摘要：随着航空航天、微电子及医疗领域的快速发展，构成部件正逐步向微型化、精细化方向迈进，这对零件的切割质量与加工精度提出了更高要求。水导激光切割是一种利用水射流束将激光引导至加工平面的新型技术，凭借其无热影响、加工精度高及无污染等优势，已在多个领域获得广泛应用。本文

长三角G60激光联盟导读

随着航空航天、微电子及医疗领域的快速发展，构成部件正逐步向微型化、精细化方向迈进，这对零件的切割质量与加工精度提出了更高要求。水导激光切割是一种利用水射流束将激光引导至加工平面的新型技术，凭借其无热影响、加工精度高及无污染等优势，已在多个领域获得广泛应用。本文首先阐述水导激光的工作原理与材料去除机制，总结其相较于传统激光切割的技术优势，继而介绍该技术在金属材料、脆性晶体及复合材料领域的典型应用，最后分析水导激光切割存在的技术难点并展望该技术的未来发展趋势。

01

1 引言
随着航空航天、半导体、医疗及能源等行业的快速发展，对关键零部件性能的要求日益提高。这一趋势推动了零件加工方法与装备的持续进步。在零件切割领域，相较于传统机械切割，激光切割在加工精度、效率及环保性方面展现出显著优势[1-4]：(1) 采用非接触式加工方式，不会对工件材料产生机械应力；(2) 广泛的材料适应性可满足柔性制造需求；(3) 高加工效率与可编程加工过程使其适用于大面积加工。根据脉冲宽度，激光光源可分为连续激光[5-7]、长脉冲激光[8-10]、短脉冲激光[11-14]和超短脉冲激光[15-17]。连续激光与长脉冲激光加工速度快，但会产生较大热影响区（HAZ）并易在工件表面形成重铸层。超短脉冲激光可直接将材料转化为等离子体实现爆发式材料去除，理论上达到"冷加工"效果，但加工效率较低[18]。相比之下，纳秒短脉冲激光成本低且材料去除效率高。然而Biffi和Previtali指出，纳秒脉冲激光加工本质上仍属热基工艺，存在长脉冲激光加工的典型热缺陷，如显著热影响区、重铸层和微裂纹[19]。飞秒激光加工在特征尺寸从微米到纳米级的精密工程领域得到广泛开发与研究，尽管飞秒激光被称为"冷加工"，但在高重复频率和高激光能量密度下仍存在可观的热效应[20-23]。

为解决干式激光加工过程中产生的热问题，研究人员将激光与水射流相结合，形成新型复合加工技术。1991年，瑞士联邦理工学院Richerzhagen博士通过特殊喷嘴装置产生高速水射流，将激光注入装置内部并聚焦于喷嘴入口，详细阐述了水导激光原理[24]；随后于1993年开发出水射流导引激光加工技术，为后续水导激光切割装备的发展奠定基础[25,26]。1997年，Synova公司对该技术进行商业化改进，首次将高速水射流光学波导应用于加工，随后对多种材料进行加工实验并取得优异成果。迄今已生产并投入应用于多种材料加工的装备，如LCS[27,28]、DCS[29]和MCS[30]等系统，广泛应用于金属、超硬材料、金刚石、陶瓷基复合材料等的切割、钻孔、开槽等加工领域[31]。Synova的激光微射流加工技术解决了传统干式激光加工相关的热损伤、污染、加工速度、变形、碎屑沉积、氧化、微裂纹和锥度等突出问题。因此，水导激光切割技术作为新型切割技术，在超精密加工领域具有巨大潜力。本文旨在全面综述水导激光切割技术原理、材料去除机制及其在金属、脆性晶体和复合材料中的最新应用进展，深入分析其技术难点与关键挑战，并展望未来发展趋势。通过整合理论模型、实验数据与应用案例，为水导激光的理论研究与工程应用提供系统参考，推动其在超精密制造领域的深入拓展。

2 水导激光加工技术
水导激光（WJGL）技术结合水射流与激光的双重优势，相较传统激光加工展现出诸多突出特点。采用水射流消除了传统干式激光切割广泛使用的辅助气流带来的诸多问题，展现出卓越的适应性与加工能力。只要所选激光波长能被材料吸收，该技术即可加工各种超硬、脆性或热机械敏感材料，无论其是否具有导电性[32-37]。

与干式激光加工不同，WJGL的大部分能量耗散于水中而非材料内部。水射流在激光脉冲间及时冷却切缝边缘及周边区域，减小热影响区与热残余应力，防止材料内部热损伤。WJGL可实现高精度、高质量烧蚀与切割边缘。由于动能密度远高于干式激光切割使用的任何辅助气流，水射流能更高效地将熔融材料从切缝中排出，其冷却效应使得烧蚀产生的切壁极其光滑，边缘无沉积物、毛刺和空腔。WJGL加工可视为非接触式，不受机械应力与磨损影响，且工件与喷嘴间保持足够距离。水射流传递至工件表面的机械力极小（小于0.1 N），不会造成材料表面划伤，而传统激光加工的机械力约为WJGL的十倍（1至5 N）[38]。WJGL相较于传统干式激光加工的主要优势如下[39]：(1) 水射流导引的激光能量分布均匀，接触工件表面时趋于平滑加工，不会产生干式激光常见的粗糙边缘、非平行切缝、毛刺等现象；(2) 水射流长距离稳定，扩展加工工作距离，激光长景深聚焦，提高加工深径比；(3) 水射流冷却效应有助于最小化高功率激光加工过程中的材料热变形与热损伤，同时减小热影响区。此外，水射流冲刷作用有助于去除加工过程中产生的残留物，从而改善工件表面光洁度；(4) 水射流束直径通常为25~150 µm，使得加工切缝更精细，稳定水射流有助于实现高精度加工结果。表1展示了传统激光加工与WJGL加工的对比分析。

3 水导激光形成原理
激光烧蚀是通过脉冲或连续波高功率激光束照射固体表面去除材料的过程。在低功率强度下，材料通过吸收激光能量被加热，导致熔化、汽化或升华。在高功率强度下，材料可转化为等离子体。高能量密度光线会导致强烈的局部热效应，影响被加工表面质量，如表面污染、热影响区、毛刺和微裂纹。传统干式激光切割需要辅助气体来去除熔融碎屑并获得理想切割质量。WJGL以类似方式烧蚀材料，但采用完全不同的方法避免干式激光引发的缺陷，因此许多激光诱发问题得以根本性避免。

WJGL利用水与空气的折射率差异实现激光能量的间接传输。当激光以小于全反射临界角的角度注入时，会在水-气界面产生全反射，激光能量不直接聚焦于工件，而是通过水射流毛细层中的流动传递能量，类似于激光在玻璃光纤中的传输。当水射流稳定接触工件表面时，激光能量被工件表面吸收，引起加工区域材料熔化与蒸发[40,41]。该过程在降低材料热损伤的同时，提高了加工精度与效率。WJGL加工技术工作原理如图1所示。

图1 WJGL加工工作原理[40]

基础WJGL支撑系统由四个主要单元组成：激光与光学单元、供水单元、保护气体单元和耦合头单元，如图2所示。其中供水单元与耦合单元起关键作用。在供水单元中，超纯水通过泵加压（5~80 MPa）穿过耦合装置的孔口，形成毛细层流水射流，如同发丝般纤细且长度可变的"光纤"。形成稳定水射流是确保WJGL传输的前提条件。孔口直径范围为10至200 µm。耦合单元上安装的喷嘴由蓝宝石、红宝石或金刚石制成，以抵抗磨损和高温。透明光学窗口嵌入耦合装置顶部，激光穿过光学窗口后聚焦于喷嘴开口处进入水射流束。保护气体单元的主要功能是通过同轴保护气流包裹水射流，最小化周围大气干扰并增强水射流的稳定长度。WJGL可提供多种商用激光源，包括脉冲二极管泵浦固体（DPSS）激光器、光纤激光器和盘形激光器，工作波长涵盖1064 nm、532 nm或355 nm，应根据具体应用和切割要求进行选择。

图2 WJGL加工系统示意图

在耦合单元中，激光通过一系列透镜和反射镜进行准直、扩束和反射，然后精确聚焦于产生水射流的喷嘴孔中心。二向色镜偏转激光束，同时将聚焦视觉图像传输至CCD相机。离开喷嘴后，激光束通过全反射在水-气界面内沿水射流导向传输。激光束在整个超长且完美圆柱形工作距离上被引导至工件表面[42,43]。

3.1 水导激光耦合机制
激光聚焦后在水射流内的完全耦合是WJGL技术的关键技术之一。激光穿过保护窗口和水层到达喷嘴入口附近的焦点，并将激光束耦合到水射流中形成水束光纤需满足以下条件：

(1) 激光聚焦后光斑直径需小于稳定微水射流直径：为顺利将激光束导入水射流，激光聚焦光斑直径（dLas）需首先满足小于喷嘴孔径（dNoz），即dLas

(2) 聚焦激光束需在微水柱中发生全反射：为防止部分激光光纤从水射流外壁逃逸，对聚焦光束的光线角度提出更高要求。耦合腔内入射激光束的光线角度需小于允许激光束在水-气界面形成全反射的临界角。为降低耦合调节难度，聚焦激光束的光线角度越小越好，以满足全反射余量[44,45]。

根据激光束轨迹，其在水射流中的传播路径可分为两种形式：一种是入射光线穿过微水柱中心轴，称为子午光线，其特征是入射光和反射光位于水束光纤的子午面上。当子午光线的入射角大于或等于在水-气界面发生全反射的临界角时，该子午光线将在该界面发生全反射并沿稳定水射流方向继续传播。另一种是入射光和反射光均不在水束光纤子午面上的光线，称为斜光线[46]。两种不同的光线传输剖面如图3b所示。

02

部分图文

图3 水导激光耦合机制。a 激光束与水射流耦合示意图及两种策略。b 光线传输路径剖面。c 倾斜光线传输示意图

如图3a2和a3所示，光-水射流耦合采用两种策略。一种是在喷嘴导管入口平面耦合激光束，称为近场耦合。近场耦合的数值孔径仅由光学特性决定，具有较大的接收角。另一种是将激光束在远场耦合到喷嘴管道外部的水射流中。远场耦合的数值孔径不仅取决于光学特性，还与喷嘴几何结构相关。近场耦合可实现更大的接收角和更小的聚焦激光束光斑尺寸，但喷嘴内部的热扰动可能导致水射流断裂。远场耦合可减弱喷嘴导管中的热扰动[48]。

3.2 水导激光加工材料去除机制
水导激光烧蚀循环如图4[49-52]所示：（1）纯水射流通过喷嘴高速喷射冲击工件表面，形成稳定的水束纤维，并在工件表面形成水薄膜；（2）激光被引入水射流束，激光脉冲经水束纤维传导至工件表面，激光能量高效传递给被加工材料，激光功率转化为热能并被材料吸收，加热加工区域；（3）当加工区域积累大量热量后，材料熔化和蒸发。吸收激光能量后工件表面产生的蒸汽或等离子体会产生压力，使部分水射流与工件分离，同时产生冲击波。该反作用力及等离子体膨胀力有助于排出熔融材料，避免切割边缘形成重铸层。由于水膜内部产生的压力大于空气，可将冲击波导向材料，从而提高激光加工效率。同时水射流将高温粒子推离，防止其干扰加工过程；（4）在每个激光脉冲结束时，蒸汽泡溃灭且等离子体消失，熔融材料在水射流辅助下被排出，熔化区域得到冷却。同时碎屑被冲走，防止毛刺形成；（5）激光烧蚀完成后，进入下一个激光脉冲，开启新一轮烧蚀过程。整个过程是连续的加热-冷却循环。通过调整激光脉冲的持续时间和间隔，可优化加工速率和冷却效果。

图4 水导激光加工材料循环过程[52]

3.3 水导激光能量传输
在水导激光加工过程中，高功率激光能量与水射流的耦合传输会引发一系列问题，包括传输过程中的能量损失和拉曼散射，这些都会影响激光在水射流内部的能量传输。因此，确保高功率激光在水射流中稳定高效传输至关重要。Brecher等人[53]提出的耦合热力学-流体动力学模型成功预测了水射流中的激光功率衰减和温度分布，实验结果表明功率损失与传输长度呈正相关，6 kW激光在50 mm传输长度中功率损失达45%~50%。Deng等人[54]采用时域有限差分法通过电动力学模拟求解麦克斯韦方程组，系统揭示了水导激光加工中激光传播、能量吸收和热效应的关键规律，得出结论：相同条件下，在2 cm长水射流中，532 nm波长激光的能量传输效率远大于1064 nm波长激光。图5a展示了两种激光波长在不同喷嘴孔径下的能量传输模拟结果。Zhao等人[55]研究了高功率激光耦合水射流的热效应影响，通过COMSOL多物理场模拟获得温度分布，结论表明水射流温度随激光功率增加显著升高（图5b），重复频率增加也会导致温度升高，而脉冲宽度对温度分布影响较小。随后采用有限元法求解麦克斯韦方程组模拟高功率激光在水射流中的传播，获得电场分布，得出结论：增大光束直径可减小发散角，降低因不满足全反射条件导致的能量损失[56]。Wei等人[57]探索了水射流形成过程对激光耦合效率的影响，对不同耦合阶段进行模拟分析（图5c），耦合效率用图中η表示。随着水射流发展，空腔增长导致水-气界面延伸，从而有效约束激光并提高耦合效率。

图5 水射流内激光传输建模。a 不同喷嘴孔径下532 nm与1064 nm激光波段能量传输模拟[54]。b 不同平均功率下激光耦合水射流的温度分布[55]。c 水射流不同阶段的电场分布[57]

最后，通过模拟水导激光耦合过程中各类偏差对耦合效率的影响，发现横向偏移是影响耦合效率的主要因素。从上述研究进展可见，目前对高功率激光与水射流耦合后的传输过程缺乏全面深入的研究，多采用数值模拟进行分析，后续研究可从机理深化、技术创新、多物理场耦合和工程验证四方面突破，系统揭示能量损失本质，推动水导激光技术从实验室向工业应用转化。

4 水导激光切割技术应用
4.1 水导激光在金属材料切割中的应用
水导激光切割技术应用于精密仪器、医疗和航空航天领域的金属材料包括不锈钢、铝合金、黄铜和钛合金等。Wagner等人[58]对150 µm厚不锈钢薄片进行水导激光加工与传统红外激光加工对比实验，加工测试表明在相同切割条件下，水导激光切割区域具有更小的热影响区。Porter等人[59]对99%纯铝、CuZn37黄铜和8Cr9Ni不锈钢三种金属材料进行水导激光切割实验，发现Nd:YAG激光器的1064 nm波长不适用于较长水射流，该波长激光束能量会被水强烈吸收。50 mm及以下范围的水射流长度更适合加工；过高的切割速度和角度会导致熔渣堆积。图6a展示了切割速度100 mm/min时，不同喷射距离和入射角下水导激光切割0.1 mm厚铝材的形貌结果。Hock等人[60]采用532 nm波长激光对不锈钢薄片和铜片进行传统激光与水导激光切割对比实验，图6b展示了水导激光与传统激光切割50 µm不锈钢的形貌对比。虽然传统激光效率更高，但加工区域存在厚重生铸层和热影响区，而水导激光切割无残留、切缝小且几乎无热影响区，但其加工耗时远长于传统激光切割。

图6 水导激光切割各类金属。a 100 mm/min切割速度下不同距离和入射角的0.1 mm铝材切割[59]。b 水导激光与传统激光切割50 µm不锈钢板[60]。c 水导激光与传统激光切割钛板[61]。d 水导激光与传统激光切割镁合金[62]。e 水导激光与LBM切割Inconel 625、Haynes 188[66]

Li等人[61]对工业纯钛板材料进行传统激光与水导激光切割实验研究。结果表明水导激光加工的加工质量和洁净度显著优于传统激光加工，切割表面更平整光滑，高速水射流的冲击和冷却作用更有效地细化切割表面并去除熔融碎屑。图6c展示了两种切割方法切割钛板的形貌对比。随后他们对Mg-Zn合金进行水导激光与传统激光切割对比试验，得出结论：水导激光加工区域更洁净平整，几乎无熔融残留物附着，其热损伤可忽略不计；而传统激光加工存在大量熔融残留物堆积并伴随明显重铸层[62]。图6d展示了切割形貌对比。

Adelmann等人[63]采用532 nm Nd:YAG激光器的水导激光系统对铝合金、钛合金和钢进行高深宽比加工实验，证实水导激光能实现极高深宽比的矩形精密切割。在1.5 mm厚钢板中实现12.5深宽比，4.7 mm钛合金中达39.2，8 mm铝合金中达66.7。Madhukar等人[64]开展水导激光切割金属薄板研究，对比水导激光加工、激光水下加工和传统激光的切缝特性与质量。结果表明水导激光切割具有显著优势，无热影响区特性使得所得切割表面粗糙度较低。在钛合金薄板切割实验中，切割表面获得±2.5 µm的表面粗糙度。Liu等人[65]研究水导激光加工镍基高温合金过程中水射流流速对热影响区厚度和加工表面材料相变的影响。

Bektas等人[66]对航空常用合金Haynes 188、Inconel 718、Inconel 625、Rene 41和Ti-6Al-4V进行水导激光切割实验，测量各材料的表面粗糙度、锥度和重铸层。结果表明水导激光切割相比传统激光切割具有更优的表面完整性，切割表面未观察到纵向条纹，仅存在微量离散微米级浮渣。此外，表面粗糙度、切缝锥度和重铸层特性均显著低于LBM切割。图6e展示水导激光切割Inconel 625表面和Haynes 188锥度形貌，红色箭头指示切割方向。Liao等人[40]深入分析水导激光切割镍基高温合金时切割表面形成机理，发现水射流快速冷却效应导致材料凝固过程中晶格位移，产生高密度位错。同时高压等离子体羽流在水约束条件下对基体施加冲击波形成机械孪晶。这些沿不同方向排列的机械孪晶相互交叉形成亚微米菱形结构。位错与交叉孪晶的存在延长工件低周疲劳寿命，显著提升材料整体性能。

Chao等人[67]采用气体辅助激光（GAL）与水导激光对Ti-6Al-4V合金进行超窄切缝切割实验。结果表明GAL可加工深宽比12至15的切缝。由于氧气卷入及相对较低的热质传递效率，辅助气体导致形成含β-Ti相和氧化物的氧化物重铸层，使切缝表面粗糙度增至20 µm。水导激光加工切缝深宽比较低，值为1.9至2.5，可通过增加加工次数增加深度。借助水射流，重熔残留物和热量可被即时清除，抑制重铸层和热影响区形成。表面形成数百纳米厚超薄氧化物外层和超细α-Ti晶粒内层，使粗糙度降至12 µm。图7a展示不同方法和加工次数下Ti-6Al-4V合金切口形貌。Zhao等人[68]采用水导激光对耐高温Inconel 718合金进行切割实验，相比传统干式激光切割有效减少热损伤并提高切割质量。图7b展示水导激光与LBM切割对比。随后他们在水导激光设备中安装新型多焦点透镜，有助于缓解激光能量过度集中并减弱水-激光耦合过程中水的分解，实现更高效的水-激光耦合，在350 W激光功率下实现1 mm厚Inconel 718板材的穿透切割[69]。图7c展示不同激光功率下切割Inconel 718板材的横截面形貌。

图7 水导激光切割各类金属。a 不同方法及加工次数下Ti-6Al-4V合金切口形貌[67]。b 水导激光与LBM切割Inconel 718合金对比[68]。c 不同激光功率下切割Inconel 718板材的横截面形貌[69]

4.2 水导激光在脆性晶体材料切割中的应用
处理硬脆晶体材料时，传统切割技术存在工件坐标漂移、高崩边率和有毒气溶胶污染等严重问题。采用水导激光能有效改善加工质量，避免环境污染，同时保持高生产效率。Dushkina等人[70]对硅、砷化镓和锗半导体晶圆进行水导激光与金刚石砂轮切割对比实验，水导激光相较于金刚石砂轮具有高切割效率和快切割速度，且切边光滑无微裂纹和细毛刺。Bruckert等人[71]分别采用532 nm和1064 nm波长水导激光对多晶硅太阳能电池进行划片加工研究，发现短波长水导激光切出的电池具有更低电流转换损耗。通过探究不同工艺参数对加工后电流转换损耗的影响，结果表明单线轨迹和较短脉冲宽度效果更佳，可实现任意轨迹划片。Nilsson等人[72]对含GaN层的蓝宝石晶圆进行水导激光切割实验，以9 mm/s速度成功划刻10 µm深、49 µm宽沟槽。切割边缘获得优异光滑度与直线度，如图8a所示。

图8 水导激光切割各类脆性晶体材料。a 水导激光切割含GaN层蓝宝石晶圆[72]。b 水导激光与传统激光切割金刚石[74]。c 不同次数水导激光切割单晶硅[75]。d 水导激光切割砷化镓与硅[76]。e 水导激光切割硅[77]。f 水导激光与干式激光切割金刚石[78]。

Richmann等人[73]采用水导激光切割技术对厚度达3 mm的蓝宝石进行切割，获得了切缝侧壁平行、粗糙度＜0.5 µm、切缝宽度＜100 µm的优质切口。切口前沿质量优异，曲率半径小于20 µm，且无任何崩边现象。Shi等人[74]对比研究了水导激光加工与干式激光加工对天然金刚石切割的效果。两种切割方式均会使天然金刚石表面在高温下转化为石墨，但水导激光切割的天然金刚石表面仅在金刚石表面形成薄层碳同素异形体，因而残余应力和微裂纹更少。图8b展示了两种切割方式获得的金刚石表面形貌。Qiao等人[75]使用Nd:DPSS重复频率激光系统对单晶硅进行水导激光切割实验，研究评估了水导激光微加工对表面形貌变化、最大深宽比及切缝边缘变化的影响。结果表明激光输出功率、切割速度和重复频率是影响加工效率和质量的关键因素。切口及其他表面边缘无氧化或裂纹，切缝具有12.7的高深宽比，形成极陡直的切割面，在350倍放大下仅见极少局部破损。图8c展示了首次与二次切割的横截面表面形貌，证明水导激光技术非常适用于单晶硅划片。

Perrottet等人[76]在水导激光设备中增设新型喷射装置，可在工件表面形成水膜，并对砷化镓和硅进行切割实验，两者均获得无颗粒杂质的光滑切割面（图8d）。Madhukar等人[77]采用水导激光对硅进行切割开槽实验，发现在固定激光参数下，飞溅和重铸层随水射流速度增加而减少。通过控制激光与工艺参数，可获得深度控制在14-520 µm范围内无微裂纹和热损伤的沟槽（图8e）。

Zhang等人[78]分别采用水导激光和传统干式激光对高压高温合成单晶金刚石样品进行切割实验，发现传统干式激光切片横截面呈“V”形且切缝表面出现石墨层，而水导激光切片获得光滑平整的横截面且切缝表面金刚石结构无变化。最终基于参数调谐技术研究，找到了适合水导激光切割单晶金刚石样品的工艺方案。图8f展示了切割效果对比。

4.3 水导激光在复合材料切割中的应用
铝基碳化硅复合材料（Al MMC）、碳纤维增强聚合物复合材料（CFRP）及陶瓷基复合材料（CMC）等先进复合材料因其高比强度、良好化学惰性等优异特性，能在极端环境中保持卓越性能。然而这些材料采用传统切割、划片等技术加工时易产生毛刺、分层、裂纹和崩边等缺陷，难以保证加工质量。相较而言，水导激光技术结合激光的高效蚀除能力与水射流的隔绝冷却作用，能有效减少加工表面的石墨化现象，提高加工质量，成为具有明显优势的加工技术。Sun等人[79,80]采用水导激光加工技术研究0.5 mm厚CFRP材料切割过程，提出了多种切割方法。测试结果表明水射流不仅具有减小热影响区的作用，还对激光传播产生重要影响；加工切缝存在锯齿状形貌并伴随加工锥度。Wu等人[81]采用水导激光对CFRP进行低损伤大深度切割实验，获得了激光功率、进给速率和水射流速度等工艺参数对切割结果的影响规律；最终通过采用不同切割路径实现了10 mm厚CFRP的高效切割，获得洁净的切割面通道内壁、整齐的碳纤维断面且无热膨胀现象。图9a展示了水导激光切割示意图及10 mm厚CFRP切割表面形貌。Elkington等人[82]对6 mm厚CFRP进行水导激光切割实验，得出水射流压力与平均功率的增加与切割速度呈正相关，并在240 W、16 kHz和400 bar参数下获得最佳切割性能，整体切割速度达21 mm/min。

图9 水导激光切割各类复合材料。a 水导激光切割CFRP横截面形貌[81]。b 水导激光与毫秒脉冲激光加工Al MMC孔洞截面形貌对比[83]。c 水导激光刻划SiC/SiC CMCs形貌[85]。d 不同功率下水导激光切割表面与横截面形貌[87]

Marimuthu等人[83]分别采用水导激光与毫秒脉冲激光对2 mm厚Al MMC进行孔洞切割，获得图9b所示横截面。由于激光功率较低且水射流具有冷却作用，水导激光加工过程中铝基体与碳化硅增强颗粒均通过“冷烧蚀”方式去除，避免了熔池对流引起的加工截面碳化硅颗粒迁移，从而保证了加工截面的微观形貌。此外，由于水射流对激光的约束作用，水导激光加工获得的横截面锥度极小（0.1~0.3°），较毫秒脉冲激光加工获得的锥度（1.5~3°）具有显著优势。Elkington等人[84]研究了水导激光切割SiC CMC材料的基本特性；他们采用平均功率400 W的高功率532 nm调Q脉冲激光，探究不同工艺参数对切割质量的影响。发现切割速度与脉冲频率是决定水导激光切割质量与整体切割速度的关键因素。由于水射流的冷却特性，消除了传统激光加工常见的热损伤。但发现当纤维取向平行于切割长度方向时，会出现材料基体与纤维的非均匀去除，导致切缝宽度不均。Cheng等人[85]采用水导激光对SiC/SiC CMCs进行单排刻划实验，其横截面几乎观察不到热影响区与重铸层，以及SiC纤维的拔出和分层现象，并得出单排刻划存在极限值的结论。图9c展示了不同激光脉冲能量下的刻划结果与极限深度。Wei等人[86]分别对SiC/SiC复合材料进行飞秒激光与水导激光切割实验，得出结论：水导激光切割获得的表面更光洁，能有效抑制甚至消除氧化损伤，且不改变基体物理相组成。

Hu等人[87]采用水导激光对CMCs进行切割实验，发现随着激光平均功率增加，微槽切割边缘质量较好。定性观察显示切割边缘无明显重铸层、裂纹或碎屑，槽口边缘直线度极佳，表面形貌较好，水导激光在CMCs斜面切割中表现出优异性能。图9d展示了不同功率下的切割表面与横截面形貌。

4.4 材料切割应用总结
“冷加工”特性与高质量加工能力使水导激光技术在航空航天、芯片制造和精密医疗等领域获得广泛应用。水导激光能够高效加工金属、半导体及复合材料等各种难加工材料，尤其在加工高强度、高硬度材料方面表现突出。该技术凭借无热影响区、无毛刺、切边整齐等特点显著提升工艺质量，减少后续加工需求。对水导激光加工的研究证明了其在多种材料加工中的应用价值，虽然水导激光在基础实验研究阶段已取得诸多成果，但其向大规模工业化生产的转化仍处于探索阶段，其中最具代表性的工业应用是瑞士Synova公司。例如在航空航天领域，水导激光可用于精确切割钛合金、镍基合金等难加工金属，确保零件高精度与高质量。Synova的LMJ技术精密切割和钻孔涡轮叶片、涡轮部件、耐热结构件等，使复合材料层分层和裂纹减少，平均重铸层厚度降至1 µm；在芯片制造领域，水导激光可实现半导体材料的微加工，满足微电子器件的严苛要求。Synova的LMJ已广泛用于LED蓝宝石衬底、手机和手表蓝宝石玻璃的切割，切割速度最高达200 mm/s；在精密医疗器械制造领域，水导激光用于切割不锈钢和生物相容性材料，确保产品洁净度与高精度。Synova采用LMJ技术切割薄金属基材，最小粗糙度≥0.12 µm，切割深宽比高达1:100，已广泛应用于心血管扁平支架、植入部件、手术工具等医疗器械加工[88]。表2展示了水导激光切割不同材料采用的工艺参数。

尽管水导激光在许多领域表现出色，但在面对需要加工高质量、大深径/深宽比孔洞、槽缝和边缘，以及狭窄工作空间时，其加工能力仍存在局限。例如对于精度要求极高、尺寸极小的深孔加工，水导激光可能难以完全满足要求。此外，针对金刚石、石英玻璃、蓝宝石和超硬陶瓷等超硬材料加工，水导激光工艺仍需进一步优化探索，以应对这些材料的脆脆特性。总体而言，水导激光切割技术在各种材料加工中的应用前景广阔；随着技术不断进步与工艺优化，水导激光有望在更多领域展现其独特优势，进一步推动难加工材料加工技术的发展。图10展示了水导激光切割材料应用占比及其所属领域分布（部分图片引用自Synova官网[88]）。

图10 水导激光切割材料应用占比及领域分布

水导激光切割的技术难点与发展趋势

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结论/展望

本文综述了关于水导激光切割技术的系列文献，系统阐述了WJGL的工作原理与材料去除机制，全面总结了WJGL切割技术在金属、脆性晶体、复合材料等领域的应用现状，充分证明了其在多种材料加工中的应用价值，展现了其在高精度、高要求加工任务中的巨大潜力。WJGL独特的工作原理与材料去除机制使其在切割过程中能够避免热影响区，确保加工的高精度与高质量，同时在减少环境污染、提高加工效率方面的优势进一步巩固了其在各大高科技领域的地位。然而当前WJGL技术仍面临水柱稳定性、激光耦合效率、设备复杂性等技术难点，亟需进一步深入研究与技术突破。

随着研究的深入和技术的不断完善，WJGL切割技术有望成为高精度加工领域的主流技术之一，为现代制造业和医疗技术的发展提供有力支撑。通过产学研的紧密合作，WJGL技术的未来发展前景将更加广阔，有望在精密加工领域掀起新的革命，助力实现更高效、更精细的加工任务，满足日益增长的高科技产业需求。

文章原文阅读：https://link.springer.com/article/10.1007/s00170-025-16273-5

He, Z., Sun, X., Chen, H. et al. Water jet-guided laser cutting technology: a review. Int J Adv Manuf Technol 140, 3415–3434 (2025). https://doi.org/10.1007/s00170-025-16273-5（部分图片来自SYNOVA S.A.）

长三角G60激光联盟陈长军转载

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来源：江苏激光联盟