激光加工石英玻璃小孔的研究.pdf

湖南大学 硕士学位论文 激光加工石英玻璃小孔的研究 姓名：曹茂林 申请学位级别：硕士 专业：机械制造及其自动化 指导教师：陈根余 20070501 硕士学位论文 摘 要 石英玻璃已有 160 多年历史，由于其优良的物理性能，在国防、化工、医疗、机械 等各个领域方挥着极为重要的作用但是，石英玻璃是一种硬脆性材料，容易在外力作 用下破裂，传统的机械加工方式难以高效的对其进行加工，特别难在石英玻璃上加工小 孔 本文从它良好的热性能出发，提出一种新型的加工石英玻璃小孔的方法——激光 加工 激光加工是一种热加工，为了了解在加工过程中石英玻璃温度场以及热应力的变 化，采用了 ANSYS 建立了有限元模型，并推导了有限元方程，计算了激光加工过程中 的热对流系数，分析了在不同功率下、不同激光作用下温度场的变化，对激光作用形成 的小孔进行了仿真阐述了热加工产生热应力和热变形的原因，将分析温度场的有限元 模型的热分析转变为结构分析，对加工过程中产生的热应力和热变形进行了研究模型 的建立和分析，对激光加工小孔的加工参数的选用有一定的指导意义 仿真完毕之后，进行了多组激光参数的加工石英玻璃的试验。

采用激光脉冲的方 式，研究了石英玻璃被加工成形的小孔形状及锥度和激光功率密度的关系，并用 MATLAB 绘制了曲线图采用连续激光切割小孔的方式，研究了激光功率、离焦量、 小孔形状和锥度之间的关系，绘制了相应的曲线图在最后提出了 2mm 厚石英玻璃片 激光加工小孔的合理参数 本文还对激光加工石英玻璃小孔的裂纹问题进行了初步的探讨由于石英玻璃的 热膨胀系数极小，在显微镜下面没有观察到裂纹，并且通过试验研究发现，激光切割石 英玻璃厚板时，如果未切透，则出现裂纹，若切透则不出现裂纹 关键词：石英玻璃，激光打孔，激光切孔 I 激光加工石英玻璃小孔的研究 Abstract Quartz glass has been invented before 160 years, because of its excellent physical capability, it is a very important kind of nonmetal material. Quartz glass is rigid and brickle, it is so frangible that mechanized progressing is very hard to machining it, especially drilling. This paper has found a new technology—laser progressing to machining the pinhole of quartz glass because of its excellent physical capability. Laser progressing is thermal machining, basing on ANSYS, the finite element modeling has been built for researching temperature field and thermal press of quartz glass. Firstly, the finite element equation is guided, thermal convection coefficient is calculated, the pinhole is emulated which was formed by laser. And then, the reasons of how the thermal press and the thermal displacement produced are explained. Thermal analysis is transformed to structure analysis for researching the thermal press and thermal displacement. Building and analyze the molding are propitious to choosing the best parameter of laser progressing. Then, using pulsed laser and continuous laser cutting progressing pinhole is experimentalized to analyze the connection among the pinhole figure of quartz glass and laser’s power and its focal position, then the connection curve figures are described by MATLAB, the best laser progressing parameter is mentioned for 2mm thickness quartz glass at last. Finally, the problem of quartz glass’s crackle because of laser processing is primary researched. The crackle isn’t found behind microscope, because the thermal expanded coefficient is very small. But if the thick quartz glass isn’t penetrated by laser cutting, the crackle can be aroused easily. Key Words: quartz glass, laser drilling, laser cutting pinhole II 硕士学位论文 湖湖 南南 大大 学学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅本人授权湖南大学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 本学位论文属于 1、保密□，在______年解密后适用本授权书 2、不保密□ （请在以上相应方框内打“√”） 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 I 硕士学位论文 第1章 绪论 激光与材料相互作用的物理力学基础，本质上是电磁场（光场）与物质结构的相互 作用，尤其是共振相互作用及能量转换过程的原理实质上就是光学、热学、力学等学 科规律的交叉耦合过程，称之为激光材料工艺力学的动力学过程。

当一束空间强度和时间特性分布确定的激光照射到金属表面时， 随着照射时间的推 移将可产生如下几个过程：冲击强化过程、热吸收过程、表面熔化过程、气化过程、复 合过程[1] 1.1 激光作用的物理过程描述 激光束与材料相互作用过程可形成多种加工工艺，例如，有的要求激光对材料加热 并去除材料，如打孔、切割、和表面清除等；有的要求将一种或多种材料加热到熔化程 度而不要求去除材料，如焊接和合金化等连接过程；有的则要求加热到一定温度使材料 产生改性（金属组织相变） ，如表面强化和硬化等在激光切割、焊接和打孔等工艺中， 它们所涉及的激光与物质（材料）相互作用的原理是类似的下面就激光与材料相互作 用的物理过程作一个简单的描述 1.1.1 激光能量的吸收 当一束激光束照射到材料表面时，除一部分光子从材料表面反射外，其余部分能量 透入材料内部而被材料所吸收，透入材料内部的光通量主要对材料起加热作用不同材 料对不同波长入射光的吸收与反射有着很大差别[1] 一般而言， 导电率高的金属材料对光波的反射率也高， 表面光洁的材料反射率也高， 表面粗糙、具有人为涂层的表面、加工中金属表面形成的液相和气相等都有利于提高材 料对光能的吸收。

1.1.2 材料的加热 多数金属的吸收系数/cm 5 1010a =∼ 6[2]吸收过程仅发生在被照射金属材料厚度为 0.01~0.1m的范围内，被称为金属的趋肤效应激光束在很薄的金属表面层内被吸收， 使金属中自由电子的热运动能增加，并在与晶格碰撞中在很短时间内 10-11~10-10s把电子 的能量转化为晶格的热振动能结果引起材料温度的升高，然后按热传导的机理向周围 1 激光加工石英玻璃小孔的研究 和内部传播，从而改变材料表面及内部各加热点的温度 非金属材料的导热性一般很小，在激光照射下，其加热不是依靠自由电子在激光 波长较长时，光能可以直接被材料的晶格吸收而使热振荡加剧在激光波长较短时，光 能激励原子外层电子这种激励通过碰撞而传播到晶格上（其中包括金属掺杂的影响） ， 使光能转换成热能 1.1.3 材料的熔化与气化 由激光照射引起材料的破坏过程，是指在足够高的功率密度的激光束照射下，靶 材（被加工材料）表面达到熔化和气化温度，从而使材料气化蒸发或熔融溅出，与此同 时靶材内部的微裂纹与缺陷由于受材料熔凝和其他场强变化而进一步萌生和扩展， 从而 导致周围材料的疲劳和破坏的动力学过程。

激光功率密度过高时，材料在表面上气化， 而不在深层熔化如果功率密度过低，则能量就会扩散分布和加热较大体积，这时会使 焦点处熔化深度很小 金属材料在系列脉冲激光束的作用下，当第一个脉冲到达材料表面并被吸收时，由 于材料表层的温度梯度很陡，表面上先产生熔化区域，接着产生气化区域当下一个脉 冲来临时，光束能量在熔融状材料的一定厚度内被吸收，此时较里层材料就能达到比表 层气化更高的温度，使材料内部气化压力加大，促使材料外喷，把熔融状的材料也一起 喷了出去所以在一般情况下，材料是以蒸汽和熔融状两种形式被去除的如果功率密 度更高而脉宽很窄时，在很短时间内多次将气化能量输给材料，这就会在局部产生过热 现象，从而引起爆炸性的气化，此时材料完全以气化的形式被去除而几乎不出现熔融状 态 非金属材料在激光照射下的破坏效应十分复杂，不同的非金属之间又有很大差别 一般来说，非金属材料的反射率比金属低得多，因而进入非金属材料内部的激光能量就 比金属多得多加上非金属材料的导热性较差，使得“热影响区”的动力学过程与金属材 料有本质上的差别 实际激光加工中所使用的激光器的工作方式，一般有脉冲方式和连续方式两种，而 不同的加工方式要求输出功率和脉冲特性也不尽相同。

目前激光材料工艺力学的主要应 用方向[3]，包括激光材料表面工程、激光材料去除过程（激光打孔和激光切割等）和激 光材料连接过程（焊接、快速原型制造等）等 1.2 激光加工的国内外发展现状 1960 年， 美国加利福尼亚休斯研究试验室发明了世界上第一台红宝石激光器 1963 年，帕特尔（C.Patel）发明了第一台CO2激光器，第一台Nd：YAG激光器于 1964 年问 。