（机械设计及理论专业论文）硼硅酸盐玻璃薄片激光弯曲成形研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着先进制造技术和材料科学的发展，脆性材料如陶瓷、玻璃、硅片等在信息、原 子能、微电子和生物化学等新兴领域有着越来越广泛的应用。这些领域不仅需要平面的 脆性材料器件，而且增加了对弯曲器件、复杂曲面器件以及微弧度曲面器件的需求。由 于零件材料的脆性特征，如果采用传统的外力成形容易导致材料破坏，而且对环境温度 要求较高；若采用化学手段则需要较长的制造周期，控制的难度很大且有环境污染。激 光弯曲成形技术基于热态积累成形原理，利用高能激光束对零件局部加热诱发不均匀热 应力，使材料产生塑性变形以获得所需的目标形状。该技术具有柔性大，无污染等优点， 为复杂脆性材料微小器件的成形加工提供了手段。 基于功能玻璃广阔的应用前景，本课题对在高科技领域有重要意义的硼硅酸盐玻璃 材料的激光弯曲成形进行了研究，采用实验测试、数值模拟和理论分析相结合的方法， 通过对不同工艺条件下玻璃薄片变形行为的研究，深入分析了样品正向与反向弯曲的成 形机理以及温度场与应力场分布规律，为实现玻璃微小器件的快速精确成形提供了理论 依据。论文的主要研究工作如下： ( 1 ) 利用c 0 2 激光分别对硼硅酸盐玻璃薄片进行了正向与反向弯曲成形实验，得 到了适合正向及反向弯曲成形的工艺参数，并研究了各工艺参数以及样品几何尺寸对弯 曲效果的影响。 ( 2 ) 分析了玻璃薄片正向与反向弯曲机理，并利用有限元分析软件a n s y s 分别对 玻璃薄片正向与反向弯曲成形进行了数值模拟，通过模拟结果分析了样品厚度方向温度 梯度及应力应变场的分布，对弯曲机理进一步确认。 ( 3 ) 利用红外光谱、x 射线衍射、扫描电镜对激光扫描弯曲后的硼硅酸盐玻璃薄 片微观结构变化进行了检测分析。 上述研究工作解决了玻璃材料微小器件的快速成形问题，为脆性材料的柔性加工提 供了理论基础，对促进玻璃材料在航空航天、微电子等高科技领域的应用具有重要的现 实意义。 关键词：激光加工；弯曲成形；硼硅酸盐玻璃；弯曲机理；微观结构 硼硅酸盐玻璃薄片激光弯曲成形研究 s t u d y o nl a s e rb e n d i n gf o r m i n go f t h i nb o r o s i l i c a t eg l a s ss h e e t s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g ya n dm a t e r i a ls c i e n c e ，m o r e a n dm o r eb r i t t l em a t e r i a l s ( s u c ha sc e r a m i c ，g l a s sa n ds i l i c o n ) a r eu s e di ns o m en e wf i e l d s i n c l u d i n gt h ei n f o r m a t i o n , a t o m i ce n e r g y ，m e m sa n db i o c h e m i s t r y i nt h e s ef i e l d s ，n o to n l y p l a n a rd e v i c e ，b u ta l s ob e n d i n gd e v i c e ，c u r v e dd e v i c ea n ds o m ec o m p l i c a t es u r f a c ea r en e e d e d b e c a u s eo fb r i t t l ef e a t u r e ，t h e s em a t e r i a l sa r ee a s yt ob ed e s t r o y e db yt r a d i t i o n a lf o r m i n g m e t h o d a b o v et h a t ，s t a b i l i t yc o n t r o lo fa m b i e n tt e m p e r a t u r ei sa l s oap r o b l e m i fu s i n g c h e m i c a lm e t h o d ，i tw i l lt a k eal o n gp r o d u c t i o nc y c l ea n dm a yp o l l u t ee n v i r o n m e n t b a s e do n t h e r m a la c c u m u l a t i o np r i n c i p l e ，l a s e rb e n d i n gt e c h n o l o g yi sam e t h o dw h i c hu s e sh i 曲e n e r g y l a s e rb e a mt og e n e r a t ei n h o m o g e n e o u st h e r m a ls t r e s sa n dp l a s t i cd e f o r m a t i o n w i t ht h e a d v a n t a g e so ff l e x i b i l i t ya n dc l e a n l i n e s s ，t h i st e c h n o l o g yp r o v i d e san e ww a y t of o r mm i c r o c o m p l i c a t eb r i t t l ep a r t s i nv i e wo ft h ea p p l i c a t i o np r o s p e c to ff u n c t i o ng l a s s ，s t u d y0 1 1l 壶s e rb e n d i n go f b o r o s i l i c a t eg l a s sw e r em a d ei nt h i st h e s i sa n df o r m i n gl a w sa sw e l la sf o r m i n gm e c h a n i s m w a sa n a l y z e db ye x p e r i m e n t i n ga n ds i m u l a t i n g s ot h er e s e a r c hw o r kc a nh e l pt oe s t a b l i s h f o u n d a t i o no ft h e o r ya n de x p e r i m e n tf o rr a p i dp r o t o t y p eo fm i c r og l a s sp a r t s w o r k si nt h i s p a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) e x p e r i m e n t so fb o r o s i l i c a t eg l a s ss h e e tr e v e r s ea n df o r w a r db e n d i n gb yc 0 2 c w - l a s e rh a v eb e e ns u c c e s s f u l l yp r e s e n t e d s u i t a b l ep r o c e s sp a r a m e t e r sw e r eg i v e nf o r s p e c i m e nw i t l lt h i c k n e s so f15 0 1 x r na n d 也e i ri n f u e n c e so nb e n d i n g r e s u l t sw e r ei n v e s t i g a t e d ( 2 ) f o r m i n gm e c h a n i s mo fg l a s ss h e e tf o r w a r da n dr e v e r s eb e n d i n gw e r ea n a l y z e da n da n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sc o n d u c t e du s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tc o d ea n s y s a c c o r d i n gt ot h e r e s u l t so fs i m u l a t i o n ，t e m p e r a t u r ea n dt h e r m a ls t r e s sd i s t r i b u t i o na c r o s st h et h i c k n e s so f s p e c i m e nw e r ei n v e s t i g a t e d ( 3 ) i n f l u e n c eo fc 0 2l a s e rb e n d i n go ng l a s sm i c r o s t r u c t u r ew e r es t u d i e db ym e a n so f i n f r a r e ds p e c t r u m ( i r ) ，x - r a yd i f f r a c t i o n ( x r 9 ) a n ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) t h er e s e a r c hw o r km e n t i o n e da b o v es o l v e st h ep r o b l e mi nr a p i dp r o t o t y p i n go fm i c r o g l a s sp a r t sa n dp r o v i d e san e w t h e o r e t i c a lb a s i sf o rf l e x i b l ef o r m i n go fb r i t t l em a t e r i a l t h i s w i l lg a i ni ng r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ei ns e v e r a lh i g h t e c hf i e l d so fi n d u s t r i a lm a n u f a c t u r i n g k e yw o r d s ：l a s e rp r o c e s s i n g ；b e n d i n gf o r m i n g ；b o r o s i l i c a t eg l a s s ；b e n d i n gm e c h a n i s m ； m i c r o s t r u c t u r e 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：趟堕喹垫丛煎蓬gi 翅艺寥塑塑亟塑也 作者张牛真；卜一 魄坐年上月卫日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：丕疆趁亟叁垫至垒瑟蓖丛i 丝整窒丝型亟叠盏 作者签名： 庄芝圣貔 日期：堡垂年上月笙日 导师签名：j 墨。互杠日期：z 丝年三月么归 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 激光弯曲成形技术概述 激光弯曲是一种新兴的柔性无模快速成形技术，它利用高能激光束扫描工件表面诱 发不均匀热应力，如果热应力超过材料相应温度下的屈服极限，则会使工件产生塑性变 形。控制激光束的能量与扫描轨迹，可以实现不同的目标形状。图1 1 所示为激光直线 扫描弯曲v 形件的加工过程。工件一端被固定于工作台，激光束以设定的速度与功率沿 工件宽度方向扫描，通过自然冷却、对流空冷或对流水冷等方式对加工区域进行冷却。 在激光扫描过程中，被扫描部位依次经历加热与冷却两个阶段，在其内部产生相应的应 力变化。此外还可以利用热电偶及位移传感器分别实时测量工件的温度与弯曲角度。 图1 1v 形件激光弯曲示意图 f i g 1 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo fl a s e rb e n d i n go fv p a r t 弯曲成形技术起源于二十世纪五六十年代的水火弯板技术。八十年代末，随着激光 等新热源在弯曲成形领域的应用，激光弯曲成形技术开始得到发展，并逐步应用到造船 领域。九十年代，随着激光技术的进步，激光弯曲成形技术取得长足的发展并广泛应用 于汽车( 如图1 2 所示) 及航空航天领域。越来越多的国内外学者开始了对激光成形技 术的研究。1 9 9 9 年，g e i g e rm 组织召开了第六届国际塑性加工大会，激光弯曲成形技 术首次在国际会议中以单独论题出现，在国际上对激光弯曲成形的研究起了巨大的推动 作用。 硼硅酸盐玻璃薄片激光弯曲成形研究 国12 激光弯曲成形的车门 f i g i2l a s e rb e n d i n ga u t o m o b i l ed o o r 激光作为一种新型的能源应用于t 业制造，区别丁传统的以力、火、电为能源的制 造方式，被誉为“未来制造系统艿同的加工手段”，其在热成形技术上的应用也具有独 特的优点： ( 1 ) 激光热成形无需模其，凼而生产刷期短，棠性大，适合新零件的试制和小批 量零件生产： ( 2 ) 激光热成形属于热奁积累成形，总的变形量由激光束的多次扫描税累而成， 凼而能够实现高硬度和脆性材料的塑性加工，如钛镍合会、玻璃、陶瓷、硅片等； ( 3 ) 由于激光光源的可控性高，可以实现对丁件弯曲的精确控制及对微小器件的 高精度加工； ( 4 ) 激光弯曲成形为非接触成形，变形时无外力作崩，因而回弹较小，成形精度 较高。 由r 具有以上优点，激光弯曲技术在航空航天、造船和汽车等行业具自极大的应用 潜力及商业价值。 12 激光弯曲成形的国内外研究现状 对于激光弯曲成形的研究壤早出现于国外，1 9 8 1 年，k i t a m u r a 用15k w 的c 0 2 激 光器对厚度为2 2 m m 的钢板成功进行了弯曲。对丁激光弯曲成形技术真正系统的研究始 于日本，门本学者n a m b a y 在1 9 8 6 年首次提出t , fr j 用激光热成形技术将空间站的卷状 外壳展成倒筒仓体的设想，并公布，他戈于会属及台金板材激光成形实验研究的论文f l l 。 9 0 年代以后，激光弯曲成形逐步成为个研究热点波兰、德国、美国及哥伦比亚的学 者相继开始了埘该技术的研究，进行了大量激光弯曲成形实验与理论研究，并对成形过 程巾样品温度场和应力场进行了仿真模拟口剖。作为一种具有强有力竞争优势的新工艺， 困内研究的起步时问稍落后于国外，燕山大学的李纬民教授、两北d i k 火学的季忠教授、 大连理工大学硕士学位论文 北京航空航天大学的王秀凤教授、华中科技大学的刘洪顺以及上海交通大学的石永军等 学者分别在激光弯曲成形领域进行了研究，对该技术的发展做出了重要贡献【j 卜1 2 1 。1 9 9 9 年，德国学者g e i g e rm 组织召开了第六届国际塑性加工大会，板材激光成形首次在国 际会议中以单独论题出现，在国际上对激光成形的研究起了巨大的推动作用。目前，国 内外对于激光弯曲的研究方向主要集中在成形影响因素研究、成形机理研究、材料弯曲 后的性能检测等方面。 1 2 1激光弯曲影响因素研究 激光弯曲成形过程是复杂的热力耦合过程，影响最终成形效果的因素很多，主要包 括激光光束性质、加工工艺参数、材料性能、板材几何尺寸、以及板材夹持方式、冷却 方式、板材初始形状等影响因素，如图1 3 所示。一般情况下，激光设备的选择由所要 加工的材料决定。对于给定的样品材料，激光设备的选择基本是确定的，同时冷却和夹 持方式也随激光设备的确定而确定。因此，弯曲成形过程中的温度场与变形场主要与加 工工艺参数和样品几何尺寸有关。国内外许多学者通过大量的实验及仿真研究取得了实 用性很高的成果。 主要影响因素 光学参数fl 工艺参数ll 材料性能il 样品尺寸li 其它因素 板料吸收系数li 激光功率 能量密度分布il 光斑直径 li 扫描速度 热物理性能： 密度熔点 比热容 热膨胀系数 燕传导系数 力学性能 弹性模量 屈服强度 硬化指数 泊松比 板材长度 板材宽度 板材厚度 夹持方式 冷却方式 初始应力 图1 3 激光弯曲成形主要影响因素 f i g 1 3 m a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r si nl a s e rb e n d i n g 激光弯曲成形过程中，激光功率与扫描速度是影响激光弯曲效果的两个最主要的因 素。二者综合决定了导致弯曲成形的激光能量。在激光功率一定的情况下，过快的扫描 速度会使板材无法吸收足够的能量来形成板厚方向的温度梯度，因而不易使板材产生弯 曲成形，而过慢的扫描速度导致样品厚度方向的温度很高，屈服强度很低，也不利于弯 硼硅酸盐玻璃薄片激光弯曲成形研究 曲的形成，且会造成样品表面的过度烧蚀。1 9 9 4 年，v o l l e r t s e nf 用钢板作实验，得出 弯曲角度口与伊6 3 ( ，为扫描速度) 成正比【1 3 】：1 9 9 7 年，m a g e ej 采用铝板作实验，得 出弯曲角度口与户5 4 成 t i l 匕t 1 4 1 。1 9 9 7 年，h e n n i g et 发现在一定范围内，弯曲角度口与 激光功率呈线性关系【1 5 】。这不仅是因为功率高能量输入多，还因为温度较高使得材料的 屈服应力下降从而使得热变形增加。c h a nkc 通过对t i 3 a 1 基合金进行研究发现，当线 能量密度在l - - 5 j m m 时，线能量密度与弯曲角呈线性关系【1 6 1 。国内的管延锦教授用面 能量密度见( 成= p v d ，p 为激光输出功率，d 为光斑直径) 来综合研究能量因素对弯 曲角度的影响【l 刀，其发现当增加面能量密度，板材的弯曲角度显著增大，但当面能量密 度超过某一数值时，弯曲角度便开始减小。此外，扫描次数对弯曲效果的影响也比较明 显。对于金属材料的研究发现，当沿同一扫描线对板材进行重复扫描时，扫描次数与弯 曲角度呈近似的线性关系，而且第一次扫描板材产生的弯曲角度最大。 材料的热物理性质和力学性能对激光弯曲的影响较为复杂，目前尚无法对此进行定 量分析。主要包括材料的热膨胀系数、比热容、热传导系数、屈服极限、弹性模量和硬 化指数等因素。大量实验证明：材料的屈服强度越低，弹性模量越小，材料抵抗变形的 能力越小，越容易获得大的弯曲角度；热膨胀系数与弯曲角度之间成近似正比关系；板 材的弯曲角度随密度、比热的减小而增大，两者之间呈线性关系；热传导系数与板材弯 曲角度之间呈近似对数关系，随着热传导系数的增大，板材的弯曲角度迅速减小。另外， 吴诗悖等学者通过定义指数r ( r = 锄p c p ，其中锄为热膨胀系数，p 为密度，印为 比热) 来研究材料性能参数对弯曲角的影响，弯曲角度随着指数r 大致呈比例增长【1 8 1 。 影响激光弯曲角的几何尺寸因素主要是金属板材的宽度和厚度。板材的弯曲角度随 板厚的增大而迅速减小，并且对应于一组加工工艺参数，总存在一个板材临界厚度值， 超过此厚度时板材不产生弯曲变形。板材宽度对弯曲角度的影响也很大，通常激光束的 直径很小，使得同一时刻被加热材料的范围很小。当加热处产生塑性变形时，其他在宽 度方向上还没有被照射到的材料和已经扫描过的区域对变形起抑制作用，它对正在变形 的材料起了一个刚端作用，阻碍其变形的进行，板材越宽，这种刚端作用越明显。实验 证明，刚端对加热过程中反向弯曲倾向的阻碍作用大于冷却过程中的正向弯曲倾向的阻 碍，所以板材越宽，通常所获得的正向弯曲角便越大，但当板宽超过一定值时，其影响 不再显著【1 9 】。 1 2 2 激光弯曲成形机理研究 如前所述，激光热成形属于瞬态热弹塑性问题，是一个非常复杂的热力耦合过程， 不同的工艺参数，不同的板材几何参数以及不同的材料热物理性质都会导致不同的成形 大连理工大学硕士学位论文 效果。在板材的激光成形研究中，弯曲机理是成形的基础与关键，只有清楚弯曲成形的 机理才能实现精确复杂的成形效果。很多国内外学者以激光为热源对金属板材热成形机 理进行了大量的研究 2 0 - 2 2 ，目前，国际上普遍认可的主要有三种弯曲机理：温度梯度机 理( t e m p e r a t u r eg r a d i e n tm e c h a n i s m ，t g m ) 、翘曲机理( b u c k l i n gm e c h a n i s m ，b m ) 和增厚机理( u p s e t t i n gm e c h a n i s m ，u m ) 。 1 2 2 1 温度梯度机理 温度梯度机理是目前板材激光正向弯曲成形领域最主要的成形机理，其特点是激光 加工过程中在板材的厚度方向存在较大的温度梯度。一般光斑直径与板材厚度处于同一 个数量级，同时扫描速度必须足够大以使厚度方向保持一定的温度梯度，弯曲成形时， 扫描轨迹处有轻微的材料堆积且弯曲半径与样品厚度接近。 图1 4 温度梯度机理 f i g 1 4t e m p e r a t u r eg r a d i e n tm e c h a n i s m 如图1 4 所示，当样品在有限的区域内被激光辐照时，样品的上表面瞬间被加热至 高温状态，而下表面温度较低，此时在加热区域的厚度方向上形成很大的温度梯度。板 材上表面的膨胀量远远大于下表面，从而使板材产生背向激光束绕扫描线的弯曲，而上 表面的膨胀会被周围未辐照区域的材料所限制，于是在加热区域产生压缩应力。而此时 该区域材料的屈服极限也会下降，当压缩应力的大小超过材料的屈服极限时，样品便产 生永久的塑性变形，形成上表面材料的少量堆积( 如图1 4 ( a ) 所示) 。在冷却阶段， 温度梯度逐渐变小，上表面材料温度降低，体积开始收缩，屈服极限升高，相反，此时 下表面因热传导而温度升高，开始膨胀，材料屈服应力降低而易于变形，使板材产生绕 扫描线同时面向激光源的正向弯曲( 如图1 4 ( b ) 所示) 。 硼硅酸盐玻璃薄片激光弯曲成形研究 1 2 2 2 翘曲机理 当激光光斑直径与样品厚度比值较大且扫描速度相对温度梯度机理较慢时，板材厚 度方向产生的温度梯度较小，板材平面内产生的热应力导致材料翘曲产生背向激光束的 弯曲，此时翘曲机理起主要作用。 图1 5 翘曲机理 f i g 1 5b u c k l i n gm e c h a n i s m 翘曲机理示意图如图1 5 所示。激光照射板材使表面材料迅速达到高温，高温导致 的膨胀及周围冷态材料的限制使得加热区域内产生很大的压缩应力。由于激光扫描速度 较慢，且光斑直径大于板材厚度，所以板材上下表面达到的温度都比较高，相应温度下 材料的屈服强度也都比较低，于是材料很容易发生翘曲，但是上表面由于激光的直接照 射，同一时刻的温度总要比下表面材料的温度高，相应的屈服强度也更低，所以板材的 翘曲一般是朝向激光束的方向。激光扫描过后的冷却阶段，由于扫描速度较慢，材料的 温度降低在一个相对较长的时间内完成，上下表面的温度差不足以实现温度梯度机理下 产生的正向弯曲，所以，板料最终的弯曲方向一般为反向弯曲。 1 2 2 3 增厚机理 当板材厚度大于激光光斑尺寸且激光功率较大，同时激光扫描速度相对于材料热传 导速度较小时，板材在厚度方向上产生几乎均匀的温度分布。随着温度升高，材料的屈 服极限下降，但是由于板材受热区域相对材料厚度来说较小，激光扫描过程中产生的弯 曲力矩不足以克服周围冷态材料的刚端抑制作用，无法像较薄板材那样产生翘曲，故一 般不产生弯曲，只在扫描轨迹上产生材料的堆积而导致板材变厚，同时板材在长度方向 上产生缩短。增厚机理示意图如图1 6 所示。 大连理工大学硕士学位论文 图1 6 增厚机理 f i g 1 6u p s e a i n gm e c h a n i s m 1 2 3 激光弯曲材料性能检测 激光弯曲成形过程中，板材局部经历骤热骤冷的温度变化，伴随着结晶退火以及相 变等现象，势必会对材料的微观结构与性能产生一定的影响。材料性能的变化直接关系 到弯曲成形零件的使用状况与寿命，是决定某种加工方法成败的关键因素。因而，为了 确保激光弯曲成形后的零件相关性能满足工作需要，必须要研究激光扫描对材料微观结 构和相关性能的影响规律。 m e r k l e i nm 等人采用n d ：y a g 激光器对铝及铝合金的激光弯曲成形进行实验，研 究了其显微组织的变化。在表面不熔化的情况下，控制激光工艺参数，能使铝及铝合金 弯曲1 0 - 5 0 。，弯曲过程使热影响区的晶粒结构发生变形，并使材料力学行为以及显 微组织发生变化。实验中发现a a l 0 5 0 铝合金在成形后发生硬化，通过电镜分析，其 原因是成形时运动位错的缠绕和增殖造成加工硬化以及显微组织变化形成的1 2 3 1 。 c h e n gj 和y a oyl 等学者探究了多次扫描中冷却方式对微观结构和材料性能的 影响，多次扫描对材料机械性能的影响以及金属相变对材料流动应力的影响规律，并建 立了激光热成形过程热一微观结构一力模型 2 4 - 2 6 j 。 h uz 等学者利用c wn d ：y a g 激光器，以功率为2 5 0 - - 一8 0 0 w ，扫描速度为1 0 6 0 m m s 的参数，对不锈钢板的微观组织进行了研究，研究发现，激光成形对材料性能 没有负面影响1 27 。 王新平等学者通过对船用t i 合金火焰加热成形工艺性能的研究，得到了不同水火 弯板工艺参数对合金组织和性能的影响。在6 0 0 9 0 0 温度范围内进行水火弯板时，合 金的性能同常温力学性能相比，既有所升高，而c r n ：和反均有较大幅度的下降；随着加 硼硅酸盐玻璃薄片激光弯曲成形研究 热次数的增加，合金的和o o 上逐渐升高，而磊逐渐降低；当温度超过7 0 0 c 时，由于 在较高温度下加热后其表面产生的脆性层和晶粒长大，合金的抗弯性能有较大程度的下 降；7 0 0 - - 一9 0 0 加热后合金的表面组织均出现不同程度的粗化，其组织形态表现为魏 氏体组织，且随着温度的升高和加热次数的增加，魏氏体条呈现逐渐变大的趋势1 2 引。 管延锦教授等用4 硝酸酒精溶液腐蚀激光成形后的板材，在m e f 3 a 型金相显微 镜下研究了0 8 f 板材的微观组织与显微硬度。由于激光束扫描金属板材时，使板材经 历了加热与冷却两个不同阶段，板材的上表面被高能激光束照射后，表层材料迅速升温， 在极短的时间内达到非常高的温度，超过了材料的相变温度，而下表面温度相对较低， 因此在厚度方向上加热区的金相组织的分布呈现一定的层次性。与原始组织相比，板材 上表面组织虽也为珠光体与铁素体，但珠光体的数量增多，同时铁素体晶粒细化，从而 改善了材料的组织。板材的显微硬度与变形前相比，沿厚度方向不同位置处均高于变形 前。 1 2 4 脆性材料激光弯曲的研究现状 现阶段，对于激光弯曲的研究主要集中在金属材料和合金材料( 铝合金，钛合金等) 等塑性变形材料方面，对脆性材料很少涉及。而脆性材料( 如硅片、玻璃、陶瓷等) 以 其本身的性能特点，在航空航天、通讯、医疗卫生及微电子领域有着越来越广泛的应用。 越来越多的学者开始了对激光加工脆性材料的研究。到目前为止，对于脆性材料激光弯 曲成形方面的报道主要集中在国外。 德国的l 6 s c h n e ru ，e x n e rh 等学者在上世纪末对硅片在高温情况下塑性变形的可 行性进行了实验研究，提出了采用激光技术对脆性材料进行弯曲的想法，接着在后续研 究中，他们利用y a g 激光器，对单晶硅进行了一系列实验，分析了激光能量、扫描次 数、扫描速度、样品厚度等对弯曲角度的影响，同时进行了相关的理论分析和数值模拟， 并且初步确定了硅片的弯曲机理和金属材料弯曲机理的相似性【3 4 1 。其弯曲样品如图 1 7 所示。 大连理】大学硕 学位论文 塞型 _ 嘲峨峭_ 舢矗k 了 l - r e l 一 落 图i7 激光弯曲成形的硅片 f i g 17 b e n d i n g s i l i c o ns h e e t s 时l a s e r 美国普渡大学的r i c h a r dxz h a n g ，x i a n f a nx u 等人利用多种激光器，采用连续和 脉冲两种激光模式，分别对陶瓷、玻璃、硅片的弯曲成形进行了实验对比研究，对激光 能量、扫描速度、扫描线距的影响进行了初步分析，得到了每种材料不同的成形特点。 其利用小功率c 0 2 连续激光( 最大功率l o w ) 对玻璃弯曲进行尝试，阻02 8 w 的功率 和1 2 r a m r a i n 的扫描速度实现了s i 0 2 玻璃薄片的微弧度量级弯曲，并指出进一步增大功 率和扫描次数可以得到以度为量级的弯曲角，此外，其对陶瓷和硅片弯曲也进行了相关 的实验及数值模拟研究” 7 1 。 i b ma l m a d e n 研究中心的a n d r e wct a m 等学者利用y a g 激光实现了微小陶瓷件 的弯曲，成功地将弯曲精度控制在纳米量级，并将其应用于磁盘驱动器中磁头滑片的批 量生产口8 驯。其弯曲示意图如图i8 所示。 s l i t i e i ，：b e a d 圈18 磁头滑片弯曲示意图 s c h e m a t i c d i a g r a mo f l a s e rb e n d i n gc e r a m i c m a g n e t i cs l i d e r s 硼硅酸盐玻璃薄片激光弯曲成形研究 国内大连理工大学吴东江教授科研小组利用n d ：y a g 长脉冲激光对硅片弯曲进行 了研究，讨论了激光参数对硅片弯曲角度的影响，对弯曲样品进行了表面形貌以及晶相 等特性分析，并根据激光弯曲硅片的实验现象，运用位错理论分析弯曲过程r f 】位错对弯 曲成形的影响 4 0 4 z 。其弯曲样品如图19 所示。 国19 硅“弯曲样i 铺 f i g 19 b e n d i n gs p e c i m e n o fs i l i c o ns h e e t 上述各学者的工作主要是针对硅片、玻璃以及陶瓷等脆性材料激光弯曲成形的可行 性研究，结果证明激光弯曲技术完全适用于脆性材料的无模成形，并具有传统加工方法 不具有的柔性大、精度高等优点。但上述研究对激光成形工艺参数的影响规律以及材料 弯曲后的微观结构与性能变化涉及较少，需进一步深入研究以促进脆性材料激光弯曲成 形的实际应用。 1 3 论文的研究背景及主要工作 课题来源于高等学校博士学科点专项科研基金( n o2 0 0 7 0 1 4 1 0 0 2 ) 和辽宁省自然科 学基金( n o2 0 0 6 2 1 7 8 ) “硬脆材料激光弯曲成形机理与技术”。 随着制造技术和材料科学的发展，脆性材料如陶瓷、玻璃、硅片等在信息、通讯、 原子能、电子技术和生物化学等新领域有着越来越广泛的应_ l j 。在这些领域不仅需要平 面的脆性材料器件，而且增加了对弯曲器件、复杂曲面器件以及微弧度f | 面的需求。由 于所需材料的脆性特点及相对较小的样品尺寸( 微米量级) ，如果采用传统的外力成形 会导致材料破坏，而且温度控制较难实现；若采用化学 段则需要较长的制造周期，控 制的难度很大且有环境污染。激光弯曲成彤技术基于其木身柔性大，无污染等优点，为 这些复杂微小器件的快速成形提供了一种新的加工手段。这种将1 统制造技术移植到微 制造领域的方法，节约了生产时u ，降低了生产成本，为绿色徽制造领域的进一步发胜 奠定了良好的基础。 大连理工大学硕士学位论文 基于现阶段脆性材料加工的特点，本课题对在高科技领域有广泛应用的硼硅酸盐玻 璃材料的激光弯曲成形进行研究，主要进行以下研究： ( 1 ) 利用c 0 2 激光分别对硼硅酸盐玻璃薄片进行正向与反向弯曲成形实验，获得 适合正向及反向弯曲的成形工艺参数，并研究各工艺参数以及样品几何尺寸对弯曲效果 的影响。 ( 2 ) 分析玻璃薄片正向与反向弯曲机理，并利用有限元分析软件a n s y s 分别对玻 璃薄片正向与反向弯曲成形进行数值模拟，通过模拟结果分析样品厚度方向温度梯度及 应力应变场的分布，对弯曲机理进一步确认。 ( 3 ) 利用红外光谱、x 射线衍射、扫描电镜等手段对激光扫描弯曲后的硼硅酸盐 玻璃薄片微观结构变化进行检测分析。 硼硅酸盐玻璃薄片激光弯曲成形研究 2 硼硅酸盐玻璃薄片激光弯曲成形实验条件及数值模型建立 2 1 实验条件 实验条件的准备主要包括激光加工设备的选择、样品的制备和弯曲角度的测量等。 实验主要针对不同尺寸的硼硅酸盐玻璃薄片进行弯曲加工，依据玻璃材料的特性选择 c 0 2 激光加工设备，并通过几何方法计算出弯曲样品的弯曲角度。实验过程示意图如图 2 1 所示。 图2 1 激光弯曲成形示意图 f i g 2 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo fl a s e rb e n d i n gp r o c e s s 2 1 1激光加工设备的选择 光照射玻璃后，玻璃将吸收一部分光的能量，使自身温度升高。这是由于原子中电 子受光能激发，在电子壳层能态间跃迁，使电子的振动能转变为分子运动的能量，即玻 璃将吸收光能变为热能放出。一般情况下，玻璃对光的吸收率主要取决于入射光的波长 与材料成分化学键的振动波段，二者的值越接近，吸收率就越甜4 3 1 。 实验用硼硅酸盐玻璃材料主要成分为s i 0 2 ，而s i o 振动波段在9 1l i m a ，其键能 为4 7 e v ，欲对其进行有效加工需选择波长与其振动波段相近的激光。常用的n d ：y a g 激光、准分子激光和半导体激光等的波长短、频率高，硼硅酸盐玻璃材料对其的吸收率 比较低，一般不利于玻璃的热加工。而c 0 2 激光的波长为1 0 6 1 x m ，单光子能量为5 0 e v ， 与4 7 e v 的键能相接近，故硼酸盐玻璃对其的吸收率较高4 6 1 ，因而实验过程中选择 c 0 2 激光作为热源进行玻璃薄片的弯曲成形。 大连理工大学硕士学位论文 实验用激光加工设备为大连理工大学工程训练中心提供的c l s 2 0 0 0 - - 1 2 0 0 型c 0 2 激光加工机( 北京神州镭神激光技术有限公司) ，激光波长1 06 岫，最大功率7 5 w ， 功率稳定度为2 ，p c - - b a s ec n c 控制器，驱动程序为镭神切割，雕刻软件3 0 。设 备如图2 2 所示。 图22 激光加工设备 f i g2 2 l a s e r p r o c e s s i n ge q u i p m e n t 21 2 实验样品的制备 实验用样品为硼硅酸盐玻璃盖玻片，厚度1 5 0 p m ，主要化学组成( 质量分数) 为 s i 0 27 48 b 2 0 3 1 47 ，n a 2 045 ，b a o2 0 ，k 2 005 ，其它35 。其密度为 2 2 0 0k g m3 。原始样品如图23 所示，实验中根据不同的实验目的制作不同尺寸的样 品。激光扫描前对玻璃样品进行酒精清洗。 图23 硼硅酸盐玻璃盖玻片样品 f i g2 3 s p e c i m e n o f b o m s i l i c a t eg l a s s 硼硅酸盐玻璃薄片激光弯曲成形研究 硼硅酸盐玻璃具有良好的热稳定性和化学稳定性，已在仪器玻璃、器皿玻璃等领域 得到了广泛应用，其中包括普遍皆知的派莱克斯玻璃。一些硼硅酸盐玻璃可用于电子工 业封接金属和其它材料，还可用作核裂变废料的玻璃化处理。随着玻璃材料和成形工艺 的发展，硼硅酸盐玻璃将在更多的领域得到应用【4 m 引。 实验中样品采用单端固定方式，先把样品固定在载玻片衬底上，再将载玻片固定于 工作台。为防止样品加工过程中受外力影响，实验期间不开启吹气、排风装置。扫描路 径采用直线往返扫描方式，且扫描位置保持不变。 2 1 3 弯曲角度的测量 弯曲角度作为实验最主要及最直观的评定结果，其测量方法如图2 4 所示，通过测 量长度三及自由端翘起高度h ，可由公式( 2 1 ) 计算得出弯曲角度口。实际测量过程中， 为方便测量将三和h 放大相同的合适倍数以保证测量精度。 口= a r c s i n ( h l ) ( 2 1 ) 图2 4 弯曲角度测量示意图 f i g 2 4 s c h e m a t i cd i a g r a mo fb e n d i n ga n g l em e a s u r e m e n t 2 2 激光弯曲成形有限元分析数值模型 激光弯曲成形是一个复杂的瞬态热力耦合过程，材料的热物理性能及机械性能随温 度而不断变化，应力和应变关系呈现高度的非线性，要想全面准确地了解弯曲成形机理， 仅靠实验研究很难实现。随着弹塑性理论的不断完善及计算机技术的发展，有限元数值 模拟作为成形优化的强有力工具，在激光热成形领域有着极为广阔的应用前景。利用有 限元实现玻璃薄片激光热成形过程的数值模拟，能够定量地表示加工过程中温度、应力 和位移的空间分布与时间变化历史情况，从而揭示弯曲成形机理及不同工艺条件对样品 温度分布规律和变形规律的影响。 本文以大型有限元软件a n s y s 为分析平台，基于大变形弹塑性有限元理论，采用 热一结构间接耦合非线性分析方法，建立了玻璃薄片激光弯曲成形的有限元模型，利用 大连理工大学硕士学位论文 其功能强大的后处理系统对模拟结果进行分析和处理，为研究玻璃薄片激光弯曲成形机 理提供了方法。 2 2 1 有限元激光加热与传热求解 对于各向同性的匀质材料，热传导微分方程的一般形式为： p c 丝o t = 旦o x i 豢 + 昙卜茜 + 丢i 望o z + q ( w 石r ) c 2 、 l 彘j 钞l砂j 瑟lj 。p “叫 一7 式中p 为材料密度，c 为定压比热容，丁为温度，t 为时间，k 为材料传热系数，q 为材 料单位时间单位体积的发热量。对于激光加工，材料生热与外加载荷相比很小，可以忽 略，即q = 0 。 温度计算的有限元基本方程为； 【c 】 丁 + k 】 丁) = q ( 2 3 ) 式中陶是热传导矩阵； c 】是比热容矩阵；r 和r 是节点温度和节点温度对时间的导数； q 是热流矢量。 变形弹塑性有限元方程可描述为： 旧= q ) ( 2 4 ) 式中：【七 是切线刚度矩阵；a 8 ) 是节点位移增量； q ) 是力矢量，包括节点力矢量和 热应变引起的力矢量。 联立温度有限元方程和变形有限元方程可得到热力耦合计算的基本方程4 9 。5 0 】： 三j f ：j ； + 塞j 禺 气装 = a q c 2 5 ， 2 2 2 创建模型 激光弯曲过程中的温度场与应变场是相互耦合的，模拟过程的控制方程中既包括温 度场的热传导方程也包括应变场的热弹塑性运动方程以及各自相对应的初始条件和边 界条件。因此，温度场与应变场不能独立解算而必须通过耦合求解来得出。 a n s y s 考虑两个或两个以上的物理场之间的相互作用有直接耦合与间接耦合两种 方法。相对于直接法，间接耦合具有更高的效率，而且不需要特殊的单元类型。因此论 硼硅酸盐玻璃薄片激光弯曲成形研究 文中采用间接耦合法进行分析。首先进行热分析，然后将求得的节点温度作为体载荷施 加到模型中再进行结构应力分析。 作为前处理的重要组成部分，有限元模型的建立主要包括单元类型选取与设置，材 料热性能参数定义以及模型创建与网格划分。 2 2 。2 1单元类型选取与设置 热力耦合分析过程中存在热分析单元与结构分析单元的转换问题，常用的实体单元 转换组合有s o l i d 6 9 s o l i d 4 5 、s o l i d 7 0 s o l i d 4 5 、s o l i d 8 7 s o l i d 9 2 、 s o l i d 9 0 s o l i d 9 5 。考虑到玻璃样品的三维规则长方体结构，为提高分析的效率与精度， 选择s o l i d 7 0 s o l i d 4 5 作为热力耦合分析的单元类型。其中s o l i d 7 0 以温度为自由度， 为三维8 节点六面体单元( 如图2 5 ( a ) 所示) 。该单元输出结果包括节点温度、温度 变化率的分量、质心处温度的向量以及热通量分量等，可用于三维的稳态或瞬态的热分 析问题，并可补偿由于恒定速度场质量输运带来的热流损失，也能进行多种载荷耦合的 实体单元。s o l i d 4 5 以位移为自由度，为三维8 节点实体结构单元( 如图2 5 ( b ) 所示) 。 该单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变的特征，比较适合激光弯曲 成形的模拟。 f i g 2 5 s t r u c t u r em o d e l so fs o l i d 7 0