一、引言

近年來，隨著醫(yī)療、航空航天、半導(dǎo)體和新能源等領(lǐng)域迅速發(fā)展，對關(guān)鍵零部件的性能要求不斷提高，水導(dǎo)激光加工技術(shù)作為一種創(chuàng)新切割方法應(yīng)運而生。它通過在激光切割過程中引入水流，能夠有效減少熱損傷，提高切割后的材料表面質(zhì)量，從而實現(xiàn)對所需材料的精確加工，可以說是新一代精密加工利器。

二、什么是水導(dǎo)激光？

01 技術(shù)原理

水導(dǎo)激光加工是一種綠色、高效、新型的激光冷加工技術(shù)，其技術(shù)原理是以高壓微水束作為“光纖”，通過合理光學(xué)設(shè)計，將激光耦合至水束中，并通過水束引導(dǎo)激光到加工材料表面（圖1)。該技術(shù)原理研究涉及激光、材料、流體、傳熱學(xué)等多個學(xué)科，交叉性強，水與激光的耦合技術(shù)是該加工方法的關(guān)鍵技術(shù)。

圖1 水導(dǎo)激光加工技術(shù)的工作原理[1]

02 

與傳統(tǒng)激光加工的對比

水導(dǎo)激光是結(jié)合了水射流和激光束的創(chuàng)新加工方法，加工時可以大大減少熱損傷，提高加工精度和質(zhì)量，同時還可以減少加工時間和廢料。下面從切割精度、熱影響區(qū)、表面質(zhì)量等角度對比常規(guī)激光加工和水導(dǎo)激光加工兩者存在的差異（圖2）。

圖2 常規(guī)激光加工與水導(dǎo)激光加工特點對比

可以說，在加工過程中，水導(dǎo)激光利用水作為傳導(dǎo)介質(zhì)，無需對焦就能實現(xiàn)高效、高精密加工，水束流有冷卻、沖刷作用，大大避免熱損傷以及提高加工表面質(zhì)量。

三、水導(dǎo)激光加工技術(shù)的起源及發(fā)展

從工業(yè)考古出發(fā)，水導(dǎo)激光是1986年由德國公司Aesculap-Werke AG發(fā)明的，首代設(shè)備僅僅是在光纖出口加了一小柱水流。1991年，Lasag AG公司在之前的基礎(chǔ)上，將激光聚焦在噴嘴中，從而形成了真正意義上的水導(dǎo)激光。1997年，Synova SA公司將上述原理樣機商用化，并進(jìn)行了工業(yè)化應(yīng)用[2]。早期的研究主要集中在激光與水介質(zhì)的相互作用以及水介質(zhì)對激光束的傳輸和聚焦效果。隨著激光技術(shù)的不斷進(jìn)步，研究人員開始探索水導(dǎo)激光技術(shù)在其他領(lǐng)域的的應(yīng)用。

進(jìn)入21世紀(jì)，國內(nèi)科學(xué)家們開始深入探索水導(dǎo)激光的技術(shù)原理。研究人員對激光在水中的傳播特性，包括激光與水的相互作用、激光在水束中的折射和散射規(guī)律等進(jìn)行了大量的理論研究和實驗驗證。例如，通過建立復(fù)雜的光學(xué)模型來模擬激光在不同水質(zhì)（如純水、含有微量雜質(zhì)的水）中的傳播路徑，以更好地理解如何通過水來精確引導(dǎo)激光能量。這一時期，水導(dǎo)激光開始初步應(yīng)用于一些對精度和熱影響要求較高的特定領(lǐng)域，如珠寶加工和部分精密電子元件制造。

隨著對水導(dǎo)激光加工技術(shù)的深入理解，其材料加工范圍不斷拓展。除了早期應(yīng)用的材料外，研究學(xué)者還嘗試應(yīng)用于一些難加工材料，如超硬陶瓷和高強度金屬合金。在醫(yī)療領(lǐng)域，水導(dǎo)激光被用于加工生物相容性材料，如用于制造植入式醫(yī)療器械的特殊聚合物和金屬材料。在保證不損傷材料性能的前提下，適用于制造復(fù)雜的形狀和結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，滿足醫(yī)療設(shè)備的特殊需求。

進(jìn)入多元創(chuàng)新階段，水導(dǎo)激光開始與其他先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行融合。例如，與計算機輔助設(shè)計（CAD）和計算機輔助制造（CAM）技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了更加自動化和智能化的加工過程。通過CAD/CAM軟件，可以精確地設(shè)計加工路徑和參數(shù)，然后直接控制水導(dǎo)激光加工設(shè)備進(jìn)行加工。

四、水導(dǎo)激光產(chǎn)業(yè)及規(guī)模

01 水導(dǎo)激光的應(yīng)用規(guī)模有多大

據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院公開信息稱，全球AI芯片數(shù)量情況呈現(xiàn)出逐年增長的趨勢。智能安防、無人駕駛、智能手機、智慧零售、智能機器人等幾大行業(yè)對AI芯片的需求不斷增長，推動了AI芯片市場的快速發(fā)展。如圖3所示，2022年全球AI芯片數(shù)量為1433萬套，同比增長18.2%；2023年AI芯片的數(shù)量將增至1640萬套，同比增長14.4%。

圖3 2020-2023年全球AI芯片數(shù)量情況（圖源：華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院）

AI芯片是高性能計算的核心引擎，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和大規(guī)模并行計算中承擔(dān)高運算負(fù)荷，產(chǎn)生大量熱量。若散熱不及時有效，芯片會過熱，影響AI系統(tǒng)性能與穩(wěn)定性，所以先進(jìn)的導(dǎo)熱材料和散熱技術(shù)成為產(chǎn)業(yè)焦點。

AI芯片所需散熱器數(shù)量受芯片功耗、工作頻率和散熱設(shè)計效率等因素影響。高性能AI芯片通常需要2-4個散熱器來確保熱量管理和性能穩(wěn)定。我們不妨來假設(shè)下，如果AI芯片所需的散熱器用的都是超硬陶瓷材料，那么2023年全球AI芯片所用的散熱器數(shù)量為3280-6560萬件，這就是水導(dǎo)激光可能在AI芯片的應(yīng)用市場。而這還僅僅是AI芯片中的，這里我們僅給大家提供一個大致的概念，不代表真實應(yīng)用數(shù)量。

02

國內(nèi)部分水導(dǎo)激光企業(yè)分布

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(jìn)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[3]。表1是國內(nèi)部分水導(dǎo)激光企業(yè)分布及產(chǎn)品的市場應(yīng)用。

表1 國內(nèi)部分水導(dǎo)激光企業(yè)分布及應(yīng)用市場

（1）南京中科煜宸

中科煜宸提供水導(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(biāo)準(zhǔn)型水導(dǎo)激光加工設(shè)備，下圖所示，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

（2）上海冷辰科技

自2023年2月成立以來，冷辰科技的核心定位就是一家水導(dǎo)激光設(shè)備研發(fā)制造商。公司的研發(fā)人員占比90%，實力不可小覷。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。

精密三軸水導(dǎo)激光切割機（WGL3-150）

（3）科詩特

東莞市科詩特技術(shù)有限公司由行業(yè)領(lǐng)先技術(shù)精英團隊創(chuàng)立，公司致力于激光加工、視覺檢測、運動控制技術(shù)的研發(fā)和軟件算法平臺的打造，突破國外卡脖子技術(shù)，實現(xiàn)國產(chǎn)高端制造裝備的替代。

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、切割表面粗糙度小（Ra≤1 μm），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(zhǔn)確性。

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：科詩特官網(wǎng)

（4）西安晟光硅研

晟光硅研成立于2021年2月，是國內(nèi)第一家完全實現(xiàn)商用化微射流激光先進(jìn)技術(shù)設(shè)備的研發(fā)/制造企業(yè)，目前已通過數(shù)家國內(nèi)典型客戶、多個領(lǐng)域的驗證并獲得訂單，全面進(jìn)入了批量應(yīng)用前工藝匹配階段。公司推出的基于硬脆材料尖端加工的微射流激光加工技術(shù)，填補了國內(nèi)商用化微射流激光設(shè)備市場的空白，推進(jìn)了中國微射流激光技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程。

晟光硅研微射流激光技術(shù)產(chǎn)品圖

（5）庫維科技

庫維科技是一家360°全方位服務(wù)自動化科技公司，公司已完成了水導(dǎo)激光加工技術(shù)和裝備的國產(chǎn)化，并在專業(yè)領(lǐng)域達(dá)到了國際水平，先后形成了10余項與水導(dǎo)激光核心技術(shù)有關(guān)的自主知識產(chǎn)權(quán)專利。

KD700是庫維科技的一款三軸精密水導(dǎo)激光加工中心?；贙wong-tech受專利保護(hù)的水導(dǎo)激光技術(shù)，高功率激光束被耦合進(jìn)比人的頭發(fā)絲還細(xì)的水射流中(30-80 μm) 并被引導(dǎo)至工件上進(jìn)行切割或打孔。這束水射流既可以作為激光束的“引導(dǎo)器”，又可以冷卻工件，以確保切割斷面干凈無熱影響區(qū)。

三軸精密水導(dǎo)激光加工中心（KD700）圖源：庫維科技

（6）原點智能

廣東原點智能技術(shù)有限公司創(chuàng)立于2015年，公司深耕高檔數(shù)控系統(tǒng)和高端激光數(shù)控機床領(lǐng)域8年，是集五軸及以上多軸聯(lián)動高檔數(shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng)研發(fā)、生產(chǎn)、制造，及以其為核心裝備的智能工廠解決方案于一體的行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)。目前已成功突破行業(yè)多項“卡脖子”技術(shù)，實現(xiàn)進(jìn)口替代。

水導(dǎo)激光五軸加工中心--WJC532V是廣東原點智能技術(shù)有限公司自主研發(fā)設(shè)計的精密數(shù)控激光加工機床，幾乎可以對任何材料進(jìn)行高精度加工，甚至可以加工透明的超硬材料，比如金剛石。主要應(yīng)用于航天航空、半導(dǎo)體、醫(yī)療器械、珠寶、3C電子等行業(yè)。該加工機床最高精度可達(dá)士3 μm，加工表面質(zhì)量可達(dá)Ra0.8 μm。

WJC532V 水導(dǎo)激光五軸加工機床圖源：原點智能

五、水導(dǎo)激光加工技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

在多個領(lǐng)域的實際應(yīng)用場景中，水導(dǎo)激光加工展示的獨特優(yōu)勢尤為出色。

（1）在電子芯片制造領(lǐng)域，對于微電子晶片劃片、晶圓切割、刻蝕機等離子限制環(huán)、等離子槽切割、人造金剛石切割、單晶鉆石切割打孔等微小元件，水導(dǎo)激光加工不僅可以避免機械加工造成的材料損傷，而且可以減少激光加工造成的熱影響和熔融殘渣等問題，極其適用于SI、SIC等硬脆材料的加工。

（2）在醫(yī)療器械制造行業(yè)，水導(dǎo)激光加工技術(shù)能夠在不直接接觸材料表面的情況下進(jìn)行加工，這有助于避免污染和損傷，確保醫(yī)療器械的純凈度和加工精度。特別是在手術(shù)器械和植入物的制造過程中，這種技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的切割和打孔操作，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性。并且因為水射流的冷卻作用，還能減少熱影響和損傷，這對于醫(yī)療器械的生物相容性和長期性能至關(guān)重要，有助于維持材料的原有結(jié)構(gòu)和性能。

（3）在航空航天領(lǐng)域，對于零件的加工質(zhì)量和加工精度有著嚴(yán)格的要求,其應(yīng)用的材料往往具有難加工的特性，對于傳統(tǒng)加工技術(shù)有著一定的考驗。像航空發(fā)動機熱端部件加工、渦輪葉片氣膜冷卻孔加工、陶瓷基復(fù)合材料（CMC）葉片的加工、航空/航天CFRP復(fù)材結(jié)構(gòu)件加工等[2]。水導(dǎo)激光加工能夠在同一加工設(shè)備上，采用不同的激光參數(shù)，對這些不同材料進(jìn)行有效的加工，可以在一定程度上解決當(dāng)前航空航天領(lǐng)域的加工難題。

（4)在寶石加工行業(yè)，傳統(tǒng)的切割和打磨方法可能會產(chǎn)生大量的寶石粉塵，對工人的健康和環(huán)境造成危害。而水導(dǎo)激光在加工過程中微水射流持續(xù)對切割區(qū)域進(jìn)行冷卻，可以顯著降低寶石切割損壞的風(fēng)險，并且切割后表面基本沒有錐度，減少傳統(tǒng)加工方式可能帶來的裂紋和瑕疵，在最大程度上節(jié)約原材料，提高寶石的利用率。

六、小結(jié)

相比于傳統(tǒng)激光加工技術(shù)而言，水導(dǎo)激光加工具有顯著優(yōu)勢。這些優(yōu)勢使得水導(dǎo)激光加工在需要高精度切割的應(yīng)用中，如微電子、金屬及非金屬材料和精密機械制造等領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。