水导激光切割碳纤维复合材料（CFRP）的工艺特性研究

碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）因其卓越的比强度在航空航天与汽车工业中备受青睐。然而，其各向异性及组分间迥异的热物理性质，使其在传统激光加工中面临热损伤严重、切缝锥度大等挑战。水导激光（WJGL）加工技术作为一种创新解决方案，利用高速水射流导引激光，兼具激光高能量密度与水射流冷却、冲刷的双重优势，能有效抑制热缺陷并实现垂直切缝。

碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）由树脂基体与碳纤维增强体构成，其高比强度特性在实现轻量化的同时，也带来了加工难题。传统的铣削加工虽材料去除率较高，但存在刀具磨损快、易产生分层与脱粘等缺陷；磨料水射流切割虽无热损伤，但仍无法完全避免分层问题。而传统激光加工作为一种非接触式加工，虽无机械应力，但其热作用机制会导致材料基体热解、纤维烧蚀，产生较大的热影响区（PAZ），且激光光束固有的发散特性会使切缝产生锥度，影响加工精度与零件疲劳性能。水导激光（Water Jet Guided Laser, WJGL）技术的出现为CFRP的高质量加工提供了新途径，其工作原理如图1所示。

图1 水导激光技术原理

如图1所示，一束激光经聚焦后，透过玻璃窗口进入耐高压耦合水腔，与经由喷嘴射出的高速微细水射流耦合。由于水与空气间的折射率差异，激光在水-气界面发生全反射，被约束在水射流内部如同在光纤中一样传输，直至工件表面。

该技术集成了激光与水射流的双重优势：

1.无锥度垂直切缝：圆柱状水射流形成了平顶的光强分布，取代了传统激光的高斯分布，从而加工出侧壁平行的切缝。

2.工作距离长：激光通过水射流传输，无需频繁对焦，极大提高了加工柔性。

3.热损伤小：持续流动的水射流能及时冷却加工区域并冲走熔融碎屑，显著抑制了热量的累积与扩散，减少了热影响区。

4.加工环境清洁：水层覆盖加工表面，避免了粉尘飞扬，同时隔绝空气，防止已加工表面氧化。

英国The Manufacturing Technology Centre（MTC）通过系统性实验，揭示了水导激光（WJGL）切割6mm厚CFRP材料的工艺特性。其主要结论如下：1）技术优势：WJGL技术能有效克服传统激光加工CFRP时热损伤大、切缝锥度明显的问题，通过水射流的冷却与约束作用，实现了高质量、无锥度的切割。2）参数影响规律：水射流压力和激光平均功率是调控切割效率与质量的核心参数。两者均与切割速度和过程影响区（PAZ）呈正相关关系。追求高切割效率（高压力、高功率）会以扩大热机械影响区为代价。3）工艺优化方向：在实际应用中，需根据具体需求（效率优先或质量优先）在上述参数间进行权衡优化，以找到最佳的工艺窗口。例如，对于要求切边质量高、损伤小的航空航天结构件，可能需采用相对较低的压力和功率进行多遍扫描；而对于对效率要求更高的汽车零部件修边，则可适当提高参数以提升加工速度。

中国计量大学和中国科学院发现在水导激光切割CFRP的过程中，加工效率会随着切割深度的增加而非线性降低，并针对这一问题，开展了水导激光切割CFRP厚板的试验研究。创新性地采用图像处理方法，监测并分析了加工过程中切槽形貌的动态演化规律，并揭示了其对加工效率的影响机制。研究结果表明，在使用水导激光技术切割10 mm厚的CFRP时，切槽形貌会依次经历平整期、波动期和凹陷期三个阶段，且最终是从切缝的中部率先切穿。进一步分析发现，加工效率的降低主要由以下三个因素共同作用导致：一是耦合能束在切割深度方向上的衰减；二是切槽形貌在不同阶段对能量吸收的差异；三是射流飞溅现象对加工过程的干扰。

华中科技大学聚焦水导激光加工技术中的气辅助问题，通过理论分析、仿真和实验，多角度探究辅助气体的引入对水束稳定性的影响效果。其研究根据水束生成特性和同轴气辅助特性建立仿真模型，对水和气的流域部分进行几何建模，利用有限元分析的方法划分四面体网格进行气-水两相流的仿真计算，从水射流速度分布和水射流的体积变化两个角度进行分析，获得了水束随传播距离变化的速度分布数据和水束随传播距离变化其横截面的体积变化数据，并进行实验，探究具体影响效果。同时，其研究还对光路系统、同轴耦合系统和水气供应系统进行设计，搭建起整个气辅助水导激光加工系统并执行实验。通过改变气体压力进行纵向对比和改变气体种类进行横向对比的方法分析实验数据，分析压力与气体种类对水束稳定性的影响，为水导激光后续的发展提供了参考依据。

在各国研究的共同推动下，水导激光加工CFRP技术正朝着高精度、低损伤和智能化方向发展。通过多参数协同优化与气辅助稳定性控制，未来将更好地满足航空航天等高阶制造需求。 

参考文献

[1] 张雨庭等. 水导激光加工CFRP质量和效率实验研究[J]. 激光与红外，2024.

[2] Elkington H, et al. Water jet guided laser cutting of carbon fibre reinforced polymer[C]. LIM, 2023.

[3]王宗炼,杨培瑞,张广义,陈忠安,李冉,张文武.水导激光CFRP切割深槽形貌演化及其影响机理（特邀）[J].中国激光,2025,52(14):149-157.

[4]苏卫东.同轴气体辅助水导激光的水束稳定性研究[D].导师：史铁林.华中科技大学,2024.