水辅助激光加工中, 水流状态对激光加工有重要影响。为了研究激光加工中不同水流状态对加工质量的影响, 文章建立带切槽的水射流冲击模型, 分析激光扫描方向与水流同向和反向对加工中流场造成的差异; 通过对比试验, 研究两种刻蚀方式对单晶硅切槽形貌和几何尺寸的影响, 并分析差异产生的机理。研究结果表明, 同向刻蚀模型中切槽截面中心上的总压强最小为2 941.970 Pa, 远大于反向刻蚀; 反向刻蚀模型在近壁面处的速度更大, 比同向刻蚀大3.104 m/s。反向刻蚀比同向刻蚀的槽宽小约13.500 μm且表面无熔渣堆积; 反向刻蚀槽深明显大于同向刻蚀, 并且此差距随激光功率增加而增加, 在激光功率15 W时最大相差127.773 μm; 反向刻蚀切槽上表面的平均面粗糙为0.158 μm, 更接近基材未加工区域的0.141 μm。模拟和实验的结果为进一步提高水射流辅助激光加工的切割质量提供了思路。

为解决工程陶瓷在激光加工中的表面质量问题提出了溶液辅助激光加工方法, 首先在综合国内外有关研究的基础上, 分析了激光穿越水层的能量传输、激光作用水下固体物质的热传导和静水及水射流辅助激光加工的作用机理; 搭建了旁轴射流与超声振动辅助激光复合加工系统, 开展了不同加工条件下氮化硅陶瓷刻槽对比试验。借助扫描电子显微镜检测分析激光刻蚀槽体形貌, 运用激光共聚焦显微镜观测了槽体截面轮廓。研究表明, 水射流辅助激光加工氮化硅陶瓷, 因激光穿越水层、水的对流冷却等作用减少了激光烧蚀材料的有效能量, 刻蚀深度有所降低; 同时由于水层的存在改变了加工区域能量分布, 使得槽口变宽。当激光电流200 A、频率50 Hz、脉宽0.6 ms时刻槽深度相对减小30％, 宽度增大21%。水与氮化硅在激光作用下的会发生水解等效应, 且水蒸汽、材料蒸汽、熔融粒子、气泡等沿水流动方向被带走, 有利于表面质量的提高, 综合效果良好。

水导激光加工技术与水辅助激光加工技术是目前广泛应用与研究的两种激光水射流复合加工技术, 都可以代替传统机械加工方法对单晶硅片进行划片切割工作。但由于激光与水射流耦合方式不同, 单晶硅片切割加工效果存在显著差异。在确保激光参数与水射流参数相同的前提下, 分别采用上述两种加工方法对单晶硅片进行划槽加工, 对比研究其槽道深度与宽度、槽道截面形状、熔渣残留及热影响区等方面的差异性, 并综合分析导致差异的根本原因。实验结果表明, 相比水辅助激光加工, 水导激光加工的槽道宽而浅, 呈“V”字形, 但其槽道表面干净熔渣少, 无毛刺, 热影响区较小, 更适用于晶圆的高精划片切割加工。