金屬箔材無模激光多點沖擊成形工藝研究

張 凱，葉云霞,2* ，趙 靂，饒 宵

(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)

引 言

隨著微機電系統(micro-electro-mechanical system，MEMS)的快速發展，精密度高和可靠性高的微型零件需求量不斷增加，制造要求也不斷提高[1-5]，這促進了微型零件加工制造技術的快速發展。激光沖擊成形是制造微型金屬零件的重要方法之一，相關成形方法和理論是目前非常活躍的研究領域[5-7]。美國HACKEL等人[8]正式提出金屬激光噴丸成形加工方法；同年ZHANG等人[9]從理論和實驗角度研究了光斑直徑約12μm的小能量激光單點沖擊90μm厚的銅箔，研究了銅箔變形過程，證明了把激光沖擊成形技術運用于箔材微成形的可能性。

把激光微沖擊成形技術運用到金屬箔材微拉深成形，有望解決傳統技術高昂模具成本、摩擦效應等問題[10]，具有廣闊的應用前景。國內外很多學者做了相關的研究。VOLLERTSEN等人[11]成功用激光單點多次沖擊和微型杯狀模具，以50μm和20μm厚的銅箔和鋁箔為靶材，成形出微型杯狀零件。LIU等人[12]用環形陣列微型模具，成功實現10μm銅箔陣列微圓形環狀的3-D成形，為工業上大量規整微型零件生產提供一種加工工藝方法。SHEN等人[13-14]用陣列方形和四葉草狀的微型模具，完成了10μm和17μm鋁箔的方形和四葉草狀的3-D微成形，證明了這種工藝方法可用于激光沖擊微拉深成形復雜微型零件。WANG等人[15-16]用激光誘導沖擊波使柔性墊變形，變形的柔性墊代替凸模作用在銅箔上，使銅箔變形。NAGARAJAN等人[17]用柔性墊代替凹模具，在激光沖擊下，將25μm厚的銅箔成形出半球狀，并研究了形貌的直徑和深度跟激光能量的關系，提出了用柔性材料代替凹模的思路，減少了制作凹模的成本，這是一種由有模具成形向無模具成形過渡的中間方法。YE等人[18]研究了無模具情況下飛秒激光沖擊20μm厚鋁箔的塑性變形機制，為飛秒激光無模具激光沖擊成形提供了理論支持和參考。DAI等人[19]用數值模擬的方式研究了多點激光微沖擊成形，為多點激光沖擊成形研究方法提供了有價值的參考。

綜上所述，激光微沖擊成形技術在國內外學者的推動下得到長足發展：從單點沖擊到多點沖擊、從有模具到半模具、從技術可行性研究到成形精度控制研究，但是，總體而言，激光沖擊微成形技術，尤其是無模具激光微沖擊技術，從理論、工藝等方面，距離實際應用差距甚遠，有待進一步完善。

作者通過改變激光掃描策略，在完全無模具的情況下，實驗研究了激光參量和掃描方式對金屬箔材成形形狀參量的影響規律，以此為基礎，研究利用納秒激光多點沖擊漸進成形控制零件形狀。

1 實驗方法

實驗原理如圖1所示。高功率、短脈沖激光穿過透明約束層，作用覆蓋在金屬箔材上的吸收層上，使吸收層迅速氣化，電離產生等離子體，等離子體急速膨脹產生強沖擊波作用在金屬箔材上，沖擊波壓強達到GPa量級，大于材料的動態屈服強度，從而實現不可逆的冷塑性變形。其中約束層作用是延長沖擊波作用時間并增加沖擊波峰值壓強，吸收層作用是更高效的吸收激光能量和避免激光直接作用在金屬表面發生燒蝕。

Fig.1 Schematic diagram of process experiment

實驗中采用主振蕩功率放大(master oscillator power amplifier,MOPA)光纖激光器作為激光源，脈寬變化范圍4ns～200ns，光斑為圓形光斑，直徑50μm，最大能量密度約136J/cm2，光斑內光強分布呈高斯型。實驗中以透明膠帶作為約束層，厚度約為1.5mm，速干型黑漆用作吸收層，厚度約為20μm。靶材為在微型零件中常見的紫銅，純度大于99.9%，伸長率大于30%，厚度為20μm。夾具材料為鋁合金，整體尺寸為50mm×40mm，內部孔的尺寸為30mm×20mm。

因為成形目標是在平面銅箔上沖擊出平底杯狀形貌，成形過程完全無模具，并且能對該形貌的各個特征進行控制，所以激光沖擊方式采用多點沖擊方式，掃描路徑為3個同心圓，同心圓直徑從小到大分別為0.4mm,0.45mm和0.5mm，如圖2所示。圖中，光斑直徑d和掃描路徑直徑D1都遠小于夾具內孔D，由此保證夾具內孔對最終拉深成形特征部位無顯著影響。

采用WYKO NT1100非接觸光學輪廓儀測量成形零件的3維形貌，采用OLYMPUS-BX51M金相顯微鏡來拍銅箔表面形貌。

2 實驗結果

在金屬箔材無模激光多點沖擊成形的過程中，工件的成形效果完全通過激光工藝參量的改變來實現，因此改變某一激光工藝參量，而其它工藝參量保持不變，工件形貌必定有相應的變化，測量得到形貌的變化，與激光工藝參量相結合分析，找出其中規律，達到控制凹坑形貌的目的。

2.1 無模激光多點沖擊微拉深成形典型形貌

圖3展示了無模激光沖擊箔材微拉深的典型凹坑形貌。主要的激光參量是：激光單脈沖能量615μJ，激光光斑直徑50μm，激光脈寬5ns，激光光斑搭接率0%。兩層透明膠帶被用作約束層，速干型黑漆被用作吸收層。在試驗時，銅箔試樣被完全夾緊在夾具中(如圖1所示)。激光沖擊掃描一次，激光能量密度大約為31.32 J/cm2。如圖3所示，為了方便分析凹坑形貌特征，將整個凹坑形貌分為以下3個部分：區域Ⅱ為激光光斑直接作用區域，區域Ⅰ為區域Ⅱ所圍區域，區域Ⅲ為區域Ⅱ外和銅箔未變形平面之間的區域。圖4是圖3典型激光多點沖擊凹坑形貌的輪廓圖，可以清楚地看到凹坑形貌特征，其中凹坑深度用h表示，凹坑底平面直徑用L1表示，凹坑的直徑用L表示，凹坑壁的傾斜程度用α表示，由于角度α不便于測量，但是tanα=2h/(L-L1)，所以凹坑壁的傾斜程度可以用2h/(L-L1)來表征，區域Ⅰ、區域Ⅱ和區域Ⅲ也在圖4中清楚地標出。

Fig.3 Typical multipoint impact pits

Fig.4 Typical profile lines of the produced 3-D pits

2.2 激光單脈沖能量的影響

激光單脈沖能量是激光沖擊成形工藝參量中的重要參量之一，具體實驗激光參量是：單脈沖能量是0.55mJ～0.89mJ，激光頻率2kHz，激光脈寬5ns，光斑直徑50μm，激光掃描速率100mm/s，激光掃描路徑3道，分別為直徑0.4mm，0.45mm和0.5mm的同心圓(如圖2所示)。

Fig.5 Relationship between single pulse energyEand pit depthh, plane diameterL1and 2h/(L-L1)

圖5a展示了凹坑深度h與激光單脈沖激光能量E的關系。從圖中可以看出,凹坑深度h是隨單脈沖能量E的增大線性增大，當激光單脈沖能量為0.8mJ左右，凹坑深度h達到最大值；當激光單脈沖能量E超過0.8mJ時，凹坑深度h隨著激光單脈沖能量E的增大而減小。圖5b展示了區域Ⅰ中平面直徑L1與激光單脈沖能量E的關系。可以看出，平面直徑L1隨著激光單脈沖能量E增大而線性增大，同樣激光單脈沖能量E=0.8mJ時，平面直徑L1達到最大值；激光單脈沖能量E>0.8mJ時，平面直徑L1隨著激光單脈沖能量E的增大而減小。圖5c展示了激光單脈沖能量E與凹坑壁傾斜程度2h/(L-L1)的關系。從圖中可以看出，當單脈沖能量E在0.8mJ之前時，2h/(L-L1)隨著E的增加線性增大;當E在0.8mJ左右時，凹坑壁傾斜程度2h/(L-L1)達到最大值;當E>0.8mJ時，凹坑壁傾斜程度2h/(L-L1)隨單脈沖能量E的增加而減小。可以看到L1隨E的變化規律、h隨E的變化規律和2h/(L-L1)隨E的變化規律是相同的。為什么當激光單脈沖能量超過0.8mJ時，h,L1和2h/(L-L1)會隨著E的增加而減小呢？分析原因如下：當激光單脈沖能量E不斷增大時，銅箔表面的熱量會不斷增加，熱量增加到一定程度時，約束層透明膠帶會熔化，約束層被破壞，使得激光誘導沖擊波峰值壓強和持續時間減小，從而凹坑深度h和平面直徑L1減小。圖6a中，約束層完整，且影響區是規整的圓，約束層作用未遭到破壞。圖6b中，虛線區域有明顯的膠帶熔化跡象，約束層被破壞，周圍白色影響區有朝著膠帶被破壞的方向擴散，形狀不規則，約束層的作用遭到破壞，從而導致激光誘導沖擊波壓力的減小，凹坑深度h、平面直徑L1和凹坑傾斜程度2h/(L-L1)減小。

Fig.6 Surface condition diagram of copper foil after different laser energies

a—laser monopulse energyE=0.75mJ b—laser monopulse energyE=0.89mJ

綜上所述，在約束層未被破壞時，隨著激光單脈沖能量E的增大，凹坑形貌的變化趨勢如圖7所示。凹坑深度h線性增加，區域Ⅰ中平面直徑L1線性增加，凹坑壁傾斜程度2h/(L-L1)線性增大。因此，改變激光單脈沖能量E能控制凹坑深度h、區域Ⅰ中水平直徑L1和凹坑壁傾斜程度2h/(L-L1)，進而控制凹坑形貌。

Fig.7 Schematic diagram of depthhand plane diameterL1of the concave pit with the increase of energy

2.3 光斑搭接率的影響

Fig.8 Relationship between the overlap rate of the spot depthh,plane diameterL1and 2h/(L-L1)

激光光斑搭接率也是激光沖擊成形工藝參量中的重要參量之一。具體實驗激光參量為:激光脈寬5ns，頻率2kHz，單脈沖能量0.72mJ，光斑直徑50μm，掃描速率20mm/s～100mm/s，即搭接率從0%到80%。圖8a中展示了凹坑深度h與光斑搭接率的關系。從圖中可看出，在當光斑搭接率小于30%，凹坑深度h隨光斑搭接率增大線性增大，當光斑搭接率在30%左右，凹坑深度h達到最大值，光斑搭接率超過30%之后凹坑深度h隨搭接率增大而減小。圖8b中展示了區域Ⅰ中平面直徑L1和激光光斑搭接率的關系。從圖中可以看出，當光斑搭接率小于30%，L1隨著激光光斑搭接率的增大線性增大;當光斑搭接率在30%左右，L1達到最大值;當光斑搭接率超過30%時，L1隨著激光光斑搭接率的增大而減小。圖8c中展示了激光光斑搭接率與凹坑壁傾斜程度2h/(L-L1)的關系。從圖中可以看出，當光斑搭接率小于30%，凹坑深度h隨光斑搭接率增大線性增大;當光斑搭接率在30%左右，凹坑深度h達到最大值;當光斑搭接率超過30%之后,凹坑深度h隨搭接率增大而減小。分析原因如下：搭接率的改變改變的是在靶材的同一個位置激光沖擊的次數，激光沖擊次數的增多，在約束層和吸收層完好時，凹坑深度h、平面直徑L1和凹坑壁傾斜程度2h/(L-L1)是增加的，但是隨著同一位置沖擊次數的增加，該位置的熱量不斷增加，約束層透明膠帶被破壞，導致峰值壓強降低，從而導致凹坑深度h、平面直徑L1和凹坑壁傾斜程度2h/(L-L1)減小，約束層的破壞情況如圖9所示。

Fig.9 Surface condition diagram of copper foil after laser shocking with different overlap rates of spot

a—overlap rate of spot 20% b—overlap rate of spot 60% c—overlap rate of spot 80%

光斑搭接率的增加歸根結底就是激光對靶材同一位置的能量密度增加了，從圖8和圖5也可看出,h,L1和2h/(L-L1)隨光斑搭接率的變化規律與隨激光單脈沖能量E是一致的，在約束層未被破壞時，h,L1和2h/(L-L1)都是隨自變量的增加而增大，在約束層破壞之后隨自變量的增加而減小，所以控制激光光斑搭接率可以控制凹坑深度h、凹坑區域Ⅰ中平面直徑L1和凹坑壁傾斜程度2h/(L-L1)的。

Fig.10 Pits profile after laser scanning in different scanning sequences

a—scanning from the diameter 0.4mm to the diameter 0.5mm b—scanning from the diameter 0.5mm to the diameter 0.4mm

2.4 沖擊方式的影響

如圖10所示，圖中均采用以下相同激光參量：激光單脈沖能量0.72mJ，激光脈寬5ns，頻率2kHz，掃描速率100mm/s，搭接率0%。圖10a中的掃描方式是從直徑0.4mm圓圈開始掃描，結束掃描于直徑0.5mm圓圈；圖10b是相反的，從直徑0.5mm圓圈開始掃描，到直徑0.4mm圓圈結束掃描。從圖10中可以看出，兩者凹坑深度h相等，但是圖10a中區域Ⅰ的平面直徑L1小于圖10b中區域Ⅰ的平面直徑L1。證明同樣的激光沖擊參量，同樣的激光沖擊在靶材上的位置，改變激光掃描的前后順序，成形的凹坑形貌不一樣，主要是凹坑的橫向尺寸的改變，縱向尺寸保持不變。凹坑深度h相等,證明激光沖擊誘導沖擊波對箔材的垂直方向的力的作用是相等的，而凹坑區域Ⅰ的平面直徑L1不一樣,證明激光沖擊作用點的前后順序會改變凹坑區域Ⅰ的形貌，且首次激光掃描路徑的直徑增加，凹坑區域Ⅰ的平面區域也會增大，所以在要求不改變凹坑深度h大小而增加凹坑底部平面直徑L1時，可以通過選擇先掃描直徑大的激光掃描路徑，即調整激光掃描路徑的順序來實現。

3 結 論

通過改變激光單脈沖能量、光斑搭接率等工藝參量，以T2紫銅箔材成形平底杯狀凹坑形貌為例，研究了金屬箔材無模激光多點沖擊成形工藝。研究了激光單脈沖能量、光斑搭接率和激光掃描方式的改變對凹坑形貌深度、凹坑底部直徑和凹坑壁的影響，能達到對凹坑形貌的初步控制。

(1)控制單脈沖能量在0.55mJ～0.89mJ，光斑搭接率0%，激光掃描1次，無模具約束，能夠使20μm厚T2紫銅成形為凹坑深度h在14.3μm～31.08μm范圍內，凹坑底部平整且平面直徑L1在136.9μm～240μm范圍內和凹坑壁傾斜程度2h/(L-L1)在0.03～0.0634范圍內的形貌，在約束層未被破壞的情況下，凹坑深度h、凹坑底部直徑L1和凹坑壁傾斜程度2h/(L-L1)隨單脈沖能量E增加線性增加。

(2)控制光斑搭接率0%～80%，激光單脈沖能量0.72mJ，激光掃描一次，無模具約束，能夠使20μm厚T2紫銅成形為凹坑深度h在24.4μm～33.39μm范圍內，凹坑底部平整且直徑L1在178.7μm～240μm范圍內和凹坑壁傾斜程度2h/(L-L1)在0.0479～0.0695的形貌，在約束層未被破壞的情況下，凹坑深度h、凹坑底部直徑L1和凹坑壁傾斜程度2h/(L-L1)隨光斑搭接率的增加線性增加。

(3)當單脈沖激光能量在0.72mJ、搭接率為0%、激光沖擊位置一樣時，改變激光掃描路徑的前后順序，先掃描直徑0.4mm的路徑與先掃描直徑0.5mm的路徑相比，凹坑深度h相等，凹坑底部平面直徑L1更小，如想控制凹坑深度不變，改變凹坑底部平面直徑，可以考慮改變激光掃描路徑的前后順序。