2023年5月，国产大飞机C919实现商业首飞，令国人振奋。如此巨大的航空器，在高速飞行过程中，受力情况十分复杂。因此，它的结构件材料必须强度更大、重量更轻，同时还要韧性更强。

大飞机的结构件材料的要求极高，不仅考验材料本身，这些材料切割、铣削的工艺难度也极大。举个例子，将橡皮泥和石头分别做成水杯，你可以用手轻松地改变橡皮泥的形状，但需要用更大的力气甚至是锤子、凿子等更专业的工具才能对石头完成同样的目标。那么要用什么样的工具来满足大飞机结构件材料的加工需求呢？我们找到了一把雕刻它的利刃——水导激光。

大尺寸复杂构件水导激光切割装备（图片来源：作者供图）

激光与水导激光都是什么？

激光，大家并不陌生，小时候，大家可能都玩过放大镜聚焦太阳光的游戏。只有经过精细的位置调整，透镜才能将阳光聚焦成一个小亮点把纸点燃。

常规的激光加工也是如此，在切割过程中必须进行精准的激光聚焦和距离控制。加工过程中还会产生大量的热，破坏材料性能，面对厚度较大或性质特殊的材料加工，往往切面质量差，精度低。特别是加工大飞机常用的碳纤维复合材料时，不仅会产生碳化、分层等缺陷，还会产生大量的有毒有害气体，甚至有起火的风险。

而水导激光则是将大功率脉冲激光束导入水射流中传输，激光在水射流中实现全反射，类似光纤的作用，水流就像一根管子，将激光能量精准地导向我们需要加工的地方。这种独特的激光与水射流耦合的加工方法相比其他加工方式具有多方面的优势。

碳纤维增强基复合材料水平尾翼（图片来源：作者供图）

首先水导激光加工技术由于高速水流的冷却作用，激光去除材料所产生的热影响被抑制，有助于减少材料加工的热变形和热损伤。

其次，该技术的加工精度较高，因为高压层流水射流具有良好的导向作用和冲刷作用，激光能量分布均匀，可增大材料加工的深径比，有利于避免传统激光加工中的锥度、边缘不整齐、毛刺等现象。

同时水导激光加工技术适用材料广泛，能够加工高温合金、复合材料等难加工材料，在难加工材料上实现精细切缝高效加工。因此，该技术可以实现低损伤高精度加工和加工区域的整洁。

与传统激光聚焦后迅速发散的特性不同，强大的激光能量被束缚在比头发丝还要细的层流水射流中，使得水导激光加工无需进行精细的激光聚焦和距离控制，就可以在层流范围内加工众多材料，厉害的刀可以吹毛断发，水导激光加工这把刀又快、又准又“清凉”，解决了热敏感材料、难加工高温材料的一系列卡脖子问题！

以现代大飞机用的CFRP材料为例，它是碳纤维增强树脂基复合材料，主要由碳纤维、环氧树脂等多种性质不同的材料复合而成，质量低、强度高、耐腐蚀，传统的机械加工方法刀具磨损严重，往往需要多台装备、多道工序依次进行，并且存在层间撕裂等安全隐患。这是我国大飞机制造的一个重大“卡脖子问题”。

水导激光加工已经初步解决了CFRP材料、金刚石材料、单晶高温合金材料的低损伤加工难题。盛满强光的头发丝粗细的层流水柱，好比一把又细又长的雕刻刀，在提高了加工质量的同时，还相对传统工艺可以大幅缩短加工时间。

目前，水导激光加工已经在航空航天、半导体制造、珠宝、传感器等领域获得广泛应用。在有毒材料加工时,其他方法很难控制污染物，但采用水导激光加工技术便可以有效提升加工质量，又可以将污染物安全地收入水流中，有效解决了棘手的环境污染问题，甚至回收加工产物，创造新的价值，如纳米材料的制造或者贵金属的回收等等。

结语

新质生产力是实现高质量发展的内在要求和重要着力点，科技创新是发展新质生产力的核心要素。水导激光加工技术由国外发明，因此，我们的水导激光加工装备曾经长期依赖进口。

经过中国科学院、宁波大艾激光、中国商飞及国内更多团队的多年攻关，我国自主研发的水导激光加工装备已经服务于航空复材结构件、航空发动机热端部件、半导体切割的加工，超大型水导激光加工系统的加工尺度已达到国际领先水平。

但还需要认识到，该类工艺的稳定性还需要进一步提升。未来，水导激光加工的激光功率、稳定性、加工效率和厚度能力将进一步提升，为航空航天及众多其他科技前沿领域的发展贡献力量。

（激光极端制造研究中心 张文武 杨昆 张广义  党政办公室 孟丽）