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中国激光:多脉冲激光冲击微胀形的成形极限及断裂模式

2022-04-01

【作 者】 刘铮;郑超;宋立彬;季忠

【引 言】

随着微机电系统技术的快速发展和逐步实用化,人们对于微型产品的需求日益增民,产品微型化已成为工业界的趋势之一,特别是在航空航天、通讯电子、仪器仪表、生物医疗和国防军工等领域,微型产品的应用前景十分广阔。利用塑性变形的方法成形微型制件具有工艺简单、成形效率高、材料利用率高、产品精度高且性能优异等优点,因此,塑性变形是批量制造微型零部件的重要加工方法之一[1]。近年来,超声辅助微成形、电辅助微成形、电磁微成形和激光冲击微成形等非传统微塑性成形工艺获得了广泛关注和迅速发展,丰富了微塑性成形的理论与方法,拓宽了微塑性成形工艺的适用范围。

激光冲击微胀形工艺是激光冲击微成形的基础性工艺,该工艺利用短脉冲强激光诱发的等离子冲击波压力使金属箔材的厚度减薄,表面积增大,从而获得具有期望形状和尺寸的微型零件。与传统的微胀形工艺不同,激光冲击微胀形工艺利用激光辐照诱致的高幅冲击波压力来代替刚性凸模,充分发挥强激光束作为“光工具”能量密度高、可达性好、易于调控、柔性程度高等优势,既可应用于箔材的整体胀形成形,又可应用于局部胀形结构特征的获取。

Niehoff等[2]通过实验研究了铝和不锈钢箔材的激光冲击微胀形工艺,分析了激光器类型、离焦量、约束层厚度、激光功率密度和凹模孔径等对胀形高度的影响规律;Zheng等[3]结合数值模拟和工艺实验研究了T2紫铜箔材的激光冲击微胀形变形机理,讨论了不同激光能量、凹模孔径及箔材厚度下箔材的变形行为;Gao等[4]发现,由于激光冲击作用的时间极短,箔材因变形过程的应变速率极高,从而呈现出超塑性变形的特性,与准静态微成形工艺相比更易于获得更大程度的塑性变形;周建忠等[6]提出了一种激光冲击驱动飞片复合成形的方法,在该方法中,箔材首先发生剪切变形形成飞片,高速运动的飞片贴合胀形模具发生塑性变形,最终可以获得成形效果良好的微胀形件;张文昊等[6]采用一种多层金属激光冲击柔性微成形工艺实现了镍/铜/镍金属箔材的微胀形,且界面状况良好,无裂纹或层裂缺陷产生;Shen等[7]以橡胶软模作为传力介质,分析了T2紫铜箔材在激光冲击微胀形时的断裂行为,结果发现箔材的断裂位置受激光功率密度的影响较大,在一定条件下还会出现绝热剪切带。以上研究成果揭示了金属箔材在单脉冲激光冲击微胀形时的变形机理、工艺参数影响规律以及断裂机理等,并提出了一些新的工艺实施方法,从而拓宽了激光冲击微胀形的应用领域。

【结 论】

本课题组对T2紫铜箔材开展多脉冲激光冲击微胀形实验,研究了激光功率密度、初始晶粒尺寸和箔材厚度对箔材胀形极限的影响,分析了断裂工件的宏观和微观断口形貌。研究发现:与单脉冲激光冲击微胀形相比,多脉冲条件下紫铜箔材的胀形极限并未提高,这说明改变冲击方式对胀形极限的作用有限;初始晶粒尺寸和箔材厚度对箔材发生断裂前的最大脉冲次数和极限胀形高度均有重要影响,说明在多脉冲激光冲击时,微米级厚度的箔材表现出了较为明显的尺度效应。紫铜箔材在多脉冲激光冲击微胀形时的断裂模式较单脉冲条件下的更为复杂,出现了拉伸断裂、剪切断裂、混合断裂和层裂4种模式。多脉冲激光冲击时层裂产生的机理,以及激光功率密度、箔材厚度和初始晶粒尺寸等各影响因素之间的交互作用还有待进一步研究。

以下是正文:

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