中國粉體網(wǎng)訊 在材料加工的前沿領(lǐng)域，金剛石以其無與倫比的硬度和獨特性能，成為眾多高端產(chǎn)業(yè)的“心頭好”。然而，它的超硬特性也給加工帶來了極大挑戰(zhàn)。目前，金剛石的切割方式主要包括水刀切割、電火花切割和激光切割。與其他切割方式相比，激光切割具備無接觸、高效、切縫小和熱影響區(qū)小等獨特優(yōu)勢，成為加工金剛石的理想方法。而相較于傳統(tǒng)機械加工和其他激光加工方式，水導(dǎo)激光技術(shù)在保持材料完整性和提高加工質(zhì)量方面表現(xiàn)得更加出色。
水導(dǎo)激光在金剛石零部件的應(yīng)用
01 水導(dǎo)激光切割
水導(dǎo)激光切割技術(shù)，又稱激光微射流技術(shù)（Laser MicroJet，LMJ），是一項以水射流引導(dǎo)激光束對待加工工件進行切割的復(fù)合加工技術(shù)。由于水和空氣的折射率不同，在激光束以一定角度照射在水與空氣交界面時，如果入射角小于全反射臨界角，激光會發(fā)生全反射而不會透射出去，這就使激光能量始終被限制在水束中從而使激光沿水束的方向進行傳播。
激光經(jīng)過凸透鏡聚焦后通過石英玻璃窗體進入到耦合水腔，通過調(diào)整聚焦透鏡與小孔噴嘴之間的距離，使激光焦點剛好處于小孔噴嘴上表面中心，然后進入穩(wěn)定的水射流中，利用水與空氣折射率的不同，在水射流中發(fā)生全反射，類似于傳統(tǒng)玻璃光纖的傳播方式。加工時，聚焦到噴嘴位置的激光束由高壓水束引導(dǎo)傳輸?shù)焦ぜ砻妗?/p>
水導(dǎo)激光切割加工的基本原理
水導(dǎo)激光切割與傳統(tǒng)激光切割相比有以下幾個優(yōu)勢：
（1）不會產(chǎn)生熱損傷，這是因為噴射的水流可以在激光脈沖間隙冷卻材料，極大地降低材料的熱變形和熱損傷，使材料保持其原來結(jié)構(gòu)；
（2）水光纖工作距離大，不需要聚焦；
（3）噴射水流會在切割過程中帶走熔融的材料，減少了污染物；
（4）加工精度高于傳統(tǒng)的激光加工精度，特別適用于薄壁件的高精度加工。
激光切割與水導(dǎo)激光切割的加工示意圖.（a）傳統(tǒng)激光（熱損傷區(qū)大），（b）水導(dǎo)激光（熱損傷區(qū)極小）
02 水導(dǎo)激光發(fā)展現(xiàn)狀
在全球范圍，水導(dǎo)激光相關(guān)的核心產(chǎn)品目前主要來自于兩家瑞士公司—Synova和AVonisys公司，前者采用綠光激光器，后者采用紅外激光器。而我國在水導(dǎo)激光裝備開發(fā)方面相對國際先進水平還有較大差距，同時，缺乏成熟穩(wěn)定的設(shè)備也制約了相關(guān)行業(yè)加工技術(shù)的發(fā)展。
Synova公司水導(dǎo)激光設(shè)備技術(shù)在世界范圍內(nèi)處于領(lǐng)導(dǎo)地位，已向各國提供了數(shù)百臺商業(yè)化的加工設(shè)備，分布在美國、歐洲、日本、中國等地。
為了加快水導(dǎo)激光技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展，推動技術(shù)應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化，此前，南京中科煜宸與Synova簽訂了戰(zhàn)略合作協(xié)議，成為其在中國航空、航天及透平機械領(lǐng)域的獨家代理以及全球技術(shù)合作伙伴，共同開發(fā)水導(dǎo)激光加工專業(yè)化裝備，拓展新的功能用途。華工激光與Synova成立合資公司，將Synova三十多年技術(shù)沉淀，與華工激光在智能裝備與先進制造領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化、全球化優(yōu)勢深度融合，圍繞水導(dǎo)激光工業(yè)化應(yīng)用的國產(chǎn)化進程，重點突破“卡脖子”難題，推動技術(shù)向自動化、智能化升級，加速新質(zhì)生產(chǎn)力新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
03 國內(nèi)部分水導(dǎo)激光企業(yè)
西安晟光硅研
西安晟光硅研半導(dǎo)體科技有限公司成立于2021年2月，主要從事微射流激光先進技術(shù)設(shè)備的研發(fā)和制造，已通過數(shù)家中國航空航天材料、技術(shù)研究院的驗證并獲得訂單，全面進入批量應(yīng)用前工藝匹配階段。公司聚焦硬、脆、貴材料的傳統(tǒng)加工瓶頸，已拓展覆蓋領(lǐng)域包括但不局限于：碳化硅、氮化鎵晶體、超寬禁帶半導(dǎo)體材料（金剛石/氧化鎵）、航空航天特種材料、LTCC碳陶基板、光伏、閃爍晶體等，致力成為硬脆材料加工全國領(lǐng)軍者，為中國半導(dǎo)體、航空事業(yè)發(fā)展插上“硬”翅膀。
微射流激光技術(shù)產(chǎn)品及金剛石襯底切片，圖源：晟光硅研
南京中科煜宸
南京中科煜宸激光技術(shù)有限公司提供水導(dǎo)激光加工服務(wù)全流程解決方案，已與國內(nèi)數(shù)百家客戶建立了水導(dǎo)激光加工服務(wù)合作。現(xiàn)已發(fā)布五款（RJ系列：RJ203、RJ205、RJ305、RJ505、RJ1005）標準型水導(dǎo)激光加工設(shè)備，覆蓋了科研、航空航天和一般工業(yè)市場上主流的小、中、大型零件的加工能力。
公司工藝團隊通過近三年的工藝開發(fā)和積累，已建立多金屬（鋁合金、不銹鋼、鈦合金、高溫合金、銅合金）、復(fù)合材料（CFRP、CMC）、帶熱障涂層的單晶高溫合金（TBC）、半導(dǎo)體/陶瓷（SIC、ALN、ZrO2、SIN）、金剛石以及多種脆硬材料（磁鋼、鎢鋼）等材料的工藝數(shù)據(jù)庫，先后突破金屬表面粗糙度質(zhì)量提升和高效加工、復(fù)合材料無燒蝕高效加工、熱障涂層大傾角和深徑比微孔高效加工、大深度金剛石切片、大深度磁鋼和陶瓷高效切割等多項技術(shù)難題。
RJ系列水導(dǎo)激光加工裝備，圖源：中科煜宸激光
冷辰科技
自2023年2月成立以來，上海冷辰科技有限公司的核心定位就是一家水導(dǎo)激光設(shè)備研發(fā)制造商。在短短半年內(nèi)就完成了水導(dǎo)激光實驗機型的開發(fā)，完成金剛石材料、SiC（碳化硅）材料的樣品切割試驗。目前公司正努力嘗試在水導(dǎo)激光領(lǐng)域取得突破，爭取實現(xiàn)國產(chǎn)化。
WGL3-150是一款通用型水導(dǎo)激光精密加工設(shè)備，可用于切割、鉆孔、開槽和雕刻等，標配了多種自動化輔助系統(tǒng)，包括微米級CCD對齊系統(tǒng)，水柱自動校正裝置和激光功率檢測系統(tǒng)等。
WGL3-150水導(dǎo)激光加工設(shè)備，圖源：冷辰科技
科詩特
東莞市科詩特技術(shù)有限公司成立于2022年1月，是一家集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售于一體的、底蘊深厚的高科技企業(yè)。公司專注于水導(dǎo)激光設(shè)備及工藝研發(fā)、生產(chǎn)、銷售，以突破國外卡脖子技術(shù)，實現(xiàn)制造裝備的國產(chǎn)化替代。
科詩特的水導(dǎo)激光加工設(shè)備（左圖：CAT-SD11；右圖：CAT-SD21），圖片來源：科詩特
科詩特水導(dǎo)激光技術(shù)在多個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用：精密陶瓷零部件加工方面，水導(dǎo)激光技術(shù)解決了傳統(tǒng)加工方法無法加工直角、異形、超薄件等難題；金剛石加工方面，實現(xiàn)了對單晶金剛石的精確切割，實現(xiàn)切縫窄、切割表面粗糙度�。≧a≤1μm），無錐度且加工效率高等特點；在航空航天領(lǐng)域，主要解決EDM鉆孔技術(shù)無法加工帶有不導(dǎo)電熱障涂層的航空發(fā)動機渦輪葉片以及傳統(tǒng)機械加工時又會導(dǎo)致涂層脫落的問題，從而保證加工中孔徑一致性及位置的準確性。
水導(dǎo)激光多晶金剛石切槽（左）和金剛石切片（右），圖源：科詩特
寧波飛納激光
寧波飛納激光科技有限公司專注于水導(dǎo)激光精密微加工，致力于半導(dǎo)體和硬脆材料切割加工全套方案自主研發(fā)。依托先進激光器技術(shù)、高精度運動控制技術(shù)及工藝優(yōu)勢，聚焦半導(dǎo)體、金剛石、航空航天等領(lǐng)域，為超薄、超硬等各類材料提供激光加工解決方案和技術(shù)服務(wù)。
水導(dǎo)激光切割設(shè)備及金剛石切片，圖源：飛納激光
鑫泓光科技
鑫泓光（武漢）科技有限公司是一家專注于水導(dǎo)激光設(shè)備研發(fā)與生產(chǎn)的高科技企業(yè)，總部坐落于中國光電子產(chǎn)業(yè)的核心地帶——武漢光谷。公司擁有深厚的技術(shù)根基，其核心團隊依托于武漢光谷實驗室，國家激光工程中心，擁有激光技術(shù)領(lǐng)域頂尖專家力量，為公司的技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)品研發(fā)提供了堅實的學(xué)術(shù)支撐和方向引領(lǐng)。鑫泓光科技以“創(chuàng)新驅(qū)動、精益制造”為理念，專注于為客戶提供性能卓越、穩(wěn)定可靠的水導(dǎo)激光加工解決方案，助力提升先進制造業(yè)的精密加工能力與效率。
水導(dǎo)激光切割技術(shù)在金剛石精密加工中的發(fā)展?jié)摿薮�，但仍需在深入理解材料特性與加工機制的基礎(chǔ)上，不斷改進工藝和優(yōu)化設(shè)備，進一步提升切割效率和加工質(zhì)量，滿足未來高端制造對超硬材料加工的嚴苛要求。
參考來源：
1.孫博宇等：水導(dǎo)激光切割技術(shù)研究現(xiàn)狀
2.張曉宇等：面向金剛石材料高質(zhì)量激光加工方法和研究進展
3.晟光硅研、中科煜宸激光、冷辰科技、飛納科技、科詩特、光電匯OESHOW、激光制造網(wǎng)LaserfairCom
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/石語）
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