銅箔激光沖擊微成形微觀組織與殘余應力研究

左 慧, 張 凱, 曹 旭, 葉云霞,2*

(1.江蘇大學 機械工程學院，鎮江212013； 2.江蘇大學 激光技術研究所，鎮江212013)

銅箔激光沖擊微成形微觀組織與殘余應力研究

左 慧1, 張 凱1, 曹 旭1, 葉云霞1,2*

(1.江蘇大學 機械工程學院，鎮江212013； 2.江蘇大學 激光技術研究所，鎮江212013)

為了研究激光成形方式對成形輪廓和微觀組織的影響，采用厚度為40μm和80μm的T2銅箔進行激光沖擊微脹形和微拉深實驗。同時使用ABAQUS有限元仿真對實驗進行模擬，研究不同變形方式下箔材位移和殘余應力場。結果表明，激光沖擊微脹形后銅箔變形區域出現頸縮，激光作用區域內變形機制主要為位錯滑移、變形扭曲晶粒和機械孿晶;箔材上表面(激光沖擊表面)為殘余拉應力，最大值約為372.3MPa，箔材下表面(背向激光沖擊面)為殘余壓應力，最大值約為-218.7MPa；而對于微拉深，箔材成形輪廓過渡圓滑，厚度分布均勻，光斑作用區域內出現大量位錯露頭和一些機械孿晶,箔材上表面為殘余壓應力，最大值約為-365.6MPa,箔材下表面為殘余拉應力，最大值約為203MPa。這一結果對激光沖擊箔材成形控制是有幫助的。

激光技術；激光沖擊微成形；微觀組織；有限元仿真；殘余應力

引 言

近年來，隨著精密機械和電子工業的快速發展，產品微型化已成為一種主流的發展趨勢，尤其在微型醫療、微機電系統、電子和通訊等領域[1-2]。這些產業的迅猛發展又極大促進了微細加工技術的發展，于是出現了超精密機械加工、激光加工技術、離子刻蝕、微細放電加工技術等[3]。其中，微塑性成形加工，如微沖裁、微拉伸、微擠壓和微彎曲等，是超精密機械加工技術的一種，被廣泛應用于電子和微機械產品制造中[4]，但微塑性成形技術受制于微型模具加工難度大、加工精度不易控制等因素。光刻(尤其離子刻蝕技術)可實現高精度微加工，但其成本太高，而且僅局限于幾種特定材料[5]。激光沖擊微成形技術(microscale laser shock forming,μLSF)是在傳統激光沖擊成形(laser shock forming,LSF)的基礎上提出的一種新型微成形技術，利用激光誘導等離子體沖擊波產生的力學效應，使材料發生塑性變形而獲得目標成形微零件[1]。由于激光加工柔性高、可控性好，且μLPF綜合了激光沖擊強化和高應變率塑性變形的優點，非常適合于難成形、對腐蝕和疲勞性能要求較高的零件。

以各種箔材(厚度處于亞毫米范圍)為主要加工對象的加工方法主要有激光沖擊微脹形、微拉深、微沖裁等。NIEHOFF和VOLLERTSEN對鋁箔和超薄不銹鋼板進行了系統的脹形工藝實驗，研究了關鍵工藝參量，如激光能量、約束層厚度、沖擊次數等對工件脹形高度的影響規律。他們還探討了箔材脹形極限問題，發現成形后零件存在撕裂和起皺等拉伸缺陷[6-8]。CHENG等人提出一種激光動態微成形技術(microscale laser dynamic forming,μLDF)，且成功實現銅箔微拉深成形和鋁箔微陣列成形，測量了成形后材料硬度變化，發現沖擊后表面硬度顯著提高，尤其是沖擊中心點處硬度值比沖擊前提高了6倍～8倍[9-10]。上述研究多數集中在對激光沖擊微成形的工藝和和力學性能進行研究，為了能夠精確控制微零件的成形形狀和力學性能，需深入研究材料在不同應力狀態下的變形行為及微觀組織變化。ZHANG等人研究了TA2純鈦在冷拉深成形過程中材料的微觀組織與力學性能變化，認為變形量越大、形變孿晶越多，組織形貌越復雜、強度越高、塑性越低[11]。實際上，激光沖擊微成形屬于高應變率成形，在此過程中，材料流動表現為非穩定塑性流動，材料內發生復雜的微缺陷萌生、擴展和演變過程，這些過程進而又影響成形零部件內應力分布狀態和零部件內最終機械力學性能分布[12]。因此，弄清楚激光沖擊箔材微塑性成形后材料內部微觀組織變化和殘余應力分布，不僅有助于理解激光誘導高應變率塑性成形機制，而且有助于零件的控形控性。

此外，在激光沖擊微成形中，由于應變率效應和慣性作用，材料的變形行為與靜態及準靜態有所差別[13]。此過程的工藝影響因素眾多，各因素對箔材幾何形狀形成與力學性能變化的影響復雜。對于高應變率瞬態變形，僅采用實驗方法難以獲得材料的全面動態響應信息。隨著有限元理論及其應用技術的發展，利用有限元法對激光沖擊變形過程進行數值仿真，可以動態監測材料變形過程，得到最終的位移場、殘余應力場等分布[14-15]。

作者對銅箔材進行激光沖擊微脹形和微拉深實驗，用光學金相顯微鏡觀察箔材變形后側面微觀形貌與微觀組織，對比研究了成形方式和箔材厚度對側面微觀形貌與微觀組織的影響。使用ABAQUS有限元數值仿真軟件對激光沖擊微脹形和微拉深進行模擬，分析這兩種變形方式下箔材的位移變化和殘余應力分布狀態，并分析了應力狀態與微觀組織之間的關聯。

1 實 驗

1.1 激光微沖擊成形

實驗中所用激光器為法國Thales公司的GAIA-R系列Nd3+∶YAG激光器固體脈沖激光器。其主要技術參量為：中心波長1064nm，激光脈寬20ns，最大激光脈沖能量9J，工作重復頻率為1Hz～5Hz，光束能量分布為近平頂分布。實驗材料選用40μm和80μm兩種不同厚度的T2銅箔，對這兩種材料分別進行激光沖擊微脹形和微拉深實驗。為消除材料原始殘余應力的影響，便于觀察沖擊對微觀組織的影響，實驗前對銅箔進行真空退火處理，退火參量為：600℃,2h。

實驗裝置如圖1所示。在退火銅箔表面噴涂一層厚度約為20μm的黑漆作為吸收層，實驗中所用夾具為圓孔夾具，夾具孔徑為10mm。微脹形成形材料發生塑性變形區域僅局限于夾具空腔內，因此微脹形實驗裝置需在夾具圓孔邊緣粘貼橡膠墊圈使薄板和夾具貼合更加緊密，從而使夾具內(夾具孔洞外)材料無法流動。微拉深成形則無需橡膠墊圈。一束激光通過焦距為1.5m的聚焦透鏡聚焦到箔材表面，作用在箔材表面的光斑直徑為3mm。設置厚度2mm水簾在試樣表面流動，用來限制激光誘導等離子體，從而提高沖擊波峰值壓力的衰減和延遲[16]。對箔材進行單次單點沖擊實驗，獲得成形形狀。為使箔材充分進行塑性變形，實驗時需仔細選擇激光能量，即保證箔材充分變形，且避免沖裂。因此，激光沖擊從能量0.2J增加到2J，增長間隔為0.2J。經反復試驗，最終確定沖擊40μm銅箔激光能量為0.6J。為進行對比分析，激光沖擊80μm銅箔所用能量也選擇為0.6J。

Fig.1 Schematic diagram of experimental setup for microscale laser shock forming

1.2 表征實驗

實驗后將試樣浸泡在丙酮中除去黑漆。為了觀察試樣側面微觀形貌，使用環氧樹脂和固化劑的混合物對試樣進行冷鑲嵌，對鑲嵌樣進行打磨，直到磨到激光沖擊光斑的中心位置，然后進行機械拋光。使用硝酸鐵溶液(硝酸鐵8g，無水乙醇 50mL，水10mL)對銅箔進行腐蝕，用光學顯微鏡觀察沖擊凹坑側面形貌與組織。

2 數值模擬

激光沖擊金屬箔材塑性成形是一個瞬時、高速、非線性的動態過程，模擬時需要考慮到高應變率下金屬材料塑性成形的特點。ABAQUS/Explicit是基于動態顯式算法的求解器，非常適合爆炸和沖擊等瞬態事件[17]。

由于作用在材料上的激光光斑以及夾具孔是圓的，因此模擬過程中采用軸對稱模型，這樣可大大縮短計算時間。模擬中對厚度為40μm的T2紫銅箔材進行計算，激光的光斑直徑為3mm，材料厚度方向的網格長度設為0.4μm，遠小于光斑半徑，能夠獲得足夠的計算精度。由于夾具的受力情況不是關注的重點，因此可以看作是剛體。材料在強激光誘導沖擊波作用下的動態響應是高應變率冷塑性變形過程，應變率高達108s-1[18]。Johnson-Cook本構模型非常適合金屬在高應變率的塑性變形[19]，因此使用Johnson-Cook本構模型來表征材料參量。表1中為銅的Johnson-Cook模型參量，其中,ρ為材料密度，E為彈性模量，ν為泊松比，M為材料熔點，A,B,C,n,m分別為材料常數。

Table 1 Johnson-Cook parameters of copper

由Fabbro公式[20]將激光能量轉換為沖擊波壓力。激光沖擊脈寬約為20ns，沖擊波是持續時間為激光脈寬2倍～3倍的三角波[21]，則壓力脈沖脈寬為60ns。仿真過程中通過設置夾具與箔材之間的約束來控制成形方式，仿真模型如圖2所示。

Fig.2 Simulation model of copper foil processed by microscale laser shock forming

3 結果與分析

3.1 微觀形貌與組織

3.1.1 變形方式對成形銅箔微觀形貌與組織的影響 圖3為40μm銅箔經激光沖擊微成形后，低倍光鏡下看到的微觀形貌。圖3a為微脹形結果，可以看出，在激光沖擊和圓孔夾具夾持的雙重作用下，銅箔形成具有拐點的凹坑形狀;觀察銅箔輪廓可以看出，銅箔變形區域出現頸縮現象。圖3b為微拉深結果，由圖可見，微拉深條件下得到的箔材成形輪廓過渡圓滑，厚度分布均勻，拉伸減薄較少。這主要由于微脹形與微拉深中夾持力顯著不同所致，微脹形在夾具圓孔邊緣粘貼橡膠墊圈，箔材和夾具貼合更加緊密，導致成形過程中夾持區域箔材材料無法向圓孔區域發生塑性流動，則圓孔內的材料只能以犧牲厚度發生減薄獲得足夠拉長變形。而微拉深沒有使用橡膠墊圈，處于夾持區域的材料可向夾具空腔內部流動，從而有利于夾具空腔內材料的充分塑性流動和變形，使得沖擊區域應變量減少。由此可看出，夾持方式的不同，會引起變形時應力狀態不同，對成形箔材宏觀外貌的影響很大。夾持越緊(微脹形)，徑向作用力越大，則材料塑性流動受到限制，變形區域應變量越大；夾持越松(微拉深)，徑向作用力越小，材料塑性流動空間大，變形區域應變量較小。

Fig.3 Profiles of microscale laser shock forming

由于原始材料經過退火處理，金屬內部發生的回復和再結晶等過程消除了材料制造過程中產生的內應力，因此晶粒大且規則，內部缺陷密度較低，有一些邊緣平行、尺寸較大的退火孿晶。圖4a為微脹形激光沖擊區域微觀組織。激光沖擊之后，變形區域晶粒尺寸未發生改變，這可能是由于材料發生微塑性，變形量還不足夠大。圖4b、圖4c、圖4d分別對應圖4a中激光光斑中心區域region 1，激光光斑鄰側區域region 2和激光光斑邊緣區域region 3。這3處的受力情況比較特殊，因此對它們進行細致討論?？梢钥闯觯诩す夤獍咧行膮^域晶粒內部有少量位錯滑移，激光光斑鄰側區域晶粒發生變形扭曲，在退火孿晶四周可以看見一些機械孿晶，而激光光斑邊緣區域晶粒內部很干凈。圖5為微拉深激光沖擊區域微觀組織。類似地，在激光光斑中心區域出現大量位錯露頭，激光光斑鄰側區也有一些機械孿晶堆積在退火孿晶周圍，同樣在激光光斑邊緣區有少量位錯露頭。因此，可以發現，夾持方式不同，得到的晶粒內部微觀組織也不同。銅為面心立方晶體，具有12個獨立的滑移系統，中等堆垛層錯能為44mJ/cm2～78mJ/cm2，其塑性變形模式主要為位錯滑移。但是激光沖擊作用時間短(為納秒級別)，峰值壓力高，通過納秒激光沖擊可以獲得較高的應變率，在這種情況下可能會有孿晶作為變形機制來輔助變形[22]。

Fig.4 Microstructures of 40μm copper foil after bulging

Fig.5 Microstructures of 40μm copper foil after drawing

微脹形條件下得到的微觀組織晶粒內部現象更加豐富，這可能是因為相對于微拉深，銅箔在微脹形成形時，軸向受激光壓應力載荷，徑向受夾具拉應力約束，徑向拉應力較大，塑性變形量較大。而對于微拉深，由于夾具夾松，使得銅箔在徑向方向所受拉應力減小，塑性變形量較小，所以只能夠看到一些位錯露頭和少量機械孿晶。

3.1.2 箔材厚度對微觀形貌與組織的影響 激光沖擊條件相同下，厚度為40μm和80μm銅箔脹形變形結果進行對比。圖6中給出了80μm銅箔微脹形的微觀形貌。與圖3a中40μm銅箔微脹形相比，80μm銅箔微脹形后幾乎沒有發生厚度減薄，上下表面均過度光滑。這是因為箔材厚度變大，厚度方向所占晶粒數目變多，塑性變形能耗增大，相同激光能量下得到的塑性變形量較小。圖7為80μm箔材脹形微觀組織。可以發現，不管是激光光斑中心區域、激光光斑鄰側區域，還是激光光斑邊緣區域，都能夠看到大量的位錯滑移，此位錯密度遠遠大于40μm銅箔微脹形后的位錯密度。這是因為兩種尺寸材料退火條件一致晶粒尺寸相同，但是80μm銅箔厚度大，厚度變大后80μm銅箔內晶粒變多，材料的均勻性較好，位于軟取向的晶粒變多，變形協調性較高，因此能夠發生位錯滑移的幾率增大。

Fig.6 Micromorphology of bulging of 80μm copper foil after microscale laser shock

Fig.7 Microstructures of 80μm copper foil from bulging

3.2 位移場

圖8是激光沖擊微成形后材料徑向和軸向質材料位移變化云圖。圖8a為微脹形的材料位移云圖，圖8b為微拉深的材料位移云圖。由圖可以看出，對于材料徑向位移，無論是微脹形還是微拉深，其激光光斑沖擊區域材料都是向夾具外側流動，而處于激光光斑與夾具圓孔之間的材料都是往夾具中心中心流動。但因為夾持方式不同，微拉深材料的位移變化量均大于微脹形材料的位移量。對于材料的軸向位移，軸向位移呈帶狀分布，靠近箔材中心處位移量最大，是因為激光光斑作用區域給材料一個向下的作用力，導致激光沖擊區域軸向變形量大，且方向向下。同樣的，微拉深的軸向位移量均大于微脹形的位移量，這是因為微拉深的夾具沒有將材料固定太緊，夾具內材料可以向夾具圓孔內發生充分塑性流動，使得材料整體變形量大。

Fig.8 Radial and axial material displacement field

3.3 殘余應力分布

殘余應力會影響零件的抗疲勞、耐腐蝕性等使用性能，因此材料殘余應力分布對材料的力學性能判斷具有重要參考作用。圖9為40μm銅箔微脹形和微拉深的殘余應力云圖。可以看出，微脹形和微拉深兩種夾持方式下得到的殘余應力分布截然相反。對于微脹形，箔材上表面(激光沖擊表面)為殘余拉應力，最大殘余拉應力約為372.3MPa，而箔材下表面(背向激光沖擊表面)為殘余壓應力，最大殘余壓應力約為-218.7MPa；對于微拉深，箔材上表面為殘余壓應力，最大殘余壓應力約為-365.6MPa，箔材下表面為殘余拉應力，最大殘余拉應力約為203MPa。微脹形的殘余應力分布與ZHEN等人[23]的激光微脹形數值仿真結果和ZHOU等人[24]激光沖擊宏觀脹形實驗結果一致。這種殘余應力的分布模式是由箔材上下表面應力松弛效果不同導致。而微拉深的殘余應力分布是因為材料受軸向激光沖擊波壓力影響較大，而受徑向拉力的影響較小，還與材料塑性流動方式有關，微拉深夾具內材料可以向夾具圓孔內流動，則材料上表面受激光沖擊作用引入殘余壓應力，而下表面由于箔材發生塑性變形,形成穹頂形變形輪廓,從而形成拉應力。

Fig.9 Residual stress distribution cloud

4 結 論

對厚度為40μm和80μm銅箔材進行激光沖擊微脹形和微拉深實驗，對比研究了成形方式和箔材厚度對側面微觀形貌與微觀組織的影響，使用ABAQUS有限元數值仿真軟件對40μm銅箔進行激光沖擊微脹形和微拉深進行模擬，分析兩種變形方式下成形后箔材的位移變化和殘余應力分布狀態。

(1)對于厚度為40μm的銅箔，激光沖擊微脹形后銅箔變形區域出現頸縮現象，激光光斑作用區域的塑性變形機制為位錯滑移、變形扭曲晶粒和部分機械孿晶；而微拉深條件下得到的箔材成形輪廓過渡圓滑，厚度分布均勻，無顯著頸縮現象，激光光斑作用區域出現大量位錯露頭和一些機械孿晶。

(2)箔材厚度從40μm增加到80μm時發現，箔材厚度越大，材料成形后微觀形貌越好，上下表面均過渡光滑，厚度幾乎沒有發生減薄，激光沖擊區域內有大量的位錯滑移，位錯密度變大。

(3)材料徑向位移變化規律：激光光斑沖擊區域材料向夾具外側流動，而處于激光光斑與夾具圓孔之間的材料往夾具中心流動。微拉深材料的位移變化量大于微脹形材料的位移量。材料的軸向位移變化規律：靠近箔材中心位移量最大，微拉深的軸向位移量大于微脹形的位移量。

(4)微脹形和微拉深得到的殘余應力分布截然相反。對于40μm銅箔，微脹形時，箔材上表面(激光沖擊表面)為殘余拉應力，最大殘余拉應力約為372.3MPa，箔材下表面(背向激光沖擊表面)為殘余壓應力，最大殘余壓應力約為-218.7MPa；微拉深時，箔材上表面為殘余壓應力，最大殘余壓應力約為-365.6MPa，箔材下表面為殘余拉應力，最大殘余拉應力約為203MPa。

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Researchofmicrostructureandresidualstressofcopperfoilsprocessedbylasershockforming

ZUOHui1,ZHANGKai1,CAOXu1,YEYunxia1,2

(1.School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China; 2.Institute of Laser Technology, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

In order to study influence of laser forming methods on forming profile and microstructure, T2 copper foils with thickness of 40μm and 80μm were used to do experiments of laser shock micro bulging and micro deep drawing. At the same time, ABAQUS finite element simulation was used to simulate the experiment, and the displacement and residual stress field of the foil under different deformation modes were studied. The results show that, after bulging, necking occurs in the deformed region of copper foils. The deformation mechanism mainly includes dislocation sliding, deformation distortion grain and mechanical twinning in the laser processed region. The upper surface of the foil (laser shock surface) is residual tensile stress and the maximum value is about 372.3MPa. The lower surface of the foil (the opposite of laser shock surface) is residual compressive stress and the maximum value is about -218.7MPa. For drawing, foil forming profile is smooth and has uniform thickness distribution. A large number of dislocations and mechanical twinning appear in laser processed region. The upper surface of the foil is residual compressive stress and the maximum value is about -365.6MPa. The lower surface of the foil is residual tensile stress and the maximum value is about 203MPa. This result is helpful for the control of laser shock forming of foil.

laser technique; laser shock forming; microstructure; finite element simulation; residual stress

1001-3806(2018)01-0094-06

國家自然科學基金資助項目(51205172;51405200;51375211)；上海交通大學機械系統與振動國家重點實驗室開放基金資助項目(MSV-2015-17)；江蘇省普通高校專業學位研究生創新計劃資助項目(SJZZ15_0129)

左 慧(1991-)，女，碩士研究生，現主要從事激光沖擊成形方面的研究。

*通訊聯系人。E-mail:yeyunxia@mail.ujs.edu.cn

2017-03-06；

2017-04-04

TN249

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.01.018