仅为0.0016°，没有明显的加工缺陷。图4(d)为WJGL加工的宽度为0.33 mm的镂空“SHU”字母，图4(e)为WJGL加工得到的“SHU”字母，字母的线宽仅仅为0.17 mm，但厚度是3 mm，深径比高达18。

02

非晶合金的加工

非晶合金因短程有序、长程无序的原子结构，展现出高弹性、高硬度和耐腐蚀等优异性能，但亚稳特性导致其加工困难：直接铸造需同时满足慢速填充与快速冷却，工艺窗口狭窄；热塑性成型依赖过冷液相区软化，但受限于粘度变化与结晶驱动力；减材制造中，电火花加工易引发亚表面缺陷，飞秒激光即便低温仍会诱发晶化。水导激光加工技术通过水射流动态冷却与熔融物冲刷的协同作用，为解决非晶合金加工中热积累与晶化控制的矛盾提供了新途径。

图5 (a)常规干法激光和WJGL处理的棒材顶部和底部表面的整体外观；(b)不同表面的晶相组成；(c-e)不同水导激光功率作用下非晶合金的横截面图

图5(a)是非晶合金棒材的加工形貌对比。棒材上端经常规干法激光加工后，样品表面金属光泽完全消失，表明热效应诱发了显著的热影响区（Heat affected zone, HAZ）。XRD物相分析进一步揭示：常规激光加工顶面检测到氧化锆（ZrO₂）及氧化亚铜（Cu₂O）相，而WJGL加工底面仅保留基体铜相，未出现Cu₂O特征峰。该差异证实水射流的实时冷却作用有效抑制了加工界面氧化反应，同时将热影响层厚度控制在15 μm以内（如图5(c)所示），从根本上避免了常规干法激光加工中因热积累引发的晶化问题，为非晶合金高完整性加工提供了可靠保障。

03

LTCC材料的加工

电子封装技术的出现导致了基板选择的重大转变，功能性陶瓷材料成为主要选项。作为功能性陶瓷的代表之一，低温共烧陶瓷（Low-temperature co-fired ceramic, LTCC）因其令人印象深刻的三维集成组件，已成为芯片和电子元件模块化的首选解决方案。LTCC成为了实现高频系统多层布线的重要手段。此外，LTCC能够导入多层电路并将其堆叠在一起，从而实现无源器件集成、高层数、高组装密度和多功能目标，这是印刷电路板（Printed circuit board, PCB）无法实现的，包括构建复杂精细的微系统以及压力传感器和可折叠传感器等。为了满足多功能微系统的集成需求，有必要采用精密微加工技术。

图6 不同水导激光功率加工LTCC：(a)微槽上表面微观形貌；(b)微槽上下表面宽度以及锥度；(c)微槽侧面

图6是WJGL在LTCC基板上加工的直线微槽形貌。通过水射流的动态冷却与熔融物冲刷协同作用，加工区域残留物被有效清除，槽壁周围重铸层显著抑制，即使在30 W高功率条件下仍能维持微槽边缘锐利的加工质量（图6(a)所示）。进一步量化分析表明，当激光功率从12 W增至28 W时，微槽锥度角始终稳定于0.2°-0.4°范围内，较传统激光（锥度角>2°）降低一个数量级。这得益于水射流约束形成的80-100 mm超长柱状光束，其能量分布均匀性使材料沿光束轴向同步消融，从而突破传统加工中光束发散导致的锥度效应，充分彰显WJGL技术在LTCC异形微结构高保形加工中的独特优势。

这些工作采用了宁波飞纳激光科技有限公司自主研发的水导激光系统，具有较高的加工效率、加工精度和长期稳定性。今后在国内水导激光企业和研究机构的不断努力下，相信能从根本上解决现在水导激光依然存在的长期稳定性差的难题，通过理解水导激光作用机理、设计优化耦合系统和提高激光功率以及缩小喷嘴直径等进一步提高切割效率和跨尺度加工精度，未来必将在半导体、显示、消费电子等领域大显身手。

图7 宁波飞纳激光科技有限公司开发的FN系列水导激光设备

作者简介：

张雨露，宁波大学硕士研究生，研究方向为水导激光技术与应用。

邱建荣，浙江大学光电学院教授，长期从事激光与物质相互作用。美国光学学会和美国陶瓷学会Fellow，欧洲科学院（EurAS）院士。曾获德国Abbe基金Otto-Schott奖，美国陶瓷学会Morey奖，研究成果入选中国科学十大进展。

来自：光电汇

长三角G60激光联盟陈长军转载

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