陳澤偉, 張 飛, 張智寧, 陳 勝,李瑩華, 周培榕, 湯瑞鑫,平金峰

(1.汕頭大學(xué), 廣東 汕頭 515063;2.汕頭超聲印制板公司,廣東 汕頭 515065)

隨著我國航空、航天、通信以及醫(yī)療等領(lǐng)域的快速發(fā)展,對一些零部件的要求也越來越嚴(yán)格,需要精度更高、體積更小的元件,這也導(dǎo)致國家對相關(guān)基礎(chǔ)材料的加工要求更加嚴(yán)格。傳統(tǒng)的材料加工主要包括機械加工、電火花加工以及電化學(xué)加工等,這些加工方式都存在一定的缺陷,無法滿足高精度的加工要求。在機械加工的過程中,工件與刀具直接接觸,會對刀具產(chǎn)生較大的磨損,還會產(chǎn)生較大的應(yīng)力[1,2],影響零件的使用壽命與性能;電火花加工技術(shù)的加工速度一般較慢,電極損耗嚴(yán)重等缺點[3];電化學(xué)加工的加工穩(wěn)定性較差,且電解產(chǎn)物易造成環(huán)境污染[4]。

與傳統(tǒng)加工方法相比,激光加工具有以下顯著優(yōu)勢[5-7]:(1)它不與材料直接接觸,不會使制造成的零件產(chǎn)生機械應(yīng)力,在某種程度上提高零件的性能;(2)適用于大部分材料,減少加工難度;(3)可以編寫程序控制加工刀具,適合用于大面積加工(圖1)。早在上個世紀(jì),激光加工技術(shù)就被應(yīng)用于金剛石的磨具加工中。

(a) 小孔;(b) 切槽;(c) 方形切槽圖1 C276 哈氏合金水導(dǎo)激光加工觀測結(jié)果[8]Fig.1 Observation results of water-guided laser processing of C276 Hastelloy

隨著社會的不斷發(fā)展,有關(guān)激光加工技術(shù)的理論不斷地被人們所了解,目前被廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)中進(jìn)行鉆孔、劃槽、切割等作業(yè)。根據(jù)脈沖寬度的不同,激光光源一般可分為連續(xù)激光、長脈沖激光、短脈沖激光以及超短脈沖激光等。連續(xù)激光和長脈沖激光擁有較快的加工速度,但產(chǎn)生的熱影響區(qū)較大,容易形成重鑄層[9]。超短脈沖激光直接將材料轉(zhuǎn)化為等離子態(tài),可以實現(xiàn)材料的噴發(fā)去除,達(dá)到冷加工的效果,但加工效率較低。與超短脈沖激光相比,納秒級短脈沖激光的獲取成本更低,加工過程產(chǎn)生的材料去除率更高。由于納秒脈沖激光在加工時,會產(chǎn)生大量的熱,其本質(zhì)上仍是一種熱基工藝,具有與長脈沖激光加工和連續(xù)激光加工相同的典型熱缺陷,容易在零件中形成重鑄層[9]。

為解決傳統(tǒng)激光加工過程中所面臨的熱問題,水導(dǎo)激光加工系統(tǒng)應(yīng)運而生,研究人員將激光和水耦合,產(chǎn)生一種新的加工系統(tǒng),既可以解決傳統(tǒng)激光加工遇到的熱問題,又能保證加工的需求。該系統(tǒng)基于以下四個理論(發(fā)現(xiàn)):(1)Colladon[10]在1842年提出的光可以沿著高速水流的遠(yuǎn)動軌跡做曲線運動;(2)Tyndall在1854年發(fā)現(xiàn)的光在流動液體中的全反射現(xiàn)象;(3)Doi在1987年發(fā)現(xiàn)的可以將激光與水相互結(jié)合起來,形成可以直接作用于工件表面的激光刀;(4)Wrobel在1990年通過將射流與固體光纖相結(jié)合,將水通過該裝置成功地引導(dǎo)在工件表面。1997年,Synova公司首次將這項技術(shù)進(jìn)行商業(yè)改造,將其運用于零件加工領(lǐng)域,為水導(dǎo)激光廣泛運用于零件加工奠定基礎(chǔ)。

水導(dǎo)激光加工作為一種新型加工方式有效結(jié)合了傳統(tǒng)激光加工方式和水射流加工方式的優(yōu)點,在解決傳統(tǒng)激光加工熱問題基礎(chǔ)上保證加工需求,具有熱影響區(qū)小、熱殘余應(yīng)力小、微裂紋少、加工精度高等優(yōu)點,并在水射流的沖刷下有效減少熔融產(chǎn)物堆積形成的毛刺,降低了加工表面的表面粗糙度,擁有廣泛的應(yīng)用價值與發(fā)展前景。因此,對該技術(shù)進(jìn)行深入了解和研究,對于促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)發(fā)展都具有積極的作用。此外,本文還有助于對水導(dǎo)激光加工技術(shù)的各種優(yōu)缺點進(jìn)行系統(tǒng)性的總結(jié)和歸納,為后續(xù)研究提供可靠的基礎(chǔ)。通過對該技術(shù)的詳細(xì)介紹和深入解析,可以更好地理解其機理原理和應(yīng)用價值,為其在未來的研究和應(yīng)用中提供更好的指導(dǎo)和支持。

1 水導(dǎo)激光加工原理

水導(dǎo)激光加工原理如圖2所示。由于水與空氣的折射率不同,當(dāng)光從空氣射入水時,光會在水與空氣的交界面發(fā)生反射,這是水能引導(dǎo)激光至工件表面的基本條件。當(dāng)光的入射角小于光的全反射零件角時,光束就會在水與空氣的交界面發(fā)生全反射[12],這就保證了光的能量能以極小損耗的狀態(tài)抵達(dá)工件表面。

圖2 水導(dǎo)激光加工原理圖Fig.2 Schematic diagram of water-guided laser processing

在水導(dǎo)激光加工系統(tǒng)中,激光能量并不是跟“干激光”一樣直接作用于工件表面,而是通過水流傳輸?shù)焦ぜ砻?可以把水流當(dāng)成玻璃光纖,光在水流就如同在光纖中,能夠準(zhǔn)確高效的把光傳遞到需要的部位。一旦穩(wěn)定范圍內(nèi)的水射流與工件發(fā)生碰撞,水射流引導(dǎo)的激光能量就被材料表面吸收,吸收的激光能量使燒蝕區(qū)域的材料熔化、蒸發(fā)。在水導(dǎo)激光加工過程,水射流的沖擊力遠(yuǎn)比傳統(tǒng)水射流加工的力度小,水射流的作用主要是用來傳導(dǎo)激光,同時將加工產(chǎn)生的廢料帶走,并能保證工件表面處于一種較低溫的狀態(tài),以免損傷工件的結(jié)構(gòu)。穩(wěn)定的水射流在水的擊穿閾值內(nèi)可耦合不同波長、脈寬的激光,經(jīng)過一定的工作距離作用于不同材質(zhì)的工件表面,能夠滿足廣泛的生產(chǎn)要求[13]。

在水導(dǎo)激光加工系統(tǒng)中,高壓供水系統(tǒng)通過壓力使得水槽中的水以1～50 MPa的壓強噴出形成水射流光纖,一般采用蓄能器吸收壓力脈沖來實現(xiàn)精確的壓力調(diào)節(jié)。由于水分子為極性分子,易受到周圍電場的影響使得無法完成精確的加工需求,因此,水導(dǎo)激光加工系統(tǒng)一般需遠(yuǎn)離電場,將水與激光耦合在一起的系統(tǒng)需垂直放置。

作為激光的傳播途徑,系統(tǒng)對水的要求非常嚴(yán)格。若水中含有較高含量的微細(xì)顆粒,則會干涉高速水射流的層流狀態(tài)甚至堵塞噴射水射流的噴嘴使得系統(tǒng)無法正常工作。水中的微細(xì)顆粒還會使得高能激光在水射流中發(fā)生反射、散射或散焦而使光束傳輸路徑發(fā)生改變,導(dǎo)致能量逸散損耗。因此,水導(dǎo)激光加工設(shè)備需要配備水凈化系統(tǒng),包括反滲透系統(tǒng)、nm顆粒過濾器、紫外線照明燈、真空膜除氣裝置和活性炭過濾器等[14]。由噴嘴射出的水射流是呈圓柱形的層流水束,其與空氣之間的接觸面較光滑,可以保證激光在水射流中的全反射。

當(dāng)水射流高壓通過噴嘴時,由于噴嘴的折射率與水的不一樣,使得激光在水與噴嘴的交界面無法全反射,會有部分能量沉積在噴嘴表面。為解決該現(xiàn)象,研究人員發(fā)現(xiàn)只要在水與激光耦合后不再與噴嘴接觸,即水射流的直徑小于噴嘴孔徑,達(dá)到穩(wěn)定的“縮流”狀態(tài)?？s流狀態(tài)是指在水到達(dá)噴嘴時,由于自身慣性的影響,使得其無法直接沿著噴嘴邊緣發(fā)生90°的偏折,而是會繼續(xù)向前運動一段距離,在噴嘴下端形成直徑小于噴嘴直徑的水射流(圖3)。

圖3 水射流噴射圖Fig.3 Water jet ejection diagram

在耦合槽中,由于極高的水壓,水槽中的水高速噴出,其狀態(tài)極不穩(wěn)定。在其噴出之后,會形成具有緊密結(jié)構(gòu)的水射流,水射流會因高速與周圍的空氣產(chǎn)生劇烈摩擦,進(jìn)行動量能量的交換,使得水射流由于其本身的布朗運動發(fā)生發(fā)散運動;隨著水射流噴射距離的增加,發(fā)散運動不斷加強,使得周圍的空氣不斷被水射流吸入,降低水射流速度。由于速度降低,使得水射流最終離散為液滴[15]。

典型的水導(dǎo)激光加工系統(tǒng)主要由耦合對準(zhǔn)及觀測系統(tǒng)、供水系統(tǒng)及三維工作臺三部分構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。耦合對準(zhǔn)及觀測系統(tǒng)主要由激光器、擴束及聚焦元件、耦合單元及觀測相機構(gòu)成。由激光器產(chǎn)生的激光經(jīng)過擴束及聚焦元件作用后聚焦在耦合單元內(nèi)的噴嘴小孔附近。為了使激光能更好地耦合進(jìn)水射流,首先調(diào)整聚焦系統(tǒng)的位置使激光照射在噴嘴小孔附近的光斑直徑最小。接下來調(diào)整激光光路中光學(xué)元件的位置直至激光束腰位置與噴嘴小孔重合,這樣就完成了激光與水射流的耦合。通常情況下耦合頭垂直放置,以免水射流因重力過大產(chǎn)生彎曲,從而導(dǎo)致激光從水射流中逸出。供水系統(tǒng)用于精準(zhǔn)控制進(jìn)入耦合系統(tǒng)的高壓水壓力并且保證其水壓穩(wěn)定,其主要由高壓供水泵、穩(wěn)壓表、壓力表、調(diào)壓閥和溢流閥組成。代加工工件固定在三維工作臺上,各子系統(tǒng)的運行由PC和PLC控制,當(dāng)水位和水壓低于一定值時自動關(guān)閉,以避免激光損壞噴嘴。

圖4 典型水導(dǎo)激光加工設(shè)備示意圖Fig.4 Schematic diagram of typical water-guided laser processing equipment

2 主要應(yīng)用

2.1 打孔

傳統(tǒng)的激光打孔技術(shù)主要有電液束打孔、電火花打孔和激光打孔三種。電液束打孔利用高電壓和酸類電解液加工直徑較小的孔。電液束打孔過程中,通常會出現(xiàn)點蝕、孔口偏大、雙眼皮孔、臺階狀、孔壁不完整等缺陷。電火花打孔是利用連續(xù)上下垂直運動的細(xì)金屬銅管(稱為電極絲)作電極,對工件進(jìn)行脈沖火花放電蝕除金屬成型。電火花打孔只能作用于導(dǎo)電材料上,且加工速度慢,加工的精度要求越高,其加工速度越慢。激光鉆孔技術(shù)分為沖擊切割和旋轉(zhuǎn)切割。沖擊孔直徑0.01～1.00 mm,孔深5～15 mm,孔為喇叭形,孔壁重熔層約0.15 mm。開口尺寸不受旋轉(zhuǎn)切割方法的限制,但開口深度受到限制,孔壁上熔融層的厚度較小,激光鉆孔精度不高,重復(fù)精度低,處理后不可避免地會出現(xiàn)重熔甚至微裂紋。因此,工藝的數(shù)量和規(guī)模非常小。

傳統(tǒng)打孔方法都存在著一些缺點,為了統(tǒng)合各種打孔方法的優(yōu)點,Richerzhagen[16]提出了水導(dǎo)激光加工方法,他將激光與水射流耦相互耦合,證明了水導(dǎo)激光在金剛石,碳化硅以及半導(dǎo)體熱敏感材料的高精度加工擁有不錯的加工效果。Reshed等[17]設(shè)計并開展了微細(xì)電火花和水導(dǎo)激光加工噴油嘴孔的對比實驗,發(fā)現(xiàn)水導(dǎo)激光打孔加工得到的孔精度比電火花打孔的高。

通過對比兩種激光打孔技術(shù)效果(圖5),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,具有明顯技術(shù)優(yōu)勢。

(a)傳統(tǒng)激光打孔;(b)水導(dǎo)激光打孔圖5 傳統(tǒng)激光打孔與水導(dǎo)激光打孔加工對比Fig.5 Comparison between traditional laser drilling and water guide laser punching processing

(a)傳統(tǒng)激光切割;(b)水導(dǎo)激光切割圖6 激光切割與水導(dǎo)激光切割加工不銹鋼對比圖[36]Fig.6 Comparison between laser cutting and water guided laser cutting of stainless steel

關(guān)于水導(dǎo)激光打孔技術(shù),國外的研究比國內(nèi)的要領(lǐng)先,并能將其轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實應(yīng)用。SYNOVA公司與GE公司合作開發(fā)了能夠運用于渦輪葉片氣膜孔的加工技術(shù)[18]。國內(nèi)的技術(shù)還未成熟到可以實際運用上,主要是圍繞在基礎(chǔ)理論上的研究。徐俊杰[19]以碳化硅為主要材料,對水導(dǎo)激光打孔工藝進(jìn)行研究,總結(jié)了不同技術(shù)要求對加工結(jié)果的影響。曹治赫[8]以激光水射流耦合原理搭建了水導(dǎo)激光加工設(shè)備,并以多種材料作為實驗對象,發(fā)現(xiàn)了兩種金屬材料加工得到的盲孔邊緣規(guī)則圓滑,切槽邊緣平直無毛刺,無熱影響區(qū)。張正等[21]提出了一種新型水導(dǎo)激光縮流導(dǎo)光方法,并通過激光與縮流層流水柱高效耦合試驗與材料加工試驗證了其加工方法的可行性,且對比空氣中加工結(jié)果,水-氣縮流傳導(dǎo)激光加工技術(shù)在熱影響區(qū)和熱堆積上有明顯改善。

關(guān)于國內(nèi)對水導(dǎo)激光打孔加工技術(shù)的探究中,Yang等[22]在2002年就水導(dǎo)激光蝕刻硅片進(jìn)行了研究,該研究綜合了多種因素,發(fā)現(xiàn)了水導(dǎo)激光打孔的效率與激光能量、水流的溫度以及材料本身有關(guān)。Wang等[23, 24]在2007年通過數(shù)學(xué)建模并運用ANSYS有限元軟件對各種材料的水導(dǎo)激光打孔進(jìn)行了仿真分析,數(shù)值仿真和試驗結(jié)果的對比取得了很好的一致性。詹才娟等[25]在2011年利用有限體積法對基于硅片的水導(dǎo)激光打孔建立了數(shù)學(xué)模型,對加工過程中的能量流動以及液體的運動進(jìn)行了分析,基于實驗結(jié)果提出了水導(dǎo)激光雙脈沖打孔工藝。于永飛等[25]在2022年利用水導(dǎo)激光打孔技術(shù)加工高溫合金 GH4169,發(fā)現(xiàn)激光功率與孔的出入口圓度的形成緊密相關(guān)。

隨著國內(nèi)外智能制造的不斷發(fā)展,人們對微孔加工技術(shù)的精度要求與日俱增。高能激光與水射流復(fù)合加工技術(shù)在材料的精密微細(xì)加工上有著巨大優(yōu)勢,能夠加工出沒有熱影響區(qū)、精度高、深徑比大的微細(xì)孔[25]。因此,水導(dǎo)激光鉆孔技術(shù)廣泛應(yīng)用于渦輪葉片等零件的微孔加工。目前,水導(dǎo)激光鉆孔仍然面臨許多挑戰(zhàn)?？茖W(xué)家們對激光與材料相互作用的物理機制和數(shù)學(xué)模型、激光與水射流的耦合機制、加工參數(shù)的優(yōu)化以及激光設(shè)備的集成化和小型化進(jìn)行了深入研究,希望得到能夠廣泛運用于各大領(lǐng)域的水導(dǎo)激光打孔技術(shù)。

2.2 切割

在材料切割加工的領(lǐng)域中,與傳統(tǒng)切割方法相比,激光切割在加工效率、加工精度以及對材料的損傷方面,都有明顯優(yōu)勢。這些優(yōu)勢使得激光切割在各大領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景。在醫(yī)療領(lǐng)域中,激光切割可以運用于血管內(nèi)支架的加工[26]。但是傳統(tǒng)激光切割技術(shù)中,會使材料產(chǎn)生一定的損傷,降低零部件的使用壽命。水導(dǎo)激光切割與傳統(tǒng)激光切割相比,既擁有高效率、高精度的優(yōu)點,能降低熱損傷對零部件本身的損害,還可以降低在切割過程中產(chǎn)生的污染物。

早在1993年,Richerzhagen等[27]對激光在水射流中的傳播進(jìn)行了研究,并以此成立了從事水導(dǎo)激光研發(fā)和運用的公司,并揭示了水射流激光切割技術(shù)在材料加工中的優(yōu)勢,水射流激光及其材料加工的研究引起了國內(nèi)外許多學(xué)者的興趣。

Richerzhagen等[28]在1996年就激光在水中的聚焦進(jìn)行研究,并建立了聚焦數(shù)學(xué)模型。Kruusing[29-30]在2004年研究了不同波長在水中的衰減程度,該研究表明,波長在492～577 nm范圍內(nèi)的激光被水吸收的能量最小。Spiegel等[31]在2004年就激光在水射流中的傳播進(jìn)行了實驗,該實驗發(fā)現(xiàn)在水射流較遠(yuǎn)時,功率更高的激光會產(chǎn)生更強的拉曼散射現(xiàn)象,為水導(dǎo)激光功率的選擇研究提供理論支持。陳笑[32]等在2005年研究了高功率激光在與水射流的相互作用過程中激光等離子體波的傳播特性。Couty[33]在2005年對不同直徑和不同速度的水射流等參數(shù)對激光能量分布的影響進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)激光在水射流中的傳播過程中類似于激光在多模光纖中的傳輸,從而解釋了為什么水導(dǎo)激光不同于“干激光”切割需要聚焦的優(yōu)越性。

隨著水導(dǎo)激光切割技術(shù)原理越來越被人們熟知,與水導(dǎo)激光切割技術(shù)相關(guān)的工藝與設(shè)備也逐步被研究者所發(fā)展。Wagner 等[34]等通過對比水導(dǎo)激光切割與傳統(tǒng)激光切割的加工效果,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)勢更加明顯。其加工對比圖如6所示。李靈等[35]通過針對不同穩(wěn)定性水射流所耦合的激光進(jìn)行實驗,發(fā)現(xiàn)激光能量衰減與水射流的穩(wěn)定性有關(guān)。Weiss 等[36]通過研究使用水導(dǎo)激光切割加工后的不銹鋼表面氧化情況,發(fā)現(xiàn)了加工過后材料表面氧化區(qū)域面積與切割速率成正比的現(xiàn)象。Ng等[37]通過實驗發(fā)現(xiàn)了在噴嘴直徑為30 μm水射流的條件下,水導(dǎo)激光切割加工的精度最佳的現(xiàn)象。

相比于國外,國內(nèi)對于水導(dǎo)激光切割設(shè)備的發(fā)展相對緩慢,并沒有達(dá)到制造工業(yè)級水導(dǎo)激光切割設(shè)備的能力,但是也有一些領(lǐng)先于世界其他國家的理論研究。李靈等[38]針對現(xiàn)有激光與水射流耦合問題,設(shè)計出通過凸透鏡聚焦激光使激光直接進(jìn)入水射流的耦合裝置,并通過多次實驗證明該系統(tǒng)可以很好的滿足硅片高精度的加工需求。葉瑞芳等[39]針對現(xiàn)有激光與水射流耦合裝置較難制作的問題,提出了通過以軸棱鏡代替聚焦透鏡的方法,降低制作難度,并在實驗中驗證了該方法的可行性。楊保健等[40]通過設(shè)計一種雙注水口水導(dǎo)激光切割耦合裝置,提高了切割時的工作效率,和降低了切割時材料的損耗。

2.3 切槽

激光在切細(xì)槽方面有著傳統(tǒng)加工方法無法比擬的優(yōu)越性能,當(dāng)加工0.5 nm以下的細(xì)槽時,傳統(tǒng)加工方法幾乎不可能實現(xiàn),但是0.5 nm以下的細(xì)槽在航空工業(yè)與集成電路方面有著廣泛的應(yīng)用需求。為了降低葉片的表面溫度,增加飛機上空氣渦輪發(fā)動機葉片的使用壽命,最好的方法就是在葉片表面盡可能多的切槽,使葉片表面盡可能多的覆蓋冷卻液。而且傳統(tǒng)加工方法很難應(yīng)用于陶瓷材料的加工,但是陶瓷材料的應(yīng)用范圍在隨著世界先進(jìn)制造的發(fā)展而擴大。

前文提到,干激光切割方法會對材料造成較大的熱損傷,利用水射流與激光耦合,可以通過水流吸收材料表面的熱量來降低材料的熱損傷。水導(dǎo)激光開槽技術(shù)也具有相似的特點,在不損傷材料的同時,還具有較高的加工精度。

張旖諾等[41]通過水導(dǎo)激光對碳纖維增強塑料進(jìn)行開槽處理。運用有限元法中的單元生死技術(shù),建立了水導(dǎo)激光加工非均質(zhì)纖維樹脂基體的三維瞬態(tài)溫度場模型。在該模型下,利用雙向循環(huán)掃描的加工方式對切面的微觀形貌進(jìn)行仿真與實驗研究。研究發(fā)現(xiàn),在相同軌跡時切割產(chǎn)生的長邊錐度要小于短邊錐度,且深度較淺的表面粗糙度要小于較深的表面粗糙度。通過對切面不同側(cè)邊、不同深度的表面形貌進(jìn)行分析,認(rèn)為水射流高效的排屑率是實現(xiàn)水導(dǎo)激光高精度加工的關(guān)鍵因素。

3 技術(shù)難點

水導(dǎo)激光加工技術(shù)的發(fā)展還面臨以下難點:(1)水射流對激光的能量有一個較明顯的減弱作用,使得激光與水射流耦合后能量衰減明顯,限制了水導(dǎo)激光加工技術(shù)的應(yīng)用范圍,導(dǎo)致使用水導(dǎo)激光切割技術(shù)加工材料的速度較慢,加大了能源損耗。(2) 水射流的直徑影響光束寬度,從而影響加工精度。射流的直徑越小,加工精度越高,但射流的穩(wěn)定性降低。(3)為了保證射流的高穩(wěn)定性,噴嘴孔的厚度非常薄,噴嘴的圓柱孔不是圓錐形和圓形,并具有一定的抗水力沖擊剛度。噴嘴的圓柱形表面粗糙度非常小,且安裝精度高。上述對高精度和高質(zhì)量的要求增加了噴嘴孔的制造難度。(4)激光與水射流快速精準(zhǔn)耦合,需要使用高精度的驅(qū)動控制系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

激光與水射流耦合技術(shù)能夠應(yīng)用于航空、晶體制造、復(fù)雜醫(yī)學(xué)和其他領(lǐng)域,用以處理金屬、半導(dǎo)體和復(fù)合材料等難加工材料。建模和仿真為理解激光燒蝕的物理機制,擴大激光在水下實驗和制導(dǎo)中的應(yīng)用范圍提供了依據(jù)?；诟鞣N加工材料的水導(dǎo)激光加工方法的大量研究證明了其在金屬材料、半導(dǎo)體和先進(jìn)復(fù)合材料加工領(lǐng)域的應(yīng)用價值。

然而,水導(dǎo)激加工能力仍然受到高質(zhì)量、寬工作空間和窄工作空間的孔、槽、邊加工要求的限制。同時,金剛石、藍(lán)寶石、超硬陶瓷等難加工材料的導(dǎo)水激光加工技術(shù)還有待進(jìn)一步研究。為了滿足更好的加工和大規(guī)模生產(chǎn)的需要,未來可能需要進(jìn)一步發(fā)展的領(lǐng)域有:

(1)減小水射流直徑,降低高強度激光能量損失。水射流直徑的大小對處理的分辨率和質(zhì)量有重要影響。為了減小射流直徑,保持射流的穩(wěn)定性,需要進(jìn)一步研究水-氣相互作用和耦合參數(shù)對射流分布和激光能量場的影響。

(2)確定耦合過程中焦點的移動。在激光與水射流相互作用的過程中,由于水聚焦激光的熱效應(yīng),水溫升高,導(dǎo)致激光的折射率和吸收系數(shù)發(fā)生變化。在這種影響下,激光聚焦偏離理論聚焦,導(dǎo)致通信效率下降,甚至導(dǎo)致通信損耗。以往的研究往往忽略了高流量工況下機組噴水溫度的變化,不能滿足提高加工質(zhì)量的要求。

(3)研究激光加工過程中激光水射流與水驅(qū)材料的相互作用原理。水激光加工過程是高能激光、水射流和材料之間復(fù)雜的相互作用過程。在水導(dǎo)電激光加工過程中,加工區(qū)域存在復(fù)雜的熱波和等離子體壓力波動,這對材料的去除能力至關(guān)重要。對了解水導(dǎo)激光加工機理及二次熔敷層和二次熔敷層的形成具有重要意義。

(4)激光能量在加工表面的分布研究。膠粘劑的能量束與處理后的表面相互作用,形成一定的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)演化對激光/水射流/材料界面材料的時空分布有重要影響,進(jìn)一步影響了激光/水射流/材料界面材料的動力學(xué)行為。進(jìn)一步研究激光能量在加工表面的分布和演化規(guī)律,可以有效提高激光加工在水下的可控性。