微尺度激光冲击成形过程的变形机理及缺陷控制研究

Microscale laser peen forming (μLPF), which integrates the laser processing, microforming and surface modification, has obvious technical advantages in the field of micro-manufacturing. However, the deformation mechanism is still unclear because of the size effects and complex interactions among various processing parameters. Moreover, failures caused by fracture and wrinkling were also observed. In this topic, recur to experimental tests and finite element method together with discrete dislocation dynamics, the formation and evolution of dislocation defects are clarified to bridge the link to macro morphology and mechanical properties. Then, the optimization methodology using finite element method as the solver is established to predict extreme values of processing parameters. Mechanisms of deformation and failure of laser shock induced micro-bulging are revealed through this research, which will be helpful not only in performance control, but also in failure prevention and quality improvement.

微尺度激光冲击成形（Microscale Laser Peen Forming，µLPF）集激光加工、微塑性成形和材料表面改性强化于一体，在微细制造领域具有显著的技术优势。然而，由于尺度效应和工艺参数的复杂交互作用，µLPF过程的微观变形机理尚不明确，且制品易出现断裂、起皱等缺陷。本项目以激光冲击微胀形工艺为研究对象，通过实验检测和耦合离散位错动力学的有限元模拟方法，探索在激光冲击诱致高应变率塑性变形和动态断裂过程中，材料微观结构的形成和演化以及它们对变形和失效部位宏观形貌和力学性能的影响机制，深入揭示μLPF过程的变形与失效机理，进而以µLPF过程的有限元模拟作为目标函数的求解方法，建立优化设计系统，寻求破坏发生的极限工艺条件，为更好地实现零件形状和性能的控制，预防成形缺陷，提高产品质量提供新的思路。

激光冲击成形技术利用脉冲激光辐照材料时产生的等离子体爆轰波使板材产生塑性变形而获得期望的几何形状，集激光冲击强化和塑性成形于一体，因成形精度高、表面质量好和快速高效等优点受到国内外的广泛关注，在微机电系统结构元器件制造、微电子封装、微光学等领域具有良好的发展前景。. 本项目研究了板料在激光冲击作用下从动态成形到动态破坏全过程中的变形和失效行为，获得了零件形状、残余应力、塑性应变、厚度减薄等参数的动态演变规律及其与板材的初始状态、激光参数、凹模尺寸等因素的关系。模拟预测的缺陷发生位置、破坏模式和宏观形貌均与实验结果吻合较好，实现了激光冲击成形过程的物理加载控制、塑性变形量调控、材料性能控制和极限加工条件的预测，为激光冲击成形工艺在微细制造领域的应用提供理论指导。. 具体的研究内容和结果如下：. （1）将薄板轴对称微零件的激光冲击成形过程简化为简支圆板在冲击波压力作用下的变形问题，建立了板材变形场和最大变形高度的解析计算式。板材变形场以激光冲击区域的半径为界，外环区域为圆锥形，内环部分为曲线形。板材的持续运动时间可为后续数值模拟显式计算时间的选择提供指导。. （2）对黄铜箔材激光冲击胀形过程进行了理论计算和数值模拟，获得了位移场、残余应力场和应变场等的分布情况，研究结果表明，试样轴向为压缩应变，径向为拉伸应变，形成了一个类似穹顶形的变形轮廓，最大胀形高度随激光能量的增大而增大，随板材厚度的增大而减小。板料底部中心区域、激光光斑边缘处和凹模入口处，应力状态较为复杂，是破坏失效容易发生的位置。. （3）研究了紫铜箔材在多脉冲激光冲击微胀形情况下的成形极限，分析了试样断裂破坏前可承受的脉冲次数、截面轮廓变化、厚度变化和能达到的极限胀形高度。研究表明：首次冲击的变形量对工件最终胀形高度的影响较大；随着激光功率密度的减小和板料厚度的增大，试样能承受的冲击次数提高；随着激光功率密度和板材厚度的增大，试样能达到的极限变形量提高。. （4）研究了微尺度激光冲击胀形过程失效部位的形貌和质量特性，明确了缺陷的发生位置、破坏模式。当光斑直径与凹模孔径数值相差不大时，材料发生剪切断裂和拉伸开裂共存的混合破坏，破坏位置位于凹模入口处或试样底部中心部位。当光斑直径与凹模孔径相比较小时，破坏集中发生在激光光斑边缘或底部中心部位，为拉伸开裂。