激光液体复合微加工飞秒激光的有力竞争者

　　在5 月举办的2024 激光加工与先进制造论坛上，来自江苏大学的张朝阳教授向现场嘉宾介绍了有关激光液体复合微加工方面的内容。自今年“全国两会”再次提出新质生产力以来，未来我国制造业势必将沿着高质量发展的路线前进，新质生产力的关键就是探索高性能制造的新机理和新方法，而激光液体复合微加工作为一种新颖的加工方式，凭借其特点和优势在航空航天、交通运输、海洋工程等多个领域有不同程度的应用。

　　不同加工类型，适合多种应用

　　经张朝阳教授介绍，目前激光液体复合微加工主要有四种类型，分别是激光电化学复合、激光水射流复合、水导激光加工和激光冲击强化。四种加工方式对应了不同的行业和应用需求。比如在水导激光加工中，水充当了传导介质的作用，激光在水中进行反射并引到需要加工的部位。激光水射流复合加工更多的是针对硬脆材料，加工过程中因激光温度变化非常快，导致材料很容易产生裂纹或崩碎，形成较差的表面质量。在激光水射流复合加工中，需要在水里加磨料颗粒，在激光照射的同时冲洗和软化材料，从而使切割的断面平直，质量稳定。

　　而激光电化学复合主要是用于加工金属类材料，其中的液体并不是普通水而是电解液。金属在与电解液发生化学反应时，激光起到了很好的辅助作用，可以加快照射材料部位的化学反应速度，同时也让化学反应的区域固定下来，形成定域化学溶解。对于超硬材料或熔点很高的材料，采用激光电化学复合就能够避开材料的物理性能而主攻材料的化学性能，达到很好的加工效果。

　　在激光冲击强化中，水是作为约束层来体现的。在加工过程中，往往先要在材料表面敷上一层铝箔作为吸收层。再在铝箔上面加上水层，激光照射后因能量密度高，直接产生了等离子爆破，加入水层的目的是让因激光照射产生的力效应向下传导，最终实现冲击锻打或喷丸的效果。无论是金属3D 打印还是激光熔覆，加工过程都会产生热作用，这时材料表面往往会形成拉应力，这对于材料后期的耐腐蚀和强度都有直接影响。材料表面发生应力，就会出现小裂纹。而激光冲击强化，就是将原来的拉应力变成了压应力，如果有小裂纹也可以让其闭合，从而让材料表面的强度更高，耐用性更好。

　　相较于传统激光加工，以上四种激光液体复合微加工有其自身的特点和优势，总体而言，采用激光与液体复合的加工方法可以有效抑制激光的热效应影响，显著提高加工质量。

　　激光电化学复合的具体应用

　　在以上四种激光液体复合工艺中，激光电化学复合工艺应用相对广泛。传统的激光烧蚀工艺会对材料表面造成破坏，而在激光刻蚀过程中结合电化学的方式，可以将温度控制在100度以内，让材料表面不发生相变，去除微小颗粒后让表面形成微米级或亚微米级的微结构，起到减磨润滑、减阻、超疏水的作用。在对金属材料进行激光电化学复合加工后，让其表面具有超疏水的功能，从而可以有效提升防腐性能。而减磨润滑的作用更多是在机械轴承方面有所体现，在轴承油槽表面加工出许多微小的凹坑，让凹坑既能存油又可以超疏油，油总是存在油槽里而不会被轴承的旋转带走，这样一来就可以让两个接触表面产生了油膜润滑，实现稳定的效果。

　　在电子封装领域，激光电化学复合工艺同样有应用。在电子封装表面，通过激光诱导的方式，让引线部位表面加上导电层，兼具耐磨和硬度且电阻率也很低。现在，业界会采用飞秒激光加工，但这种冷加工的方式效率相对低。如果是采用超高频飞秒激光，对器件影响大，时间一久，稳定性就欠佳。因此，相比之下，激光电化学复合具有一定的加工优势。

　　在医疗器械领域，采用激光烧蚀气化后，材料表面时常会出现熔渣，这些熔渣会附着在材料表面。虽然加工精度达到要求，但表面质量仍需要完善。采用激光电化学复合的好处就是，电化学的特点是依靠电场溶解，而电场又有尖端效应——就是材料表面出现熔渣的地方反而溶解得较快。在激光切割材料表面边缘出现毛刺后，通过电化学可以轻松去除，确保了加工精度，解决了医疗器械对产品毛刺的要求。

　　谈及其他几种激光液体复合微加工技术，张教授表示，国内水导激光加工还处于起步阶段，而激光冲击强化做了很多年，积累了不少经验，但这项技术对激光器的要求非常高，需要很高的出光稳定性。水射流激光复合主要针对半导体材料加工，像硅片、锗片这样的硬脆材料，但目前为止，该行业的主流声音还是对现有工艺流程做优化，提高精度，减少成本，愿意尝试激光水射流技术并不多。

　　激光液体复合工艺的主要目的是把激光热效应消除掉。现在的飞秒激光器尤其是高端飞秒激光器的成本，仍然很高。未来，如果飞秒激光器的成本下探，加工效率提高后，就会成为激光液体复合工艺的有力竞争对手。但从另一方面来看，激光液体复合也有其自身的局限性，有些行业和应用场景无法使用电解液、化学溶液，环保和后处理也需要妥善解决。总体来说，激光液体复合和飞秒激光有各自的特点，未来都有一定的发展空间。

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