激光預沖擊提高激光動態(tài)柔性微脹形成形質(zhì)量

范燕萍，沈宗寶，李 品，張金殿，劉會霞

（江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

1 引 言

近年來，隨著微零件的廣泛運用，微成形技術已成為研究熱點。傳統(tǒng)微成形工藝在實際生產(chǎn)中存在著許多難以解決的問題。微成形工藝中凹模與凸模的裝配精準是影響生產(chǎn)效率與成形質(zhì)量的首要問題。同時，微成形工藝中尺寸效應的存在嚴重影響微零件的成形質(zhì)量。眾多研究［1］表明，當工件厚度方向上的晶粒數(shù)量減少到一定值時，工件厚度與晶粒尺寸會顯著影響力學性能和失效行為。塑性變形中的表面粗化則會引起局部應力應變集中并可能導致提前斷裂［2］。因此，許多研究者正在研發(fā)新型的微成形工藝，如柔性微成形、電磁微成形、超聲波輔助微成形等，新型微成形中柔性介質(zhì)的引入不僅節(jié)省了模具的生產(chǎn)成本，而且減弱了模具對中所需要的工藝要求。柔性微成形技術的主要特點在于微成形過程中采用氣體、液體或橡膠等柔性介質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)微成形技術中的剛性凸模或凹模。Tanaka等［3］使用爆炸產(chǎn)生的水下沖擊波作為沖頭，在0.1 mm厚度的A 1100薄板上沖出直徑300μm的陣列孔。然而，現(xiàn)有柔性微成形技術仍然存在實驗設備復雜、可控性較差等缺陷。

激光沖擊波［4］加工具有高精度、高效率、無污染等優(yōu)勢，因此激光沖擊柔性微成形成為重要研究方向［5-6］。Wang等［7］提出激光沖擊軟膜微成形的加工方法，研究表明激光與軟膜的結合可以帶來較好的成形效果。Shen等［8］研究了柔性介質(zhì)對激光動態(tài)微成形工件質(zhì)量的影響，結果表明軟膜具有均化成形壓力的效果，從而一定程度上抑制了破裂等缺陷的產(chǎn)生。Song等［9］研究了柔性介質(zhì)的引入對激光微沖裁件成形質(zhì)量的影響。結果表明，柔性介質(zhì)的引入顯著提高了微孔的尺寸精度和形狀精度。

近年來，激光動態(tài)柔性微成形中，復雜微特征零件的加工質(zhì)量仍然受到尺寸效應及表面粗化的影響［10-11］。鑒于激光沖擊對工件晶粒細化及機械性能改善的積極作用［12-14］，本文利用激光預沖擊工藝細化工件厚度方向上的晶粒，提高工件原材的表面質(zhì)量，從而提高微脹形件的成形質(zhì)量，為復雜微特征金屬零件的制造提供了一種途經(jīng)。本文從脹形深度、表面質(zhì)量、厚度減薄率、成形對稱性和斷面形貌等方面研究激光預沖擊對微成形質(zhì)量的影響。

2 實驗原理與設備

激光預沖擊（Laser Pre-shocking，LPS）輔助激光動態(tài)柔性微脹形（μLDFB）的實驗原理如圖1（a）所示。成形系統(tǒng)由納秒激光器、計算機控制系統(tǒng)、水冷機、反射鏡、聚焦透鏡、三維移動平臺及工件系統(tǒng)組成。如圖1（b）和1（c）所示，工件系統(tǒng)包括壓邊塊、約束層、燒蝕層、軟膜、工件及模具（預沖擊模具及脹形模具）。脈沖激光經(jīng)反射鏡和聚焦透鏡后輻射在吸收層上，附著于約束層上的燒蝕層吸收激光能量后迅速氣化生成高溫高壓的等離子體，進而產(chǎn)生沖擊波作用于軟膜并傳遞給工件。在預沖擊階段，在沖擊波及預沖擊模具的共同作用下，工件內(nèi)部晶粒得到細化，硬度、強度等機械性能得到加強［15］。在微脹形階段，由于激光沖擊波壓力遠大于工件的屈服強度，工件在極短的時間內(nèi)發(fā)生塑性變形。

圖1 激光預沖擊輔助激光動態(tài)柔性微成形原理Fig.1 Schematic diagram of microscale laser dynamic flexible forming（μLDFB）assisted by laser preshocking（LPS）

本文采用Nd-YAG Spitlight 2000型納秒激光發(fā)生器，其能量呈高斯分布，激光器的具體參數(shù)如表1所示。實驗中采用的激光光斑直徑為2.0 mm；選用3 mm厚的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作為約束層，切割成60 mm×60 mm的方形，將作為燒蝕層的黑漆均勻噴涂于約束層表面；100μm厚的聚氨酯作為軟膜層；50μm厚的紫銅箔作為工件材料；脹形微模具的材料為AISI 1090高碳鋼，其微特征為直徑1.5 mm的微孔并帶有150μm的圓角。具體實驗參數(shù)如表2所示，在微脹形實驗前，使用447 mJ的激光能量對工件原材進行激光預沖擊處理實驗。

表1 Spitlight 2000 Nd：YAG激光器的技術參數(shù)Tab.1 T echnical parameters of Spitlight 2000 Nd∶YAG laser

微脹形實驗后，利用KEYENCE VHX-1000C超景深三維顯微鏡測量微脹形件的三維形貌。利用KEYENCE VK-X200激光共聚焦顯微鏡測量微脹形件的表面粗糙度。利用Hitachi S-3400型掃描電子顯微鏡觀察微脹形件的斷面形貌。

表2 激光預沖擊實驗參數(shù)Tab.2 Experimental parameters of laser pre-shocking

3 結果與討論

3.1 脹形深度

微脹形件的脹形深度為5次實驗測量值的平均值。圖2顯示了激光預沖擊對微脹形件深度的影響。在沒有激光預沖擊的情況下，當激光能量從325 mJ增加至575 mJ時，脹形深度從216.3μm增至388.7μm。在激光預沖擊作用下，脹形深度都相應減小了。

圖2 激光預處理對微脹形件脹形深度的影響Fig.2 Effect of LPS on forming depth of bulging parts

從圖3（a）中可以發(fā)現(xiàn)，當激光能量較低時（325 mJ和363 mJ），微脹形件的成形質(zhì)量較好；但是當激光能量較高時（447 mJ和575 mJ），微脹形件的成形輪廓開始惡化，成形質(zhì)量有所降低。激光預沖擊的引入一定程度上減少了脹形深度，這是因為激光預沖擊使得工件內(nèi)部晶粒細化，屈服強度、抗拉強度等機械性能得以提高［16］。在高激光能量條件下成形均勻性得到了提高，如圖3（b）所示。

圖3 微脹形件成形輪廓的測量輪廓Fig.3 Forming contours of bulging samples

3.2 表面粗糙度

圖4 （a）為原材在447 mJ的激光能量作用下微脹形件的三維形貌，表面粗糙度的測量位置如圖4（a）中所示，相應的粗糙度曲線如圖4（b）所示。對每個微脹形件底面進行5次粗糙度測量并取平均值。對比原材微脹形件與預沖擊微脹形件發(fā)現(xiàn)（如圖5所示，447 mJ），激光預沖擊能夠改善微脹形件的表面質(zhì)量，具體測量的表面粗糙度如表3所示。當激光能量為447 mJ時，原材微脹形件的表面粗糙度由0.382μm增加到1.484μm。這是因為在塑性變形過程中，表面粗化與塑性應變、初始表面粗糙度及晶粒尺寸相關。塑性變形的增加意味著在變形過程中晶粒為配合變形發(fā)生的晶粒旋轉與滑移更加劇烈，根據(jù)表面層模型，表層晶粒所受的約束較小，晶粒翻轉更容易［17］，表面粗糙度因此劇增。而激光預沖擊通過細化工件內(nèi)部晶粒降低了初始表面粗糙度和表面粗化速率，緩解了表面粗化，進而提高了微脹形件的表面質(zhì)量。

圖4 447 mJ激光能量作用下的原材微脹形件Fig.4 Bulging sample under laser pulse energy of 447 mJ

圖5 激光預沖擊對微脹形件表面形貌的影響（447 mJ）Fig.5 Effect of LPS on surface morphology of bulging samples under 447 mJ

3.3 成形對稱性

本文對于微脹形件成形質(zhì)量的分析主要分為成形對稱性及成形均勻性兩個方面。成形對稱性取決于工件流動應力，為了量化分析微脹形件的成形對稱性，定義成形輪廓重合度為：

式中D i為所取點處的脹形深度，具體測量方法如圖6（a）所示。定義脹形中心點為D0，每間隔25μm取一個點測量，這樣定義的D i與D-i為關于脹形中心對稱的點，因此Ci可以作為成形對稱性的衡量標準。對每個Ci進行3次測量取平均值，以保證結果的可靠性。Ci越小，微脹形件的成形對稱性越好。

表3 微脹形件的表面粗糙度測量值Tab.3 Surfaceroughnessmeasurement of bulging smaples

圖6 微脹形件的重合度Fig.6 Coincidence degree of bulging samples

圖6 （b）顯示了兩種激光能量下激光預沖擊對微脹形件重合度的影響?？梢园l(fā)現(xiàn)，在激光能量為325 mJ時，微脹形件成形對稱性較好，僅在模具入口區(qū)(C27-C33)重合度較大。激光預沖擊對脹形區(qū)內(nèi)(C1-C27)的影響較小，而對模具入口區(qū)的影響較大，從5.35μm降至1.93μm。在激光能量為575 mJ時，微脹形件成形對稱性迅速惡化，脹形區(qū)內(nèi)及模具入口區(qū)的最大重合度分別升至10.94μm及11.04μm，此時激光預沖擊對成形對稱性的改善較為顯著，最大重合度分別降至7.06μm及2.29μm。激光預沖擊對于微脹形件的成形對稱性的提高有著積極作用，在低能量段，主要改善模具入口區(qū)的對稱性；在高能量段，能夠顯著提高對脹形區(qū)和模具入口區(qū)的對稱性。

3.4 成形均勻性

成形均勻性是衡量微脹形件成形質(zhì)量的另一個重要指標，通過測量脹形區(qū)內(nèi)各個位置的厚度能夠有效地表征出局部頸縮等缺陷。局部頸縮是由于變形過程中的表面粗化導致的，因此對微脹形件厚度減薄率的研究十分必要。利用冷鑲嵌得到的微脹形件的橫截面，然后采用KEYENCE VHX-1000C超景深顯微鏡進行觀測，具體測量方法如圖7（a）所示。脹形區(qū)內(nèi)每25μm取一點進行厚度測量，這樣對整個激光沖擊區(qū)域進行表征，一共需要測量81個點，且對每個測量點進行3次測量以保證數(shù)據(jù)的可靠性，厚度減薄率定義如下：

式中：l0為工件的初始厚度，l i為所取點處的測量厚度。厚度減薄率T越小，微脹形件的成形均勻性越好。

圖7 微脹形件的厚度減薄率Fig.7 Thickness thinning ratio of bulging samples

圖7 （b）顯示了激光能量對微脹形件厚度減薄率的影響，厚度減薄率變化曲線存在三處高點，即兩側模具入口區(qū)和脹形中心區(qū)。這意味著在脹形中心區(qū)及模具入口區(qū)微脹形件極易產(chǎn)生局部頸縮，從而導致斷裂。模具入口區(qū)在模具及激光沖擊波的共同作用下形成局部應力集中，同時由于軟膜的存在使得工件緊貼于模具圓角處，因此產(chǎn)生了劇烈的厚度減薄。在脹形中心區(qū)，由于冷軋態(tài)紫銅箔內(nèi)部晶粒細長，表面粗化速率與塑性應變近似呈線性關系，脹形中心區(qū)的塑性應變最大，所以在脹形中心區(qū)產(chǎn)生了局部頸縮。在大激光能量條件下，脹形區(qū)內(nèi)出現(xiàn)多處局部頸縮。如圖8所示，激光預沖擊對于改善成形均勻性有著積極作用。激光能量為325 mJ時，脹形區(qū)內(nèi)的厚度減薄率下降有限，模具入口區(qū)的最大厚度減薄率由10.5%降至8.2%；激光能量為447 mJ時，微脹形件的厚度減薄率下降顯著，脹形區(qū)內(nèi)最大厚度減薄率由28.8%降至24.8%，模具入口區(qū)最大厚度減薄率由16.2%降至14.3%。激光預沖擊有效地抑制了局部頸縮，進而降低了厚度減薄率。

圖8 激光預沖擊對厚度減薄率的影響Fig.8 Effect of LPS on thickness thinning ratio

根據(jù)厚度減薄率的分布情況，為了進一步研究微脹形件的斷裂位置，進行了一系列高激光能量的微脹形實驗。如圖9所示，當激光能量為575 mJ時，工件未出現(xiàn)裂紋；當激光能量增至725 mJ時，裂紋開始出現(xiàn)，集中在模具入口區(qū)；當激光能量進一步增加時，裂紋匯聚從而完全失效［18］。因此，對于冷軋態(tài)紫銅箔，微脹形件的裂紋優(yōu)先產(chǎn)生于模具入口區(qū)，這與最大厚度減薄率出現(xiàn)在脹形中心區(qū)不符。在模具入口區(qū)，材料在模具及激光沖擊波的共同作用下承受剪切力的作用。銅箔的抗剪強度大約為0.6～0.8倍的抗拉強度，銅箔在模具入口區(qū)由于剪切力的作用優(yōu)先出現(xiàn)裂紋。由于激光動態(tài)柔性微脹形的成形時間極短，裂紋的擴展與匯聚會導致微脹形件的完全失效。各激光能量段下，微脹形件的截面形貌如圖10和圖11所示。激光能量為575 mJ時，對比圖10（c）和圖11（c），激光預沖擊有效減弱了局部頸縮，提高了工件的成形極限，從而形成更加細長的頸縮帶。對比微脹形破裂件，隨著激光能量的增加，斷面形貌更加細長，斷裂前局部頸縮更加明顯，具體表現(xiàn)為在激光能量為725，890及1 320 mJ時塑性變形起點厚度分別為45.7，45.3和42.8μm。在相同條件下，預沖擊微脹形件的相對厚度則有所增加，分別為46.5，45.5和43.9μm。因此，激光預沖擊有利于提高微脹形件的成形均勻性。

圖9 微脹形件底面的SEM形貌Fig.9 SEM morphology of bottom surface of bulging samples

圖10 原材微脹形件的截面形貌Fig.10 Cross section morphology of bulging samples without LPS

圖11 預沖擊微脹形件的截面形貌Fig.11 Cross section morphology of bulging samples with LPS

3.5 微觀形貌

為了揭示激光動態(tài)柔性微脹形的斷裂模式，本文對微脹形件斷裂前后的微觀形貌進行了系統(tǒng)研究。如圖12所示，在低激光能量條件下，微脹形件的塑性應變并不強烈，其表面質(zhì)量較好，不能清晰分辨出成形邊緣；而在高激光能量變形條件下，如圖13所示，能夠明顯分辨出成形邊緣輪廓。模具入口區(qū)存在強烈的應力集中痕跡，這與厚度減薄率的分布情況相一致。對比脹形區(qū)與未成形區(qū)發(fā)現(xiàn)，脹形區(qū)內(nèi)表面粗化現(xiàn)象嚴重，表面質(zhì)量下降明顯。

在1 050 mJ的激光能量沖擊下，微脹形件出現(xiàn)了斷裂現(xiàn)象，其表面形貌如圖14所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，微脹形件在模具入口區(qū)發(fā)生了強烈的彎曲變形，存在強烈的晶界滑移痕跡，并在斷面發(fā)現(xiàn)明顯的韌窩痕跡（如圖14（c）和14（f）所示）。在725 mJ的激光能量沖擊下，原材微脹形件的斷面形貌并不穩(wěn)定，斷面存在較明顯的韌窩特征和拉伸斷裂痕跡（圖15（b）所示），以及剪切斷裂的特征（圖15（c）所示）。這是由于在該條件下，激光沖擊表面優(yōu)先產(chǎn)生裂紋，并沿著微脹形方向進行剪切運動，由于此時的局部應力集中不能確定是否在工件下表面產(chǎn)生裂紋，此時的裂紋形成可能是拉伸斷裂，也可能是剪切斷裂。而預沖擊微脹形件表現(xiàn)出更高的成形極限，并未完全失效，且斷面較為穩(wěn)定，裂紋的形成明顯為拉伸斷裂，斷面表現(xiàn)為韌性斷裂和剪切斷裂的混合斷裂模式。如圖16所示，在1 320 mJ的激光能量沖擊下，無論是原材微脹形件還是預沖擊微脹形件，斷面均屬于剪切斷裂模式。

圖12 447 mJ激光能量沖擊下微脹形件底面的SEM形貌Fig.12 SEM morphology of bottom surface of bulging samples under laser pulse energy of 447 mJ

圖13 575 mJ激光能量沖擊下微脹形件底面的SEM形貌Fig.13 SEM morphology of bottom surface of bulging samples under laser pulse energy of 575 mJ

圖14 1 050 mJ激光能量沖擊下工件的SEM形貌Fig.14 SEM morphology of sample under 1 050 mJ

圖15 725 mJ激光能量沖擊下工件的SEM形貌Fig.15 SEM morphology of sample under 725 mJ

圖16 1 320 mJ激光能量沖擊下工件的SEM形貌Fig.16 SEM morphology of sample under laser pulse energy of 1 320 mJ

4 結 論

本文提出了激光預沖擊輔助激光動態(tài)柔性微脹形工藝，并從脹形深度、表面粗糙度、成形對稱性和成形均勻性、微觀形貌等方面對比研究了激光預沖擊對微脹形件成形質(zhì)量的影響。實驗結果表明，隨著激光能量的增加，微脹形件的脹形深度和表面粗糙度都隨之增加，當激光能量從325 mJ增加至575 mJ時，脹形深度從216.3μm增至388.7μm。預沖擊對微脹形件表面質(zhì)量有明顯的改善作用。微脹形件的成形對稱性在模具入口區(qū)較差，隨著激光能量的增加，脹形區(qū)內(nèi)的成形對稱性也隨之惡化。激光預沖擊有利于改善微脹形件的成形對稱性。微脹形件在脹形中心區(qū)及模具入口區(qū)的厚度減薄最為顯著，最大厚度減薄一般出現(xiàn)在脹形中心區(qū)域，但斷裂位置一般在模具入口區(qū)。這是因為在模具及激光沖擊的共同作用下，模具入口區(qū)形成局部應力集中。激光預沖擊有利于抑制局部頸縮，改善了微脹形件的成形均勻性，提高了工件的成形極限。隨著激光能量的增加，微脹形件的斷裂模式由剪切斷裂與韌性斷裂的混合模式轉變?yōu)榧羟袛嗔选?/p>