3003铝合金激光冲击微挤压成形研究王匀;范苏湘;甘斐;王荣茂;徐国峰;殷苏民【摘要】The micro-bulk forming with laser shock under the restriction of micro-extrusion die is a kind of new forming technology , which utilizes shockwave induced by laser to produce volume deformation of local sheet metal under the constraint of the die .A model of micro-extrusion of laser shock was developed to analyze the forming depth of different sheet thickness (0.12mm, 0.15mm, 0.17mm and 0.22mm) of 3003 aluminum alloy under different diameters of the micro-dies (0.4mm, 0.7mm, 0.9mm and 1.1mm).After establishing finite element model for numerical analysis , theoretical analysis and experimental verification were carried out and the data of the forming depth were obtained under different thickness and different diameters of the micro-dies.The results show that the forming depth increases sharply , then slowly with the increase of sheet thickness .For the same thickness , the sheet forming depth increases with the increase of diameter of the micro-die in a non-linear way.For the single shock, the number of shock has a great influence on the sheet forming depth.It is found that the simulation results are in accordance with experimental results , which gives support for the quality control of micro-bulk forming .%微挤压模约束下的激光冲击微体积成形技术是利用激光诱导的冲击波使局部金属在凹模约束下产生体积变形的一种成形新技术。
为了分析不同板厚（0．12mm，0．15mm，0．17mm和0．22mm）的3003铝合金在不同凹模孔径（0．4mm，0．7mm，0．9mm和1．1mm）约束下的成形深度，采用建立有限元模型进行数值分析的方法，进行了理论分析和实验验证，取得了不同板厚和不同孔径成形下成形深度的数据。
结果表明，成形深度随板厚的增大而增大趋势逐渐减小；对于同一厚度，板料成形深度随孔径的增大呈非线性增大趋势；对于同一点冲击，冲击次数对板料的成形深度影响很大。
数值分析结果与实验吻合度较好，这一结果对微体积成形质量控制是有帮助的。
【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2013(000)006【总页数】5页(P820-824)【关键词】激光技术;微挤压成形;数值分析;微凹模【作者】王匀;范苏湘;甘斐;王荣茂;徐国峰;殷苏民【作者单位】江苏大学机械工程学院，镇江212013;江苏大学机械工程学院，镇江212013;江苏大学机械工程学院，镇江212013;江苏大学机械工程学院，镇江212013;江苏大学机械工程学院，镇江212013;江苏大学机械工程学院，镇江212013【正文语种】中文【中图分类】TG485微挤压成形工艺是在传统的冲压工艺基础上发展起来，具有高效率、低成本的特点，在微机电系统零件成形方面的应用越来越广［1］。
本试验中所采用的材料为Al3003，其突出特点为耐蚀、导电导热性能好、可加工性好，尤其是良好的防磁和抗干扰性能使其在微机电系统领域应用广泛。
目前主要是采用传统挤压微型化的方法进行零件成形，由于表面效应和尺寸效应的存在，使得微成形工艺和理论尚不成熟。
另一方面，自1963年发现脉冲强激光与金属靶材作用会在表面形成等离子体区域并产生应力波以来［2］，国内外一直高度重视对激光冲击强化（laser shock processing，LSP）技术的研究和应用［3］。
激光冲击成形是通过高功率短脉宽强激光作用于覆盖在板材表面的能量转换体，吸收层吸收激光能量后形成急速膨胀的等离子体并向板材内部传播，当形成的爆轰波峰值超过板材动态屈服极限时，板材实现塑性变形［4-5］。
但是目前主要研究板料成形，而实际上在亚毫米级及微米尺度下，板料的微小区域就相当于微体积成形坯料，其成形高度和板厚在同一数量级，利用微模具，选用超快短脉冲激光产生的超高应变率冲击波能够实现微构件的体积成形，因此借助激光冲击实现微挤压成形并开展相关方面的研究有重要意义。
本文中主要针对Al3003，研究不同工艺参量对激光冲击微挤压成形深度的影响规律。
激光冲击微挤压成形试验示意如图1所示。
实验中所使用的材料为Al3003，其化学成分见表1。
物理性能参量如下：密度为2740kg/m3，泊松比为0.33，杨氏模量为72000MPa，抗拉强度为320MPa。
板厚为0.12mm～0.22mm，微凹模孔径为0.4mm～1.1mm。
试验中使用的激光器为Nd：YAG GAIAⅡ激光器。
试验中激光参量如下：功率密度为1.2GW/cm2～1.4GW/cm2，脉冲波长为1.06μm，脉宽为13ns，光斑直径为3mm。
铝箔为吸收层，厚度为0.1mm；流水为约束层，厚度为1mm。
成形深度的测试在VEECO WYKO NT1100非接触光学轮廓仪上进行。
试验前后试样见图2和图3。
2.1 数值分析模型的建立模拟所用的板材为10mm×10mm的Al3003方形板，板厚分别为0.12mm，0.15mm，0.17mm和0.22mm，选用的凹模尺寸为10mm×10mm×2mm，凹模孔径分别为0.4mm，0.7mm，0.9mm和1.1mm，材料性能参量见表1。
基于结构对称性，取模型1/4进行数值分析，x-z面和y-z面为对称面，并在相应对称面上施加边界条件，数值分析模型如图4所示。
2.2 金属材料的本构模型由于激光冲击成形是在一个高度非线性的瞬时动态完成［6］，模拟采用Johnson-Cook模型，其简化后的本构关系为下式：式中，σy为屈服应力为无量纲塑性应变率其中，加横线表示等效塑性应变，加点横线表示等效塑性应变率；常数A，B和n反映了材料的应变硬化特征，C反映了应变率对材料性能的影响，A=0.463GPa，B=0.319GPa，n=0.32，C= 0.027。
2.3 冲击压力的加载模拟采用的激光峰值压力可以根据FABBRO［7-8］建立的冲击波峰值压力与激光功率密度之间的关系式进行计算：式中，pmax为冲击波峰值压力；I0为激光功率密度；α为激光与靶材的相互作用效率，通常α=0.2～0.5；Z是复合冲击阻抗，定义为这里Z1和Z2分别为材料的冲击阻抗和约束层的冲击阻抗。
激光冲击铝质靶材，使用水做约束层，那么Z1=1.5× 106（g·cm-2·s-1），Z2=0.165×106（g·cm-2· s-1）。
冲击波的加载时间一般为激光脉宽的3倍左右［7］，分析采用的激光脉冲宽度为13ns，所以冲击波加载时间为39ns，有效光斑直径为3mm，可将加载曲线简化为三角波［9］，光斑上的冲击压力满足高斯分布。
3.1 不同板厚对成形深度的影响根据计算，分析采用的激光冲击波峰值压力为1.22GPa，选用摩擦系数为0.1，板料厚度分别为0.12mm，0.15mm，0.17mm，0.22mm，微凹模孔径为0.5mm，压边力为80N，冲击1次。
实验结果与分析结果见图5。
图6所示为不同厚度板料的成形深度云图。
图中U表示数值模型中相对坐标系的位移量，因此有U1，U2，U33个坐标方向；U3即图6中所考察形成深度方向的相对位移量。
结果显示，当板料厚度为0.12mm增至0.22mm时，成形深度随板料厚度增加而呈非线性减小的趋势。
对图5模拟值采用非线性拟合方法，拟合出成形深度Y关于厚度X的近似方程式：当板厚为0.12mm时，板料的最大成形深度达到32.165μm。
而当板厚增至0.22mm时，最大成形深度只有4.526μm。
分析主要原因是，在激光冲击微挤压成形过程中，对于0.60mm的凹模，微挤压所需的塑形变形功以及挤压力随着板厚的增加而增加，因此对于相同激光峰值压力的总用，微挤压成形深度逐渐减小。
其实随着板料厚度的增加，激光冲击波诱导的成形力对板料的影响也在逐渐变小，在凹模的约束下成形更加困难。
所以在相同能量的激光冲击下，合理地选择板料厚度可使成形效果更加显著。
3.2 不同凹模孔径对成形深度的影响选用的激光冲击波峰值压力为1.22GPa，摩擦系数为0.1，板厚为0.12mm，微凹模孔径为0.4mm，0.7mm，0.9mm和1.1mm，压边力为80N，冲击1次。
实验结果与分析结果见图7。
图8所示为不同凹模孔径下的成形深度云图。
结果表明，在同一激光能量冲击下，随着凹模孔径从0.4mm增至1.1mm时，板料的最大成形深度并非简单地线性增加，而是呈非线性增大趋势。
对图7模拟值采用非线性拟合方法，拟合出成形深度Y关于厚度X的近似方程式：当凹模孔径为0.4mm时，板料的最大成形量为36.231μm，而当凹模孔径增大至1.1mm时，板料的最大成形量达到46.124μm。
这表明在激光能量相对较小，晶粒尺寸和微凹模孔径较为接近时，成形过程变为少数晶粒或者单个晶粒在微凹模中的变形，成形变得更加困难；同时凹模孔径对板料成形深度的影响变得更加复杂。
因此随着凹模孔径的增大，板料的成形深度呈非线性增大趋势。
3.3 冲击次数对成形深度的影响研究发现，如果只是对板料进行单次冲击，板料的成形效果并不是很显著，所以可以进行小能量多次冲击［10］。