水导激光加工技术：水射流的形成与衰减机理
发布日期：2025-06-20 09:32 浏览量：
水导激光加工技术作为一种结合激光与高压水射流的精密加工方法，凭借其无热损伤、高精度和低污染等优势，广泛应用于半导体、精密光学元件和微机电系统（MEMS）制造领域。其核心在于通过耦合腔喷嘴形成稳定的水射流，并利用水射流作为激光传输介质，实现材料的高效去除与表面改性。
一、水射流的形成机理与喷嘴设计优化
1、耦合腔喷嘴的结构特性
水射流的形成始于耦合腔喷嘴的特殊设计。如图1所示，水流从上方流入收缩段（Vena contracti），经流腔（Flow cavity）加速后形成直径约微米级的细射流。喷嘴形状（如T形、圆形等）直接影响射流稳定性：
-
收缩段几何参数：决定流速与压力分布，通过伯努利方程可在一定的压力条件下粗略计算水射流流速。计算公式为 V ≈ √2p/ρ
-
理想喷嘴直径：需小于图1(e)所示的临界尺寸，以确保激光束在水射流中无损耗传输，避免壁面能量沉积导致的热损伤。
2、压力与流速的动态平衡
实验表明，喷嘴出口压力通常为1~50MPa。在此范围内，射流流速可达数百米每秒，满足微细加工需求。但过高的压力会加剧射流湍流化，需通过优化喷嘴结构（如渐缩式设计）平衡流速与稳定性。
二、水射流的动态演化与形态分区
1、射流形态的分段特征
从喷嘴出口至加工表面，水射流经历四个典型阶段（图2）：
-
毛细波区（Capillary Wave）：靠近喷嘴的微小波动区域，可能引发后续液滴分裂。
-
紧密过渡区（Compact Transition）：射流刚脱离喷嘴，呈连续流态但波动显著。
-
断裂区（Broken）：水流出现不稳定性，部分区域分散为微小液滴。
-
水滴区（Water Drop）：射流完全断裂，形成离散液滴群。
2、外部干预对稳定性的提升
为抑制射流失稳，常采用同轴或侧向保护气（气压约0.3MPa），通过气液两相流协同作用增强射流刚性。此方法可减少液滴尺寸离散性，适用于高精度加工场景。
三、射流衰减过程的流体动力学分析
1、驻点与边界层效应
如图3所示，射流冲击加工表面后形成驻点（Stagnation Point），水流在此处分裂为薄层液膜（Stagnation Region, SR）。随后依次形成：
-
边界层（BL）：紧贴表面流动的低速层；
-
粘性剪切层（VS）：高速主流与边界层的过渡区；
-
湍流发展区（DT/FT）：射流完全湍流化，能量耗散加速。
2、衰减机制与加工适应性
射流衰减表现为动能向热能的转化及液膜厚度的增加。在微米级加工中，液膜厚度需控制在亚微米级以避免热影响区（HAZ）。通过调节喷嘴压力与保护气流量，可优化液膜均匀性，提升加工表面质量。
水导激光加工技术的水射流形成与衰减机理，本质上是流体动力学、激光传输与材料相互作用的协同过程。通过优化喷嘴结构、调控压力参数及引入保护气，可实现射流稳定性与加工精度的协同提升。
相关文章
水导激光加工技术：激光与水射流的耦合分析
水导激光加工技术：水导激光与水辅助激光切割硅片对比
水导激光加工碳化硅中的注意事项
水导激光加工技术：传统加工与水导激光在相同工艺参数下的加工表面质量对比
水导激光加工水束流不稳？这5大措施让加工质量飙升！
水导激光加工技术：精确切槽的探索
水导激光加工中如何避免激光器波长和频率的波动？
水导激光加工SiC和SiC复合材料工艺参数优化大揭秘
水导激光加工技术在半导体领域加工的应用案例
