薄板激光微成形工艺研究
本文以单晶硅薄板为研究对象，采用ABAQUS有限元软件建立脉冲激光弯曲成形的有限元分析模型，对试样进行了网格划分，设置了材料性能参数，加载激光光源，设置了试样的边界条件。对单脉冲作用下硅片的模拟结果进行了分析，包括温度场、应力/应变场和位移场的动态变化和稳态分布。结合了理论分析和有限元模拟结果，对单晶硅薄板的脉冲激光弯曲成形进行了研究。在连续激光作用过程中，分析了单因素（包括激光能量、扫描速度）对激光弯曲成形变形的影响。对激光加工工艺参数进行了优化。关键词 单晶硅薄板，成形工艺，有限元分析目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 单晶硅微成形 1
1.3 激光弯曲成形技术 2
1.4 课题研究的主要内容及方法 5
2 激光弯曲成形理论基础 6
2.1 传热学基本理论 6
2.2 热弹塑性力学 6
2.3 有限元分析法 7
3 激光成形的有限元模拟及分析 8
3.1 ABAQUS软件简介 8
3.2 硅片激光成形有限元模拟 8
3.3 单脉冲模拟结果与分析 11
3.4 连续激光模拟结果与分析 16
3.5 基于MINITAB的工艺参数优化 18
3.6 本章小结 21
结 论 22
致 谢 23
参 考 文 献 24
1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
微机电系统和微结构器件的加工是近年来微制造研究的热点。许多微结构零部件都需要微成形或高精度矫形，如继电器弹簧的弹性力和硬盘磁头曲率的调整、微结构梁和三维微硅构件的成形、光盘驱动器透镜定位执行机构的矫形、音频磁头笛簧接点元件的校正等。这些零部件大多由陶瓷、不锈钢、硅片等难成形材料构成。传统冲压成形或有模成形对于这些材料的微构件成形难以实施或成形精度不高。
激光成形是一种柔性无接触、不需要模具的成形技术，主要运用高能量热源对加工件的部分加工区域进行加热产生不均匀的热应力，使得板材发生塑性变形，进而得到所需要的弯曲形状，因而研究激光微成形
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
微硅构件的成形、光盘驱动器透镜定位执行机构的矫形、音频磁头笛簧接点元件的校正等。这些零部件大多由陶瓷、不锈钢、硅片等难成形材料构成。传统冲压成形或有模成形对于这些材料的微构件成形难以实施或成形精度不高。
激光成形是一种柔性无接触、不需要模具的成形技术，主要运用高能量热源对加工件的部分加工区域进行加热产生不均匀的热应力，使得板材发生塑性变形，进而得到所需要的弯曲形状，因而研究激光微成形技术可解决传统加工工艺难以克服的关键问题[1]。近年来，激光微弯曲成形作为一种新型的金属板料成形方法逐步发展起来，国内外学者在这方面做了大量的研究。德国的Geiger等运用激光成形技术调节继电器弹簧的弹力等，位置调整可以实现亚微米级。日本 Matsushita Electric 公司的北田耕作等人对继电器的铍铜簧片运用调 Q-YAG 激光完成了调整试验，并移动光斑坐标位置控制实现高精度的角度调整。Andrew等是用脉冲激光器调节硬盘磁头的曲率[2]。Chen和Xu使用低功率连续氩弧激光器，实现了超薄不锈钢材料的成形。
随着激光微成形技术的不断发展，激光成形技术受到了材料加工领域的广泛关注，激光成形和常规的成形相比具有无可比拟的优势，在航空航天、造船、汽车等众多领域都具有很大的发展空间。该技术不需要模具成形，也不需要任何模式的外部载荷力，所以生产的周期较短、柔性大。
研究激光微成形技术可解决传统工艺难以克服的关键技术问题。该技术的研究在微机电系统及其他领域的应用具有潜在的经济效益和战略意义。
1.2 单晶硅微成形
单晶硅能够用于二极管、电路板、整流器件和太阳能电池等单晶产品的生产和深加工制造，其后续产品半导体分离器件和集成电路已成功应用于各个领域，在航天航空和军事电子设备中也占有着紧要地位[3]。
如今，光伏技术和微型半导体逆变器技术快速发展着，使用单晶硅来生产的太阳能电池能够把太阳能直接转化为光能，揭示着迈向绿色新能源革命的开端。当下国外的太阳能光伏电站的理论研究已经到了成熟阶段，正在由理论向实践应用阶段进行过渡，太阳能单晶硅的市场需求量更是显而易见，终究会遍及到全世界范畴。
2004年，日本的N.KaZuo等运用了波形模具让单晶硅薄板在l100oC-1200oC的高温下发生了波形状的弯曲变形，加工样件最厚可以达到1.03mm，不过试样件需要经过后续处理才能够投入使用[6]。2005年，美国的K.Jonghaeg以及L.Liwei通过使用焦耳加工的办法，使得单晶硅微镜面成功实现了弯曲，最终可以获得的最大的弯曲变形角度可以达到了50.9o，并且经过系列的测试可以肯定在整个的弯曲成形过程当中，单晶硅没有受到疲劳损伤。以上的方法都具有一个共同点，就是都需要将硅片整体温度上升至硅片的塑性变形点，这一整个的加工过程都需要依靠高温炉或者通过其他的加热方法来获得，而且还需要先制备精密的成形模具，并且需要有导引、能够给工件施加载荷的相关装置，这样就会使得制造成本变的很高。所以研究分析新的硅片弯曲成形的其它的工艺方法就显得具有现实意义。
激光弯曲成形方法不仅能够完成对加工件的部分区域进行集中加热，并且在整个的成形过程中都不需要与工件有直接接触。凭借这一特点，2001年，德国学者E.Gartner等研究了激光弯曲技术在硅片的三维形态成形的可实施性，并且成功让硅片在常温条件下获得与热源无接触的塑性弯曲变形。他们将硅片试样的一个端面约束在悬梁上，接着通过不断改变脉冲激光加工的工艺参数值，历经了多次得试验，最后使得硅片能够实现弯曲，不过加工后得到的弯曲件有着轻微的扭曲变形现象，而且激光加工部分的材料的各方面性能都会发生很大的变化。2003年，美国的X.Richard等通过使用小功率的激光仪器，分别完成了硅片在连续激光模式和脉冲激光模式下的弯曲成形实验研究，硅片弯曲的厚度可以达到200μm，弯曲角度最大可以达到16μrad。
结合上述的单晶硅薄板弯曲成形的研究现状能够不难看出，针对硅片弯曲成形的加工工艺方法的研究结果都不是很理想，需要进一步地研究和改善。传统的经过高温使材料温度升高并配合模具的使用得到硅片弯曲成形的方式，虽然能够得到相对效果较好的弯曲件，但是成形的形状以及成形的精度都不能达到要求，并且缺乏可调节性，制造的成本也很高。与之相对的，通过激光对硅片进行弯曲成形，不但能够实现弯曲过程与硅片无接触，省略了加工模具的费用，并可以得到较大面积的精确成形。但是现有的激光弯曲研究成果都缺乏实际运用的可行性，需要进行更进一步的完善。
1.3 激光弯曲成形技术
1.3.1 激光弯曲成形基本原理
近年来，板材激光弯曲成形作为一种板材柔性无模成形方法在逐渐发展，上百年前的火工矫形可以体现出来。激光弯曲成形的基本原理是在材料的热胀冷缩特性的基础上，使用高能量的激光束对金属板材的表面进行辐照，使得板材表面的温度剧烈上升，这时对加工板材表层的加热是不均匀的，使得光照区域内厚度方向上产生了较明显的温度梯度，形成了非均匀分布的热应力。当这一热应力大于材料在相应温度状态下的屈服极限时，就会使板材发生所需要的弯曲变形。激光弯曲成形事实上是一种基于材料的热胀冷缩性质，利用热应力替代机械载荷对板料进行加工的柔性无模加工技术。
1.3.2 激光弯曲成形机理<
1 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 单晶硅微成形 1
1.3 激光弯曲成形技术 2
1.4 课题研究的主要内容及方法 5
2 激光弯曲成形理论基础 6
2.1 传热学基本理论 6
2.2 热弹塑性力学 6
2.3 有限元分析法 7
3 激光成形的有限元模拟及分析 8
3.1 ABAQUS软件简介 8
3.2 硅片激光成形有限元模拟 8
3.3 单脉冲模拟结果与分析 11
3.4 连续激光模拟结果与分析 16
3.5 基于MINITAB的工艺参数优化 18
3.6 本章小结 21
结 论 22
致 谢 23
参 考 文 献 24
1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
微机电系统和微结构器件的加工是近年来微制造研究的热点。许多微结构零部件都需要微成形或高精度矫形，如继电器弹簧的弹性力和硬盘磁头曲率的调整、微结构梁和三维微硅构件的成形、光盘驱动器透镜定位执行机构的矫形、音频磁头笛簧接点元件的校正等。这些零部件大多由陶瓷、不锈钢、硅片等难成形材料构成。传统冲压成形或有模成形对于这些材料的微构件成形难以实施或成形精度不高。
激光成形是一种柔性无接触、不需要模具的成形技术，主要运用高能量热源对加工件的部分加工区域进行加热产生不均匀的热应力，使得板材发生塑性变形，进而得到所需要的弯曲形状，因而研究激光微成形
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
微硅构件的成形、光盘驱动器透镜定位执行机构的矫形、音频磁头笛簧接点元件的校正等。这些零部件大多由陶瓷、不锈钢、硅片等难成形材料构成。传统冲压成形或有模成形对于这些材料的微构件成形难以实施或成形精度不高。
激光成形是一种柔性无接触、不需要模具的成形技术，主要运用高能量热源对加工件的部分加工区域进行加热产生不均匀的热应力，使得板材发生塑性变形，进而得到所需要的弯曲形状，因而研究激光微成形技术可解决传统加工工艺难以克服的关键问题[1]。近年来，激光微弯曲成形作为一种新型的金属板料成形方法逐步发展起来，国内外学者在这方面做了大量的研究。德国的Geiger等运用激光成形技术调节继电器弹簧的弹力等，位置调整可以实现亚微米级。日本 Matsushita Electric 公司的北田耕作等人对继电器的铍铜簧片运用调 Q-YAG 激光完成了调整试验，并移动光斑坐标位置控制实现高精度的角度调整。Andrew等是用脉冲激光器调节硬盘磁头的曲率[2]。Chen和Xu使用低功率连续氩弧激光器，实现了超薄不锈钢材料的成形。
随着激光微成形技术的不断发展，激光成形技术受到了材料加工领域的广泛关注，激光成形和常规的成形相比具有无可比拟的优势，在航空航天、造船、汽车等众多领域都具有很大的发展空间。该技术不需要模具成形，也不需要任何模式的外部载荷力，所以生产的周期较短、柔性大。
研究激光微成形技术可解决传统工艺难以克服的关键技术问题。该技术的研究在微机电系统及其他领域的应用具有潜在的经济效益和战略意义。
1.2 单晶硅微成形
单晶硅能够用于二极管、电路板、整流器件和太阳能电池等单晶产品的生产和深加工制造，其后续产品半导体分离器件和集成电路已成功应用于各个领域，在航天航空和军事电子设备中也占有着紧要地位[3]。
如今，光伏技术和微型半导体逆变器技术快速发展着，使用单晶硅来生产的太阳能电池能够把太阳能直接转化为光能，揭示着迈向绿色新能源革命的开端。当下国外的太阳能光伏电站的理论研究已经到了成熟阶段，正在由理论向实践应用阶段进行过渡，太阳能单晶硅的市场需求量更是显而易见，终究会遍及到全世界范畴。
2004年，日本的N.KaZuo等运用了波形模具让单晶硅薄板在l100oC-1200oC的高温下发生了波形状的弯曲变形，加工样件最厚可以达到1.03mm，不过试样件需要经过后续处理才能够投入使用[6]。2005年，美国的K.Jonghaeg以及L.Liwei通过使用焦耳加工的办法，使得单晶硅微镜面成功实现了弯曲，最终可以获得的最大的弯曲变形角度可以达到了50.9o，并且经过系列的测试可以肯定在整个的弯曲成形过程当中，单晶硅没有受到疲劳损伤。以上的方法都具有一个共同点，就是都需要将硅片整体温度上升至硅片的塑性变形点，这一整个的加工过程都需要依靠高温炉或者通过其他的加热方法来获得，而且还需要先制备精密的成形模具，并且需要有导引、能够给工件施加载荷的相关装置，这样就会使得制造成本变的很高。所以研究分析新的硅片弯曲成形的其它的工艺方法就显得具有现实意义。
激光弯曲成形方法不仅能够完成对加工件的部分区域进行集中加热，并且在整个的成形过程中都不需要与工件有直接接触。凭借这一特点，2001年，德国学者E.Gartner等研究了激光弯曲技术在硅片的三维形态成形的可实施性，并且成功让硅片在常温条件下获得与热源无接触的塑性弯曲变形。他们将硅片试样的一个端面约束在悬梁上，接着通过不断改变脉冲激光加工的工艺参数值，历经了多次得试验，最后使得硅片能够实现弯曲，不过加工后得到的弯曲件有着轻微的扭曲变形现象，而且激光加工部分的材料的各方面性能都会发生很大的变化。2003年，美国的X.Richard等通过使用小功率的激光仪器，分别完成了硅片在连续激光模式和脉冲激光模式下的弯曲成形实验研究，硅片弯曲的厚度可以达到200μm，弯曲角度最大可以达到16μrad。
结合上述的单晶硅薄板弯曲成形的研究现状能够不难看出，针对硅片弯曲成形的加工工艺方法的研究结果都不是很理想，需要进一步地研究和改善。传统的经过高温使材料温度升高并配合模具的使用得到硅片弯曲成形的方式，虽然能够得到相对效果较好的弯曲件，但是成形的形状以及成形的精度都不能达到要求，并且缺乏可调节性，制造的成本也很高。与之相对的，通过激光对硅片进行弯曲成形，不但能够实现弯曲过程与硅片无接触，省略了加工模具的费用，并可以得到较大面积的精确成形。但是现有的激光弯曲研究成果都缺乏实际运用的可行性，需要进行更进一步的完善。
1.3 激光弯曲成形技术
1.3.1 激光弯曲成形基本原理
近年来，板材激光弯曲成形作为一种板材柔性无模成形方法在逐渐发展，上百年前的火工矫形可以体现出来。激光弯曲成形的基本原理是在材料的热胀冷缩特性的基础上，使用高能量的激光束对金属板材的表面进行辐照，使得板材表面的温度剧烈上升，这时对加工板材表层的加热是不均匀的，使得光照区域内厚度方向上产生了较明显的温度梯度，形成了非均匀分布的热应力。当这一热应力大于材料在相应温度状态下的屈服极限时，就会使板材发生所需要的弯曲变形。激光弯曲成形事实上是一种基于材料的热胀冷缩性质，利用热应力替代机械载荷对板料进行加工的柔性无模加工技术。
1.3.2 激光弯曲成形机理<
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/jdgc/1555.html
