本文着重探讨了水导激光加工过程中的激光与液束耦合原理及加工效果，分析了体加热激光切割玻璃过程中的温度场和应力场，以及曲线切割和多层玻璃激光切割技术。针对两种非常规激光加工技术——水导激光加工和体加热激光切割玻璃技术，进行了理论分析及仿真技术研究，建立了两种加工技术的实验系统，利用该系统进行大量的实验研究，获得了较好的加工效果，为实际加工奠定了理论及实验基础。
引言
目前，激光切割、激光焊接等常规激光加工技术在工业领域的广泛应用基本上是依靠其与材料作用产生高温，使材料熔化或气化，从而达到加工的目的。所带来的问题主要有：(1)加工区产生热影响变质层，该变质层与基体材料的物理和机械特性有很大不同，对加工零件部件的应用有很大影响；(2)加工区易残留熔屑，影响加工质量；(3)加工盲孔或盲槽时熔屑不易排出，很难实现微结构的加工；(4)加工精度和表面质量较低，难以实现高质量加工；(5)在薄板上进行大面积多孔加工时易产生热变形；(6)加工硬脆材料时，加工区易产生微裂纹。上述问题对激光加工技术在工业领域的广泛应用产生了一定的局限性。
针对上述问题，开展了水导激光加工技术和体加热激光玻璃切割技术的研究，这些新技术可以弥补上述常规激光加工所存在的问题，突破其局限，拓宽激光加工技术的应用领域。
1 水导激光加工
1.1 水导激光原理及其特点
水导激光(Water-jet guided laser)是以微细水流为介质的光纤系统，以水流引导高能激光对工件进行加工的新技术。由于水和空气的折射率不同，稳定的水流与空气界面分布清晰，水流中的激光束在水的内表面发生全反射，使激光能量限制在水束中，经过多次全反射后形成截面能量均匀分布的能量束（如图1所示）。
图1 水导散光散细加工原理图
该技术的特点有：
(1)由于水射流冷却，热影响区小、热残余应力小、微裂纹少；
(2)由于冲刷作用明显减少熔融重凝物；
(3)对离焦量的变化不敏感，可切割复杂表面材料和多层材料，切缝锥度很小；
(4)加工区域的激光能量分布均匀；
(5)可加工盲槽（孔）和三维结构。
该技术非常适合进行微细结构的加工，如硅片的划切、医疗器械和电子产品中微结构的加工和MEMS中的微结构和微零件的加工等。
1.2 关键技术
1.2.1 激光与水束耦合技术
(1)激光与水束耦合传输
激光输入水束有两种轨迹：一种称为子午光线（也称傍轴光线），指入射光线通过水束轴线；另一种不通过水束轴线，称作斜射光线（如图2所示）。子午光线的轨迹始终在包含光纤光轴的主截面内，在水束界面不断发生争反射，形成曲折光路，产生全反射的条件是入射角必须大于临界入射角。斜射光线和水束中心不在一个平面内，和水束中心轴是异面直线，因而，斜射光线在水束中经过多次反射后光路轨迹是与水束中心轴线等距的空间螺旋折线。在斜射光线轨迹中，选择合适的光线与水束中心的偏移量，可使激光能量在水束中的分布均匀。
图2 光线在水束端面上的投影
(2)激光在水束中传输的能量损失
激光经过水层传输过程中有能量损失，激光峰值功率越高其能量损失也越大（如图3所示）。
图3 水对不同波长激光吸收曲线和传
输率与激光脉冲峰值能量密度关系nextpage
(3)水束光纤生成技术
要生成较为理想的水束光纤，形成水束的质量非常关键。影响水束质量的主要因素有耦合腔入水与出水状态，喷孔质量与几何形状和水的压力等。耦合腔中水的流场如果处于不对称分布，不仅影响水束质量，同时，激光束通过水层时会产生微小偏移，影响激光与喷孔的对准。用仿真的方法对耦合腔入水方式的研究结果发现，采用8入口的耦合装置、水腔的上下表面平行度出现偏差（如图4所示），对流场的稳定性影响也很小，降低了耦合装置的制造难度。喷孔的几何形状对水束质量的影响如图5所示。形成返流时水束的质量最好，要求喷孔上表面有较小的表面粗糙度，喷孔入口尖角半径(r)要很小。
图4 耦合腔水流场仿真
图5 平口喷嘴射流模型
水的压力对水束的形成有很大影响，图6给出了在喷孔直径一定的条件下，不同水压与水束稳定长度的关系曲线。
图6 水压对稳定水束长度影响
1.2.2 水导数光加工系统
所建系统由激光器、工作台、耦合系统、高压供水系统和加工过程检测系统所组成（如图7所示）。
激光器为英国Lumonics公司的JK702HYAG激光器。工作台为三维数控工作台。耦合系统中包括可实现三轴微调的耦合装置和光学对准系统，可实现激光束与喷孔准确对准。
图7 水导激光加工系统nextpage
1.2.3 加工效果
由于水导激光加工具有上述优点，其加工效果显著优于常规激光加工。
(1)热影响区明显减少
由于水的冷却作用，水导激光加工区的热影响变质层非常小(如图8(a)所示)。
(2)熔屑清除效果
由于高速水流的冲刷，水导激光加工熔屑的去除效果非常显著，甚至可以加工高质量的盲孔或盲槽(如图8(b)和(c)所示）。
(3)不受焦距位置的限制
由于激光经高速水流传导，在水束稳定的范围内，其直径变化很小，所以工件在稳定水束范围内对离焦量变化不敏感，可加工起伏变化的工件(如图8(d)所示），加工锥度（斜度）显著小于常规激光加工。
图8 不锈刚1Cr18Ni9Ti的常规激光与水导激光切割效果
2 基于体加热法的激光切割玻璃技术
2.1 原理与特点
玻璃对激光的吸收有两种典型形式：一种是表面吸收形式，另一种是体吸收形式（如图9所示）。从硼硅酸盐玻璃、钠钙玻璃和石英的吸收光谱可看出，当激光波长在5μm以上时，玻璃对其具有非常高的吸收率，所以波长为10.6μm的CO2激光进入玻璃表面的深度不足几十微米就在玻璃表面被吸收。利用CO2激光切割玻璃时，裂纹是从表面开始扩展的，切口质量差，切割玻璃的厚度非常有限，并且不能切割多层玻璃。而波长为1.064μm的YAG激光可以透过玻璃，玻璃对激光能量的吸收是体吸收形式，玻璃的开裂是均匀通透的。
图9 玻璃对激光的两种吸收形式
基于体加热法的激光切割玻璃技术实质上是一个瞬态热传导、诱发热应力和裂纹扩展的过程。玻璃吸收激光能量，沿激光扫描轨迹处玻璃整体温度迅速升高，热量又以热传导的形式传递到周边区域，沿激光扫描轨迹附近形成一个热影响区，且激光点照射处温度最高。急剧的温度升高引起玻璃膨胀，产生压应力，而玻璃上下表面又由于空气对流温度下降而产生拉应力，当拉应力值达到断裂强度时，裂纹就扩展。通过控制激光扫描轨迹来控制裂纹扩展路径，从而实现玻璃的激光切割。
这种基于体吸收形式的YAG激光切割玻璃方法不仅可以得到更好的玻璃切割质量，而且切割玻璃的厚度可大大增加，可切割多层玻璃、夹层玻璃和玻璃管，对玻璃的切割可实现一次完成，无需二次加工，同时，除了进行直线切割还可以划出任意的曲线。nextpage
2.2 关键技术
2.2.1 温度场和应力场仿真
激光加热位置的温度和应力状况是体加热激光玻璃切割的重要因素，因此，文中用有限元数值分析方法对其温度和应力变化情况进行仿真分析，图10～图12是分析结果。
从图10(a)可以看出，温度沿厚度方向（z向）是分布均匀且大小相等的，激光点照射的地方温度最高。从图10(b)可以看出应力σxz沿厚度方向是不均匀相等的，激光点前方一段距离内整个厚度方向都为拉应力状态，而激光点后方上下表面呈现拉应力。而中间呈现压应力。
图10 t=3.0s时沿激光轨迹玻璃切口的温度场和应力场分布
图11为不同时间沿激光扫描轨迹玻璃板上下表面路径和中间路径的应力分布曲线。图12为玻璃上下表面路径和中间路径上起始点、中央点和终点的应力变化历程。
图11 沿激光扫描轨迹玻璃板上下表面路径
(z=0.25mm)和中间路径(z=1.25mm)的应力分布曲线
图12 起始点、中央点和末段点的σxz应力变化历程
2.2.2 实验系统
图13为试验装置示意图，主要由YAG连续激光器、三坐标数控工作台和红外热像仪组成。
图13 试验装置照片
2.3 加工效果
2.3.1 切割效果对比
金刚石或硬金属轮玻璃刀在玻璃表面划线，然后用机械的方法折断玻璃得到的玻璃切口光学显微照片如图14(a)所示。图14(b)是金刚石砂轮切割得到的玻璃切口表面光学显微照片。图14(c)是YAG激光切割得到的玻璃切口表面光学显微照片，从图中可看出，利用YAG激光切割钠钙玻璃得到的切口平直、无碎屑、无显微裂纹，质量明显好于机械法和金刚石砂轮切割得到的切口质量。
图14 3种玻璃切割技术得到的切口光学显微照片nextpage
2.3.2 多层玻璃的YAG激光切割
CO2激光只能切割比较薄的玻璃，更不能切割多层玻璃，大大限制了其应用。而玻璃对YAG激光的吸收率只有20%左右，在整个厚度方向时激光能量都有吸收，对YAG激光的吸收为体吸收形式，裂纹在整个厚度方向通透开裂，因此YAG激光可切割厚度达20mm以上的玻璃，还可切割多层玻璃，大大提高了切割效率。
图15为4层玻璃切割示意图，图16是4层玻璃的切口显微照片，其中，(a)～(d)分别为第1～4层玻璃上下表面切口照片。
图15 YAG激光切割四层鞋璃的示意图及试验图
图16 4层玻璃切割的切口照片
2.3.3 曲线轨迹玻璃和玻璃管的YAG激光
YAG激光切割玻璃的另一个突出的优势就是可以进行任意曲线轨迹的切割。通常，对玻璃的曲线切割主要是通过模具进行曲线划线，再用机械法掰断，然后通过研磨抛光等二次加工，得到切口质量较好的玻璃。而用激光进行曲线切割，刚可一次完成切割，无需进行后处理。同时，通过数控编程可以实现复杂曲线的高质、高效切割。采用该技术可实现玻璃管的切割，图17是用YAG激光切割钠钙玻璃和玻璃管的试件。
图17 YAG激光沿曲线轨迹切割钠钙玻璃和璃璃管的照片
3 结论
对两种非常规激光加工技术进行了较为系统的研究，得出如下结论：
(1)水导澈光加工具有常规激光加工所不具备的优点，有很高的加工质量，而且可加工盲孔或盲槽。
(2)体加热激光切割玻璃的技术可实现高效、高质量玻璃切割，不仅可实现玻璃的复杂形状切割，同时可进行多层玻璃和玻璃管的切割，为玻璃切割提供了有效技术手段。
