碳化硅作為一種具備高硬度、高耐磨性及優(yōu)異熱學(xué)、電學(xué)性能的先進(jìn)材料，在航空航天、半導(dǎo)體器件、新能源裝備等高端制造領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。然而，其硬脆特性使得高深徑比微孔（深徑比≥10:1）加工面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)加工工藝如機(jī)械鉆孔、電火花加工、超聲加工等，普遍存在刀具磨損嚴(yán)重、加工精度低、表面質(zhì)量差或加工效率不足等問(wèn)題，難以滿足高端領(lǐng)域?qū)μ蓟栉⒖讟?gòu)件的嚴(yán)苛要求。在此背景下，水導(dǎo)激光加工技術(shù)融合激光高能量密度與水射流冷卻排屑的雙重優(yōu)勢(shì)，為突破碳化硅微孔加工瓶頸提供了創(chuàng)新技術(shù)路徑，相關(guān)工藝參數(shù)的優(yōu)化研究對(duì)推動(dòng)該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用具有重要意義。

    一、水導(dǎo)激光加工系統(tǒng)的工作原理
    水導(dǎo)激光加工系統(tǒng)的核心優(yōu)勢(shì)源于激光精準(zhǔn)傳導(dǎo)與水射流協(xié)同作用的有機(jī)結(jié)合，其工作機(jī)制可分為以下兩大關(guān)鍵環(huán)節(jié)：
    1.激光的全反射傳導(dǎo)機(jī)制
    水介質(zhì)的折射率（約1.33）顯著高于空氣（約1.0），當(dāng)高壓水束通過(guò)特定直徑噴嘴（實(shí)驗(yàn)中采用50μm噴嘴）形成穩(wěn)定、光滑的連續(xù)流束時(shí)，激光在水空氣界面會(huì)發(fā)生多次全反射，如同在光纖中傳輸般被“束縛”于水束內(nèi)部。這種傳導(dǎo)方式有效避免了傳統(tǒng)激光加工中能量擴(kuò)散的問(wèn)題，確保激光能量以高聚焦密度精準(zhǔn)作用于碳化硅材料的加工區(qū)域，為微孔加工的尺寸精度與形狀精度提供基礎(chǔ)保障。
    2.水射流的冷卻與排屑協(xié)同作用
    實(shí)驗(yàn)中設(shè)定的35MPa高壓水束，除作為激光傳導(dǎo)載體外，還承擔(dān)冷卻與排屑的雙重功能：一方面，水的高比熱容與高導(dǎo)熱性可快速吸收加工區(qū)域產(chǎn)生的熱量，將熱影響區(qū)控制在微米級(jí)范圍，有效抑制碳化硅因高溫導(dǎo)致的裂紋萌生與重鑄層形成；另一方面，高速流動(dòng)的水束能夠?qū)崟r(shí)沖刷加工區(qū)域，及時(shí)排出碳化硅蝕除碎屑，避免殘?jiān)逊e造成的孔壁劃傷、加工中斷等問(wèn)題，保障加工過(guò)程的連續(xù)性與穩(wěn)定性。

    二、碳化硅微孔加工工藝參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究
    為系統(tǒng)探究工藝參數(shù)對(duì)碳化硅微孔加工效率與質(zhì)量的影響，研究團(tuán)隊(duì)采用自研水導(dǎo)激光設(shè)備（型號(hào)WLLCS303，激光波長(zhǎng)532nm，最大功率100W，三軸平臺(tái)定位精度±3μm），以純度99.5%的碳化硅陶瓷板（厚度分別為7.68mm、20mm）為加工對(duì)象，通過(guò)單因素控制法開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)分析加工軌跡、激光參數(shù)、加工速度及加工距離四大變量的作用規(guī)律。
    1.加工軌跡對(duì)加工性能的影響
    實(shí)驗(yàn)對(duì)比“單一圓”“螺旋線”“同心圓”三種加工軌跡，結(jié)果表明：
    單一圓軌跡加工效率最低，主要原因是其切割縫隙狹窄，碎屑排出通道受限，導(dǎo)致加工過(guò)程中殘?jiān)逊e，頻繁中斷加工流程；
    同心圓軌跡與螺旋線軌跡加工效率顯著優(yōu)于單一圓軌跡，兩者加工耗時(shí)分別為4分20秒、4分30秒，差異較小。這兩類軌跡通過(guò)擴(kuò)大排渣區(qū)域，優(yōu)化了碎屑排出路徑，提升了加工連續(xù)性。但需注意，螺旋線軌跡加工的微孔入光面易出現(xiàn)微崩缺現(xiàn)象，經(jīng)掃描電鏡觀察分析，該問(wèn)題源于加工過(guò)程中噴濺的碎屑與等離子體云干擾了水束穩(wěn)定性，進(jìn)而影響激光傳輸精度。
    2.激光參數(shù)對(duì)加工性能的影響
    固定加工軌跡為同心圓、加工速度2mm/s，調(diào)整激光功率（1033W）與重復(fù)頻率（68kHz），重點(diǎn)研究單脈沖能量（激光功率與重復(fù)頻率的比值）的影響：
    加工效率規(guī)律：當(dāng)單脈沖能量低于4.4mJ時(shí)，鉆孔效率隨能量增加而提升，這是由于更高的單脈沖能量可增強(qiáng)對(duì)碳化硅的蝕除能力；當(dāng)單脈沖能量超過(guò)4.4mJ時(shí)，加工效率呈下降趨勢(shì)，主要因過(guò)量能量導(dǎo)致加工區(qū)域溫度驟升，水束冷卻負(fù)荷增大，甚至引發(fā)水束破裂，破壞激光傳導(dǎo)穩(wěn)定性；
    加工質(zhì)量規(guī)律：隨著單脈沖能量降低，入光面孔徑與孔錐度同步減小，孔口微崩缺面積也隨之縮小。分析可知，高單脈沖能量雖能提升單次蝕除寬度，但同時(shí)會(huì)增強(qiáng)反沖壓力，導(dǎo)致水束對(duì)孔口的沖刷摩擦加劇，擴(kuò)大微崩缺區(qū)域；
    最優(yōu)激光參數(shù)：當(dāng)激光功率33W、重復(fù)頻率7.5kHz時(shí)（對(duì)應(yīng)單脈沖能量4.4mJ），加工性能最優(yōu)，此時(shí)入光面孔徑0.479mm、出光面孔徑0.470mm，孔錐度僅0.067°，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)工藝水平。
    3.加工速度與加工距離的影響
    加工速度：實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加工速度過(guò)高（如5mm/s）會(huì)縮短激光與碳化硅的作用時(shí)間，導(dǎo)致加工深度不足；速度過(guò)低（如0.5mm/s）則會(huì)延長(zhǎng)水束與加工區(qū)域的接觸時(shí)間，增加熱影響區(qū)范圍。綜合效率與質(zhì)量，1mm/s為最優(yōu)加工速度，此時(shí)既能保證充足的激光作用時(shí)間，又可控制熱影響區(qū)在合理范圍；
    加工距離（噴嘴與工件表面的距離）：加工距離過(guò)近（<10mm）易導(dǎo)致水束反濺至噴嘴，污染噴嘴并影響激光傳導(dǎo)；距離過(guò)遠(yuǎn)（>25mm）則會(huì)降低水束穩(wěn)定性，削弱激光聚焦精度。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，20mm為最優(yōu)加工距離，可同時(shí)保障水束穩(wěn)定性與激光聚焦效果。

    三、技術(shù)成果與未來(lái)優(yōu)化方向
    1.核心技術(shù)成果
    通過(guò)工藝參數(shù)優(yōu)化，水導(dǎo)激光加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)了碳化硅高深徑比微孔的高效、高精度加工：采用50μm噴嘴、35MPa水壓，在加工速度1mm/s、激光功率33W、重復(fù)頻率7.5kHz、加工距離20mm的工藝組合下，僅需2分鐘即可加工出直徑0.48mm、深度7.68mm的通孔，深徑比達(dá)15:1，孔錐度角僅0.0074°，且孔壁無(wú)裂紋、無(wú)重鑄層，完全滿足高端領(lǐng)域?qū)ξ⒖讟?gòu)件的質(zhì)量要求。
    2.未來(lái)優(yōu)化方向
    盡管當(dāng)前成果已突破傳統(tǒng)工藝局限，但仍有進(jìn)一步優(yōu)化空間：計(jì)劃將噴嘴直徑縮小至40μm，在保證激光功率密度的前提下，通過(guò)減小水束直徑降低單脈沖能量，縮小水束反濺范圍，從而進(jìn)一步減少入光面孔口微崩缺面積，提升微孔加工質(zhì)量；同時(shí)，后續(xù)還將探索多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化模型，結(jié)合智能算法實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，適配不同厚度、不同孔徑要求的碳化硅微孔加工需求，推動(dòng)該技術(shù)在更多高端制造場(chǎng)景的應(yīng)用。