水導(dǎo)激光：破解大飛機制造的“精雕密碼”

出品：科普中國

作者：張文武 楊昆 張廣義 孟麗（中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所）

監(jiān)制：中國科普博覽

編者按：為揭開科技工作的神秘面紗，科普中國前沿科技項目推出“我和我的研究”系列文章，邀請科學(xué)家親自執(zhí)筆，分享科研歷程，打造科學(xué)世界。讓我們跟隨站在科技最前沿的探索者們，開啟一段段充滿熱情、挑戰(zhàn)與驚喜的旅程。

2023年5月，國產(chǎn)大飛機C919實現(xiàn)商業(yè)首飛，令國人振奮。如此巨大的航空器，在高速飛行過程中，受力情況十分復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)件材料必須強度更大、重量更輕，同時還要韌性更強。

大飛機的結(jié)構(gòu)件材料的要求極高，不僅考驗材料本身，這些材料切割、銑削的工藝難度也極大。舉個例子，將橡皮泥和石頭分別做成水杯，你可以用手輕松地改變橡皮泥的形狀，但需要用更大的力氣甚至是錘子、鑿子等更專業(yè)的工具才能對石頭完成同樣的目標(biāo)。那么要用什么樣的工具來滿足大飛機結(jié)構(gòu)件材料的加工需求呢？我們找到了一把雕刻它的利刃——水導(dǎo)激光。

大尺寸復(fù)雜構(gòu)件水導(dǎo)激光切割裝備

（圖片來源：作者供圖）

激光與水導(dǎo)激光都是什么？

激光，大家并不陌生，小時候，大家可能都玩過放大鏡聚焦太陽光的游戲。只有經(jīng)過精細的位置調(diào)整，透鏡才能將陽光聚焦成一個小亮點把紙點燃。

常規(guī)的激光加工也是如此，在切割過程中必須進行精準(zhǔn)的激光聚焦和距離控制。加工過程中還會產(chǎn)生大量的熱，破壞材料性能，面對厚度較大或性質(zhì)特殊的材料加工，往往切面質(zhì)量差，精度低。特別是加工大飛機常用的碳纖維復(fù)合材料時，不僅會產(chǎn)生碳化、分層等缺陷，還會產(chǎn)生大量的有毒有害氣體，甚至有起火的風(fēng)險。

常規(guī)的激光切割

（圖片來源：veer圖庫）

而水導(dǎo)激光則是將大功率脈沖激光束導(dǎo)入水射流中傳輸，激光在水射流中實現(xiàn)全反射，類似光纖的作用，水流就像一根管子，將激光能量精準(zhǔn)地導(dǎo)向我們需要加工的地方。這種獨特的激光與水射流耦合的加工方法相比其他加工方式具有多方面的優(yōu)勢。

碳纖維增強基復(fù)合材料水平尾翼

（圖片來源：作者供圖）

首先水導(dǎo)激光加工技術(shù)由于高速水流的冷卻作用，激光去除材料所產(chǎn)生的熱影響被抑制，有助于減少材料加工的熱變形和熱損傷。

其次，該技術(shù)的加工精度較高，因為高壓層流水射流具有良好的導(dǎo)向作用和沖刷作用，激光能量分布均勻，可增大材料加工的深徑比，有利于避免傳統(tǒng)激光加工中的錐度、邊緣不整齊、毛刺等現(xiàn)象。

同時水導(dǎo)激光加工技術(shù)適用材料廣泛，能夠加工高溫合金、復(fù)合材料等難加工材料，在難加工材料上實現(xiàn)精細切縫高效加工。因此，該技術(shù)可以實現(xiàn)低損傷高精度加工和加工區(qū)域的整潔。

與傳統(tǒng)激光聚焦后迅速發(fā)散的特性不同，強大的激光能量被束縛在比頭發(fā)絲還要細的層流水射流中，使得水導(dǎo)激光加工無需進行精細的激光聚焦和距離控制，就可以在層流范圍內(nèi)加工眾多材料，厲害的刀可以吹毛斷發(fā)，水導(dǎo)激光加工這把刀又快、又準(zhǔn)又“清涼”，解決了熱敏感材料、難加工高溫材料的一系列卡脖子問題！

以現(xiàn)代大飛機用的CFRP材料為例，它是碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料，主要由碳纖維、環(huán)氧樹脂等多種性質(zhì)不同的材料復(fù)合而成，質(zhì)量低、強度高、耐腐蝕，傳統(tǒng)的機械加工方法刀具磨損嚴(yán)重，往往需要多臺裝備、多道工序依次進行，并且存在層間撕裂等安全隱患。這是我國大飛機制造的一個重大“卡脖子問題”。

水導(dǎo)激光加工已經(jīng)初步解決了CFRP材料、金剛石材料、單晶高溫合金材料的低損傷加工難題。盛滿強光的頭發(fā)絲粗細的層流水柱，好比一把又細又長的雕刻刀，在提高了加工質(zhì)量的同時，還相對傳統(tǒng)工藝可以大幅縮短加工時間。

目前，水導(dǎo)激光加工已經(jīng)在航空航天、半導(dǎo)體制造、珠寶、傳感器等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。在有毒材料加工時,其他方法很難控制污染物，但采用水導(dǎo)激光加工技術(shù)便可以有效提升加工質(zhì)量，又可以將污染物安全地收入水流中，有效解決了棘手的環(huán)境污染問題，甚至回收加工產(chǎn)物，創(chuàng)造新的價值，如納米材料的制造或者貴金屬的回收等等。

結(jié)語

新質(zhì)生產(chǎn)力是實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在要求和重要著力點，科技創(chuàng)新是發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的核心要素。水導(dǎo)激光加工技術(shù)由國外發(fā)明，因此，我們的水導(dǎo)激光加工裝備曾經(jīng)長期依賴進口。

經(jīng)過中國科學(xué)院、寧波大艾激光、中國商飛及國內(nèi)更多團隊的多年攻關(guān)，我國自主研發(fā)的水導(dǎo)激光加工裝備已經(jīng)服務(wù)于航空復(fù)材結(jié)構(gòu)件、航空發(fā)動機熱端部件、半導(dǎo)體切割的加工，超大型水導(dǎo)激光加工系統(tǒng)的加工尺度已達到國際領(lǐng)先水平。

但還需要認(rèn)識到，該類工藝的穩(wěn)定性還需要進一步提升。未來，水導(dǎo)激光加工的激光功率、穩(wěn)定性、加工效率和厚度能力將進一步提升，為航空航天及眾多其他科技前沿領(lǐng)域的發(fā)展貢獻力量。