摘要 激光微冲击成形（μＬＳＦ）是利用微尺度脉冲激光和材料相互作用产生高幅冲击波压力实现材料微小塑性变形的技术，其综合了激光成形、冲击强化和塑性成形等技术的优点，通过控制激光工艺参数和合理的路径规划获得所需的微观几何形状和表面质量，具有良好的柔性，在材料微塑加工领域具有显著的技术优势。在介绍激光微冲击成形技术原理和特点的基础上，分析了微尺度激光冲击成形中的压力模型、本构模型及其工艺方法，讨论了激光微冲击成形中涉及的关键技术，综述了激光微冲击成形表面的质量及相关性能的研究现状，指出当前激光微冲击成形研究中存在的问题，并对今后的研究做了展望。
关键词 激光技术；激光微冲击；微塑性成形；压力模型；表面形貌
１ 引 言
随着微机电系统（ＭＥＭＳ）在工业中的应用越来越广，机械微组件的可靠性和失效问题也越来越受关注。传统的微加工技术已不能满足加工更复杂零件的要求。现有的微器件加工方法主要有微拉伸、微胀形、微弯曲和微冲击成形等。２００５年，美国哥伦比亚大学Ｆａｎ等［１］观察了将微尺度激光束用于冲击箔材时的变形情况，完成了１００μｍ 厚铜箔的微弯曲实验和数值模拟研究。德国学者Ｖｏｌｌｅｒｔｓｅｎ等［２］借助微凹模通过激光冲击完成了微拉伸和微胀形，他们认为尺寸效应不仅影响工艺过程，还会影响成形工艺链中的其他方面，其中摩擦系数随着试样尺寸的减小而增大。美国普渡大学Ｇａｏ等［３～５］开展了微激光动态成形（μＬＤＦ）的研究，对铜箔成形前后的微观组织、残余应力等进行了对比，发现成形后晶粒组织细化，硬度、屈服强度增大，残余应力在冲击中心处最大，且距离冲击中心越远残余应力越小，并且研究了凹模圆角率、凹模深宽比、薄膜厚度等因素对变形的影响。日本学者Ｋｕｔｓｕｎａ等［６］将间接激光冲击技术加工的微凹坑用于改善活塞的摩擦能量损失，分别用脉冲能量为４６０，３００ｍＪ，光斑直径为７００，５６．５μｍ （分别对应能量密度１５，１０ＧＷ／ｃｍ２）的激光对发动机活塞进行冲击处理，加工出微凹坑及微槽型阵列，冲击后对其进行摩擦实验，结果发现经过处理的活塞的内压减少１２％～１４％。美国的Ｇｕｏ等［７，８］也利用激光冲击在合金表面制造出微凹坑，研究了微凹坑对材料各项性能的影响。国内也有部分学者从事激光微冲击成形（μＬＳＦ的研究：山东大学季忠等［９～１２］采用数值模拟与实验相结合的方法对激光微冲击胀形进行了研究，取得了显著的进展；江苏大学刘会霞等［１３～１５］采用激光驱动飞片进行μＬＳＦ及基于微模具的激光冲压微成形研究。
本文对μＬＳＦ技术的研究现状进行综述，在分析其成形机理的基础上，介绍目前常用的工艺方法，讨论材料微冲击成形表面的质量及其相关性能。对μＬＳＦ 中涉及的关键技术进行分析，指出目前研究中存在的问题，并对今后的研究进行了展望。
２ 激光微冲击成形理论
２．１ 激光微冲击成形的原理及特点
μＬＳＦ基本原理是利用高功率、短脉冲的强激光作用于超薄板材上，使板材上覆盖的吸收层气化电离形成等离子体，并产生强冲击波向金属材料内部传播。吸收层的作用是把激光束产生的热能转变成机械能，约束层的作用是保护板材表面不受到热损伤，并且能提高激光冲击波的压力和作用时间。由于冲击波压力达到吉帕量级，远远大于材料的动态屈服强度，故可使材料产生屈服和冷塑性变形。与一般冲击成形相比，μＬＳＦ具有很多优点。μＬＳＦ属无模或半模成形，成形精度高，对复杂异型凹模具有高贴模性；属于高应变率成形，成形速度快，成形效果比静态成形和准静态成形好，且惯性因素对极限塑性应变的增加影响显著；利用等离子体爆炸诱发的力效应成形，避免了激光热应力对材料组织和性能的影响；综合了激光冲击强化和塑性成形技术的优点，在材料内部形成有益的残余压应力，成形后产生大量位错和塑性变形，从而使组织均匀、细化，提高零件的强度、耐磨性、耐蚀性及疲劳寿命；激光微冲击加工的微凹坑可以用于改善材料的抗磨减摩性能［７，８］。另外，由于激光参数精确可控，具有很大的柔性，μＬＳＦ 更易于保证质量，便于自动化及大批量生产。
２．２ 激光微冲击压力模型
２．２．１ Ｆａｂｂｒｏ模型
Ｆａｂｂｒｏ模型［１６］假设激光照射是规则的且冲击波传播是一维的。Ｚｈａｎｇ等［１７］修改了Ｆａｂｂｒｏ模型以满足微尺度激光冲击过程的要求。Ｆａｂｂｒｏ模型广泛应用在冲击波压力的峰值估算中，假定冲击波传播是一维的，则其峰值压力计算公式
式中犘ｍａｘ 为峰值压力，α 为等离子体的比热比，犣为折合声阻抗，γ 为吸收层对激光能量的吸收率，犐０ 为脉冲激光的平均功率密度。
２．２．２ 一维非均匀平面波压力模型
Ｚｈａｎｇ等［１８］在Ｆａｂｂｒｏ压力模型的基础上，进一步考虑了等离子体、约束层、吸收层和靶材之间的质量交换过程，以及激光能量高斯分布的非均匀性和等离子体径向膨胀对冲击波压力的影响，将等离子体冲击波模型拓展为沿光束方向的一维非均匀的平面波模型。设犘（狋）为冲击波压力，犚（狋）为等离子体半径，狉为计算点处径向半径，冲击波压力时空分布计算公式可写作
３ 激光微冲击成形工艺方法
３．１ 激光微冲击无模成形
在目前的研究中，多数是采用激光微冲击无模成形，其原理如图１（ａ）［７］所示，即利用高功率密度、短脉冲的强激光作用于覆盖在工件表面上的吸收层，形成冲击波作用于工件［２０］。冲击过程中冲击波产生的动量脉冲向材料内部传播，利用激光冲击产生的惯性力作为板料塑性成形的变形力，得到需要的加工形状［２１］。激光微冲击无模成形技术还可用于在材料表面上加工微凹坑，根据仿生学研究，表面并非越光滑摩擦越小越耐磨，微凹坑可以用于改善材料的抗磨减摩性能［６～８］。目前，国外主要有日本的Ｋｕｔｓｕｎａ等［６］、美国的Ｇｕｏ等［７，８］从事微凹坑减摩抗磨性能研究。目前来看，激光微冲击无模成形在减摩抗磨方面的应用前景比较广阔。
３．２ 激光微冲击凹模仿形
激光无模成形虽然柔性较好，但是由于激光诱导的冲击波在工件中传播速度很快，并且带来材料的速度、应力和密度的瞬变，很难控制板材的最终形状。当要求成形精度较高时，一般采用半模成形，即在工件下方放置一个凹模，当激光冲击后就能得到与凹模相似的形状，属于凹模仿形［２１］。图１（ｂ）［４］为激光微冲击半模成形加工示意图。Ｇａｏ等［３～５］对μＬＤＦ 的全过程进行了数值模拟，并且做了不同形式凹模下（即圆形凹模、微透镜阵列凹模、直槽型凹模）的μＬＤＦ实验，成形后的试样形状与凹模形状有很好的一致性。山东大学Ｚｈｅｎｇ等［１２］进行了激光微胀形的模拟及实验验证，凹模直径１．２ｍｍ，在激光能量为４００ｍＪ时冲击３０μｍ的铜箔，实验得到冲击中心处的最大变形深度为１５９μｍ，与模拟得到的１５８μｍ 非常接近，此时铜箔还未变形到凹模底部。
３．３ 激光微冲击辅助成形
激光微冲击辅助成形工艺中，较为常见的是采用激光驱动飞片来成形。相比于激光冲击波直接作用于材料使其靠近凹模，利用激光驱动飞片冲击成形能得到更好的表面质量。激光驱动飞片加载金属箔板成形是利用高速运动的飞片作为激光能量的载体，与金属箔板发生碰撞，在碰撞界面上产生高压冲击波，使得材料产生高速塑性变形。整个成形装置主要由约束层、飞片层、飞行腔、工件和模具组成，成形原理如图２（ａ）［２２］所示。图２（ｂ）为用激光驱动飞片加工的成形件，采用短脉冲Ｎｄ∶ＹＡＧ 激光器（脉宽７ｎｓ，波长１０６４ｎｍ，光斑直径１ｍｍ），模具由纳秒激光加工而成，尺寸为５００μｍ×２００μｍ，飞行腔选用厚度为１７０μｍ的医学盖玻片，利用纳秒激光雕刻机在盖玻片中心位置加工出２ｍｍ×１７０μｍ 的圆孔用作飞行腔。试样为１５μｍ 厚的铝箔，试样被切割成方形。飞片也用铝箔制成。实验结果采用立体显微镜和Ｖｅｅｃｏ形貌仪观测，图２为铝微拉伸杯的前后视图。当脉冲能量为５０ｍＪ时，变形深度达１５０μｍ［２２］。
现有的微成形方法都有各自的优缺点，可以发展一些复合微成形方法，集各种方法的优点于一体，以达到更好的成形效果。目前的微成形大多还处于实验研究阶段，而将其应用到实际的批量生产中还需要很长时间的探索。
５ 激光微冲击成形关键技术
５．１ 涂层约束层技术
约束层能够阻碍等离子体的膨胀，增强激光能量的耦合，显著提高激光冲击波的峰值压力，并延长其作用时间。目前，国外在μＬＳＦ实验研究中一般采用蒸馏水作为约束层，厚度一般为１～３ｍｍ［７］；国内则常采用Ｋ９玻璃［１０］。另外，约束层的声阻抗对成形影响很大。
吸收层的作用，一是取代靶材气化电离形成等离子体，防止靶材表面发生熔融和烧蚀；二是提高激光入射能量的吸收率，进而提高冲击波峰值。黑漆、石墨、铝箔等是μＬＳＦ 中最为常用的吸收层材料。任旭东等［２３］对吸收层厚度进行了优选研究，推导出了吸收层气化厚度的理论公式。目前，在μＬＳＦ 实验研究中，吸收层厚度一般取１０～２０μｍ。另外，Ｃｈｅｎｇ等［２４］研究发现，应变率存在饱和厚度，超过这个厚度时峰值压力与厚度无关，等离子体不再增长；在多尺度位错动态塑性模拟中，吸收层厚度小于饱和值时，位错增殖速度随吸收层厚度增大而加快，大于饱和值时，位错密度无变化。
５．２ 工艺参数优化及控性控形技术
目前，μＬＳＦ的工艺参数优化已有诸多进展。Ｇａｏ等［３～５］通过实验及模拟研究了激光参数和凹模参数对μＬＤＦ的成形深度、应力应变等的影响；Ｇｕｏ等［７，８］对不同激光能量水平下制作的微凹坑的形貌、硬度及残余应力等性能进行了研究；季忠等［９～１２］也进行了μＬＳＦ及微胀形方面的研究。激光参数对成形性能的影响以及控制成形性能与质量的途径和方法将成为今后研究的热点。
５．３ 有限元模拟分析技术
有限元模拟技术是指采用ＡＢＡＱＵＳ，ＡＮＳＹＳ等有限元软件对实验参数预先进行模拟并预测材料的塑性变形行为和残余应力分布等，将之与实验得出的结果相对比，可以有效地指导实验研究。目前，有限元模拟技术经常被采用，可以较为准确地预测实验结果，减少实验次数，降低实验成本。
Ｌｉｕ等［１５］利用ＡＮＳＹＳ／ＬＳＤＹＮＡ 软件进行动态分析及静态分析的模拟，预测激光冲压后的表面变形，模拟了当激光诱导的冲击波作用在工件上时工件经历的快速初始变形。工件材料熔融起始时，成形速度主要取决于冲击波的速度，因此可以通过调整激光能量来控制成形速度。模拟计算得到的变形深度约为６４μｍ，而实验测得的深度为５９μｍ，原因可能是模拟时忽略了激光能量分散到涂层上的部分。模拟预测得到的三维表面微形貌，其结果与实验结果有很好的一致性。
Ｇａｏ等［３］研究了对μＬＤＦ 中微凹模圆角率、深宽比及激光功率密度对成形深度、等效塑性应变等的影响，将成形过程划分为四个阶段，如图８所示。模拟得到了成形后薄膜各个位置不同点处的塑性应变，不同凹模尺寸和深宽比下的垂直位移及最大Ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ应力、总塑性应变及颈缩率等，并且综合考虑了多因素的影响。根据模拟得到：１）对于特定的凹模深宽比，圆角率有限制，最小允许圆角率随凹腔深度增大而增大。２）最大等效塑性应变在最小允许圆角率接近１５～１．６ 时，几乎与凹模深宽比无关。随着圆角率增大，颈缩率也增大，尤其在最小允许值下，由于加工硬化导致的材料流动和延展性丧失。３）给定一个特定的激光功率密度，薄膜变形深宽比在达到完全变形时存在上限值。４）总变形过程比冲击波沿薄膜厚度方向传播耗时更长。
刘晶等［２５］通过自主开发的有限元网格划分程序ＭｉｃｒｏＭｅｓｈ，实现了对规则晶粒、晶界以及不规则晶粒、晶界的网格划分，并利用动态显式有限元法，对超薄板材μＬＳＦ过程进行了晶粒级的数值模拟。
５．４ 成形精度测量与表征
成形精度测量与表征对后期实验结果分析很有帮助。为满足微成形的需要，材料加工后器件的检测需要使用一些特殊的装置。
Ｘ 射线衍射仪可以检测出材料表面晶格的旋转，从而得到工件表面的残余应力变化情况，揭示激光高应变率冲击下材料的微观组织变化。Ｃｅｎｇ等［４］应用ＥＢＳＤ 研究晶粒微结构和取向误差，测量后得到三维成形结构的力学和微观组织特性。ＥＢＳＤ 可以定量地分析晶粒大小、亚结构、边界特征及位向方面的改变从而得出微组织变化情况。使用纳米压痕仪可以测量机械性能特征，纳米压痕测量已在多种材料性能的测量中
广泛应用，如硬度、杨氏模量、场强、加工硬化指数等。激光冲击影响区的变形较小，Ｋｈａｒｅ等［２６］用不同功率密度的激光冲击铜片后，利用原子力显微镜（ＡＦＭ）测量材料的变形量，利用显微光波干涉仪测量微型件表面的弯曲程度和加工后表面的粗糙度。Ｃｈｅｎｇ等［４］通过光学表面形貌仪（ＷｙｋｏＮＴ２０００）测量三维微特征。这种非接触式光学形貌仪有两种模式，即移动相位干涉测量模式（ＰＳＩ）和竖直扫描干涉测量模式（ＶＳＩ），可测量的表面高度范围广。ＰＳＩ模式下临近测量点的高度变化值限制在１６０ｎｍ 以内，而ＶＳＩ模式下可达２ｍｍ。此外，还可以利用光学显微镜、ＳＥＭ 等检测微器件的尺寸及拓扑关系。
目前研究中的关键技术主要包括上述几个方面，随着研究的深入及测试仪器精度的不断提高，可以逐步从定性研究发展到定量研究，量化各种参数对成形性能的影响。当然这需要有大量的模拟和实验数据作为支撑。
６ 结束语
在μＬＳＦ过程中，材料应变率高，是微尺度下的塑性变形，其适用的理论及模型相对较少，需要逐步建立和完善新的理论模型，同时在高应变率下材料的失效准则也有待于进一步规范。目前μＬＳＦ 主要包括微结构阵列成形及表面微造型减摩润滑等，对于微构件的精确校形还鲜有报道，因此今后有必要针对μＬＳＦ 工艺控制中的关键参数，对成形性能进行系统研究，对成形过程进行优化，并研究新的高效的控制方法，建立材料成形后的质量评估标准，为主动实现对激光微冲击精确成形的优化控制提供依据。