技术原理及特点

水导激光的基本原理是将激光束耦合到高压微水射流中，并通过水束引导激光到达加工材料的表面。在这种系统中，激光器产生的激光首先通过一系列光学元件（如透镜和反射镜）进行准直和聚焦，然后通过一个特殊的喷嘴与高压水射流结合。水射流在喷嘴中形成一个微小的通道，激光束通过这个通道被引导至工件表面，如图1所示。由于水的折射率与空气不同，激光在水中的传播路径会发生变化，因此需要精确的光学设计来确保激光束的稳定性和能量集中度。

图1. 水导激光的技术原理。

高精度：水导激光技术能够实现亚毫米甚至微米级的加工精度。由于水束的直径非常小，通常只有几十微米到几百微米，因此可以将激光束精确地引导到工件的特定位置，进行精细的切割、打孔或雕刻等操作。

高效率：在水导激光加工过程中，激光束直接通过水束传输到工件表面，减少了能量在空气中的损失和散射。此外，水束还起到了冷却和冲刷的作用，可以有效地降低工件表面的温度，减少热影响区的范围，从而提高加工效率和加工质量。

减少热损伤：由于水束流的冷却作用，水导激光加工过程中的热影响区（HAZ）非常小。热影响区是指在激光加工过程中，由于热传导和热辐射作用，工件表面和内部材料发生热变形、热损伤或相变的区域。水导激光通过水束的快速冷却，可以迅速将工件表面的热量带走，从而减少热影响区的范围和深度，避免材料的热变形和热损伤。

图2.（a）“普通干激光”切割与水导激光切割钛合金切口截面的SEM图像，（b）水导激光与“普通干激光”切割CFRP得到的切面对比。

应用领域

航空航天领域：航空航天领域对材料的加工精度和质量要求非常高，水导激光技术在该领域的应用也十分广泛。它可以用于加工航空航天器的发动机叶片、涡轮盘、燃烧室等关键部件，这些部件通常由高温合金、钛合金等难加工材料制成。水导激光能够有效地切割和雕刻这些材料，同时保证加工精度和表面质量，提高部件的性能和可靠性。此外，水导激光还可以用于航空航天器的结构件加工，如机翼、机身等，能够实现复杂形状的加工和轻量化设计。

半导体领域：在半导体制造过程中，水导激光可以用于切割硅片、晶圆等半导体材料，以及进行芯片的封装和测试。由于半导体材料对加工精度和表面质量要求极高，水导激光的高精度和低热损伤特性使其成为理想的加工工具。它可以实现对硅片的精细切割，避免裂纹和损伤，提高芯片的良品率和性能。同时，水导激光还可以用于半导体器件的微加工，如微电子元件的制造、微电路的刻蚀等，能够实现微米甚至纳米级的加工精度。

新能源领域：新能源领域中，水导激光可以用于加工太阳能电池板、燃料电池等新能源设备的关键部件。例如，在太阳能电池板的制造过程中，水导激光可以用于切割硅片、刻蚀电池片表面的电极图案等，提高电池板的光电转换效率和性能。在燃料电池的制造中，水导激光可以用于加工燃料电池的膜电极组件、双极板等部件，实现高精度的切割和雕刻，提高燃料电池的性能和寿命。

图3. 水导激光的应用。

水导激光面临的挑战和问题

水束流的稳定性问题：水导激光加工过程中，高速流动的水束流可能会出现不稳定流动，导致加工质量受到影响。例如，在切割过程中，水束流的波动可能会导致切割线的偏移或表面粗糙度增加，从而影响加工精度和表面质量。为了保证水束流的稳定性，需要优化水束流的控制系统，确保其在加工过程中能够保持稳定的状态。

激光与水束的耦合效率问题：激光束与水束的耦合效率直接关系到加工效果。如果耦合效率较低，会导致激光能量在水束中的损失增加，从而降低加工效率和质量。

喷嘴孔加工的技术要求：为了确保水导激光加工的高质量，喷嘴孔的设计和制造精度至关重要。喷嘴孔需要具备极薄的壁厚，同时保持高精度的圆度和无锥度，以抵抗水流冲击。此外，孔内表面的粗糙度也需要控制在极低的水平，以确保水束的稳定性和一致性。

环境适应性问题：水导激光加工设备对环境的要求较高。例如，设备的运行需要稳定的电源、洁净的水源以及恒温恒湿的环境等。在一些环境条件较差的场所，如温度波动较大、湿度较高或电源不稳定等情况下，可能会导致设备的性能下降，甚至出现故障。此外，环境中的灰尘、振动等因素也可能对加工过程产生干扰，影响加工精度和质量。因此，在实际应用中，需要对设备的使用环境进行严格的控制和管理。

国内外行业发展现状

随着激光精密加工技术的不断进步和市场需求的不断扩大，水导激光加工技术也在不断发展和完善。国外公认的生产水导激光设备龙头企业主要有两家，分别是瑞士的Synova和Avonisys。

目前国内水导激光加工设备企业中发展较快的主要有渥特智造、科诗特和上海冷辰科技等公司，也有其他企业采取直接引进国外的相关技术，然后在国内组装生产、优化产品，虽然短期内能够快速弥补技术空白和减少技术研发的成本和时间，但长期来看还是存在一定的问题，如核心技术受制于人、研发投入失衡和产业链风险外溢等等，笔者认为应该构建“引进-吸收-超越”的正向循环。

好消息是目前国内已经有企业能够提供商用设备，实现了配件100%国产。随着中国制造业的转型升级，水导激光加工技术将在高端制造领域发挥更加重要的作用，特别是在新能源汽车、航空航天、高端装备制造等领域，水导激光技术的应用将推动这些行业的技术创新和产品升级。