脉冲激光微构件成形工艺研究
利用激光进行弯曲成行的技术是一种新兴的工艺，铜合金被广泛应用为引线框架。为了研究铜合金薄板的激光弯曲成形特性，本文在理论分析和数值模拟的基础上，进行了数据优化。以C194铜合金薄板为研究对象，利用ABAQUS有限元软件建立了模型，用FORTRAN汇编语言来编写激光热源加载模型的程序，分别在脉冲激光下以及在连续激光下进行弯曲成形的有限元模拟，分析在弯曲成形的过程中温度场、应力/应变场以及位移场的动态变化特点。在数值模拟的基础上，采用Minitab统计软件进行参数的优化，最终确定最佳参数。关键词 铜合金，脉冲激光，弯曲成形，数值模拟目 录
1 绪论 1
1.1课题背景 1
1.2铜合金性能及应用 2
1.3激光弯曲成形的发展 2
1.4本论文研究的主要内容 3
2 激光弯曲成形 4
2.1 激光弯曲成形的基本原理 4
2.2 激光弯曲成形过程 4
2.3 激光弯曲成形的特点 5
2.4 激光弯曲成形机理 6
2.5 成形的主要影响因素 8
3 铜合金薄板激光弯曲成形的数值模拟 9
3.1 有限元方法与热弹塑性理论简介 9
3.2 有限元模拟的建立 12
3.3 单脉冲模拟结果与分析 14
3.4 连续激光模拟结果与分析 19
4 基于Minitab的激光弯曲成形参数优化 21
结 论 24
致 谢 25
参考文献 26
1 绪论
在制造业中，板材的成形技术是非常重要的。由于板材自身具有可塑性，传统的板材成形主要是通过模具和外力的作用来加工。但是，模具加工作为传统板材加工的重要工艺，其设计制造的周期较长、成本高，不够灵活，只要产品发生变化就需要更新模具，这样很难在小批量生产以及更新换代快的产品中满足需要。在竞争更激烈的当下，产品的更新换代周期更短，市场发展更加变幻莫测，传统的模具制造方式很难达到这些需求，这就需要一种能够快速成形的方法。根据这些，很多
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是非常重要的。由于板材自身具有可塑性，传统的板材成形主要是通过模具和外力的作用来加工。但是，模具加工作为传统板材加工的重要工艺，其设计制造的周期较长、成本高，不够灵活，只要产品发生变化就需要更新模具，这样很难在小批量生产以及更新换代快的产品中满足需要。在竞争更激烈的当下，产品的更新换代周期更短，市场发展更加变幻莫测，传统的模具制造方式很难达到这些需求，这就需要一种能够快速成形的方法。根据这些，很多国内外的学者投入到板材的新型成形技术的研究中，一些新型无模成形技术诞生了[1]。其中，利用板材热应力成形的激光弯曲成形技术，因为其无需专用模具、无接触、无切削力、热影响小、加工精度高等优势而得到关注。而且，激光的优点和高功率激光器技术的发展，给板材成形提供了新的技术。
激光是由受激辐射经过光的放大形成的光辐射。激光技术是在原子能以及计算机发展之后，快速发展起来的又一重要的新型技术。当下，激光技术已经在各个领域得到了广泛的运用，其发展速度远远地令人难以想象。其中，激光加工技术是各种加工技术中发展最快，前景最好的。激光光束有能量集中、单色性等的优点，激光加工技术将光、材料、机、电等技术融合为一体，在精密加工领域、微电子等领域都很有优势[2]。
课题背景
激光加工是一种柔性的、现代的精密加工工艺, 相比较于传统的加工方法，它是热影响小、无直接作用、干净清洁并且可进行特殊面加工。激光加工是无接触的，不需要工模具，也就没有模具制造的费用以及模具损耗等问题，从而可以大大地降低小批量或单件加工的成本。激光加工设备可以很放方便地与电脑编程相结合起来，因此激光加工技术可以实现数字化控制。激光加工已经被广泛地应用于各领域，在金属加工领域，已研究并利用激光技术进行开槽、表面处理、焊接、打孔、切削等，并且已经有了相对成熟的结果，被运用于工业生产加工[3]。
一般情况下，将激光技术在板材的成形领域的运用分为两类：一是利用激光光束与板材的相互作用而产生的热效应使板材成形，叫做激光热应力（弯曲）成形；二是利用高能激光束和板材的相互作用而产生的冲击波的力效应将板材产生塑性变形，称之为激光冲击成形。本论文主要研究激光热应力（弯曲）成形，其主要是应用于金属板材的成形领域。
激光弯曲成形（Laser Bending 或者Laser Forming）具有无模具、非接触、生产周期短、柔性大等特征，它是利用激光光束扫描板材的表面形成的非均匀温度场进而产生热应力来实现塑性变形的一种工艺。目前，主要在金属材料以及合金材料等塑性变形材料[4]方面研究。可以通过改变激光光束的输出功率、扫描速度等工艺参数以及激光光束的扫描路径，达到各种形状的弯曲件、异形件以及其它复杂曲面等，并且可以将常温下难以变形的材料成形。相比于传统成形，激光热成形（激光弯曲成形）瞬态热弹塑性变形过程很复杂，涉及弹塑性力学、材料学以及传热学等众多知识领域。分析成形过程中的的温度场、应力/应变场、位移场的动态变化特征以及温度分布状态，对于在工程应用中合理选择适当的方法和工艺具有意义。
铜合金性能及应用
引线框架材料应用于集成电路的引线框架、半导体以及新型接线端子的制造，在集成电路中，引线框架可以将芯片支撑起来、连接外部电路以及散发热量，是与集成电路相配套的关键材料[5-7]。集成电路在朝着微型化、高性能化发展，引线框铜合金因为具有高导电、高强度、高导热以及价格适中而被人们越来越关注。目前，铜合金引线框架材料占有绝大多数的比例，其中C194合金的是用量最大的，其导电率≥50% IACS,强度450 MPa，硬度HV145，化学成分为：2.10%~2.60%Fe、0.015%~0.150% P、0.05%~0.20 %Zn，Cu余量，属于中导中强型合金[8-11]。
1.3 激光弯曲成形的发展
激光弯曲成形起源于上百年前的火工矫形。由于它在微电子、航空航天、等领域具有强大的应用潜力，很多国家都投入了激光弯曲成形的研究中。
20世纪末，德国的U.L?schner，H.Exner等人在高温下进行了对硅片的塑性变形的可行性研究,成功地利用激光实现了硅片的弯曲成形,初步确定了硅片的弯曲机理与金属材料弯曲机理具有一定的相似性[12-15]。美国IBM公司以及日本的富士通公司利用Laser Curvature Adjust Technique微小陶瓷构件的激光弯曲，并且将它应用于硬盘磁头滑块上的气膜浮动面的曲率的修正，获得了良好的效果。美国普渡大学的X.Richard Zhang,Xianfan Xu等人进行了激光弯曲对比试验，采用小功率激光器对硅片、陶瓷、玻璃与AI-SI301不锈钢作用,成功地取得了试样的微弧度量级弯曲,并且表明调整激光工艺参数可以实现对硅片、陶瓷、玻璃等脆性材料以度为量级的弯曲角的控制[16-19] 。
德国学者Evollertsell和M.Geiger等人研究了激光弯曲成形机理、数值模拟以及激光弯曲成形与其它加工工序复合化等，他们的结果表明，成形机理可以分为温度梯度机理、增厚机理以及屈曲机理这三个，并且还利用了这个技术柔性校平了汽车覆盖件 [20]。近年来，关于激光弯曲成形的研究大多数是塑性变形材料（金属材料以及铝合金、钛合金等）。
1993年，我国首次进行了金属板材的激光弯曲成形。然后，燕山大学的李纬民等人简单介绍了激光弯曲成形的基本原理以及成形过程等。李纬民等人用数值模拟的方法实现了ST1403（德国标准）板材激光弯曲成形的变形规律，同时，也模拟了厚度、宽度以及扫描速度等对激光弯曲成形的影响大小。北京航空航天大学的王秀凤等人用试验研究以及数值模拟的形式，研究激光器对ST
1 绪论 1
1.1课题背景 1
1.2铜合金性能及应用 2
1.3激光弯曲成形的发展 2
1.4本论文研究的主要内容 3
2 激光弯曲成形 4
2.1 激光弯曲成形的基本原理 4
2.2 激光弯曲成形过程 4
2.3 激光弯曲成形的特点 5
2.4 激光弯曲成形机理 6
2.5 成形的主要影响因素 8
3 铜合金薄板激光弯曲成形的数值模拟 9
3.1 有限元方法与热弹塑性理论简介 9
3.2 有限元模拟的建立 12
3.3 单脉冲模拟结果与分析 14
3.4 连续激光模拟结果与分析 19
4 基于Minitab的激光弯曲成形参数优化 21
结 论 24
致 谢 25
参考文献 26
1 绪论
在制造业中，板材的成形技术是非常重要的。由于板材自身具有可塑性，传统的板材成形主要是通过模具和外力的作用来加工。但是，模具加工作为传统板材加工的重要工艺，其设计制造的周期较长、成本高，不够灵活，只要产品发生变化就需要更新模具，这样很难在小批量生产以及更新换代快的产品中满足需要。在竞争更激烈的当下，产品的更新换代周期更短，市场发展更加变幻莫测，传统的模具制造方式很难达到这些需求，这就需要一种能够快速成形的方法。根据这些，很多
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
是非常重要的。由于板材自身具有可塑性，传统的板材成形主要是通过模具和外力的作用来加工。但是，模具加工作为传统板材加工的重要工艺，其设计制造的周期较长、成本高，不够灵活，只要产品发生变化就需要更新模具，这样很难在小批量生产以及更新换代快的产品中满足需要。在竞争更激烈的当下，产品的更新换代周期更短，市场发展更加变幻莫测，传统的模具制造方式很难达到这些需求，这就需要一种能够快速成形的方法。根据这些，很多国内外的学者投入到板材的新型成形技术的研究中，一些新型无模成形技术诞生了[1]。其中，利用板材热应力成形的激光弯曲成形技术，因为其无需专用模具、无接触、无切削力、热影响小、加工精度高等优势而得到关注。而且，激光的优点和高功率激光器技术的发展，给板材成形提供了新的技术。
激光是由受激辐射经过光的放大形成的光辐射。激光技术是在原子能以及计算机发展之后，快速发展起来的又一重要的新型技术。当下，激光技术已经在各个领域得到了广泛的运用，其发展速度远远地令人难以想象。其中，激光加工技术是各种加工技术中发展最快，前景最好的。激光光束有能量集中、单色性等的优点，激光加工技术将光、材料、机、电等技术融合为一体，在精密加工领域、微电子等领域都很有优势[2]。
课题背景
激光加工是一种柔性的、现代的精密加工工艺, 相比较于传统的加工方法，它是热影响小、无直接作用、干净清洁并且可进行特殊面加工。激光加工是无接触的，不需要工模具，也就没有模具制造的费用以及模具损耗等问题，从而可以大大地降低小批量或单件加工的成本。激光加工设备可以很放方便地与电脑编程相结合起来，因此激光加工技术可以实现数字化控制。激光加工已经被广泛地应用于各领域，在金属加工领域，已研究并利用激光技术进行开槽、表面处理、焊接、打孔、切削等，并且已经有了相对成熟的结果，被运用于工业生产加工[3]。
一般情况下，将激光技术在板材的成形领域的运用分为两类：一是利用激光光束与板材的相互作用而产生的热效应使板材成形，叫做激光热应力（弯曲）成形；二是利用高能激光束和板材的相互作用而产生的冲击波的力效应将板材产生塑性变形，称之为激光冲击成形。本论文主要研究激光热应力（弯曲）成形，其主要是应用于金属板材的成形领域。
激光弯曲成形（Laser Bending 或者Laser Forming）具有无模具、非接触、生产周期短、柔性大等特征，它是利用激光光束扫描板材的表面形成的非均匀温度场进而产生热应力来实现塑性变形的一种工艺。目前，主要在金属材料以及合金材料等塑性变形材料[4]方面研究。可以通过改变激光光束的输出功率、扫描速度等工艺参数以及激光光束的扫描路径，达到各种形状的弯曲件、异形件以及其它复杂曲面等，并且可以将常温下难以变形的材料成形。相比于传统成形，激光热成形（激光弯曲成形）瞬态热弹塑性变形过程很复杂，涉及弹塑性力学、材料学以及传热学等众多知识领域。分析成形过程中的的温度场、应力/应变场、位移场的动态变化特征以及温度分布状态，对于在工程应用中合理选择适当的方法和工艺具有意义。
铜合金性能及应用
引线框架材料应用于集成电路的引线框架、半导体以及新型接线端子的制造，在集成电路中，引线框架可以将芯片支撑起来、连接外部电路以及散发热量，是与集成电路相配套的关键材料[5-7]。集成电路在朝着微型化、高性能化发展，引线框铜合金因为具有高导电、高强度、高导热以及价格适中而被人们越来越关注。目前，铜合金引线框架材料占有绝大多数的比例，其中C194合金的是用量最大的，其导电率≥50% IACS,强度450 MPa，硬度HV145，化学成分为：2.10%~2.60%Fe、0.015%~0.150% P、0.05%~0.20 %Zn，Cu余量，属于中导中强型合金[8-11]。
1.3 激光弯曲成形的发展
激光弯曲成形起源于上百年前的火工矫形。由于它在微电子、航空航天、等领域具有强大的应用潜力，很多国家都投入了激光弯曲成形的研究中。
20世纪末，德国的U.L?schner，H.Exner等人在高温下进行了对硅片的塑性变形的可行性研究,成功地利用激光实现了硅片的弯曲成形,初步确定了硅片的弯曲机理与金属材料弯曲机理具有一定的相似性[12-15]。美国IBM公司以及日本的富士通公司利用Laser Curvature Adjust Technique微小陶瓷构件的激光弯曲，并且将它应用于硬盘磁头滑块上的气膜浮动面的曲率的修正，获得了良好的效果。美国普渡大学的X.Richard Zhang,Xianfan Xu等人进行了激光弯曲对比试验，采用小功率激光器对硅片、陶瓷、玻璃与AI-SI301不锈钢作用,成功地取得了试样的微弧度量级弯曲,并且表明调整激光工艺参数可以实现对硅片、陶瓷、玻璃等脆性材料以度为量级的弯曲角的控制[16-19] 。
德国学者Evollertsell和M.Geiger等人研究了激光弯曲成形机理、数值模拟以及激光弯曲成形与其它加工工序复合化等，他们的结果表明，成形机理可以分为温度梯度机理、增厚机理以及屈曲机理这三个，并且还利用了这个技术柔性校平了汽车覆盖件 [20]。近年来，关于激光弯曲成形的研究大多数是塑性变形材料（金属材料以及铝合金、钛合金等）。
1993年，我国首次进行了金属板材的激光弯曲成形。然后，燕山大学的李纬民等人简单介绍了激光弯曲成形的基本原理以及成形过程等。李纬民等人用数值模拟的方法实现了ST1403（德国标准）板材激光弯曲成形的变形规律，同时，也模拟了厚度、宽度以及扫描速度等对激光弯曲成形的影响大小。北京航空航天大学的王秀凤等人用试验研究以及数值模拟的形式，研究激光器对ST
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