中國(guó)激光：多脈沖激光沖擊微脹形的成形極限及斷裂模式
2022-04-01【作 者】 劉錚;鄭超;宋立彬;季忠
【引 言】
隨著微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展和逐步實(shí)用化，人們對(duì)于微型產(chǎn)品的需求日益增民，產(chǎn)品微型化已成為工業(yè)界的趨勢(shì)之一，特別是在航空航天、通訊電子、儀器儀表、生物醫(yī)療和國(guó)防軍工等領(lǐng)域，微型產(chǎn)品的應(yīng)用前景十分廣闊。利用塑性變形的方法成形微型制件具有工藝簡(jiǎn)單、成形效率高、材料利用率高、產(chǎn)品精度高且性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，因此，塑性變形是批量制造微型零部件的重要加工方法之一［1］。近年來(lái)，超聲輔助微成形、電輔助微成形、電磁微成形和激光沖擊微成形等非傳統(tǒng)微塑性成形工藝獲得了廣泛關(guān)注和迅速發(fā)展，豐富了微塑性成形的理論與方法，拓寬了微塑性成形工藝的適用范圍。
激光沖擊微脹形工藝是激光沖擊微成形的基礎(chǔ)性工藝，該工藝?yán)枚堂}沖強(qiáng)激光誘發(fā)的等離子沖擊波壓力使金屬箔材的厚度減薄，表面積增大，從而獲得具有期望形狀和尺寸的微型零件。與傳統(tǒng)的微脹形工藝不同，激光沖擊微脹形工藝?yán)眉す廨椪照T致的高幅沖擊波壓力來(lái)代替剛性凸模，充分發(fā)揮強(qiáng)激光束作為“光工具”能量密度高、可達(dá)性好、易于調(diào)控、柔性程度高等優(yōu)勢(shì)，既可應(yīng)用于箔材的整體脹形成形，又可應(yīng)用于局部脹形結(jié)構(gòu)特征的獲取。
Niehoff等［2］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了鋁和不銹鋼箔材的激光沖擊微脹形工藝，分析了激光器類型、離焦量、約束層厚度、激光功率密度和凹?？讖降葘?duì)脹形高度的影響規(guī)律;Zheng等［3］結(jié)合數(shù)值模擬和工藝實(shí)驗(yàn)研究了T2紫銅箔材的激光沖擊微脹形變形機(jī)理，討論了不同激光能量、凹?？讖郊安暮穸认虏牡淖冃涡袨?Gao等［4］發(fā)現(xiàn)，由于激光沖擊作用的時(shí)間極短，箔材因變形過(guò)程的應(yīng)變速率極高，從而呈現(xiàn)出超塑性變形的特性，與準(zhǔn)靜態(tài)微成形工藝相比更易于獲得更大程度的塑性變形;周建忠等［6］提出了一種激光沖擊驅(qū)動(dòng)飛片復(fù)合成形的方法，在該方法中，箔材首先發(fā)生剪切變形形成飛片，高速運(yùn)動(dòng)的飛片貼合脹形模具發(fā)生塑性變形，最終可以獲得成形效果良好的微脹形件;張文昊等［6］采用一種多層金屬激光沖擊柔性微成形工藝實(shí)現(xiàn)了鎳/銅/鎳金屬箔材的微脹形，且界面狀況良好，無(wú)裂紋或?qū)恿讶毕莓a(chǎn)生;Shen等［7］以橡膠軟模作為傳力介質(zhì)，分析了T2紫銅箔材在激光沖擊微脹形時(shí)的斷裂行為，結(jié)果發(fā)現(xiàn)箔材的斷裂位置受激光功率密度的影響較大，在一定條件下還會(huì)出現(xiàn)絕熱剪切帶。以上研究成果揭示了金屬箔材在單脈沖激光沖擊微脹形時(shí)的變形機(jī)理、工藝參數(shù)影響規(guī)律以及斷裂機(jī)理等，并提出了一些新的工藝實(shí)施方法，從而拓寬了激光沖擊微脹形的應(yīng)用領(lǐng)域。
【結(jié) 論】
本課題組對(duì)T2紫銅箔材開(kāi)展多脈沖激光沖擊微脹形實(shí)驗(yàn)，研究了激光功率密度、初始晶粒尺寸和箔材厚度對(duì)箔材脹形極限的影響，分析了斷裂工件的宏觀和微觀斷口形貌。研究發(fā)現(xiàn):與單脈沖激光沖擊微脹形相比，多脈沖條件下紫銅箔材的脹形極限并未提高，這說(shuō)明改變沖擊方式對(duì)脹形極限的作用有限;初始晶粒尺寸和箔材厚度對(duì)箔材發(fā)生斷裂前的最大脈沖次數(shù)和極限脹形高度均有重要影響，說(shuō)明在多脈沖激光沖擊時(shí)，微米級(jí)厚度的箔材表現(xiàn)出了較為明顯的尺度效應(yīng)。紫銅箔材在多脈沖激光沖擊微脹形時(shí)的斷裂模式較單脈沖條件下的更為復(fù)雜，出現(xiàn)了拉伸斷裂、剪切斷裂、混合斷裂和層裂4種模式。多脈沖激光沖擊時(shí)層裂產(chǎn)生的機(jī)理，以及激光功率密度、箔材厚度和初始晶粒尺寸等各影響因素之間的交互作用還有待進(jìn)一步研究。
以下是正文：
