摘要：本文综述了水复合激光加工技术的原理、应用进展及未来发展方向，重点介绍了水下激光加工、水射流辅助激光加工和水导激光加工三种技术的特点与挑战，为精密制造与新材料加工领域提供了理论参考和技术支撑。

本文综述了水复合激光加工技术的原理、应用进展及未来发展方向，重点介绍了水下激光加工、水射流辅助激光加工和水导激光加工三种技术的特点与挑战，为精密制造与新材料加工领域提供了理论参考和技术支撑。

图 1水复合激光加工技术

研究背景

研究问题：随着高端制造业的快速发展，传统激光加工在高精度元件加工中的热影响区、裂纹和熔渣等缺陷问题日益突出，难以满足高质量、高效率的加工需求。水复合激光加工技术通过引入水作为冷却和冲刷介质，有效抑制热损伤并提升加工质量，这一新兴技术的研究对推动精密制造领域的发展具有重要意义。

研究难点：水复合激光加工技术在实际应用中面临诸多挑战。例如，水下激光加工受限于冷却效率和熔渣清除能力不足；水射流辅助激光加工虽然提升了冷却效果，但加工结构锥度较大且效率较低；水导激光加工尽管性能优越，但高昂的设备成本和复杂的系统集成要求成为其大规模推广的主要障碍。

文献综述：自1960年首台红宝石激光器问世以来，激光加工技术不断发展并在精密制造领域占据重要地位。然而，传统激光加工存在热损伤和效率低等问题。相关研究表明，水作为一种高效辅助介质可显著改善加工质量。Morita等（1988）首次报道了水下激光加工技术的应用，展示了其抑制重铸层和微裂纹的优势；Molian等（2008）提出水射流辅助激光加工技术，实现了软化材料去除与实时冷却的协同作用；Sander等（1988, 1993）则将水导激光技术应用于医疗领域并推动了其在工业中的发展。这些研究为水复合激光加工技术的发展奠定了基础。

水复合激光加工技术原理

水下激光加工技术：水下激光加工通过将工件浸入水中，利用水的冷却和冲刷作用来抑制热影响区扩展及减少材料熔渣。水的作用主要体现在吸收激光能量、抑制重铸层和微裂纹形成，同时带走烧蚀产物水的作用是抑制激光加工过程中各类缺陷的产生，如热影响区、熔体飞溅、重铸层、裂纹等，而工件表面以上的水层厚度通过流体动力学过程对激光加工结构的深度和宽度产生影响、根据公式：

水层厚度直接影响激光实际传输强度，水的吸收系数取决于激光波长。

图 2水下激光加工技术。（a）示意图；（b）激光、水和工件之间的相互作用

1. 激光穿透水面时，部分能量被水吸收，引发水层快速加热和汽化，并生成气泡形成汽化通道。

2. 汽化通道内的反冲压力和水蒸气压力将熔融材料喷射到水中，减少加工缺陷。

3. 更厚的水层能更有效带走熔融材料，但会降低激光能量的穿透率和烧蚀率 。

4. 空气与水折射率失配引发球差效应 ，导致激光焦点变形。

5. 焦点处的水、气泡和熔融材料形成乳白色悬浮液，引发 漫散射并加剧光束失真 。

6. 超声辅助水下激光加工 能够有效缓解空化气泡对加工过程的干扰。

7. 超声产生的 高频振动 可将空化气泡破碎成更小的气泡，从而减小对 激光束 的扰动。

8. 在 30%乙醇-水溶液体系 中，超声辅助激光加工显著提升了 材料去除率 和 表面质量 。

9. 其增效机制主要归因于更剧烈的 气泡爆炸动力学 。

水射流辅助激光加工技术：水下激光加工技术可提高加工质量，但水中气泡和熔融物质会降低激光光束质量、造成能量损失，且水流冷却能力不足，难抑制热效应。水射流辅助激光加工技术用偏轴高速水射流辅助，能提高冷却效果和加工质量。其装置中，水射流喷嘴可沿轴上下、水平移动及调整偏移角度。水射流偏移距离和角度影响加工质量，该技术先激光加热软化材料，再借水射流冲击去除，能降低温度、减少热效应和激光能量需求、提高精度，但会产生微裂纹，加工前需探索水射流参数。水射流与激光束不重叠时，激光经薄水层；偏移距离小时，经厚水层，干扰激光束。已知相关参数可确定水层厚度，水射流与激光重叠时，水层厚度随偏移角度增加，导致加工质量下降。综上，水射流辅助激光加工技术加工效率高，但加工后样品表面质量难保证，在高要求加工中难推广。

图3水射流辅助激光加工。（a）加工装置图；（b）加工示意图；（c）水射流与激光不重叠；（d）水射流与激光重叠

水导激光加工技术：水导激光加工通过将激光束耦合至水射流中进行传输，显著提高加工效率和质量。设备主要由高压水气体辅助装置、激光器光学系统和水射流激光耦合装置组成。喷嘴产生的水射流引导激光传播，水流外部包裹氮气或惰性气体可延长稳定段长度。激光在水-气界面以全内反射方式传输，焦点调节至喷嘴同轴位置实现高效耦合。

图 4水导激光系统示意图［36］

图 5一个典型的水导激光加工循环

1. 水导激光设备 主要由高压水气体辅助装置、激光器光学系统和水射流激光耦合装置组成，激光通过二向色镜反射并与水射流耦合，CCD相机可实时监测耦合情况。

2. 喷嘴是产生水射流的关键部件，通过在蓝宝石薄片上加工小孔形成水射流，外部包裹氮气或惰性气体可延长水射流稳定段长度。

3. 水导激光加工技术已广泛应用于 航空航天、电子制造和新能源领域 ，其基本原理是利用高压水束将激光传导至工件表面，引发材料蒸发或等离子化。

4. 加工过程中涉及冷热交替循环，通过调整激光脉冲参数可优化加工质量和冷却效果，但详细机理仍需深入研究。

5. 目前水导激光设备成本较高，但随着核心技术突破，未来有望实现大规模商用。

水复合激光加工关联技术

水下激光加工系统：水下激光加工系统通过静态或流动水层辅助激光加工，分为基础静止水系统和循环水系统。溢流系统通过控制入口水流速度调节水膜厚度和流速，显著降低熔融物对激光的扰动，从而提升切割质量和均匀性。

图 6不同水下激光加工系统示意图

图7溢流水下激光加工系统。（a）（b）系统示意图；（c）钛合金经该系统加工后的表面；（d）钛合金经传统系统加工后的表面

图 7（c）、（d）分别是使用溢流系统与传统系统对钛合金进行水下激光加工后的图片。对比后发现，使用溢流装置时，沿切割边缘出现的重熔材料大大减少。这是因为，与在静止的水下加工相比，使用溢流系统加工时，由于流动的水层比较稳定，水中悬浮液对激光的扰动和阻塞作用显著降低，从而有可能获得更佳的切割质量和更均匀的溢流通道。

高压水系统：高压水供应系统旨在形成稳定的高压水射流，水质要求高以避免颗粒堵塞孔口和干扰激光传播。柱塞泵、叶片泵和双缸双作用液压驱动泵是三种常用方案，分别适应不同压力需求并确保水射流稳定。

图 8三种高压水系统方案。（a）柱塞泵高压水系统；（b）低压小脉冲高压水系统；（c）高压输出流量稳定高压水系统

水导激光耦合系统：激光耦合器是水导激光耦合系统的核心部件，结构包括基底、主体与顶盖。高压水从两侧进水口进入，通过流路渗入膜水腔后从喷嘴射出。激光通过物镜聚焦后经二向色镜反射，最终耦合到水射流中。耦合过程中需考虑空气、光学窗口和水层的介质层变化以及全反射条件。

图 9水导激光耦合示意图。（a）激光耦合器结构；（b）激光聚焦示意图；（c）（e）子午光线传播路径截面图及其在水射流中的传播路径；（d）（f）斜射光线传播路径截面图及其在水射流中的传播路径

1. 水射流辅助激光加工 的核心难点在于激光耦合器的设计，其主要结构包括基底、主体与顶盖，并通过密封圈确保耐压性与密封性。

2. 激光在耦合过程中需经过空气、光学窗口和水层三种介质，最终以角度θ3耦合到喷嘴入口端面并通过水射流传输。

3. 激光传播方式分为子午光线和斜射光线 ，全反射条件由入射角θ3与临界角θa决定，折射率变化可提高耦合效率。

4. 聚焦物镜设计需满足焦距大于光学窗口和水层厚度，并确保激光符合水射流的全反射条件以实现高质量耦合。

5. 高功率激光耦合可通过非球面多焦点透镜降低功率密度，避免水射流光致击穿，支持400W以上功率激光的高效传输。

气体辅助系统：气体辅助系统通过添加同轴共流气体减小大气扰动，延长水射流稳定长度。辅助气体种类对水射流稳定性有显著影响，氩气表现出最佳效果。气体动力黏度越大，越能保护水射流，使其获得更长的稳定传输距离。

图 10利于物镜聚焦的激光耦合原理示意图。（a）多焦点耦合；（b）单焦点耦合

图 11气体辅助水导激光示意图。（a）Synova 公司所提方案；（b）Avonisys 公司所提方案

在水射流中添加同轴共流气体，可减小大气扰动、延长稳定水射流长度，让水导激光工作距离更长。目前添加同轴辅助气体有两种方案：Synova公司方案是将气体出口喷嘴装在高压水喷嘴出口处，使水射流与辅助气体共流，降低气液相对速度与摩擦，增加稳定水射流长度，但该方案无法解决水导激光加工时激光稳定传输问题（加工中水流易聚在未切穿槽中，使水射流被淹，激光散射）；Avonisys公司方案是在水射流喷嘴两侧对称分布两个独立辅助气体开口，辅助气体形成非接触环形保护屏障，既防外部扰动，又解决切割中激光传输问题，能排深孔积水，保证水导激光能量持续传输，实现工件连续加工。

图 12辅助气体对水射流的影响［64］。（a）无辅助气体时水射流的形态和稳定长度；（b）氮气辅助时水射流的形态和稳定长度；（c）压缩空气辅助时水射流的形态和稳定长度；（d）氩气辅助时水射流的形态和稳定长度；（e）不同气体辅助下水射流的稳定长度；（f）不同辅助气体的速度分布；（g）不同气体辅助下水射流的排水圈直径

1. 哈尔滨工业大学杨立军教授团队 研究了氮气、压缩空气和氩气对水射流的影响，发现氩气的稳定作用最显著。

2. 随着气压增大 ，水射流的稳定长度增加，在氩气辅助下可达 70 mm以上 ，理论上能切割70 mm厚的工件。

3. 气体动力黏度是影响水射流稳定长度的关键因素，黏性力越大，气体保护水射流的效果越好，传输距离更长。

4. 排水圈实验表明， 氩气排水能力最强 ，其形成的排水圈直径与水射流稳定段长度变化趋势一致。

5. 氩气因更好的保护作用和排水效应，被证明更适合用于水导激光加工 ，可提高加工质量。

图 13聚焦物镜的数值孔径为 0.3325 时激光-水射流耦合的模拟结果［71］。（a）532 nm 激光与 R=25 µm 的水射流耦合的光场分布；（b）532 nm 激光与 R=50 µm 的水射流耦合的光场分布；（c）532 nm 激光与 R=25 µm 的水射流耦合的温度分布；（d）532 nm激光与 R=50 µm 的水射流耦合的温度分布；（e）1064 nm 激光与 R=25 µm 的水射流耦合的光场分布；（f）1064 nm 激光与 R=50 µm 的水射流耦合的光场分布；（g）1064 nm 激光与 R=25 µm 的水射流耦合的温度分布；（h）1064 nm 激光与 R=50 µm 的水射流耦合的温度分布

1. 水导激光加工 的核心技术是激光与水射流的耦合，脉冲激光因冷却效率更高而更适合该工艺。

2. 纳秒激光被优先选用，因其在耦合效率和加工效果上表现优异，而超短脉宽激光因非线性效应和高成本而不适用。

3. 波长为532 nm的绿光激光是最佳选择，因为纯水对绿光频段的吸收长度最大（超过10 m），能有效降低传输衰减。

4. 不同波长激光的烧蚀效果不同，紫外激光器在切割透明材料时优于绿光激光器，但其高成本限制了工业化应用。

5. 高功率近红外激光器虽价格低廉，但水对其吸收率高，易导致水流不稳定和喷嘴损伤，影响加工稳定性。

水复合加工技术的应用

水下激光加工技术应用：水下激光加工技术在氧化锆陶瓷和4H-SiC等材料加工中展现出显著优势。实验表明，水下加工可有效减少重铸层和裂纹，提高沟槽边缘均匀性和表面光滑度。例如，在33.3 μJ脉冲能量下，水下加工氧化锆陶瓷获得了光滑底部和侧壁。

图 14水下激光加工技术的应用。氧化锆在空气和水中经不同单脉冲能量的飞秒激光加工后的 SEM 图像：（a）空气，13.3 μJ；（b）空气，26.7 μJ；（c）空气，33.3 μJ；（d）水，13.3 μJ；（e）水，26.7 μJ；（f）水，33.3 μJ。120 μm 厚水膜下方 4H-SiC 晶圆以及应力和热敏感材料的加工［79］：（g）（h）4H-SiC 晶片上微通道阵列结构的表面形貌和三维表面轮廓；（i）单次水下激光扫描制备的微槽的侧视图；（j）在各种典型应力和热敏感材料上加工出的方形和圆形微孔阵列

图 15高质量通孔的水下激光加工。（a）（b）不同脉冲重复频率的飞秒激光在空气和水中加工氧化铝陶瓷通孔的入口、出口和截面形貌［80］；（c）（d）水下加工 304 不锈钢通孔入口、出口和截面形貌以及孔特征随激光功率、加工速度的变化

1. 天津大学宋晓菲教授团队利用皮秒激光在空气、水和乙醇中加工氧化锆陶瓷，发现水下加工显著减少重铸层与裂纹，但低能量下存在烧蚀不足问题。

2. 南方科技大学徐少林教授团队通过水下飞秒激光加工4H-SiC，结合空化气泡和微射流作用，实现了高质量微通道阵列和光滑微孔结构的制备。

3. 江苏大学任乃飞教授团队研究水下飞秒激光加工氧化铝陶瓷通孔，表明低重复频率可提高孔质量，而高重复频率因等离子体屏蔽效应导致质量下降。

4. 南京农业大学章永年教授团队用水辅助激光加工304不锈钢，获得高深宽比通孔，证明高脉冲能量和低扫描速度能有效改善通孔圆度和侧壁质量。

5. 水下激光加工技术在多种材料体系中展现优势，但大尺度通孔加工受限于激光焦点动态调控中的能量梯度效应。

水射流辅助激光加工技术应用：水射流辅助激光加工技术在Ti6Al4V和氧化锆微通道加工中表现优异。相比干法激光加工，水射流辅助加工显著减少了重铸层和热影响区，提高了材料去除率和加工质量。例如，在1070 nm波长激光下，Ti6Al4V微通道加工获得了高质量表面。

图 16干法激光加工和水射流辅助激光加工技术的对比。（a）干法激光加工 Ti6Al4V；（b）水射流辅助激光加工 Ti6Al4V；（c）水射流辅助激光加工 Ti6Al4V 的 SEM 图；（d）~（g）干法激光加工氧化锆陶瓷的 SEM 图；（h）~（k）水射流辅助激光加工氧化锆陶瓷的 SEM 图

图 17镍基高温合金的水射流辅助皮秒激光加工。（a）空气中加工孔洞的 SEM 图像，其中 N 为脉冲数；（b）水射流辅助皮秒激光加工孔洞的 SEM 图像；（c）（d）水射流辅助皮秒激光结合电化学腐蚀加工通孔的 SEM 图像

1. 武汉大学李登教授团队利用水射流辅助激光加工技术对Ti6Al4V表面进行微通道加工，显著减少了重铸层与热影响区，提升了加工质量。

2. 江苏理工学院韩锦锦博士团队对比干法与水射流辅助激光加工氧化锆，发现后者有效减少了微裂纹和热影响区，并改善了材料硬度与化学组成。

3. 上海交通大学沈洪教授团队研究镍基高温合金打孔，表明水射流辅助加工减少熔融堆积，但可能导致孔洞不对称问题。

4. 江苏大学朱浩教授团队通过电化学腐蚀后处理进一步优化水射流辅助加工的通孔质量，使孔壁更光滑且无热效应裂痕。

5. 现有技术未能解决传统激光加工的锥度问题，开发新型工艺方法以实现高质量通孔加工成为迫切需求。

水导激光加工技术应用：水导激光加工技术在Cf/SiC复合材料和TBC合金通孔加工中展示了强大优势。例如，在0.25 GW/cm²功率密度下，Cf/SiC复合材料通孔深度达到4.1 mm，侧壁锥度仅为0.72°。此外，水导激光还可用于单晶硅表面改性，通过调整扫描间距和激光功率优化微结构形貌和亲水性。

图 18 水导激光加工的应用：钻孔。（a）~（h）水导激光加工 Cf/SiC 复合材料通孔的 SEM 图像；（i）~（l）水导激光加工 TBC 合金垂直通孔与 45°倾斜通孔的形貌

图19水导激光加工的应用：表面改性。（a）~（i）不同扫描间距下水导激光加工单晶硅表面的 SEM 图；（j）~（k）不同扫描间距下水导激光加工单晶硅表面的亲水性；（l）水导激光加工 304 不锈钢表面的微通道；（m）空气中纳秒激光加工 304 不锈钢表面微通道的 SEM 图；（n）水导激光加工 304 不锈钢表面微通道的 SEM 图

1. 张文武教授团队通过水导激光技术研究了Cf/SiC复合材料钻孔加工，发现增加激光功率密度和脉冲频率 可显著提升孔深与质量，最佳参数下实现了深径比为8.03的高质量通孔。

2. 杨立军教授团队利用水导激光在TBC合金上制备了45°倾斜通孔，深径比达20，重铸层厚度仅0.6~1.2 μm，证明该技术在大尺度通孔加工中的高效性和低锥度优势。

3. 乔红超教授团队通过水导激光在单晶硅表面制造微结构，发现扫描间距和激光功率影响表面形貌与亲水性，较大深宽比增强了表面对液滴的抓取能力。

4. 张文武团队还研究了304不锈钢表面的亲疏油结构，发现水导激光加工形成的微凹坑能储存润滑油，减少干摩擦并延长轴承寿命，拓展了技术应用范围。

5. 水导激光技术凭借其长工作距离和冷却特性，在多种材料加工中展现了高效、高质量的优势，为工业化应用提供了重要实验和理论支持。

总体结论

技术进展与多样性：水复合激光加工技术结合了激光与水的特性，显著提升了加工质量、效率和适用范围。水下激光加工、水射流辅助激光加工和水导激光加工各有优势，适用于不同材料和加工需求。

关键技术创新突破：高压水系统、激光耦合技术和气体辅助技术的研发，为水复合激光加工提供了技术支持。特别是水导激光技术，通过优化喷嘴结构和耦合条件，实现了高精度和高质量加工。

未来发展方向：随着技术进步，水复合激光加工将在更多领域实现突破，推动高端制造装备快速发展。结合计算机辅助设计和制造技术，实现自动化和智能化加工过程，拓展材料加工范围，为制造业绿色转型注入新动力。

来自：高能束加工技术及应用

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