水輔助激光微細加工技術進展

郭 兵，劉文超，趙清亮，SATA Habib，AMR Monier

(哈爾濱工業(yè)大學 機電工程學院，哈爾濱 150001)

激光具有許多特性，如高強度的電磁能量通量，高單色性，高的空間和時間相干性等，這些特性使得高能量密度的激光可以聚焦在微小區(qū)域，從而實現材料的去除[1-2]. 由于可以通過控制激光的能量，實現對材料去除深度精密控制，并且在材料去除過程中具有高橫向分辨率、低熱輸入和高柔韌性的特點，因而，激光加工非常適用于微細加工技術，特別是在難于利用傳統機械加工的硬脆材料表面上進行微小結構的加工制造時[3-5]. 但是，隨著加工的復雜性和精確度的不斷提高，單純依靠激光加工越來越難以在滿足加工效率的同時獲得足夠的加工精度，如工業(yè)上廣泛應用的連續(xù)或短脈沖激光，由于熱效應在去除材料的同時也帶來了熱損傷、重鑄層等問題，阻礙了激光加工精度的提高. 而以飛秒激光為代表的超短脈沖激光雖然可以獲得較高的加工精度，但其加工效率還有待提升. 在原有激光加工技術基礎上復合其他加工方法，以滿足激光加工日益發(fā)展的復雜化和精密化需求，是目前激光加工技術發(fā)展的一個重要趨勢.

1 水輔助激光微細加工技術的產生原因

水輔助激光加工技術是將水以各種形式復合到現有的激光加工技術中，充分利用水的冷卻作用、沖刷作用以及與激光或者材料產生的其他物理化學作用，從而獲得更好的加工質量.

傳統激光加工是通過熱效應以及其他作用使材料熔化、汽化或化學分解，實現材料去除. 因為激光加工是非接觸加工，所以不存在刀具磨損問題，且加工過程清潔無污染[6]. 但除超短脈沖激光(脈寬<10 ps)是通過材料的多光子吸收作用在極短時間內實現材料去除，基本無熱效應外，其余激光大多表現出明顯的熱效應[7], 使激光加工具有一定的局限性，加工時會產生大范圍的熱影響區(qū)，影響加工區(qū)域的應力分布，從而容易產生裂紋[8]. 并且如果不采取額外的措施將熔化的材料帶走，已經去除的材料極易重新固結在加工點周圍，形成難以去除的重鑄層[9-11]. 這些重鑄層一方面降低了激光加工的精度，使得加工邊緣不規(guī)則；另一方面會對后續(xù)激光束起到散射和阻擋的作用，從而降低激光燒蝕效率[12-13]. 此外，有些材料例如硅、石英等在激光加工時會由激光誘導產生周期性的表面自組織結構，如圖1所示[14]. 這些結構的主要成因與微氣泡、重鑄微粒以及激光的極化作用等有關，雖然在特定應用背景下已有學者利用這種激光誘導現象實現自組織結構的加工，但對大多數激光加工情況，這種自組織結構會降低加工表面質量.

圖1 激光誘導產生的自組織結構形貌[14]

Fig.1 Morphologies of laser induced self-organizing structures[14]

綜上所述，激光加工的熱效應和誘導效應等與材料表面的相互作用帶來了重鑄層、裂紋以及自組織結構等諸多問題，這些問題嚴重影響了激光加工質量，導致直接利用激光燒蝕已經越來越無法滿足高質量微細加工要求. 因此，發(fā)展一種能有效解決上述問題的新型激光加工技術變得極為重要，而水輔助激光加工技術正是這樣一種可以彌補傳統激光加工劣勢的新型復合微細加工技術.

2 水輔助激光微細加工技術的研究現狀

2.1 水下激光加工技術

水下激光加工技術是將工件置于毫米級厚度的靜止或流動水層中，利用激光穿過水層到達工件表面，實現材料的去除，其加工原理見圖2[15]. Wang等[15]和Krstulovic等[16]發(fā)現，采用波長1 064 nm、輸出能量250 mJ水下脈沖激光加工硅、鋁時能夠獲得比空氣中加工更高的材料去除率. 這是由于水下空化引起的微噴射和沖擊波作用，加速了激光燒蝕過程中熔融材料的噴射去除. 另外水層在加工過程中起到了冷卻作用，大大縮小了激光加工的熱影響區(qū)，從而顯著提高了激光加工質量[17].

但是，這種厚度較大的水層在激光的作用下會產生氣泡，從而引起激光的散射和折射，并會吸收部分激光能量以及產生白光連續(xù)的現象，嚴重干擾激光加工的穩(wěn)定性，并大幅降低激光的光束質量和能量密度[18]，直接影響了水下激光加工的穩(wěn)定性和可控性，導致不可預測及不可確定的材料去除過程，從而無法進一步提高激光加工質量.

圖2 水下激光加工技術示意[15]

Fig.2 Schematic diagram of underwater laser processing technology[15]

保證水輔助激光加工穩(wěn)定性的兩個關鍵要素：1)水層厚度要盡量小，以降低水層對激光光束的干擾程度. 2)水層要具有一定的流動速率以將產生的熱量以及碎屑帶走. 基于此，后續(xù)出現的水輔助激光加工技術都在一定程度上具備了這兩個關鍵要素，很好地解決了激光加工過程中的熱效應及誘導效應等帶來的諸多問題.

2.2 同軸水導激光加工技術

同軸水導激光加工技術是通過聚焦鏡頭將激光束耦合進入高速水射流之中，并在水射流中實現全反射，與水射流一同抵達材料表面，實現材料去除，其作用原理和方法如圖3所示[19]. 可以看出，同軸水導激光技術作為水輔助加工技術的一種形式，同時集成了激光以及射流的共同作用，其中激光去除居于主導，水射流起輔助作用. 相較于激光穿過空氣介質到達材料表面，在同軸水導激光加工過程中，激光需要先后穿過空氣層、玻璃層以及水層等多種介質，并且激光光束還要滿足特定的入射條件以實現光束在水束中的全反射，避免激光透射出水束，從而使激光沿水束的方向進行傳播，形成橫截面能量顆粒均勻分布的高能束流. 所以同軸水導激光技術的關鍵之一就是水束與激光光束的耦合技術.

針對水導激光加工中的激光光束與水束的耦合問題，哈爾濱工業(yè)大學的李靈等[20]通過精確調整聚焦透鏡與窗口片的距離來實現激光束焦點位于光纖入口端的平面位置，進而通過微調實際焦點位置，來實現全反射入射條件，解決激光光束與水束的耦合問題. 桂林大學的Huang等[21]提出使用非均衡電場偏移射流(如圖4所示)，從而避免激光與射流耦合出現問題時激光燒壞噴嘴以及激光偏離設定燒蝕區(qū)的問題. 非均衡電場之所以可以偏轉射流，是因為水分子的正負電荷中心不重合，水分子會在電場中極化，誘導偶極力與庫侖力受力平衡，此時水分子不發(fā)生運動. 而當電場不均衡時，誘導偶極力不再與庫侖力平衡，此時水分子會發(fā)生與不均衡電場參量相關聯的運動，因而射流就會在不均衡電場中發(fā)生可控偏轉，其原理如圖5所示.

圖3 水導激光加工技術示意[19]

Fig.3 Schematic diagram of water-guided laser processing technology[19]

圖4 非均勻電場偏轉水射流激光加工原理示意[21]

Fig.4 Schematic diagram of deflection water jet guided laser machining principle under non-uniform electric field[21]

(a) 正向DEP (b) 負向DEP圖5 電泳原理[21]Fig.5 Schematic diagram of principle of dielectrophoresis[21]

除了激光光束與水束的耦合問題，耦合后水束的穩(wěn)定性也是影響同軸水導激光加工的關鍵因素，耦合水束的穩(wěn)定性以及直徑大小直接影響著同軸水導激光的加工質量[22]. 南洋理工大學的Ng YIN-KWEE團隊[23]對噴嘴口徑為30 μm、波長為532～1 064 nm激光的耦合水束穩(wěn)定性進行了理論分析，并完成了仿真模擬，研究結果如圖6所示. 表明噴出水束為層流狀態(tài)時，可以獲得更長的耦合水束穩(wěn)定長度，而噴嘴出口速度為6 m/s時，可以獲得層流狀態(tài)的最大耦合水束穩(wěn)定長度. 采用更小的噴嘴口徑以及真空環(huán)境，可增大層流和湍流的臨界值，層流階段最大耦合水束穩(wěn)定長度對應的噴嘴出口速度最大，此時水導激光處于最佳加工狀態(tài).

圖6 層流與紊流的穩(wěn)定長度曲線和室溫下臨界射流出口速度與噴嘴直徑的關系[23]

Fig.6 Stable length curve of laminar flow and turbulence flow, and relation between critical jet exit velocity and nozzle diameter at room temperature[23]

在加工工藝方面，清華大學Sun等[24]采用脈寬20 ns、波長355 nm的水導激光加工技術以及傳統激光加工技術對CFRP材料進行刻槽加工，并從刻槽寬度、槽邊緣角、熱影響區(qū)、表面形貌以及效率等方面對比了二者的優(yōu)劣，如圖7所示. 研究結果表明,水導激光加工過程中強烈的對流冷卻效應能有效減緩直接用激光燒蝕CFRP材料帶來的嚴重熱損傷問題，但由于水導激光加工功率密度不高，加工效率反而低于傳統激光加工. 對于某些材料,從單純激光加工過渡到水輔助激光加工，功率密度降低帶來加工效率低的問題. 阿沙芬堡應用技術大學的Adelmann等[25]利用波長532 nm、最大輸出功率100 W的水導激光技術實現了高深寬比的金屬槽加工，發(fā)現水導激光可以用來實現厚鋁、鈦以及鋼材料的切槽加工，邊緣形狀幾乎成直角. 對于不同的材料，可以通過調整激光的功率、脈沖重復頻率以及掃描次數等參數來優(yōu)化加工質量. 哈爾濱工業(yè)大學的王楊教授及楊立軍教授也對水導激光加工技術進行了深入研究，先后摸索出對SiCp/Al復合材料[26]、硅基晶片[27]等材料采用波長1 064 nm水導激光的加工工藝； 在材料去除機理以及水導激光中水束與激光耦合方面也取得了很多成果，形成了涉及水導激光技術多個環(huán)節(jié)的理論、仿真及裝備研究體系, 特別是對激光光束與水束的耦合問題進行了深入研究，提出了耦合過程中的對準、調整以及相應的檢測技術，見圖8[28].

(a)水導激光切割表面 (b)傳統激光切割表面

(c)水導激光切縫截面 (d)傳統激光切縫截面圖7 切割表面和切縫截面形貌[24]

Fig.7 SEM micrograph of cutting surface and kerf cross-section[24]

圖8 耦合對準檢測調整系統[28]Fig.8 Coupling alignment system[28]

水導激光技術在高新電子產品關鍵部件加工、高精密醫(yī)療用品加工以及大規(guī)模集成電路晶片切割等方面應用廣泛且市場廣大[20, 29-31]，隨著研究人員對水導激光技術研究的深入，水導激光技術正向著射流水束更加微細、參與耦合的激光頻率更高、脈沖更窄以及耦合檢測調整系統精度更高的方向發(fā)展.

2.3 旁軸射流水輔助激光加工技術

旁軸射流水輔助激光加工是水下激光加工的發(fā)展和延伸，以水射流與激光哪種作為材料去除的主要成因，可將加工技術分為旁軸射流輔助激光加工技術和激光輔助水射流加工技術. 新南威爾士大學的王軍團隊[29]、以及山東大學的黃傳真團隊[30]利用激光與工件材料表面的相互作用，使材料表面屈服強度降低或是直接產生裂紋，進而利用高壓水射流達到材料去除的目的，這與水輔助激光加工技術的去除機理不同. 這里只討論以激光作用為材料去除主要成因的旁軸射流輔助激光加工技術.

相對于形式上更加緊湊的同軸水導激光技術，旁軸射流水輔助激光加工技術形式上更加簡單，易于實現，在加工方面也與前者有著許多不同特點. 清華大學的孫冬等[31]對這兩種加工工藝進行了對比，如圖9所示.

(a) 同軸水導激光加工

(b) 旁軸射流輔助激光加工圖9 同軸水導激光與旁軸射流輔助激光加工對比[32]

Fig.9 Comparison of coaxial water guided laser and paraxial jet assisted laser[32]

分別使用上述兩種水輔助激光加工技術(實驗中采用波長1 064 nm、最大功率400 W激光器)對單晶硅片進行了劃槽實驗，并從切割質量以及切割效率等方面進行了對比研究. 實驗結果表明：水導激光加工出的槽道更寬更淺. 這是因為水導激光加工的精度是由射流直徑而非光斑直徑決定的. 通常射流直徑會遠大于激光光斑直徑(通常<0.05 mm)，水導激光光斑分布面積變大，能量密度變小，所以水導激光加工的槽道更寬. 此外，水導激光加工出的槽道截面積為V形，而射流輔助激光加工出的槽道截面呈水滴狀. 水導激光加工的V形與激光的耦合方式以及射流的壓力分布有關，而射流輔助激光加工的水滴形與槽底水汽化沖擊力有關. 安徽建筑大學的陳雪輝等[32]利用低壓射流水輔助0.6 ms脈寬脈沖激光加工技術對多晶硅材料進行了燒蝕實驗研究. 實驗分別在空氣、靜水以及不同流速的射流水膜條件下對多晶硅進行激光燒蝕，結果表明：在空氣中熔融的材料會凝固在激光燒蝕區(qū)域，形成重凝層，并且在溝槽表面還會發(fā)現裂紋. 當在靜水條件下，就不會產生重凝層，但溝槽周圍的裂紋依舊會出現，并且熔渣會堵塞溝槽，這主要是因為激光對液體作用產生氣泡，而部分材料汽化導致氣泡破裂，產生應力波和震蕩波，從而導致裂紋產生. 而采用低壓射流輔助加工，以上現象均有效減弱，且隨水膜流速的增大，減弱效果變得更加明顯.

理論研究方面，Wang等[29]對旁軸射流形成的水膜厚度進行了推導，根據射流與激光束偏置距離的不同，流動的水膜可分為沖擊區(qū)與壁面射流區(qū)(如圖10所示)，不同情況下的水膜厚度計算公式

式中：hw為旁軸射流形成水膜的厚度(m)，d0為射流與激光束的偏置距離(m)，dn為射流噴嘴出口的直徑(m)，θj為射流噴射角度(°).

(a)壁面射流區(qū) (b)沖擊區(qū)圖10 不同偏置距離激光加工示意圖[29]

Fig.10 Schematic diagram of laser machining with different bias distances[29]

無論水下激光技術、同軸水導激光技術還是旁軸射流輔助激光技術，由于水的折射率與空氣不同，水輔助激光加工技術中都會存在離焦問題，即激光的焦點在水層折射后發(fā)生偏移. 雖然射流輔助激光加工技術所形成的水膜厚度很薄，但應用于微小結構加工時，離焦問題仍十分重要. Tangwarodomnukun等[33]對于水膜導致的焦點偏移問題進行了研究，分析了薄層水膜對激光的影響，包括激光焦斑直徑的變化,離焦激光在材料表面的作用面積以及焦點偏移量，由圖11可以看出，由于水膜的折射作用，激光焦點產生了向下偏移.

圖11 水層對激光會聚的影響[33]

Fig.11 Schematic diagram of influence of water layer on laser convergence[33]

材料去除機理方面，桂林電子科技大學的Zhou等[34]對射流輔助激光加工過程中涉及的傳熱、水射流以及水膜對激光燒蝕的影響進行了建模分析(如圖12所示)，并對加工實驗獲得的燒蝕溝槽進行槽寬以及形貌分析，實驗采用的激光為波長1 064 nm、脈寬25 ns，最大輸出功率20 W，仿真結果與實驗結果基本吻合，表明水流速度與沖擊壓力會影響槽寬、槽深與溝槽側壁的表面形貌，水層的凹凸形狀也會影響激光燒蝕，進而影響了燒蝕的槽寬.

圖12 水射流沖擊的兩相仿真[34]Fig.12 Two-phase simulation of water jet impact[34]

2.4 噴霧輔助激光加工技術

噴霧輔助激光加工技術是一種新型的水輔助激光加工方法，其采用旁軸復合形式依靠薄而流動的水膜實現激光的水輔助加工. 該加工技術水膜形成機理不同，噴嘴處水氣混合的噴出方式使得液滴的噴濺更加劇烈，但由此獲得的水膜也具備厚度更薄、流速更快的特點. 同時射流中混合大量空氣，又可以加速氧化，可提高激光加工效率. 所以，噴霧輔助激光加工技術在微細加工方面有重要的應用意義和廣闊的應用前景.

材料表面形成的水膜使激光的焦點產生偏移的問題、能量削弱問題以及水膜對激光熱效應和誘導效應的影響等同樣會影響噴霧輔助激光加工過程，與之前的其他水輔助激光加工技術的研究是類似的，在此不再贅述. 理論研究方面，與其他水輔助激光加工技術不同，現有水膜厚度與流速計算理論已不再適用于噴霧輔助激光加工技術，需建立新的噴霧撞壁成膜理論. 伊利諾伊大學的Kapoor等[35]將噴霧覆蓋區(qū)域離散化(如圖13所示)，然后對離散化后的每一個單元建立質量動量方程，從而對噴霧撞壁產生的液膜厚度與流速進行求解.

圖13 噴霧水膜分布區(qū)域離散化示意圖[35]

Fig.13 Schematic diagram of dispersion of spray water film distribution area[35]

加工工藝方面，埃朗根-紐倫堡大學的Geiger等[36]提出在材料表面形成一層水膜可以有效提高波長308 nm的XeCl準分子激光燒蝕陶瓷的效率. Geiger等分別采用水下激光加工技術和噴霧水輔助激光加工技術在陶瓷表面進行燒蝕實驗，如圖14所示，水下環(huán)境激光加工時采用的水層厚度從1～20 mm不等，而通過噴嘴在材料表面形成薄薄的一層蒸餾水膜. 實驗結果表明，對于氧化鋁陶瓷，水輔助激光加工技術的燒蝕率大大高于傳統激光加工技術，并且采用噴霧水輔助形式的激光加工技術的燒蝕率最高. 這主要是因為激光束會被燒蝕材料以及氣泡散射、反射，而這種弱化作用隨水膜變薄而減弱. 除此之外，空氣中激光燒蝕，結構邊緣會有材料堆積，而采用噴霧輔助激光加工技術，則可以避免這種現象的發(fā)生.

圖14 水膜下進行XeCl準分子激光加工的實驗裝置[36]

Fig.14 Experimental device diagram of XeCl excimer laser machining under water film[36]

東芬蘭大學的Silvennoinen等[37]研究了噴霧形成的超薄水膜對激光重凝現象的影響，認為流動的薄層水膜可以去除激光燒蝕生成的殘渣(如圖15所示)，更好地削減飛秒激光本就很小的熱影響區(qū)，并且噴霧形成的水層足夠薄，水輔助激光加工的白光連續(xù)以及氣泡現象也能得到很好地抑制. 在噴霧薄層水膜輔助下進行了飛秒激光打孔與燒蝕溝槽實驗，并將獲得的燒蝕結構與單純空氣中燒蝕的結構進行了對比分析，結果如圖16所示. 實驗結果表明：在空氣中進行激光燒蝕時，部分殘渣不會被去除干凈，而是凝結在燒蝕區(qū)附近(這種重凝層與原始材料連接十分緊密，使用超聲清洗也無法徹底清除)，妨礙激光對材料進行接連作用，使得去除相同體積材料所消耗的激光脈沖數更多. 噴霧形成的流動水膜同樣可以有效防止重凝層的產生，并在一定程度上提高激光的材料去除率. 拉夫堡大學的Bakrania等[38]采用類似的方法減少了71%的重鑄層，很好地證實了這一結論. 吉林大學的Cao等[39]認為，噴霧形成的流動薄水膜能夠去除重鑄殘渣的原因是激光在水中產生的沖擊波以及水等離子體空化產生的氣泡沖刷的共同作用.

圖15 旁軸噴霧輔助激光加工示意[37]

Fig.15 Schematic diagram of side-axis spray assisted laser processing[37]

(a)傳統激光加工 (b)旁軸噴霧輔助激光加工

(c)傳統激光加工(放大) (d)旁軸噴霧輔助激光加工(放大)圖16 激光打孔SEM形貌[37]Fig.16 SEM images of laser ablations[37]

噴霧輔助激光加工技術的關鍵特點是流動的超薄水膜，除了噴霧撞壁成膜方法外，學者們還對不同成膜方法條件下的激光加工過程進行了研究. 韓國浦項科技大學(POSTECH)的JANG等[40]利用噴霧水輔助波長248 nm、脈寬25 ns激光對PET、PMMA、單晶硅以及氧化鋁材料進行燒蝕實驗研究，該實驗特點是通過壓力凈化空氣將水蒸氣送至材料表面并冷凝形成流動的極薄水膜. 研究結果表明，流動水膜增強了PMMA材料的燒蝕效果，但對PET材料增強效果不明顯. 這主要是因為激光對這兩種聚合物材料的燒蝕機理不同，PET材料的激光燒蝕去除是光化學反應，而PMMA材料被激光燒蝕去除是光熱反應. 流動水膜對光熱反應和光化學反應的影響是不同的. 在燒蝕獲得的表面形貌方面，紫外激光燒蝕聚合物材料生成的殘渣主要是炭黑顆粒，而流動水膜能減弱激光燒蝕聚合物材料表面質量的惡化. 流動水膜對于單晶硅和氧化鋁激光燒蝕的影響與以上研究得到的結論是一致的，流動水膜能增強激光的燒蝕效果且抑制殘渣的附著聚集.

可以看出，噴霧形成的流動薄層水膜可以大大抑制厚層水下激光加工的白光連續(xù)以及氣泡等問題，同時水膜的流動性可以帶走激光加工時產生的碎屑(這些碎屑會對激光在材料中的擴展產生阻礙，使得激光加工的效率精度下降，且后期難于清除),減小熱影響區(qū). 而且噴霧形成的流動薄層水膜可以抑制自組織結構的形成. 另外,對于不同的被燒蝕材料，水膜提高激光的燒蝕效率是有所差異的. 而噴霧輔助激光加工精度是由所使用的激光焦斑大小所決定的，而水膜對此影響很小，這與水導激光加工技術不同. 因此，無論是旁軸射流水輔助還是噴霧輔助，都能有效抑制單一激光燒蝕材料去除導致的熱效應. 目前,這兩種結構簡單、效果明顯的水輔助激光加工技術已經逐步開始應用于MENS、生物芯片、以及微小工具制備方面.

在噴霧輔助激光加工技術的應用方面，本課題組為改善傳統激光加工微結構化CVD金剛石砂輪的燒蝕質量，采用800 ps脈沖水輔助激光加工技術進行了CVD金剛石砂輪的制備研究[41]. 基于各種水輔助激光加工的特點，水導激光加工精度受水束直徑的影響，直徑在100 μm以下水束的穩(wěn)定性較差，同時水導激光加工出的溝槽截面呈現V形. 如果利用水導激光技術實現CVD金剛石砂輪表面微結構化，此時確保燒蝕質量所需的結構尺寸過大，且V形截面溝槽不利于砂輪容屑空間的提高. 綜合以上考慮，所以采用結構相對簡單、加工效果又較好的噴霧輔助激光加工技術實現CVD金剛石砂輪表面的結構化加工，并將傳統激光加工與噴霧輔助激光加工進行對比，加工效果如圖17所示.

(a)傳統皮秒激光燒蝕

(b)水輔助皮秒激光加工圖17 CVD金剛石砂輪表面微結構皮秒激光燒蝕形貌對比

Fig.17 Comparison of microstructure morphology on surface of CVD diamond grinding wheel by picosecond laser ablation

從圖17可以看出，采用適當的激光加工參數進行空氣中激光加工與噴霧輔助激光加工獲得的表面形貌區(qū)別較明顯. 空氣中對CVD金剛石涂層進行激光加工獲得的溝槽與凹坑內部被燒蝕殘渣堵塞，邊緣涂層剝離并產生裂紋以及熱應力影響，從而導致結構周邊出現大范圍的破裂；而在噴霧輔助激光加工中，上述現象得到極大地改善，加工質量顯著提升. 進一步利用噴霧輔助激光加工技術對整個CVD金剛石砂輪的表面進行微結構化加工，加工結果如圖18所示. 當然，這樣獲得的加工結果還存在很多的不足，比如效率低下，邊緣沒有達到理想效果等. 后續(xù)將進一步優(yōu)化噴霧和激光參數，以求獲得更好的加工質量.

(a)CVD金剛石砂輪 (b)砂輪表面微結構 (c)微結構局部放大

(d)不同尺度的微結構 (e)不同尺度的微結構圖18 CVD金剛石砂輪表面結構化水輔助激光形貌圖

Fig.18 Structured water-assisted laser topography of CVD diamond grinding wheel surface

3 結 論

水輔助激光加工技術作為一種新型的激光加工技術，利用水膜或水束抑制了激光加工熱損傷的產生，隨著越來越多研究工作的深入開展，水輔助激光加工技術逐漸展示出比傳統激光加工技術更加優(yōu)越的加工性能.

1)在理論方面，從成膜理論入手，研究水膜對激光加工產生的影響，如激光焦點偏移、激光能量衰弱，水膜對激光熱效應的抑制，水輔助對激光材料表面改性的作用以及加工前后材料表面性能的改變等等，從理論方面解釋水輔助對激光加工的影響. 但是，在激光與水耦合作用下的材料去除機理以及一些新穎的水膜形成技術機理方面還需要更加深入的研究，使得水輔助加工能夠跨越基礎理論階段，得到更加廣泛的實際應用.

2)在實驗方面，獲得了不同水輔助激光加工技術條件下，多種材料或多種特定加工對象的最優(yōu)激光加工工藝參數，獲得了穩(wěn)定的材料去除以及良好的加工質量. 此外，多種水輔助激光加工技術之間的聯系、差異以及內在本質已得到大量實驗驗證. 水下激光加工技術水層較厚且流動狀態(tài)不可控，材料去除不均勻；同軸水導激光加工技術激光耦合到水束中，燒蝕點取決于水束直徑，加工點直徑是激光加工光斑直徑的8～10倍，去除輪廓截面呈V形，裝置結構相對較為復雜；旁軸射流激光加工技術以及噴霧輔助激光加工技術是利用旁軸射流或噴霧在材料表面形成薄而流動的水膜，對激光削弱較小且裝置結構簡單，集成到傳統激光裝置較為容易，且熱效應抑制較為明顯，能有效減少70%的重鑄層,從而具有很好的發(fā)展?jié)摿?

3)未來水輔助激光加工技術會向著水膜更薄、水束更細、精度更高，以及與其他微細加工技術相復合的多場耦合加工技術方向發(fā)展.