激光微成形技术的研究及应用

第１１期胡玲玲等：激光微成形技术的研究及应用４７括以下三种：温度梯度机理（ＴＧＭ）、增厚机理（ＵＭ）和屈曲机理

（ＢＭ），如图１所示１２１。实际成形过程中，这些成形机理同时存在，

并相互影响。

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图１激光微弯曲成形机理

２－２成形精度

由于微构件对精度要求很高，因此成形精度问题成为激光微弯曲成形首要考虑的问题。与传统微塑性成形相比，其加工过程属于非接触方式，所以不会出现传统模具弯曲中回弹和由此带来的诸多问题。同时，由于加工时不需要模具，不存在模具磨损及涡滑等问题，大大减少了摩擦对微成形过程的影响，能够实现微构件的精确成形。但由于激光微弯曲是利用激光与物质相互作用产生的热效应进行成形，成形中出现的诸如边界效应及熔融相变等问题必须加以考虑。

２．２．１边界效应

激光柬在扫描进出工件时，在边界处温度要明显高出其它区域，从而导致扫描路径上的塑性影响层不均匀，使得薄板变形效果不一致，这就是所谓的“边界效应”。在激光微弯曲成形中，边界效应现象是板料高精度成形急需解决的关键阿题之一。当工件宽度较大，可采用先增速后减速的变速扫描方式来改善边界效应。当工件宽度较小，扫描速度较高时，扫描路径上温度变化不大，边缘效应现象不明显。在多道扫描情况下，可采用交替方向扫描方式来避免边界效应现象的叠加效应。

２．２．２熔融相变

激光辐照时，当工件表面温度峰值超过材料熔点，材料表面会发生轻微的结晶和相变。材料熔化不但会消耗激光能量，还改变了材料的应力状态，塑性变形量反而减小，从而影响成形精度和表面质量。所以加工中应注意工艺参数的选取，以防发生熔融相变。２．３应用现状

目前，激光微弯曲技术成功应用于精密仪器的校形。Ｈｏｖｉｎｇ等人翻币Ｕ用增厚机理对电子产品装配中的微构件进行微凋，实现了音频磁头、笛簧接点元件的激光校形和ＣＤ机装配过程中的透镜的微调整，如图２所示。

如图２（ａ）所示，为音频磁头的激光校形示意图。通过激光扫描图中的￡、朋、Ｒ处，可以精确调整磁头的空间三维坐标。如图２（ｂ）所示，为笛簧接点元件的激光校形示意图。激光束透过绿色玻璃外壳对簧片进行微调，从而可以精确控制上下簧片距离。激光微弯曲不仅可以成形常规金属材料（如不锈钢、铜合金），还可以加工硬脆性材料（如陶瓷、硅）。美国ＩＢＭ公司和日本富士通公司利用激光微弯曲成形技术实现了微小陶瓷件的弯曲成形，并将其’用于修正硬盘磁头滑块上气膜浮动面的曲率，校形后硬盘存储量大大提高１４ｌ。

图２激光微校形的应用

３激光微冲击成形

３．１成形机理

激光微冲击成形是利用高能短脉冲激光束辐照靶材，靶材表面瞬间汽化形成高温等离子体，从而产生向材料内部传播的强冲击波。由于冲击波压力达到ＧＰａ数量级，远远大于材料的动态屈服强度，从而使材料产生屈服和冷甥性变形。

激光微冲击成形可以分为无模成形和半模成形。如图３（ｉ）所示，为无模成形示意图。当冲击面上的材料流动大于板材背面的材料流动时，塑性区主要集中在冲击面附近，冲击区域的蝮性变形使该区域的表面积增大，并导致压应力，从而使板材产生凸面成形。当板材背面的材料流动大于冲击面的材料流动，或二者近似，激光冲击时的塑性区易于贯穿整个厚度方向，从而使板料产生凹面成形。如图３（ｂ）所示，为半模成形示意图，在工件下方放置—个凹模，当激光微冲击后就能得到与凹模相似的形状，此时可以对板材进行微拉深和微胀形。

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（ａ）无模成形（ｂ）半模成彤

图３激光微冲击成形示意图

３＿２影响因素

３．２．１激光参数

变形量随着激光能量的增大而增大。但当激光能量增大至诱导的冲击波压力超过材料抗拉强度时，板材发生冲裂破坏，因此要根据实际隋况选择适合的激光能量。光斑直径要根据加工区域和材料表面性质选择。另外，光斑位置也是得到最佳变形效果的关键。３．２．２材料参数

相同工艺条件下，动态屈服应力低的材料容易获得较大的变形；厚度小的板材变形量大。另外，随着晶粒尺寸的增大，变形量逐渐增大；晶粒越不规则，混乱程度越大，其变形量越大。３．２．３约束层和吸收层

微尺度下激光冲击成形通常选择水作为约束层，因为水的柔性使得整个冲击过程中保证有效约束，而且方便于多次连续冲击成形。使用铜箔作为吸收层比铝箔的冲击效果要好，而且随着约束层厚度的增加，变形效果存在着一定的饱和效应。３．２．４其他因素

高动态载荷下材料有着极高的应变率（１０７８－１～１０９Ｓ－１），由此产生的加工硬化和应变率效应都会阻碍材料的变形。在实际加工时，由冲击波产生的机械效应和激光诱导等离子体产生的热作

用，可能导致微小变形。另外，轻微的扰动会造成加工位置的偏

４８机械设计与制造

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差，加工时最好在真卒环境中进行。

３．３技术特点及研究进展

激光微冲击成形技术是利用等离子体爆炸诱发的力效应而非热效应进行成形，避免了连续激光照射时因剧烈温度梯度导致的不良组织和性能。而且在零件表面的残余压应力分布，能够抵抗因腐蚀和疲劳而产生的裂纹。除了常规金属材料，它还可以加工难成形材料及复合材料。另外，激光束作为柔性冲头将微尺层己的摩擦降到最低，大大提高成形精度。

Ｙａｏ既等人成功完成了１００１上ｍ超薄板材的激光微冲击成形，并研究了能量差别对变形机制的影响。Ｊ．Ｌ．Ｏｃａｎａ嘴人研究ｊ，单侧销结构的激光微冲击成形，通过试验的手段得到了光斑位置对变形机制的影响。Ｖｏｌｌｅｒｔｓｅｎ等人借助微凹模通过激光冲击完成了拉深和胀形，如图４所示。其制件拉深比达到Ｏ．１８，而采用机械拉深成形厚ｌｍｍ的箔板，最大拉深比为０．２４。这表明激光微冲击成形可以达到很高的成形精度。相比激光冲击波直接作用于材料，Ｋ．Ｏｋａｄａ等人罔利用激光驱动飞片冲击成形能得到更好的表面质量。成型后的箔板不但兼有激光冲击强化的性能而且表面质量没有损伤。同时由于激光驱动飞片加载箔板时间非常短，材料具有极高的成形率，成形能力高于准静态成形，能在一定程度上克服传统微塑性成形中的尺度效应。

图４激光微拉深成形示意图

４激光辅助加热微成形

４．１成形机理

激光辅助加热微成形，是利用激光对微构件整体或局部进行辅助加热以降低工件变形抗力，再配合使用传统冷加方法使微构件产生塑性变形。加热成形能够很好的减小微成形时温度带来的尺寸效应。而且，温度的增加可以减小应变强化的影响，降低材料变形抗力，增加材料流动的均匀性，因此成形件具有低的加工力和良好的成形性。

４．２影响因素

采用激光的热作用对工件材料辅助加热，可以通过改变激光参数、控制照射区域和照射时间的长短来调整温度边界条件。如图５所示，激光辅助加热可以降低冲击力；相同照射时间下，高功率激光照射下所需的冲击力较小。而且加热方式对成形也有很大的影响，实验证明，环形加热方式和整个中心加热方式相比，得到的温度分布更加均匀，更有利于成形加工。

图５不同加热条件下所需冲击力的比较４．３技术特点及研究进展

与其他辅助加热方式相比，激光辅助加热的优点如下：通过调整激光参数可以精确控制加热温度、加热区域；由于激光能量很高，激光辅助加热时间极短；根据需要调整工件冷却时间，可以改善材举ｌ－ｆｔ能。·

Ｅｒｈａｒｄｔ等人ｆ—ｑ对激光辅助成形做了大量研究，发现通过高能激光束加热拉深件的法兰区域，可以提高该区域的成形能力。实验结果表明该工艺使拉深力降低了２０％，延伸率增加了１０％，拉深比从２．ｏ增加到２．３，如图６所示。Ｗｕｌｆｓｂｅ＠ｎｌ开发出一种运用蓝宝石材料进行激光加热的微成形装置，发现不论单晶还是多晶材料，成形精度都大大提高。王匀等人ｌ－耐激光辅助加热微器件弯曲进行了研究，并采用激光束对工件前后两侧同时加热的方法解决工件加热不均匀问题，设计了激光辅助加热微器件弯曲系统，可以实现微器件的低成本批量化牛产，

图６一次拉深后上件横截庙幽（左侧为冷加上，右侧为１５０Ｊ脉

冲激光辅助加热加工）

５结束语

采用激光对微器件进行成形加工，通过调整和控制激光参数，可实现金属和脆性材料微构件加工过程的柔性化，不仅可以节省成本，缩短制造周期，也为绿色微制造领域的进一步发展提供手段。文中主要介绍了三种典型激光微成形技术，分析了其成形机理、影响因素、技术特点和研究现状。目前国内外对于激光微成形技术的研究已取得了一定的进展，但是还存在一些问题。如激光微弯曲校形时边界效应和相变潜热问题；激光微冲击成形过程中微尺度下激光冲击波理论的研究及本构模型的建立；激光辅助加热微成形微冲头造成的热量损耗问题等。随着激光微成形技术研究的深入和数值模拟可靠性的不断增强，激光微成形技术必将走向产业化道路。

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