在航空航天發(fā)動機(jī)葉片精密制孔、半導(dǎo)體芯片微通道構(gòu)建、新能源電池極片精細(xì)切割等高端制造場景中，傳統(tǒng)激光加工技術(shù)長期面臨“高溫加工需求”與“低損傷質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)”的核心矛盾。激光的高能量密度雖能實(shí)現(xiàn)材料快速去除，但易在加工區(qū)域形成熱影響區(qū)（HAZ）、微裂紋及熔渣堆積，此類缺陷對硬脆材料（如氧化鋯陶瓷、4H-SiC）、高溫合金（如Ti6Al4V）及復(fù)合材料（如Cf/SiC）的力學(xué)性能與使用可靠性構(gòu)成嚴(yán)重威脅。
    為突破這一技術(shù)瓶頸，水復(fù)合激光加工技術(shù)以水為核心輔助介質(zhì)，通過“冷卻-沖刷-導(dǎo)光”的多機(jī)制協(xié)同作用，構(gòu)建了三類差異化技術(shù)體系，為精密制造領(lǐng)域提供了覆蓋“經(jīng)濟(jì)實(shí)用”至“高精度高效能”的全場景技術(shù)方案，對推動高端制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

    一、技術(shù)原理：水與激光的協(xié)同作用機(jī)制
    在水復(fù)合激光加工技術(shù)體系中，水的功能遠(yuǎn)超傳統(tǒng)冷卻介質(zhì)范疇，既能夠吸收加工區(qū)域多余熱量、沖刷熔融產(chǎn)物，又可在特定條件下作為激光傳輸載體，實(shí)現(xiàn)能量利用效率與加工質(zhì)量的平衡?；谒c激光的作用方式差異，該技術(shù)可分為以下三類，分別針對不同加工需求形成技術(shù)優(yōu)勢。
    （一）水下激光加工：靜態(tài)水層的冷卻與能量調(diào)控
    水下激光加工通過將工件浸入靜態(tài)水中完成激光加工，是水復(fù)合激光技術(shù)中結(jié)構(gòu)最簡潔的實(shí)現(xiàn)形式。其核心作用機(jī)制在于靜態(tài)水層的雙重效能：一方面，水可快速吸收加工區(qū)域的熱量，抑制重鑄層形成與微裂紋擴(kuò)展；另一方面，水的沖刷效應(yīng)能夠及時帶走熔融材料顆粒，降低表面污染風(fēng)險。
    然而，該技術(shù)存在天然的技術(shù)矛盾：水層厚度增加雖能強(qiáng)化冷卻與沖刷效果，但會因激光能量被水吸收（吸收系數(shù)與激光波長直接相關(guān)）導(dǎo)致加工效率下降；同時，激光穿透水面時，空氣與水的折射率差異會引發(fā)球差效應(yīng)，造成激光焦點(diǎn)變形，而加工過程中產(chǎn)生的氣泡與熔融物形成的乳白色懸浮液，將進(jìn)一步加劇光束散射，影響加工精度。
    為解決上述問題，研究人員引入超聲輔助技術(shù)，通過高頻振動將大尺寸空化氣泡破碎為微小氣泡，顯著降低其對激光束的擾動。實(shí)驗數(shù)據(jù)表明，在30%乙醇-水溶液體系中，該協(xié)同技術(shù)可使材料去除率提升30%以上，表面粗糙度降低20%，尤其適用于氧化鋯陶瓷、4H-SiC等硬脆材料的微結(jié)構(gòu)加工。早在1988年，Morita團(tuán)隊便首次報道了該技術(shù)在抑制重鑄層方面的優(yōu)勢，為后續(xù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。
    （二）水射流輔助激光加工：動態(tài)水射流的精準(zhǔn)協(xié)同
    針對水下激光加工的能量損失與冷卻不足問題，水射流輔助激光加工采用偏軸高速水射流，構(gòu)建“激光加熱-水射流沖刷”的動態(tài)協(xié)同模式：激光首先將材料加熱至軟化狀態(tài)，降低材料去除難度；隨后，高速水射流精準(zhǔn)沖擊軟化區(qū)域，實(shí)時帶走熔融產(chǎn)物，避免熱積累引發(fā)的加工缺陷。
    該技術(shù)的核心技術(shù)要點(diǎn)在于水射流參數(shù)調(diào)控：噴嘴的偏移距離與角度直接決定水層厚度——偏移距離過小時，激光需穿透厚水層，導(dǎo)致能量衰減嚴(yán)重；偏移距離過大時，水射流無法有效覆蓋加工區(qū)域，冷卻效果減弱。實(shí)驗結(jié)果顯示，采用1070nm波長激光加工Ti6Al4V時，該技術(shù)可使熱影響區(qū)縮小40%，材料去除率提升50%，但仍存在加工錐度較大、易產(chǎn)生微裂紋等問題，需通過大量預(yù)實(shí)驗優(yōu)化參數(shù)，因此在高精度通孔加工場景中應(yīng)用受限。
    （三）水導(dǎo)激光加工：水束導(dǎo)光的精度突破
    與前兩類“水輔助激光”技術(shù)不同，水導(dǎo)激光加工實(shí)現(xiàn)了“水引導(dǎo)激光”的技術(shù)跨越。其核心原理基于水-氣界面的全反射效應(yīng)：將激光耦合至高壓水射流中，水射流外部包裹氮?dú)饣驓鍤庑纬杀Ｗo(hù)層，激光在水束內(nèi)部以全反射方式傳輸，如同“液體光纖”般精準(zhǔn)作用于工件表面，實(shí)現(xiàn)高精度加工。
    該技術(shù)的性能優(yōu)勢顯著：加工Cf/SiC復(fù)合材料時，在0.25GW/cm²功率密度下可制備深度達(dá)4.1mm的通孔，側(cè)壁錐度僅為0.72°；加工TBC合金傾斜通孔時，深徑比可達(dá)20，重鑄層厚度控制在0.6~1.2μm。但高性能背后伴隨較高技術(shù)門檻——設(shè)備需集成高壓水系統(tǒng)（采用柱塞泵確保壓力穩(wěn)定）、激光耦合系統(tǒng)（通過二向色鏡實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)反射）與氣體輔助系統(tǒng)（氬氣輔助效果最佳，可使水射流穩(wěn)定長度超過70mm），導(dǎo)致設(shè)備成本較高，大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化推廣仍需突破核心部件國產(chǎn)化瓶頸。
    二、應(yīng)用場景：從難加工材料到高端制造領(lǐng)域
    水復(fù)合激光加工技術(shù)的核心價值在傳統(tǒng)激光加工難以覆蓋的領(lǐng)域尤為突出。三類技術(shù)方案基于自身特性，在硬脆材料、高溫合金、復(fù)合材料加工中形成差異化應(yīng)用格局，為高端制造領(lǐng)域提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。
    （一）硬脆材料加工：破解裂紋生成難題
    氧化鋯陶瓷、4H-SiC等硬脆材料因硬度高、導(dǎo)熱性差，傳統(tǒng)激光加工易產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重影響材料性能。水下激光加工憑借靜態(tài)水層的緩沖作用，成為此類材料加工的優(yōu)選方案：天津大學(xué)研究團(tuán)隊采用皮秒激光進(jìn)行水下氧化鋯陶瓷加工，在33.3μJ脈沖能量下獲得無裂紋的光滑溝槽；南方科技大學(xué)團(tuán)隊通過水下飛秒激光技術(shù)，在4H-SiC晶圓上制備高質(zhì)量微通道陣列，表面粗糙度降至Ra0.5μm以下，滿足半導(dǎo)體器件的精密加工需求。
    （二）高溫合金與復(fù)合材料加工：突破熱損傷瓶頸
    Ti6Al4V高溫合金、Cf/SiC復(fù)合材料是航空航天領(lǐng)域的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料，對加工精度與熱損傷控制要求嚴(yán)苛。水射流輔助激光加工與水導(dǎo)激光加工分別提供了高效與高精度兩類解決方案：武漢大學(xué)團(tuán)隊采用水射流輔助技術(shù)加工Ti6Al4V微通道，使重鑄層厚度減少60%；張文武團(tuán)隊通過優(yōu)化激光功率密度與脈沖頻率，采用水導(dǎo)激光技術(shù)實(shí)現(xiàn)Cf/SiC復(fù)合材料通孔加工，深徑比達(dá)8.03，滿足航空發(fā)動機(jī)葉片的精密制孔要求。
    （三）功能表面改性：拓展材料性能邊界
    除材料去除加工外，水復(fù)合激光技術(shù)還可用于功能表面制備，拓展材料應(yīng)用場景。喬紅超團(tuán)隊通過水導(dǎo)激光加工單晶硅表面，調(diào)控掃描間距與激光功率，構(gòu)建具有超親水特性的微結(jié)構(gòu)；在304不銹鋼表面加工微凹坑陣列后，材料儲油能力提升3倍，可顯著延長軸承等機(jī)械部件的使用壽命，為裝備減摩抗磨技術(shù)升級提供新路徑。
    三、發(fā)展趨勢：從技術(shù)可行到產(chǎn)業(yè)實(shí)用的突破方向
    當(dāng)前，水復(fù)合激光加工技術(shù)已完成實(shí)驗室驗證并進(jìn)入初步產(chǎn)業(yè)化階段，但要成為高端制造領(lǐng)域的標(biāo)配技術(shù)，仍需突破以下核心方向：
    （一）智能化參數(shù)優(yōu)化
    不同材料與加工需求下，水層厚度、水射流壓力、激光功率等參數(shù)組合復(fù)雜，傳統(tǒng)試錯法效率低、成本高。未來需結(jié)合人工智能算法，構(gòu)建“材料-參數(shù)-加工質(zhì)量”預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)參數(shù)實(shí)時動態(tài)調(diào)控——例如通過機(jī)器視覺監(jiān)測加工區(qū)域氣泡形態(tài)，自動優(yōu)化超聲輔助頻率，減少人工干預(yù)，提升加工穩(wěn)定性與效率。
    （二）低成本化技術(shù)突破
    水導(dǎo)激光設(shè)備的高成本主要源于耦合系統(tǒng)與高壓水部件的進(jìn)口依賴。需加快激光耦合器、高壓柱塞泵等核心部件的國產(chǎn)化研發(fā)，采用非球面多焦點(diǎn)透鏡降低激光功率密度，避免水射流光致?lián)舸?，同時簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，推動設(shè)備成本下降50%以上，提升技術(shù)的產(chǎn)業(yè)普及性。
    （三）多技術(shù)融合創(chuàng)新
    單一技術(shù)難以覆蓋所有高端制造場景，未來需探索“水復(fù)合+”多技術(shù)融合模式：例如江蘇大學(xué)團(tuán)隊將水射流輔助激光加工與電化學(xué)腐蝕技術(shù)結(jié)合，使鎳基高溫合金通孔孔壁粗糙度降至Ra0.3μm；水導(dǎo)激光技術(shù)與AI視覺檢測結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面精準(zhǔn)加工，滿足航空發(fā)動機(jī)葉片異形孔制造需求。
    結(jié)語
    從傳統(tǒng)激光加工的熱損傷困境，到水復(fù)合激光加工的精準(zhǔn)調(diào)控，技術(shù)突破的核心在于重新定義“能量利用與冷卻平衡”的關(guān)系。在我國高端制造業(yè)向“高精度、高質(zhì)量、綠色化”轉(zhuǎn)型的背景下，水復(fù)合激光加工技術(shù)不僅為硬脆材料、復(fù)合材料等難加工領(lǐng)域提供了創(chuàng)新解決方案，更有望推動激光加工技術(shù)從“粗放去除”向“精密制造”升級，成為我國制造業(yè)突破國外技術(shù)壁壘、實(shí)現(xiàn)自主可控的關(guān)鍵支撐。
    未來，隨著智能化、低成本化技術(shù)的持續(xù)突破，水復(fù)合激光加工技術(shù)將逐步從高端小眾領(lǐng)域走向規(guī)?；a(chǎn)業(yè)應(yīng)用，為芯片制造、航空發(fā)動機(jī)、新能源裝備等領(lǐng)域的技術(shù)升級注入“水與光的協(xié)同力量”，助力我國制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。