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)
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)。
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
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
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
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。
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
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
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
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)。