水導(dǎo)激光加工技術(shù)：水射流的形成與衰減機(jī)理

發(fā)布日期：2025-06-20 09:32 ????瀏覽量：

水導(dǎo)激光加工技術(shù)作為一種結(jié)合激光與高壓水射流的精密加工方法，憑借其無熱損傷、高精度和低污染等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、精密光學(xué)元件和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）制造領(lǐng)域。其核心在于通過耦合腔噴嘴形成穩(wěn)定的水射流，并利用水射流作為激光傳輸介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)材料的高效去除與表面改性。

一、水射流的形成機(jī)理與噴嘴設(shè)計(jì)優(yōu)化

1、耦合腔噴嘴的結(jié)構(gòu)特性

水射流的形成始于耦合腔噴嘴的特殊設(shè)計(jì)。如圖1所示，水流從上方流入收縮段（Vena contracti），經(jīng)流腔（Flow cavity）加速后形成直徑約微米級(jí)的細(xì)射流。噴嘴形狀（如T形、圓形等）直接影響射流穩(wěn)定性：

??收縮段幾何參數(shù)??：決定流速與壓力分布，通過伯努利方程可在一定的壓力條件下粗略計(jì)算水射流流速。計(jì)算公式為 V ≈ √2p/ρ
??理想噴嘴直徑??：需小于圖1(e)所示的臨界尺寸，以確保激光束在水射流中無損耗傳輸，避免壁面能量沉積導(dǎo)致的熱損傷。

2、壓力與流速的動(dòng)態(tài)平衡

實(shí)驗(yàn)表明，噴嘴出口壓力通常為1~50MPa。在此范圍內(nèi)，射流流速可達(dá)數(shù)百米每秒，滿足微細(xì)加工需求。但過高的壓力會(huì)加劇射流湍流化，需通過優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)（如漸縮式設(shè)計(jì)）平衡流速與穩(wěn)定性。

二、水射流的動(dòng)態(tài)演化與形態(tài)分區(qū)

1、射流形態(tài)的分段特征

從噴嘴出口至加工表面，水射流經(jīng)歷四個(gè)典型階段（圖2）：

毛細(xì)波區(qū)（Capillary Wave）??：靠近噴嘴的微小波動(dòng)區(qū)域，可能引發(fā)后續(xù)液滴分裂。
??緊密過渡區(qū)（Compact Transition）??：射流剛脫離噴嘴，呈連續(xù)流態(tài)但波動(dòng)顯著。
??斷裂區(qū)（Broken）??：水流出現(xiàn)不穩(wěn)定性，部分區(qū)域分散為微小液滴。
??水滴區(qū)（Water Drop）??：射流完全斷裂，形成離散液滴群。

2、外部干預(yù)對(duì)穩(wěn)定性的提升

為抑制射流失穩(wěn)，常采用同軸或側(cè)向保護(hù)氣（氣壓約0.3MPa），通過氣液兩相流協(xié)同作用增強(qiáng)射流剛性。此方法可減少液滴尺寸離散性，適用于高精度加工場(chǎng)景。

三、射流衰減過程的流體動(dòng)力學(xué)分析

1、駐點(diǎn)與邊界層效應(yīng)

如圖3所示，射流沖擊加工表面后形成駐點(diǎn)（Stagnation Point），水流在此處分裂為薄層液膜（Stagnation Region, SR）。隨后依次形成：

??邊界層（BL）??：緊貼表面流動(dòng)的低速層；
??粘性剪切層（VS）??：高速主流與邊界層的過渡區(qū)；
??湍流發(fā)展區(qū)（DT/FT）??：射流完全湍流化，能量耗散加速。

2、衰減機(jī)制與加工適應(yīng)性

射流衰減表現(xiàn)為動(dòng)能向熱能的轉(zhuǎn)化及液膜厚度的增加。在微米級(jí)加工中，液膜厚度需控制在亞微米級(jí)以避免熱影響區(qū)（HAZ）。通過調(diào)節(jié)噴嘴壓力與保護(hù)氣流量，可優(yōu)化液膜均勻性，提升加工表面質(zhì)量。

水導(dǎo)激光加工技術(shù)的水射流形成與衰減機(jī)理，本質(zhì)上是流體動(dòng)力學(xué)、激光傳輸與材料相互作用的協(xié)同過程。通過優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)、調(diào)控壓力參數(shù)及引入保護(hù)氣，可實(shí)現(xiàn)射流穩(wěn)定性與加工精度的協(xié)同提升。

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