为了在水射流辅助激光加工过程中更加高效地观测工件表面的结构特征，本文提出了一种基于Retinex去雾算法的水射流辅助激光加工图像融合算法。首先，利用基于形态学理论的自适应性Retinex去雾算法解决水射流导致的气泡和表面模糊问题。通过图像区块的标准差值计算细节指数，确定高斯滤波函数的尺度，并计算单尺度函数线性叠加的权重。其次，采用离散小波变换分解聚焦区域不同的源图像序列，并根据人眼视觉原理拉伸细节分量。最后利用离散小波逆变换将分量重新融合，得到可以增强细节信息的全聚焦图像。当水射流喷嘴直径为0.4 mm时，算法处理后的图像的标准差、平均梯度和空间频率分别可以达到参考图像的95.41%、71.88%和67.29%；当射流倾斜角为45°时，上述三个指标分别达到了参考图像的90.59%、72.69%和94.50%。这表明本文所提算法有效提升了图像质量，对于在不同加工情况下获得的图像均可实现较好的处理效果，同时有助于提高加工效率。

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。

为了研究具有一定速度和角度的水射流在水射流辅助激光加工碳化硅材料中对加工槽体深度、宽度、热影响区的影响,利用Fluent软件,分别以不同速度和不同入射角度的水射流对材料表面冲击力大小的影响进行模拟,从理论上分析冲击力对加工结果的影响,同时进行相关实验验证。结果表明,水射流速度相同时,随着射流入射角度增加,其对槽体表面的冲击力逐渐增大。与无水激光加工相比,水射流辅助激光加工对所得槽体的深度影响较大,对宽度影响很小或基本无影响,热影响区显著降低,槽体底部和槽口处存在较少熔渣和重凝层,加工质量较好。

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。

对水射流辅助激光复合多道切割Al2O3陶瓷工艺进行了实验研究, 并探讨了在激光参数和水射流的其它参数一定的情况下, 分析水射流速度对水射流激光复合多道切割Al2O3陶瓷切缝质量的影响。研究结果表明: Al2O3陶瓷的切缝质量随着水射流流速的增大先提高后下降, 存在一个最佳的射流速度使得切缝质量最高, 试验中最佳水射流速度16 m/s。

为了改善激光直接刻蚀过程中形貌普遍较差的问题, 采用水射流激光复合刻蚀的方法,以SiC复相陶瓷和Al2O3陶瓷为研究材料, 分析了有无水射流条件下的形貌差异以及不同成分陶瓷的形貌差异, 并在此基础上研究了水射流流速对刻蚀深度和蚀除量的影响。结果表明,直接刻蚀时, 大量熔渣附于刻蚀表面, 刻蚀形貌较差, SiC复相陶瓷60%以上直接气化分解, 熔渣较少, 形貌稍好于Al2O3陶瓷; 复合刻蚀时, 刻蚀形貌有所变好, 且水射流流速在24m/s时的形貌要好于16m/s时的; 水射流流速越大, 材料的刻蚀深度和蚀除量越小, 流速每增大2m/s时, 材料的蚀除量平均减少0.066mm3左右, 相同流速下, SiC复相陶瓷的蚀除量比Al2O3陶瓷大0.4mm3左右。此研究对提高刻蚀形貌和分析不同陶瓷的刻蚀机理是有帮助的。

研究了水射流抛光条件下的去除函数特征，根据去除函数的一维轮廓特征采用分段解析函数拟合方法建立了去除函数的解析表达式。根据解析表达式采用Matlab 数值模拟方法对不同参数条件下的去除函数进行了一维叠加去除模拟，引入波纹度均方根值W_rms 指标，对均匀去除与线性去除条件下不同参数对去除函数一维误差修正的影响进行了讨论。通过两轮水射流抛光实验，使φ50 mm 熔石英玻璃面形峰谷值λ_PV 由0.148λ收敛至0.062λ，90%与75%口径范围分别收敛至0.048λ与0.032λ。面形均方根值λ_rms 由18.86 nm 收敛至4.87 nm，90%与75%口径范围内分别收敛至3.67 nm 与3.15 nm。

以Al2O3陶瓷为研究对象, 开展了低压水射流激光复合多道切割的试验研究。通过试验, 对比分析了水射流激光复合单道切割技术与水射流激光复合多道切割技术的优劣; 通过改变首刀激光参数, 研究不同首刀切割深度对Al2O3陶瓷基板的切割质量影响。试验结果表明, 相较而言, 低压水射流激光复合多道切割技术可以明显提高切割质量; 在合理的首刀切割深度下, 切缝内熔渣残留较少, 切槽形貌规则, 锥度基本保持在0.12以下。

基于流体理论分析不同区段的射流界面特征，利用高速数码相机拍摄射流水波导的气液交界面形态，选择恰当的图像处理算法提取并重构射流界面轮廓，根据重构的三维光学模型进行光线追迹仿真，最终获得射流波动段的损耗特性。结果表明，射流界面的波动振幅和频率将直接影响光线在其内部的全内反射传输。处于波动开始阶段的射流，由于波动幅度和频率相对较小，不能引起传输损耗。当射流界面波动达到一定程度时，其损耗特性开始逐渐显现，从而影响微细水射流作为介质波导的传输能力。