電阻滑焊

飛秒激光切割結(jié)合微細(xì)電阻滑焊制備三維金屬微結(jié)構(gòu)的工藝過程主要包括:(1)通過三維建模軟件對(duì)所需要的三維微結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并通過切片軟件將三維微結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行逐層切片，獲得每層二維結(jié)構(gòu)的輪廓數(shù)據(jù)。(2)依照每層輪廓數(shù)據(jù)，飛秒激光在0Cr18Ni9不銹鋼箔上進(jìn)行切割獲得二維金屬微結(jié)構(gòu)。(3)通過微細(xì)電阻滑焊的多次放電將多層二維金屬微結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱擴(kuò)散焊接，最終獲得三維金屬微結(jié)構(gòu)。該工藝是以分層實(shí)體制造工藝(LOM)為基礎(chǔ)，分為飛秒激光切割和電阻滑焊兩個(gè)工位，因此將其命名為微型化雙工位金屬箔疊層制造方法 。

Micro-DLOM的具體工藝過程:(1)將模具基體安裝于工作臺(tái)夾具上，然后將工作臺(tái)移動(dòng)至電阻焊工位。在電阻焊工位通過點(diǎn)焊8個(gè)穩(wěn)控點(diǎn)將鋼箔固定在模具基體上，穩(wěn)控點(diǎn)應(yīng)盡量靠近飛秒激光切割的邊緣，目的在于防止鋼箔的水平竄動(dòng)，提高水平尺寸精度;(2)將工作臺(tái)移至飛秒激光工位，由聚焦后的飛秒激光束切割不銹鋼箔，獲得單層二維金屬微結(jié)構(gòu)。(3)通過膠帶將飛秒激光切割所產(chǎn)生的廢料粘除，而后鋼箔和模具基體下降一個(gè)步距。該步距主要是由鋼箔的厚度和鋼箔之間的間隙所決定，考慮到鋼箔的厚度為10μm，各層鋼箔之間的間隙均值為10μm，因此該步距設(shè)為20μm。(4)鋼箔和模具基體移動(dòng)至電阻焊工位并重復(fù)上述工藝過程，逐漸獲得初步疊層的三維微結(jié)構(gòu)。(5)將初步疊層獲得的三維微結(jié)構(gòu)再次移動(dòng)至電阻焊工位，利用微細(xì)電阻滑焊的多次放電將其進(jìn)行焊接，最終實(shí)現(xiàn)鋼箔之間的完全連接。上述工藝將多層二維微結(jié)構(gòu)進(jìn)行近似疊加擬合，從而獲得所需的三維金屬微結(jié)構(gòu)。與UV-LIGA工藝相比，Micro-DLOM工藝可以加工出深寬比不受限制、具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式的微結(jié)構(gòu)，并且單層鋼箔越薄，成形精度也就越高;與用飛秒激光進(jìn)行分層大面積逐行掃描燒蝕工藝相比，僅需切割每層二維結(jié)構(gòu)的輪廓，成形效率大為提高 。

采用5層10μm 厚的0Cr18Ni9不銹鋼箔進(jìn)行實(shí)驗(yàn)， 制 備 一 組 高 度 尺 寸 為50μm 的 微 型 腔。首先的 工 藝 路 線 初 步 疊層出一組三維微型腔試樣， 然后進(jìn)行高度測(cè)量。初步疊層的三維微型腔的最大高度為93.33μm， 最小高度為65.79μm， 遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)高度。造成上述誤差的原因是: 在飛秒激光切割之前僅對(duì)微型腔的各層鋼箔點(diǎn)焊了8個(gè)穩(wěn)控點(diǎn)， 其目的是防止鋼箔的水平竄動(dòng)， 以保證切割精度， 但這8個(gè)穩(wěn)控點(diǎn)不可能實(shí)現(xiàn)整個(gè)微型腔實(shí)體區(qū)域范圍內(nèi)、 不銹鋼箔之間的完全連接， 因此各層不銹鋼箔之間不可避免地會(huì)存在間隙， 而這種間隙是造成上述誤差的主要原因 。

為了保證微型腔高度方向上的尺寸精度，需要繼續(xù)依工藝路線將初步疊層的微型腔再次移至電阻焊工位，通過電阻滑焊的方式消除不銹鋼箔之間的間隙。采用的滑焊工藝與傳統(tǒng)的電阻焊工藝中的縫焊類似，縫焊工藝通過圓盤形電極的滾動(dòng)以及數(shù)千安培的焊接電流作用下完成較厚鋼板的焊接，而滑焊則是通過細(xì)微棒電極的滑動(dòng)完成鋼箔的連接。在滑焊過程中，當(dāng)焊接電流過大時(shí)，焊接件之間會(huì)形成熔核，并且在熔核的周圍會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重變形，這種變形會(huì)大大地影響焊接件高度方向上的尺寸精度。所以，在Micro-DLOM工藝中，為了保證微型腔高度方向上的尺寸精度，要避免熔核的產(chǎn)生。通過上述分析，所采用的焊接方式為:在盡量小的焊接電流作用下，通過細(xì)微棒電極的多次放電滑焊、以熱擴(kuò)散的方式完成不銹鋼箔之間連接 。

滑焊工藝參數(shù)包括焊接電壓、焊接壓強(qiáng)、預(yù)壓時(shí)間、放電時(shí)間、冷卻時(shí)間以及放電次數(shù)。焊接電壓是指在焊接過程中，棒電極和銅板電極之間所施加的電壓，焊接電壓越大，焊接電流就越大，也就越容易形成熔核。因此，焊接電壓應(yīng)越小越好，并將該值設(shè)為0.21V(低于這一電壓很難形成牢固連接);焊接壓強(qiáng)是棒電極壓緊微型腔時(shí)的壓強(qiáng)，過小的焊接壓強(qiáng)會(huì)使焊接過程產(chǎn)生打火現(xiàn)象，而過大的焊接壓強(qiáng)則會(huì)導(dǎo)致微型腔變形，通過實(shí)驗(yàn)將焊接壓強(qiáng)確定為0.2MPa;放電時(shí)間為棒電極放電一次的時(shí)間，放電時(shí)間越大，越容易形成熔核，通過實(shí)驗(yàn)將其確定為10ms;預(yù)壓時(shí)間是指從棒電極壓緊微型腔到棒電極開始放電的時(shí)間，而冷卻時(shí)間則是棒電極放電的間隔時(shí)間，這兩個(gè)參數(shù)對(duì)滑焊工藝的影響不大，因此分別將其設(shè)為100ms和10ms;放電次數(shù)是棒電極焊接一次電阻焊機(jī)施加的電脈沖的個(gè)數(shù)，在上述參數(shù)設(shè)定的情況下，該值對(duì)滑焊的影響最大 。

微型制件已在微電子、微機(jī)械、精密儀器及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。由于微型制件的結(jié)構(gòu)尺寸微小，重量極輕，并且其尺寸精度在微米量級(jí)以上，因此很難用普通加工方法成形。隨著各國(guó)學(xué)者對(duì)該領(lǐng)域的研究，出現(xiàn)了一系列面向微型制件的現(xiàn)代制造技術(shù):UV-LIGA技術(shù)、深反應(yīng)離子蝕刻技術(shù)(DRIE)和3D-UV光刻技術(shù)。上述技術(shù)中以UV-LIGA技術(shù)最有代表性和應(yīng)用前景。UV-LIGA技術(shù)主要由曝光、顯影、電鑄和去膠組成，由于其特定的曝光方式使得該技術(shù)通常情況下只能制作含有直壁特征的二維半微結(jié)構(gòu)，難以制作含有復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征的微結(jié)構(gòu)。因此，突破UV-LIGA的技術(shù)瓶頸是近年來研究者努力的方向，文獻(xiàn)已做了大量有意義的工作 。

為獲得三維微結(jié)構(gòu)，Y.K.Yoon等對(duì)UV-LIGA工藝進(jìn)行了部分改進(jìn)，采用透明墊反向曝光、斜向曝光的多向曝光方式獲得了三維微結(jié)構(gòu)。由于該工藝中特定的曝光方向，使其僅能獲得特定的三維微結(jié)構(gòu)，難以制備具有任意形狀的微結(jié)構(gòu)。ManuelPfeiffer等人利用飛秒激光分層平面掃描燒蝕工藝，在硬質(zhì)合金和不銹鋼板上蝕刻出了深度為100μm的三維微結(jié)構(gòu)。在該工藝方法中，飛秒激光在硬質(zhì)合金板上獲得了較為理想的微結(jié)構(gòu)，在不銹鋼板上的加工效果則較差。由于該工藝每層都進(jìn)行大面積逐行掃描蝕刻來獲得微結(jié)構(gòu)，因此加工時(shí)間較長(zhǎng)。文獻(xiàn)則采用UV-LIGA和微細(xì)電火花加工技術(shù)相結(jié)合制備出了局部為梯形凸臺(tái)和錐形凹槽的三維金屬微結(jié)構(gòu)，其微結(jié)構(gòu)的表面粗糙度達(dá)0.08μm。微細(xì)電火花加工技術(shù)對(duì)于解決UV-LIGA的技術(shù)瓶頸做出了貢獻(xiàn)。為獲取復(fù)雜的三維曲面微結(jié)構(gòu)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的趙萬生、王振龍等以快速成型制造中分層制造原理為基礎(chǔ)，運(yùn)用微細(xì)電火花放電加工技術(shù)制備出了具有三維曲面特征的微結(jié)構(gòu);為提高微細(xì)電火花加工的效率，達(dá)到工業(yè)化運(yùn)用的目的，清華大學(xué)的李勇等提出了三維微細(xì)電火花伺服掃描加工方法，并運(yùn)用該方法在銅板上加工出了深度為300μm的三維微結(jié)構(gòu);為了獲得大深徑比的微孔結(jié)構(gòu)，大連理工大學(xué)的賈振元等研發(fā)了一臺(tái)用于快速加工大深徑比微小孔的電火花機(jī)床，并通過該機(jī)床加工出了深徑比超過10，直徑為60~200μm的微小孔，但是該技術(shù)要針對(duì)不同尺寸的零件制作不同微細(xì)電極，而微細(xì)電極的制備較困難并且在電火花加工的過程中始終存在微細(xì)電極損耗，使得該技術(shù)不易獲得大深寬比的微結(jié)構(gòu) 。

Micro-DLOM是將多層二維微結(jié)構(gòu)進(jìn)行近似疊加擬合，從而獲得所需的三維金屬微結(jié)構(gòu)，因此該工藝存在一個(gè)原理誤差，也就是臺(tái)階效應(yīng)。由于本文所制備的對(duì)象為微型腔模具，對(duì)Micro-DLOM的原理誤差進(jìn)行計(jì)算。d為相鄰鋼箔在水平方向上的尺寸差，h為鋼箔厚度，α為微型腔相對(duì)于垂直方向的張角，δ為Micro-DLOM原理誤差。應(yīng)用三角函數(shù)，可得到δ的數(shù)學(xué)表達(dá)式。對(duì)δ的數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行分析可以知道:在0~90°內(nèi)，α越小，Micro-DLOM的原理誤差δ越小;鋼箔的厚度越小，其原理誤差δ也越小。以制作實(shí)例中的圓形微型腔為例，計(jì)算其原理誤差δ，計(jì)算發(fā)現(xiàn):隨著鋼箔高度位置的不同，所計(jì)算出來的圓形微型腔最大原理誤差為2.14μm，最小原理誤差為0.99μm，如果使用厚度為5μm甚至更薄的不銹鋼箔來制備微型腔模具，則可將Micro-DLOM原理誤差大幅減小，但這會(huì)以犧牲成形效率為代價(jià) 。