水导激光加工碳化硅高深径比微孔的技术研究与工艺优化

    碳化硅作为一种具备高硬度、高耐磨性及优异热学、电学性能的先进材料，在航空航天、半导体器件、新能源装备等高端制造领域应用前景广阔。然而，其硬脆特性使得高深径比微孔（深径比≥10:1）加工面临严峻挑战，传统加工工艺如机械钻孔、电火花加工、超声加工等，普遍存在刀具磨损严重、加工精度低、表面质量差或加工效率不足等问题，难以满足高端领域对碳化硅微孔构件的严苛要求。在此背景下，水导激光加工技术融合激光高能量密度与水射流冷却排屑的双重优势，为突破碳化硅微孔加工瓶颈提供了创新技术路径，相关工艺参数的优化研究对推动该技术产业化应用具有重要意义。

    一、水导激光加工系统的工作原理
    水导激光加工系统的核心优势源于激光精准传导与水射流协同作用的有机结合，其工作机制可分为以下两大关键环节：
    1.激光的全反射传导机制
    水介质的折射率（约1.33）显著高于空气（约1.0），当高压水束通过特定直径喷嘴（实验中采用50μm喷嘴）形成稳定、光滑的连续流束时，激光在水空气界面会发生多次全反射，如同在光纤中传输般被“束缚”于水束内部。这种传导方式有效避免了传统激光加工中能量扩散的问题，确保激光能量以高聚焦密度精准作用于碳化硅材料的加工区域，为微孔加工的尺寸精度与形状精度提供基础保障。
    2.水射流的冷却与排屑协同作用
    实验中设定的35MPa高压水束，除作为激光传导载体外，还承担冷却与排屑的双重功能：一方面，水的高比热容与高导热性可快速吸收加工区域产生的热量，将热影响区控制在微米级范围，有效抑制碳化硅因高温导致的裂纹萌生与重铸层形成；另一方面，高速流动的水束能够实时冲刷加工区域，及时排出碳化硅蚀除碎屑，避免残渣堆积造成的孔壁划伤、加工中断等问题，保障加工过程的连续性与稳定性。

    二、碳化硅微孔加工工艺参数的实验研究
    为系统探究工艺参数对碳化硅微孔加工效率与质量的影响，研究团队采用自研水导激光设备（型号WLLCS303，激光波长532nm，最大功率100W，三轴平台定位精度±3μm），以纯度99.5%的碳化硅陶瓷板（厚度分别为7.68mm、20mm）为加工对象，通过单因素控制法开展实验，重点分析加工轨迹、激光参数、加工速度及加工距离四大变量的作用规律。
    1.加工轨迹对加工性能的影响
    实验对比“单一圆”“螺旋线”“同心圆”三种加工轨迹，结果表明：
    单一圆轨迹加工效率最低，主要原因是其切割缝隙狭窄，碎屑排出通道受限，导致加工过程中残渣堆积，频繁中断加工流程；
    同心圆轨迹与螺旋线轨迹加工效率显著优于单一圆轨迹，两者加工耗时分别为4分20秒、4分30秒，差异较小。这两类轨迹通过扩大排渣区域，优化了碎屑排出路径，提升了加工连续性。但需注意，螺旋线轨迹加工的微孔入光面易出现微崩缺现象，经扫描电镜观察分析，该问题源于加工过程中喷溅的碎屑与等离子体云干扰了水束稳定性，进而影响激光传输精度。
    2.激光参数对加工性能的影响
    固定加工轨迹为同心圆、加工速度2mm/s，调整激光功率（1033W）与重复频率（68kHz），重点研究单脉冲能量（激光功率与重复频率的比值）的影响：
    加工效率规律：当单脉冲能量低于4.4mJ时，钻孔效率随能量增加而提升，这是由于更高的单脉冲能量可增强对碳化硅的蚀除能力；当单脉冲能量超过4.4mJ时，加工效率呈下降趋势，主要因过量能量导致加工区域温度骤升，水束冷却负荷增大，甚至引发水束破裂，破坏激光传导稳定性；
    加工质量规律：随着单脉冲能量降低，入光面孔径与孔锥度同步减小，孔口微崩缺面积也随之缩小。分析可知，高单脉冲能量虽能提升单次蚀除宽度，但同时会增强反冲压力，导致水束对孔口的冲刷摩擦加剧，扩大微崩缺区域；
    最优激光参数：当激光功率33W、重复频率7.5kHz时（对应单脉冲能量4.4mJ），加工性能最优，此时入光面孔径0.479mm、出光面孔径0.470mm，孔锥度仅0.067°，远优于传统工艺水平。
    3.加工速度与加工距离的影响
    加工速度：实验发现，加工速度过高（如5mm/s）会缩短激光与碳化硅的作用时间，导致加工深度不足；速度过低（如0.5mm/s）则会延长水束与加工区域的接触时间，增加热影响区范围。综合效率与质量，1mm/s为最优加工速度，此时既能保证充足的激光作用时间，又可控制热影响区在合理范围；
    加工距离（喷嘴与工件表面的距离）：加工距离过近（<10mm）易导致水束反溅至喷嘴，污染喷嘴并影响激光传导；距离过远（>25mm）则会降低水束稳定性，削弱激光聚焦精度。实验验证，20mm为最优加工距离，可同时保障水束稳定性与激光聚焦效果。

    三、技术成果与未来优化方向
    1.核心技术成果
    通过工艺参数优化，水导激光加工技术实现了碳化硅高深径比微孔的高效、高精度加工：采用50μm喷嘴、35MPa水压，在加工速度1mm/s、激光功率33W、重复频率7.5kHz、加工距离20mm的工艺组合下，仅需2分钟即可加工出直径0.48mm、深度7.68mm的通孔，深径比达15:1，孔锥度角仅0.0074°，且孔壁无裂纹、无重铸层，完全满足高端领域对微孔构件的质量要求。
    2.未来优化方向
    尽管当前成果已突破传统工艺局限，但仍有进一步优化空间：计划将喷嘴直径缩小至40μm，在保证激光功率密度的前提下，通过减小水束直径降低单脉冲能量，缩小水束反溅范围，从而进一步减少入光面孔口微崩缺面积，提升微孔加工质量；同时，后续还将探索多参数协同优化模型，结合智能算法实现工艺参数的动态调整，适配不同厚度、不同孔径要求的碳化硅微孔加工需求，推动该技术在更多高端制造场景的应用。