電阻滑焊金屬結構

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

為獲得三維微結構，Y.K.Yoon等對UV-LIGA工藝進行了部分改進，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構。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構，難以制備具有任意形狀的微結構。ManuelPfeiffer等人利用飛秒激光分層平面掃描燒蝕工藝，在硬質合金和不銹鋼板上蝕刻出了深度為100μm的三維微結構。在該工藝方法中，飛秒激光在硬質合金板上獲得了較為理想的微結構，在不銹鋼板上的加工效果則較差。由于該工藝每層都進行大面積逐行掃描蝕刻來獲得微結構，因此加工時間較長。文獻則采用UV-LIGA和微細電火花加工技術相結合制備出了局部為梯形凸臺和錐形凹槽的三維金屬微結構，其微結構的表面粗糙度達0.08μm。微細電火花加工技術對于解決UV-LIGA的技術瓶頸做出了貢獻。為獲取復雜的三維曲面微結構，哈爾濱工業(yè)大學的趙萬生、王振龍等以快速成型制造中分層制造原理為基礎，運用微細電火花放電加工技術制備出了具有三維曲面特征的微結構;為提高微細電火花加工的效率，達到工業(yè)化運用的目的，清華大學的李勇等提出了三維微細電火花伺服掃描加工方法，并運用該方法在銅板上加工出了深度為300μm的三維微結構;為了獲得大深徑比的微孔結構，大連理工大學的賈振元等研發(fā)了一臺用于快速加工大深徑比微小孔的電火花機床，并通過該機床加工出了深徑比超過10，直徑為60~200μm的微小孔，但是該技術要針對不同尺寸的零件制作不同微細電極，而微細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電極損耗，使得該技術不易獲得大深寬比的微結構 。

飛秒激光切割結合微細電阻滑焊制備三維金屬微結構的工藝過程主要包括:(1)通過三維建模軟件對所需要的三維微結構進行建模，并通過切片軟件將三維微結構模型進行逐層切片，獲得每層二維結構的輪廓數(shù)據。(2)依照每層輪廓數(shù)據，飛秒激光在0Cr18Ni9不銹鋼箔上進行切割獲得二維金屬微結構。(3)通過微細電阻滑焊的多次放電將多層二維金屬微結構進行熱擴散焊接，最終獲得三維金屬微結構。該工藝是以分層實體制造工藝(LOM)為基礎，分為飛秒激光切割和電阻滑焊兩個工位，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夾具上，然后將工作臺移動至電阻焊工位。在電阻焊工位通過點焊8個穩(wěn)控點將鋼箔固定在模具基體上，穩(wěn)控點應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，提高水平尺寸精度;(2)將工作臺移至飛秒激光工位，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構。(3)通過膠帶將飛秒激光切割所產生的廢料粘除，而后鋼箔和模具基體下降一個步距。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，因此該步距設為20μm。(4)鋼箔和模具基體移動至電阻焊工位并重復上述工藝過程，逐漸獲得初步疊層的三維微結構。(5)將初步疊層獲得的三維微結構再次移動至電阻焊工位，利用微細電阻滑焊的多次放電將其進行焊接，最終實現(xiàn)鋼箔之間的完全連接。上述工藝將多層二維微結構進行近似疊加擬合，從而獲得所需的三維金屬微結構。與UV-LIGA工藝相比，Micro-DLOM工藝可以加工出深寬比不受限制、具有復雜結構形式的微結構，并且單層鋼箔越薄，成形精度也就越高;與用飛秒激光進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構的輪廓，成形效率大為提高 。

Micro-DLOM是將多層二維微結構進行近似疊加擬合，從而獲得所需的三維金屬微結構，因此該工藝存在一個原理誤差，也就是臺階效應。由于本文所制備的對象為微型腔模具，對Micro-DLOM的原理誤差進行計算。d為相鄰鋼箔在水平方向上的尺寸差，h為鋼箔厚度，α為微型腔相對于垂直方向的張角，δ為Micro-DLOM原理誤差。應用三角函數(shù)，可得到δ的數(shù)學表達式。對δ的數(shù)學表達式進行分析可以知道:在0~90°內，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。以制作實例中的圓形微型腔為例，計算其原理誤差δ，計算發(fā)現(xiàn):隨著鋼箔高度位置的不同，所計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，但這會以犧牲成形效率為代價 。

采用5層10μm 厚的0Cr18Ni9不銹鋼箔進行實驗， 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， 然后進行高度測量。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， 遠大于設計高度。造成上述誤差的原因是: 在飛秒激光切割之前僅對微型腔的各層鋼箔點焊了8個穩(wěn)控點， 其目的是防止鋼箔的水平竄動， 以保證切割精度， 但這8個穩(wěn)控點不可能實現(xiàn)整個微型腔實體區(qū)域范圍內、 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，而滑焊則是通過細微棒電極的滑動完成鋼箔的連接。在滑焊過程中，當焊接電流過大時，焊接件之間會形成熔核，并且在熔核的周圍會產生嚴重變形，這種變形會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，通過細微棒電極的多次放電滑焊、以熱擴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、預壓時間、放電時間、冷卻時間以及放電次數(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，焊接電壓應越小越好，并將該值設為0.21V(低于這一電壓很難形成牢固連接);焊接壓強是棒電極壓緊微型腔時的壓強，過小的焊接壓強會使焊接過程產生打火現(xiàn)象，而過大的焊接壓強則會導致微型腔變形，通過實驗將焊接壓強確定為0.2MPa;放電時間為棒電極放電一次的時間，放電時間越大，越容易形成熔核，通過實驗將其確定為10ms;預壓時間是指從棒電極壓緊微型腔到棒電極開始放電的時間，而冷卻時間則是棒電極放電的間隔時間，這兩個參數(shù)對滑焊工藝的影響不大，因此分別將其設為100ms和10ms;放電次數(shù)是棒電極焊接一次電阻焊機施加的電脈沖的個數(shù)，在上述參數(shù)設定的情況下，該值對滑焊的影響最大 。