王亮亮，郭鐘寧※

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006；2.省部共建精密電子制造技術(shù)與裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510006）

0 引言

微溝槽在微機(jī)電系統(tǒng)及傳熱和減摩等方面有很好的應(yīng)用，常見的微溝槽加工工藝主要有微銑削[1]、電化學(xué)微加工[2]和激光加工[3]。對(duì)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(yán)重。為了減少磨損，有學(xué)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(shí)往往需要在工件表面放置犧牲層，不同的犧牲層產(chǎn)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(jīng)常用作犧牲層的研究，特別是黑色涂料，因?yàn)樗梢晕崭鼜?qiáng)的激光能量，產(chǎn)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(xué)者提出利用激光驅(qū)動(dòng)飛片沖擊成形[10]。

激光除了在固體界面產(chǎn)生等離子體沖擊波的作用，有學(xué)者還發(fā)現(xiàn)在液體中激光同樣可以分解電離產(chǎn)生沖擊波的效應(yīng)，并且還有空泡產(chǎn)生[11]。顧家陽等[12]使用高速攝影儀和水聽計(jì)研究了激光在液體中的特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)激光在液體中產(chǎn)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(fā)現(xiàn)空泡在坍塌潰滅時(shí)，空泡的溫度可高達(dá)2 000 K。在此基礎(chǔ)上，任旭東[14]利用激光誘導(dǎo)空泡在鋁箔上沖擊成形微小孔。陳鐵牛[15]為了減少?zèng)_擊力在液體中的流失，提出了利用導(dǎo)引孔約束沖擊力，并且通過仿真和實(shí)驗(yàn)加工出了微小孔。

為了進(jìn)一步研究激光誘導(dǎo)空泡沖擊對(duì)稱微溝槽結(jié)構(gòu)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(jì)測(cè)量了激光誘導(dǎo)空泡產(chǎn)生的沖擊力大小。最終在工件表面成形出了微溝槽結(jié)構(gòu)，研究了激光能量和焦點(diǎn)位置對(duì)微溝槽成形的影響，對(duì)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(jìn)行了觀測(cè)。

1 成形機(jī)理

激光誘導(dǎo)空泡沖壓微溝槽成形示意圖如圖1所示，實(shí)驗(yàn)裝置主要有模具、工件、三維移動(dòng)平臺(tái)、導(dǎo)引孔和蒸餾水等組成。激光焦點(diǎn)到導(dǎo)引孔的距離定義為H，當(dāng)短脈沖激光通過透鏡垂直照射到裝有蒸餾水的導(dǎo)引孔時(shí)，在激光焦點(diǎn)處液體發(fā)生電離分解，在焦點(diǎn)處產(chǎn)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(jīng)過一段時(shí)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(diǎn)，會(huì)在液體中形成空泡，這種空泡球?qū)ΨQ性好，且容易控制，通過調(diào)整激光束的能量，可以對(duì)空化泡的大小、溫度進(jìn)行控制?？张菖蛎浀阶畲笾睆胶箝_始收縮，由于壁面的限制，空泡上下壁面收縮速度不一致，導(dǎo)致空泡在潰滅時(shí)產(chǎn)生指向壁面的高速微射流和沖擊波。激光誘導(dǎo)空泡產(chǎn)生的沖擊力通過導(dǎo)引孔作用到工件表面，工件在沖擊力和模具的限制下產(chǎn)生塑性變形，最后工件以高應(yīng)變率成形出模具的形狀。

圖1激光誘導(dǎo)空泡沖壓示意圖

圖2 所示為激光誘導(dǎo)空泡沖擊微溝槽成形時(shí)空泡的不同典型階段。當(dāng)激光在水中光學(xué)擊穿后，空泡形成并向外膨脹。當(dāng)空泡膨脹到最大直徑時(shí)，由于泡內(nèi)外的壓差，空泡開始收縮，由于導(dǎo)引孔壁面的存在使空泡上下表面收縮速度不同，導(dǎo)致空泡潰滅坍塌。在潰滅時(shí)產(chǎn)生高速微射流指向?qū)б?，沖擊力通過導(dǎo)引孔作用到工件表面，最終工件流入模具型腔內(nèi)發(fā)生塑性變形。

圖2 空泡的不同典型階段

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料及模具

由于純銅有良好的可塑性、延展性，通常應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)中。本文實(shí)驗(yàn)中采用的材料為純銅箔，厚度為30 μm。表1所示為銅的機(jī)械力學(xué)性能，在實(shí)驗(yàn)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(dá)到清洗的目的。

表1 銅箔的機(jī)械性能

由于工件是在模具的約束作用下發(fā)生塑性變形，復(fù)制出模具的結(jié)構(gòu)，因此微模具的加工精度對(duì)成形件的加工質(zhì)量有很大的影響。結(jié)合實(shí)驗(yàn)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(yōu)良的剛度、機(jī)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(shí)驗(yàn)裝置與方法

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

激光器發(fā)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(dǎo)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(shí)驗(yàn)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(duì)成形后的微溝槽輪廓及深度進(jìn)行測(cè)量表征。

圖4 實(shí)驗(yàn)加工裝置

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 空泡振蕩周期和沖擊力測(cè)量

當(dāng)激光照射到蒸餾水中時(shí)，在焦點(diǎn)處瞬間產(chǎn)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(chǎn)生，空泡在潰滅時(shí)也會(huì)產(chǎn)生潰滅沖擊波和微射流。因?yàn)榭张莸漠a(chǎn)生是一個(gè)瞬態(tài)過程，持續(xù)時(shí)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(chǎn)的FASTCAM SA-Z高速攝影儀對(duì)空泡的生長變化過程進(jìn)行拍攝，同時(shí)利用針式水聽計(jì)檢測(cè)激光誘導(dǎo)空泡過程產(chǎn)生的沖擊力，如圖5所示。針式水聽計(jì)通過支撐架放置在三維移動(dòng)平臺(tái)上，探頭通過水槽插入液體中，激光焦點(diǎn)距離探頭的位置為2 mm，表3所示為水聽計(jì)的參數(shù)。

圖5 高速攝影儀和壓力測(cè)量

表3 針式水聽計(jì)參數(shù)

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(diǎn)位置為1.5 mm。在0 μs時(shí)，激光將水電離分解，產(chǎn)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(shí)空泡生長到最大直徑2.4 mm，隨后開始收縮，在220 μs時(shí)空泡坍塌。由于泡內(nèi)壓強(qiáng)高于外界，所以空泡繼續(xù)擴(kuò)張變大，最后在390 μs再次坍塌潰滅，并向?qū)б罩羞\(yùn)動(dòng)。

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(jì)測(cè)量的壓力曲線，從中可以看出主要有兩個(gè)峰值，第1個(gè) 峰 值 在0.5 μs時(shí)，壓力為56 MPa，第2個(gè)峰值出現(xiàn)在240 μs，壓力值為28 MPa。結(jié)合高速攝影儀拍攝的空泡生長變化圖可知，這兩個(gè)峰值分別代表了激光等離子體沖擊波和空泡坍塌潰滅時(shí)產(chǎn)生的沖擊波。

3.2 焦點(diǎn)位置對(duì)成形深度影響

圖7水聽計(jì)測(cè)量的壓力曲線

圖8 所示為激光能量為29 mJ、不同焦點(diǎn)位置下激光誘導(dǎo)空泡沖擊成形微溝槽結(jié)果，從圖8（a）中可以看出隨著激光焦點(diǎn)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(diǎn)位置分別是0和3 mm下激光誘導(dǎo)空泡沖擊工件成形出的微溝槽輪廓圖。從圖中可以看出，當(dāng)焦點(diǎn)為0時(shí)，即焦點(diǎn)在導(dǎo)引孔表面，此時(shí)微溝槽表面有不規(guī)則形狀的點(diǎn)狀物質(zhì)，面積達(dá)到3.1 mm2，隨著焦點(diǎn)距離的增加，斑點(diǎn)產(chǎn)物面積逐漸減小消失。這是因?yàn)楫?dāng)焦點(diǎn)靠近工件時(shí)，激光產(chǎn)生的熱量輻射表面，使其產(chǎn)生熱效應(yīng)，表面產(chǎn)生了燒蝕氧化，隨著焦點(diǎn)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(diǎn)位置微溝槽成形深度

為了研究激光誘導(dǎo)空泡沖擊成形后微溝槽的燒蝕產(chǎn)物，利用掃描電子顯微鏡對(duì)工件進(jìn)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(chǎn)物，對(duì)其進(jìn)行能譜分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)激光誘導(dǎo)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(shí)表面受到熱輻射發(fā)生了氧化反應(yīng)，槽底不規(guī)則的點(diǎn)狀產(chǎn)物是CuO，激光輻照的熱量使得工件與液體中的氧氣發(fā)生了反應(yīng)。

圖9 微溝槽底部能譜分析

3.3 激光能量對(duì)成形深度影響

激光能量是沖擊力的主要來源，對(duì)工件的成形有很大的影響。實(shí)驗(yàn)時(shí)激光焦點(diǎn)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(shì)，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(dòng)，變化很小。這是因?yàn)榧す饽芰吭酱?，產(chǎn)生的等離子體沖擊波越強(qiáng)，空泡膨脹的直徑會(huì)越大，空泡內(nèi)的能量越多，空泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的沖擊力也隨著增強(qiáng)，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(duì)成形深度影響

3.4 表面質(zhì)量

表面質(zhì)量對(duì)工件使用壽命有很大的影響，部件表面粗糙度的大小對(duì)其潤滑性、密封性、耐磨性、疲勞強(qiáng)度和耐腐蝕性都有很大的關(guān)系。因此，有必要對(duì)激光誘導(dǎo)空泡沖擊成形后的微溝槽表面質(zhì)量進(jìn)行研究。用激光共聚焦顯微鏡測(cè)量了20 μm厚微槽底部的表面粗糙度，結(jié)果如圖11所示。從圖中可以看出，當(dāng)激光能量從13 mJ增大為37 mJ時(shí)，粗糙度從0.31 μm增加到了0.34 μm。隨著激光焦點(diǎn)到導(dǎo)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?yàn)?，隨著H的增加，槽底燒蝕區(qū)域減小，粗糙度降低，說明燒蝕氧化對(duì)粗糙度有很大的影響。

圖11 表面粗糙度

4 結(jié)束語

針對(duì)傳統(tǒng)沖壓成形中微沖頭的磨損，以及激光微沖擊成形時(shí)需要反復(fù)的更新犧牲層的問題，本文提出了激光誘導(dǎo)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(huán)多次使用，主要研究了激光誘導(dǎo)空泡對(duì)成形深度的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下。

（1）隨著空泡到導(dǎo)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(dāng)激光焦點(diǎn)在導(dǎo)引孔表面時(shí)（H=0），微溝槽底部燒蝕比較嚴(yán)重，燒蝕面積達(dá)到3.1 mm2。

（2）激光能量對(duì)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(shí)，表面粗糙度最大為0.54 μm。

（4）利用激光誘導(dǎo)空泡沖擊成形，工件可以多次沖擊，不需要更換介質(zhì)。