激光加工技术因其加工无接触应力、加工精度高、加工速度快、表面变形小、对材料的广适性等优势，广泛应用于打孔、切割、划片、焊接、热处理等材料加工领域。但其加工具有表层热损伤、存在加工锥度等工艺瓶颈，导致材料精密加工及大深度加工存在困难。
水导激光加工技术（图1 a）相比短脉冲激光加工具有热影响小、锥度小、深度能力强、加工表面清洁等优势，可以对高温合金、复合材料等难加工材料进行精密加工。项目组在现有水导激光技术基础上，针对不同材料加工需求，开发出了水-气缩流导光技术（图1 b）以及水辅助激光技术（图4），为水导激光技术应用、装配研发及产业化提供了理论与技术支持。
1）水-气缩流导光技术研究
随着人们对低损伤、高精度激光加工需求的不断提高，以SYNOVA技术为代表的微射流型水助激光加工技术（图1 a）得到迅速发展，其多种材料的穿透性切割具有优异的加工性能，相对传统激光加工有一系列优势： （1）在层流水柱的有效距离内，射流型水助激光加工无需对焦，而有效加工距离可以长达50毫米以上；（2）水流能带走加工残渣，加工表面更清洁；（3）水的冷却作用很好地解决了热影响问题；（4）加工锥度明显减小，在一定程度上拓展了加工深度。图1为SYNOVA水导激光技术与提出的水-气缩流导光技术对比。
图1 SYNOVA水导激光技术与水-气缩流导光技术对比分析
现有水导激光加工技术虽然存在诸多优势，但存在耦合功率低与工艺可靠性差等技术瓶颈。针对这一问题，课题组创新性地提出了一种水-气缩流引导大功率激光加工技术，其将大功率激光导入毫米级同轴水柱，经气体包覆、层流缩水和全反射导光，将高能激光耦合进百微米级层流水柱中，实现高功率密度激光对难加工材料高效、可靠加工。
通过流体力学与光学仿真分析及结构优化设计，得到了2mm缩流至0.2mm稳定层流（10倍缩径比），层流长度≥100mm。利用流体力学仿真得到的10倍缩径比层流水柱界面（2mm-0.2mm），进行传导激光性能仿真，结果显示：相比传统水导方法，本方法抗扰动能力轴向提高3.8倍、径向提高2.3倍、角度提高1.5倍，跨越式提高了工艺可靠性。
图2 水-气缩流导光技术仿真分析研究
在理论及仿真分析的基础上，对提出的水-气缩流引导激光加工技术方案进行了充分的试验验证。试验结果显示：当水/气压力在一定关系范围内，系统可形成层流界面，且对流速、压力、水流直径等关键参数可进行大范围调节，即层流界面非常稳定；另外，将激光导入同轴层流水柱，经水/气缩流后，可在层流边界形成全反射导光界面，能量传输效率可达95%以上。通过初步试验，验证了研究方案的可行性。加工结果显示，水导激光技术可以有效提高表面加工质量，改善热损伤影响，拓展激光加工深度能力。
图3 水-气缩流导光技术试验验证与加工结果
2）水射流辅助激光加工技术
根据水射流辅助激光扫描加工方法的原理，自主设计和开发了由多轴运动平台，激光和水射流耦合系统以及激光束传输系统等组成的WALSM加工设备（图4），在DD6平板上进行了水助激光刻槽及打孔实验，研究脉冲频率和平均功率、水射流速度等参数对加工质量、加工效率及锥角的影响，并与激光空气中加工进行了对比，同时还采用DOE正交试验分析了激光频率、水射流流速、重叠率、线间距等因素对水助激光加工效率的影响显著程度。
相比激光空气中加工，同轴水射流辅助激光扫描加工方法可以减小加工热影响区，减小孔锥度，消除孔边突起。其中可以将热影响区从空气中激光加工时最大的17.19μm，降低到2.78μm，并且没有观察到重铸层和微裂纹，在某些加工区域，可以实现无热影响区的加工。水射流的流速增加有利于提高表面加工质量、减小锥度、提高加工效率。水射流流速、激光频率是影响水助激光加工效率的最显著因素之一。在孔深小于一定阈值时，水助激光加工的效率高于激光空气中加工；当孔深超过这一阈值时，水助激光加工的效率低于激光空气中加工。
另外，大幅提高水助激光加工效率，课题组提出了预先制孔再水助激光扩孔的可行方法，有效提高了设备加工效率，试验结果显示：预先制孔的孔径和水射流流速越大，水助激光加工效率越高。
图4 水射流辅助激光扫描装置组成与加工原理示意图
图5 水辅助激光加工平台与加工孔入口形貌
五轴水助激光加工高温合金试验结果显示：图5（b）和图5（c）分别是脉冲频率1kHz，水流速度3.4m/s和脉冲频率1kHz，空气吹扫流量0.5L/s和脉冲频率50kHz，空气吹扫流量0.5L/s时空气中激光加工的直圆孔入口形貌。水射流辅助激光加工的孔的入口质量很高，表面无突起，孔周边基本无损伤，且直圆孔入口角度很尖锐，没有出现圆角等缺陷；空气中激光加工的孔的边缘均有黑色的突起物，同时孔的周边堆积有材料烧蚀的残渣。
