水导激光微细加工技术研究

论文摘要

针对MEMS(Micro Electro Mechanical System)器件制造出现了许多新型微细加工方法,如LIGA(Lithograthie Galvanoformung Abformung)加工、电火花微细加工、电化学微细加工、激光微细加工、水导激光微细加工等。近年,随着微电子硅基材料加工业、精密医疗器械制造业的兴起,水导激光微细加工技术得到迅速的发展,其特有的加工能力能保证高加工精度、高加工速度、极小加工作用力、极小热影响区、无残余应力、无裂纹。目前,瑞士的SYNOVA公司有较成熟产品,但价格非常昂贵。基于以上现状,本文在国内外相关研究的基础上,深入开展了水导激光微细加工的理论、仿真和试验研究。建立了加工仿真模型,设计制造了完整、性能稳定可靠、成本较低的水导激光微细加工系统,通过试验得到了优化的加工工艺参数并加工出品质优异的样件。首先,在总结国内外研究基础上,研究了水束光纤的耦合原理,包括耦合对准、全反射最大入射角、多模光纤传输和激光能量在水束中的衰减、受激拉曼散射等。研制了耦合状态检测和调整系统,该系统基于CCD机器视觉采集到的耦合状态图像,采用自行开发的图像处理软件,能够实现实时、快速、准确的耦合对准和加工状态监测。对高速稳定水射流束的流体动力学原理进行研究,研究了影响水束稳定性的因素、缩流原理、空化原理,通过应用FLUENT有限元分析软件针对本文设计的高压水射流液压系统进行流体动力学仿真,得到能够形成理想射流状态的合理液压参数。应用仿真的结果,实验得到了稳定长度超过100mm、流速超过100m/s的高速水射流。对激光与固体、液体的相互作用原理进行研究,应用ANSYS有限元分析软件仿真加工过程的温度场。采用了“单元杀死技术”仿真加工蚀除情况。仿真中激光能量依照水导激光微细加工特有的非高斯分布考虑。重点研究了高速水射流的冷却、冲击作用对热影响区分布、温度梯度大小和熔融产物生成的影响。其次,从实现水导激光微细加工的各项关键技术入手,设计并研制了一套水导激光微细加工设备。由脉冲式Nd:YAG激光系统、高压水液压系统、激光与水束光纤耦合系统、CCD机器视觉耦合状态检测和监控系统、计算机数控系统、数控工作台等几部分组成。激光与水束光纤耦合装置是该系统的关键部分。耦合装置内液体腔极小,腔内流场稳定、对称,激光穿过的水层厚度仅0.2mm。齐整的喷嘴孔口边缘保证返流式缩流射流的形成。采用添加望远镜部件和扩束器部件的Nd:YAG脉冲激光系统,聚焦激光束数值孔径合理,束腰直径小、焦深大,适合于水导激光微细加工。最后,为了掌握水导激光微细加工的工艺规律,针对所设计的系统进行了试验研究。研究各项加工参数对水束稳定性的影响规律,研究加工参数对激光光斑直径影响规律,对激光能量衰减规律,不同材料的加工效率。接着采用单因素法和正交试验法进行加工参数优化试验。最后通过采用优化参数加工硅基晶片和不锈钢1Cr18Ni9Ti样件,验证了水导激光微细加工系统优异的微小零件加工性能和广泛实用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 水导激光微细加工的国际国内研究现状及发展趋势
• 1.2.1 水导激光微细加工技术的国际国内研究现状
• 1.2.2 水导激光微细加工的发展趋势
• 1.3 水导激光微细加工的应用
• 1.3.1 高新电子产品关键部件加工
• 1.3.2 高精密医疗用品加工
• 1.3.3 大规模集成电路晶片切割
• 1.3.4 其他领域应用
• 1.4 课题来源及研究的目的和意义
• 1.5 主要研究内容
• 第2章 聚焦激光与水束光纤耦合技术研究
• 2.1 聚焦激光与水束光纤耦合原理
• 2.1.1 水束光纤耦合对准距离分析
• 2.1.2 形成导光水束光纤时激光最大入射角分析
• 2.1.3 水束光纤的多模传输分析
• 2.1.4 激光能量在水束光纤中的吸收衰减
• 2.1.5 激光能量在水束光纤中的散射衰减研究
• 2.1.6 水束光纤中的杂质粒子对激光能量衰减分析
• 2.2 聚焦激光与水束光纤耦合对准研究
• 2.2.1 耦合对准检测方案和检测系统设计
• 2.2.2 激光与水束光纤耦合调整技术
• 2.2.3 耦合对准状态图像采集和处理的软件实现
• 2.3 本章小结
• 第3章 水导激光微细加工水束光纤生成技术研究
• 3.1 水束光纤生成的流型分析
• 3.1.1 平口喷嘴内部流型
• 3.1.2 喷出速度分析
• 3.2 耦合腔内水流场和水束光纤流体动力学仿真研究
• 3.2.1 单入水口耦合腔内流场仿真
• 3.2.2 多进水口耦合装置腔内流场的仿真
• 3.2.3 压力脉动对流场的影响仿真
• 3.2.4 射流的两相流流场仿真
• 3.3 水导激光微细加工用水束光纤生成系统研究
• 3.3.1 高压稳压水液压系统研制
• 3.3.2 返流缩流型水束光纤实现技术研究
• 3.4 本章小结
• 第4章 激光和水束光纤耦合能量束对工件作用研究
• 4.1 激光与水束光纤耦合能量束与工件作用基本原理
• 4.1.1 激光与物质作用的基本原理
• 4.1.2 水导激光微细加工中的冲击波和空蚀作用原理
• 4.2 激光与水束耦合能量束与工件作用的传热学仿真
• 4.2.1 水导激光微细加工热传导数学模型
• 4.2.2 水导激光微细加工工件温度场的数值计算方法
• 4.2.3 水导激光微细加工工件温度场及蚀除仿真模型
• 4.2.4 水导激光刻蚀仿真过程及结果分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 水导激光微细加工系统和工艺试验研究
• 5.1 水导激光微细加工装置总体设计方案
• 5.2 耦合装置结构设计
• 5.3 水导激光微细加工试验方案
• 5.4 试验结果分析
• 5.4.1 水射流的稳定性
• 5.4.2 激光聚焦光斑烧斑直径与激光能量的关系
• 5.4.3 激光光斑烧斑直径与离焦量的关系
• 5.4.4 CCD耦合对中试验研究
• 5.4.5 激光能量在水束中衰减
• 5.4.6 不同材料的加工效果对比
• 5.4.7 热影响区及熔融产物
• 5.4.8 切割硅片各加工参数对加工效率的影响
• 5.4.9 切割不锈钢1Cr18Ni9Ti片正交分析
• 5.5 水导激光微细加工技术加工实例
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历