基于策略的喷射水引导激光加工技术，用于铜材料上制作高纵横比（high-aspect-ratio）的弯曲微通道

《Optics & Laser Technology》：Strategy-driven water-jet guided laser machining for high-aspect-ratio curved microchannels on copper

　　•WJGL 能够在铜材料中实现确定性的、高纵横比的弯曲微通道。•通过多遍加工的沟槽演变验证了一个耦合的三维光热-烧蚀模型。•进出式多排路径策略稳定了能量耦合并提高了侧壁的完整性。•成功制造出了纵横比高达约16:1的弯曲微通道，且热损伤有限。

引言
由于铜具有出色的电导率、热导率和高延展性[1]，它已被广泛应用于电子封装[2]、航空航天系统[3]以及先进储能技术[4]中的热管理组件。为了进一步提高散热性能并实现高效的冷却剂分布，微通道通常被整合到热管理系统中。特别是，弯曲微通道可以延长流动路径，增强热边界的扰动，并诱导次级流动，从而在相同的压力降约束下提供更优越的热流性能[5]、[6]、[7]。因此，在铜材料上高质量、可重复地制造高纵横比的弯曲微通道对于高热流量的热耗散具有重要意义。

然而，实现高性能铜微通道的稳定制造仍然具有挑战性，尤其是在平衡高纵横比、复杂的弯曲几何形状、加工效率以及表面完整性方面。已经探索了多种制造方法，包括机械加工、电火花加工（EDM）和电化学加工（ECM）来制造金属微通道。然而，微铣削受到尺寸效应、毛刺形成和微工具磨损的限制[8]；EDM避免了机械接触，但会受到热损伤和重铸层的影响[9]；ECM可以无损去除材料，但其精度受到电极间距和电解质传输行为的影响[10]。在铜微通道制造方面，先前的研究已经证明了各种制造方法的适用性。Hao等人[11]引入了激光辅助微铣削来提高无氧铜上高纵横比微沟槽的形成；然而，这种方法仍然依赖于工具-工件之间的相互作用，限制了其制造高纵横比复杂弯曲结构的能力。Ahmed等人[12]研究了通过线切割电火花加工制造的铜微通道，并建立了工艺参数与通道特性之间的关系，而放电引起的热效应和电极磨损仍然是影响加工质量的关键因素。Malapati等人[13]探索了用于铜结构的电化学微加工，证明了其可行性，同时也指出了由于电化学反应局部化和质量传输控制而带来的挑战。尽管取得了这些进展，传统的机械、电火花和电化学方法仍然难以同时满足复杂弯曲铜微通道在纵横比、加工效率和侧壁完整性方面的要求。因此，基于激光的制造方法由于非接触式能量传递、局部材料相互作用和灵活的轨迹控制，已成为先进铜微结构制造的一种有前途的策略。

Latif等人[14]使用纳秒激光照射处理铜表面，观察到了不对称的坑洞以及扩展的热影响和周期性波动特征。Feng等人[15]将铜置于流动水中，并结合多扫描策略，这可以在一定程度上提高孔的完整性和表面质量。Li等人[16]引入了直流辅助的纳秒激光钻孔技术，实现了孔径减小、孔深增加和内壁粗糙度改善。然而，热影响区和氧化等问题仍然存在。此外，超快激光因其短脉冲持续时间和抑制的热扩散而提高了加工精度：Byskov-Nielsen[17]和Cheng等人[18]通过实验和模拟阐明了飞秒烧蚀中的脉冲持续时间和脉冲间隔如何影响材料去除。Li等人[19]在HCl–O2混合气氛下提高了去除率和表面质量。尽管如此，飞秒激光的单脉冲能量有限以及相对较低的材料去除效率目前仍使得同时满足高纵横比结构的产量和成本要求变得困难，这促使人们继续寻找能够平衡质量和效率的制造方法。

近年来，水射流引导激光（WJGL）作为一种独特的加工方式脱颖而出：激光束被限制在细水流内传播，而高速水流提供了同步冷却和冲洗。这种组合可以抑制热扩散并减轻反射相关的损失，从而在加工质量和效率之间实现良好的平衡[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。为了阐明WJGL加工过程中的热响应、流体行为和形态演变机制，先前的研究结合了数值模拟和实验验证来研究不同材料和加工条件下的工艺演变。Jiao等人[26]、[27]专注于水射流传输和加工过程中的多相流动行为，开发了数值模型来分析水射流稳定性、流体演变以及加工参数对加工特性的影响，为WJGL中的流体动力学作用提供了理论见解。此外，Cao等人和Liang等人[28]、[29]、[30]结合模拟和实验研究了在气体辅助条件下的水射流稳定性调节以及在复杂加工配置下的沟槽形成，揭示了流动条件和加工策略对加工稳定性的影响。此外，实验研究表明优化气体辅助配置可以进一步提高Inconel 718沟槽的表面完整性[31]。总体而言，现有研究主要集中在水射流行为、辅助介质调节和特定结构制造上，为理解WJGL加工提供了重要基础。然而，激光能量沉积与实际材料去除行为之间的关系，以及在高反射率和高导热性铜的深沟槽加工过程中形态和侧壁质量的深度依赖性演变仍不够清楚。

在实验应用方面，WJGL已被应用于多种难以加工的材料，包括钛合金、超级合金和陶瓷基复合材料。Chao等人[32]将WJGL应用于Ti-6Al-4V合金的超薄切口加工，并研究了水射流引导对切口形态、表面微观结构和加工质量的影响。Zhao等人[33]使用正交实验和响应面方法建立了一个Inconel 718的切割深度预测模型，为参数优化提供了定量基础。随着金属系统的进步，WJGL也被用于难以切割的陶瓷基复合材料的加工。Wei等人[34]以SiC/SiC为模型系统，证明了WJGL可以生成清洁度高的表面，且氧化损伤最小。Hu等人[35]对WJGL沟槽加工进行了系统研究，揭示了加工参数对沟槽形态和表面完整性的控制程度。在此基础上，Gao等人[36]对SiC/SiC的WJGL参数空间进行了全面探索，明确了工艺窗口和参数选择指南，以实现稳定、高质量的加工。

然而，大多数现有的WJGL研究主要集中在反射率和热导率中等到低的钛合金和超级合金上。相比之下，铜具有显著更高的反射率和热导率，导致能量传递、材料去除和形态演变的机制明显不同。更严重的是，随着WJGL加工过程中沟槽加深，狭窄的空间限制严重限制了流体排出。这种受限的几何形状引发了剧烈的液壁相互作用和流体湍流，破坏了气体-液体界面，导致引导光束的total internal reflection (TIR)失效。这种流体动力学-光学耦合瓶颈不可避免地导致深度饱和和侧壁完整性的降低。目前，系统性的研究和可转移的工艺路线仍然不足，这些路线可以将这种预测性机械模型与稳健的扫描策略相结合。

因此，为了克服这些物理限制，本研究对弯曲的高纵横比铜微通道的确定性WJGL加工进行了系统的研究。研究超越了纯粹的经验参数调整，将范式转变为机械动力学-光学-热力学耦合框架。首先，建立了一个三维光热模型，并通过单排扫描实验进行了验证，以揭示决定深度饱和的内在TIR失效限制，同时优化了一个稳健的基线工艺窗口。随后，为了突破这一空间瓶颈，将工艺维度扩展到多排扫描。系统地评估了不同的路径执行顺序，以阐明它们在动态重塑瞬态空间边界条件和主动创建横向排水通道以稳定能量耦合中的作用。最后，利用最优的进出策略，可重复地制造出代表性的复杂弯曲微通道轮廓，为铜基功能微结构的精密制造提供了一个预测性物理框架和可重用的方法。

实验设置与表征
本研究中使用了一个完全国产化的WJGL加工系统，如图1所示。该系统配备了一个532纳米纳秒脉冲Nd:YAG激光器。去离子蒸馏水既用作引导介质，也用作加工喷射流。此外，还采用了同轴气体辅助配置来增强喷射流的准直性并提高工艺稳定性，选择99.99%的高纯度氦气作为辅助气体。

WJGL加工铜的三维光热模型
在WJGL加工过程中，铜样品在激光-喷射流耦合区域内迅速加热、熔化并去除材料，熔融材料通过高速喷射流及时排出，同时进行冷却和冲洗。为了定量阐明潜在的光热能量传递路径并建立材料去除轮廓演变的理论基础，开发了一个三维瞬态光热模型。

单排扫描模拟和实验验证
为了描述铜上单排WJGL扫描过程中的热响应和形态演变，将交互中心置于计算域的原点，耦合光束以6毫米/秒的速度沿Y方向扫描。关键设置列在表3中，并在相同的参数设置下进行验证实验。通过改变扫描次数，制作出不同深度的沟槽。通过结合表面形态评估模型的真实性。

结论
本研究通过光热建模、参数优化、扫描序列优化和弯曲通道验证，研究了铜上弯曲高纵横比微通道的WJGL制造。主要发现总结如下：
(1) 光热模型准确捕捉了单排扫描过程中的沟槽宽度演变和整体轮廓发展，而在多次扫描下预测的深度略高于测量值。

作者贡献声明
Wanda Xie：撰写-审稿与编辑，撰写-初稿，可视化，验证，软件，方法论，研究，数据管理，概念化。
Shuiwang Wang：撰写-审稿与编辑，撰写-初稿，验证，监督，形式分析，数据管理，概念化。
Jincong Sun：验证，监督，软件，数据管理，概念化。
Ye Ding：撰写-审稿与编辑，验证，软件，资源，项目管理，资金支持。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢
本研究得到了四川省科技重大项目2025ZDZX0004、国家自然科学基金U25A20313、U25A20310以及黑龙江省春燕人才支持计划CYQN24055的支持。