一、引言

近年來，隨著醫療、航空航天、半導體和新能源等領域迅速發展，對關鍵零部件的性能要求不斷提高，水導激光加工技術作為一種創新切割方法應運而生。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量，從而實現對所需材料的精確加工，可以說是新一代精密加工利器。

二、什么是水導激光？

01 技術原理

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

圖1 水導激光加工技術的工作原理[1]

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與傳統激光加工的對比

水導激光是結合了水射流和激光束的創新加工方法，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、表面質量等角度對比常規激光加工和水導激光加工兩者存在的差異（圖2）。

圖2 常規激光加工與水導激光加工特點對比

可以說，在加工過程中，水導激光利用水作為傳導介質，無需對焦就能實現高效、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量。

三、水導激光加工技術的起源及發展

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

進入21世紀，國內科學家們開始深入探索水導激光的技術原理。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律等進行了大量的理論研究和實驗驗證。例如，通過建立復雜的光學模型來模擬激光在不同水質（如純水、含有微量雜質的水）中的傳播路徑，以更好地理解如何通過水來精確引導激光能量。這一時期，水導激光開始初步應用于一些對精度和熱影響要求較高的特定領域，如珠寶加工和部分精密電子元件制造。

隨著對水導激光加工技術的深入理解，其材料加工范圍不斷拓展。除了早期應用的材料外，研究學者還嘗試應用于一些難加工材料，如超硬陶瓷和高強度金屬合金。在醫療領域，水導激光被用于加工生物相容性材料，如用于制造植入式醫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，適用于制造復雜的形狀和結構的構件，滿足醫療設備的特殊需求。

進入多元創新階段，水導激光開始與其他先進技術進行融合。例如，與計算機輔助設計（CAD）和計算機輔助制造（CAM）技術相結合，實現了更加自動化和智能化的加工過程。通過CAD/CAM軟件，可以精確地設計加工路徑和參數，然后直接控制水導激光加工設備進行加工。

四、水導激光產業及規模

01 水導激光的應用規模有多大

據華經產業研究院公開信息稱，全球AI芯片數量情況呈現出逐年增長的趨勢。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對AI芯片的需求不斷增長，推動了AI芯片市場的快速發展。如圖3所示，2022年全球AI芯片數量為1433萬套，同比增長18.2%；2023年AI芯片的數量將增至1640萬套，同比增長14.4%。

圖3 2020-2023年全球AI芯片數量情況（圖源：華經產業研究院）

AI芯片是高性能計算的核心引擎，在神經網絡訓練和大規模并行計算中承擔高運算負荷，產生大量熱量。若散熱不及時有效，芯片會過熱，影響AI系統性能與穩定性，所以先進的導熱材料和散熱技術成為產業焦點。

AI芯片所需散熱器數量受芯片功耗、工作頻率和散熱設計效率等因素影響。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定。我們不妨來假設下，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量為3280-6560萬件，這就是水導激光可能在AI芯片的應用市場。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，不代表真實應用數量。

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國內部分水導激光企業分布

在全球范圍，水導激光相關的核心產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。而我國在水導激光裝備開發方面相對國際先進水平還有較大差距，同時，缺乏成熟穩定的設備也制約了相關行業加工技術的發展[3]。表1是國內部分水導激光企業分布及產品的市場應用。

表1 國內部分水導激光企業分布及應用市場

（1）南京中科煜宸

中科煜宸提供水導激光加工服務全流程解決方案，已與國內數百家客戶建立了水導激光加工服務合作。現已發布五款（RJ系列：RJ203、RJ205、RJ305、RJ505、RJ1005）標準型水導激光加工設備，下圖所示，覆蓋了科研、航空航天和一般工業市場上主流的小、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）、復合材料（CFRP、CMC）、帶熱障涂層的單晶高溫合金（TBC）、半導體/陶瓷（SIC、ALN、ZrO2、SIN）、金剛石以及多種脆硬材料（磁鋼、鎢鋼）等材料的工藝數據庫，先后突破金屬表面粗糙度質量提升和高效加工、復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難題。

RJ系列水導激光加工裝備

（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激光設備研發制造商。公司的研發人員占比90%，實力不可小覷。在短短半年內就完成了水導激光實驗機型的開發，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激光領域取得突破，爭取實現國產化。

精密三軸水導激光切割機（WGL3-150）

（3）科詩特

東莞市科詩特技術有限公司由行業領先技術精英團隊創立，公司致力于激光加工、視覺檢測、運動控制技術的研發和軟件算法平臺的打造，突破國外卡脖子技術，實現國產高端制造裝備的替代。

科詩特水導激光技術在多個領域都有廣泛的應用：精密陶瓷零部件加工方面，水導激光技術解決了傳統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，實現了對單晶金剛石的精確切割，實現切縫窄、切割表面粗糙度小（Ra≤1 μm），無錐度且加工效率高等特點；在航空航天領域，主要解決EDM鉆孔技術無法加工帶有不導電熱障涂層的航空發動機渦輪葉片以及傳統機械加工時又會導致涂層脫落的問題，從而保證加工中孔徑一致性及位置的準確性。

科詩特的水導激光加工設備（左圖：CAT-SD11；右圖：CAT-SD21）圖片來源：科詩特官網

（4）西安晟光硅研

晟光硅研成立于2021年2月，是國內第一家完全實現商用化微射流激光先進技術設備的研發/制造企業，目前已通過數家國內典型客戶、多個領域的驗證并獲得訂單，全面進入了批量應用前工藝匹配階段。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，填補了國內商用化微射流激光設備市場的空白，推進了中國微射流激光技術的發展進程。

晟光硅研微射流激光技術產品圖

（5）庫維科技

庫維科技是一家360°全方位服務自動化科技公司，公司已完成了水導激光加工技術和裝備的國產化，并在專業領域達到了國際水平，先后形成了10余項與水導激光核心技術有關的自主知識產權專利。

KD700是庫維科技的一款三軸精密水導激光加工中心。基于Kwong-tech受專利保護的水導激光技術，高功率激光束被耦合進比人的頭發絲還細的水射流中(30-80 μm) 并被引導至工件上進行切割或打孔。這束水射流既可以作為激光束的“引導器”，又可以冷卻工件，以確保切割斷面干凈無熱影響區。

三軸精密水導激光加工中心（KD700）圖源：庫維科技

（6）原點智能

廣東原點智能技術有限公司創立于2015年，公司深耕高檔數控系統和高端激光數控機床領域8年，是集五軸及以上多軸聯動高檔數控機床和數控系統研發、生產、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領先企業。目前已成功突破行業多項“卡脖子”技術，實現進口替代。

水導激光五軸加工中心--WJC532V是廣東原點智能技術有限公司自主研發設計的精密數控激光加工機床，幾乎可以對任何材料進行高精度加工，甚至可以加工透明的超硬材料，比如金剛石。主要應用于航天航空、半導體、醫療器械、珠寶、3C電子等行業。該加工機床最高精度可達士3 μm，加工表面質量可達Ra0.8 μm。

WJC532V 水導激光五軸加工機床圖源：原點智能

五、水導激光加工技術的應用領域

在多個領域的實際應用場景中，水導激光加工展示的獨特優勢尤為出色。

（1）在電子芯片制造領域，對于微電子晶片劃片、晶圓切割、刻蝕機等離子限制環、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）在醫療器械制造行業，水導激光加工技術能夠在不直接接觸材料表面的情況下進行加工，這有助于避免污染和損傷，確保醫療器械的純凈度和加工精度。特別是在手術器械和植入物的制造過程中，這種技術能夠實現高精度的切割和打孔操作，提高了產品的質量和安全性。并且因為水射流的冷卻作用，還能減少熱影響和損傷，這對于醫療器械的生物相容性和長期性能至關重要，有助于維持材料的原有結構和性能。

（3）在航空航天領域，對于零件的加工質量和加工精度有著嚴格的要求,其應用的材料往往具有難加工的特性，對于傳統加工技術有著一定的考驗。像航空發動機熱端部件加工、渦輪葉片氣膜冷卻孔加工、陶瓷基復合材料（CMC）葉片的加工、航空/航天CFRP復材結構件加工等[2]。水導激光加工能夠在同一加工設備上，采用不同的激光參數，對這些不同材料進行有效的加工，可以在一定程度上解決當前航空航天領域的加工難題。

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

六、小結

相比于傳統激光加工技術而言，水導激光加工具有顯著優勢。這些優勢使得水導激光加工在需要高精度切割的應用中，如微電子、金屬及非金屬材料和精密機械制造等領域，具有廣泛的應用前景。