激光誘導空泡沖壓微溝槽成形實驗研究*

王亮亮，郭鐘寧※

（1.廣東工業大學機電工程學院，廣州 510006；2.省部共建精密電子制造技術與裝備國家重點實驗室，廣州 510006）

0 引言

微溝槽在微機電系統及傳熱和減摩等方面有很好的應用，常見的微溝槽加工工藝主要有微銑削[1]、電化學微加工[2]和激光加工[3]。對于板料成形，沖壓是很常見的加工方式，但是在微沖壓過程中，沖頭的磨損比較嚴重。為了減少磨損，有學者提出在工件和微沖頭之間放置橡膠層[4-5]。還有研究者嘗試從根上解決磨損的問題，提出了激光微沖擊成形[6]，而激光沖擊微成形時往往需要在工件表面放置犧牲層，不同的犧牲層產生的沖擊力大小不一。為了提高激光的沖擊力，鋁箔[7]和黑色涂料[8-9]被經常用作犧牲層的研究，特別是黑色涂料，因為它可以吸收更強的激光能量，產生較大的沖擊力。但是犧牲層只能單次使用，需要不斷更新，降低了加工效率，因此有學者提出利用激光驅動飛片沖擊成形[10]。

激光除了在固體界面產生等離子體沖擊波的作用，有學者還發現在液體中激光同樣可以分解電離產生沖擊波的效應，并且還有空泡產生[11]。顧家陽等[12]使用高速攝影儀和水聽計研究了激光在液體中的特性，結果發現激光在液體中產生了3種沖擊力，分別是等離子體沖擊波，空泡沖擊波和微射流。Navid[13]研究發現空泡在坍塌潰滅時，空泡的溫度可高達2 000 K。在此基礎上，任旭東[14]利用激光誘導空泡在鋁箔上沖擊成形微小孔。陳鐵牛[15]為了減少沖擊力在液體中的流失，提出了利用導引孔約束沖擊力，并且通過仿真和實驗加工出了微小孔。

為了進一步研究激光誘導空泡沖擊對稱微溝槽結構的成形，本文采用高速攝影儀拍攝了空泡的生長變化過程及水聽計測量了激光誘導空泡產生的沖擊力大小。最終在工件表面成形出了微溝槽結構，研究了激光能量和焦點位置對微溝槽成形的影響，對成形深度、寬度和表面形貌利用激光共聚焦顯微鏡和掃描電子顯微鏡進行了觀測。

1 成形機理

激光誘導空泡沖壓微溝槽成形示意圖如圖1所示，實驗裝置主要有模具、工件、三維移動平臺、導引孔和蒸餾水等組成。激光焦點到導引孔的距離定義為H，當短脈沖激光通過透鏡垂直照射到裝有蒸餾水的導引孔時，在激光焦點處液體發生電離分解，在焦點處產生高溫高壓的等離子體，等離子體迅速向外膨脹形成沖擊波，經過一段時間衰減為普通的聲波。由于液體的可壓縮性和各向同性特點，會在液體中形成空泡，這種空泡球對稱性好，且容易控制，通過調整激光束的能量，可以對空化泡的大小、溫度進行控制。空泡膨脹到最大直徑后開始收縮，由于壁面的限制，空泡上下壁面收縮速度不一致，導致空泡在潰滅時產生指向壁面的高速微射流和沖擊波。激光誘導空泡產生的沖擊力通過導引孔作用到工件表面，工件在沖擊力和模具的限制下產生塑性變形，最后工件以高應變率成形出模具的形狀。

圖1激光誘導空泡沖壓示意圖

圖2 所示為激光誘導空泡沖擊微溝槽成形時空泡的不同典型階段。當激光在水中光學擊穿后，空泡形成并向外膨脹。當空泡膨脹到最大直徑時，由于泡內外的壓差，空泡開始收縮，由于導引孔壁面的存在使空泡上下表面收縮速度不同，導致空泡潰滅坍塌。在潰滅時產生高速微射流指向導引孔，沖擊力通過導引孔作用到工件表面，最終工件流入模具型腔內發生塑性變形。

圖2 空泡的不同典型階段

2 實驗材料與方法

2.1 實驗材料及模具

由于純銅有良好的可塑性、延展性，通常應用于微機電系統中。本文實驗中采用的材料為純銅箔，厚度為30 μm。表1所示為銅的機械力學性能，在實驗前將銅箔裁剪成10 mm×10 mm的方形塊，并利用酒精擦拭表面以達到清洗的目的。

表1 銅箔的機械性能

由于工件是在模具的約束作用下發生塑性變形，復制出模具的結構，因此微模具的加工精度對成形件的加工質量有很大的影響。結合實驗條件，選用304不銹鋼作為微模具的主要材料。304不銹鋼具有優良的剛度、機械加工性、耐磨性和耐腐蝕性能。通過慢走絲切割304不銹鋼加工出微溝槽模具，其三維形貌及截面曲線圖如圖3所示，從中可知微溝槽模具的深度為80 μm，寬度為220 μm。

圖3 微溝槽模具

2.2 實驗裝置與方法

實驗中采用高斯分布光束的短脈沖Nd:YAG激光器，其中激光器波長為532 nm，脈寬為7 ns，具體的實驗參數如表2所示。

表2 實驗參數

激光器發出的脈沖激光通過一系列反射鏡，最終通過25.4 mm的聚焦鏡將光束聚焦在蒸餾水中，在導引孔上方放置1 mm厚的透明石英玻璃以防止液體飛濺溢出，實驗裝置如圖4所示。采用激光共聚焦顯微 鏡 （Olympus LEXT OLS4000）和掃描電子顯微鏡（S-3400N-(II),Hitachi,Japan）對成形后的微溝槽輪廓及深度進行測量表征。

圖4 實驗加工裝置

3 實驗結果與分析

3.1 空泡振蕩周期和沖擊力測量

當激光照射到蒸餾水中時，在焦點處瞬間產生高溫高壓的等離子體沖擊波，由于液體的約束作用，沖擊波壓力比在空氣中更大，并且在液體中有空泡產生，空泡在潰滅時也會產生潰滅沖擊波和微射流。因為空泡的產生是一個瞬態過程，持續時間比較短暫，為了更易于研究空泡的振蕩過程，采用日本Photron公司生產的FASTCAM SA-Z高速攝影儀對空泡的生長變化過程進行拍攝，同時利用針式水聽計檢測激光誘導空泡過程產生的沖擊力，如圖5所示。針式水聽計通過支撐架放置在三維移動平臺上，探頭通過水槽插入液體中，激光焦點距離探頭的位置為2 mm，表3所示為水聽計的參數。

圖5 高速攝影儀和壓力測量

表3 針式水聽計參數

圖6所示為高速攝影儀拍攝的空泡生長變化序列圖，其中激光能量為21 mJ，焦點位置為1.5 mm。在0 μs時，激光將水電離分解，產生高溫高壓等離子體，等離子體向外膨脹并形成空泡，在100 μs時空泡生長到最大直徑2.4 mm，隨后開始收縮，在220 μs時空泡坍塌。由于泡內壓強高于外界，所以空泡繼續擴張變大，最后在390 μs再次坍塌潰滅，并向導引空中運動。

圖6高速攝影儀拍攝的空泡生長變化序列

圖7所示為水聽計測量的壓力曲線，從中可以看出主要有兩個峰值，第1個 峰 值 在0.5 μs時，壓力為56 MPa，第2個峰值出現在240 μs，壓力值為28 MPa。結合高速攝影儀拍攝的空泡生長變化圖可知，這兩個峰值分別代表了激光等離子體沖擊波和空泡坍塌潰滅時產生的沖擊波。

3.2 焦點位置對成形深度影響

圖7水聽計測量的壓力曲線

圖8 所示為激光能量為29 mJ、不同焦點位置下激光誘導空泡沖擊成形微溝槽結果，從圖8（a）中可以看出隨著激光焦點位置從0增大到3 mm，微溝槽的成形深度從70 μm減小到45 μm，而寬度變化很小，基本保持在220 μm不變。圖8（b）和圖8（c）是焦點位置分別是0和3 mm下激光誘導空泡沖擊工件成形出的微溝槽輪廓圖。從圖中可以看出，當焦點為0時，即焦點在導引孔表面，此時微溝槽表面有不規則形狀的點狀物質，面積達到3.1 mm2，隨著焦點距離的增加，斑點產物面積逐漸減小消失。這是因為當焦點靠近工件時，激光產生的熱量輻射表面，使其產生熱效應，表面產生了燒蝕氧化，隨著焦點到工件的距離增加，激光輻照到工件的熱量減少，所以燒蝕減少。

圖8 不同焦點位置微溝槽成形深度

為了研究激光誘導空泡沖擊成形后微溝槽的燒蝕產物，利用掃描電子顯微鏡對工件進行觀察，如圖9所示。從圖中可以看出微溝槽底部存在很多塊狀產物，對其進行能譜分析，結果發現激光誘導空泡沖擊后槽底的氧元素含量有明顯的增加，從3.55%增加到8.49%，說明工件在成形微溝槽時表面受到熱輻射發生了氧化反應，槽底不規則的點狀產物是CuO，激光輻照的熱量使得工件與液體中的氧氣發生了反應。

圖9 微溝槽底部能譜分析

3.3 激光能量對成形深度影響

激光能量是沖擊力的主要來源，對工件的成形有很大的影響。實驗時激光焦點距離工件1 mm，激光能量分別為13 mJ、21 mJ、29 mJ和37 mJ，沖擊工件一次。圖10所示為微溝槽成形深度和寬度隨激光能量的變化趨勢，從中可以看出隨著激光能量的增加，微溝槽的成形深度從48 μm增加到了74 μm，寬度在220 μm波動，變化很小。這是因為激光能量越大，產生的等離子體沖擊波越強，空泡膨脹的直徑會越大，空泡內的能量越多，空泡潰滅時產生的沖擊力也隨著增強，所以工件受到的沖擊力變大，微溝槽的成形深度增加。

圖10 激光能量對成形深度影響

3.4 表面質量

表面質量對工件使用壽命有很大的影響，部件表面粗糙度的大小對其潤滑性、密封性、耐磨性、疲勞強度和耐腐蝕性都有很大的關系。因此，有必要對激光誘導空泡沖擊成形后的微溝槽表面質量進行研究。用激光共聚焦顯微鏡測量了20 μm厚微槽底部的表面粗糙度，結果如圖11所示。從圖中可以看出，當激光能量從13 mJ增大為37 mJ時，粗糙度從0.31 μm增加到了0.34 μm。隨著激光焦點到導引孔距離的增加，微溝槽底部粗糙度從0.54 μm減小到0.35 μm。這是因為，隨著H的增加，槽底燒蝕區域減小，粗糙度降低，說明燒蝕氧化對粗糙度有很大的影響。

圖11 表面粗糙度

4 結束語

針對傳統沖壓成形中微沖頭的磨損，以及激光微沖擊成形時需要反復的更新犧牲層的問題，本文提出了激光誘導空泡沖壓工件成形，利用液體約束沖擊力，而且液體可以循環多次使用，主要研究了激光誘導空泡對成形深度的影響規律，主要結論如下。

（1）隨著空泡到導引孔距離（H）的增加，微溝槽的最大成形深度從70 μm減小到45 μm。當激光焦點在導引孔表面時（H=0），微溝槽底部燒蝕比較嚴重，燒蝕面積達到3.1 mm2。

（2）激光能量對微溝槽成形有很大的影響，隨著激光能量的增加，微溝槽的成形深度從48 μm增加到了74 μm。

（3）微溝槽底部的受到燒蝕氧化的影響，在H=0時，表面粗糙度最大為0.54 μm。

（4）利用激光誘導空泡沖擊成形，工件可以多次沖擊，不需要更換介質。