激光輔助水射流切割單晶硅的微槽特征模型和工藝參數(shù)優(yōu)化研究.pdf

1、激光加工作為非接觸式加工技術(shù)，具有無(wú)切削力、無(wú)污染、可加工硬脆材料等優(yōu)點(diǎn)，但是，激光加工是以燒蝕和汽化方式去除材料，材料切口附近不可避免地產(chǎn)生熱損傷，如熱影響區(qū)、重鑄層、熱裂紋和熱應(yīng)力等。為了最大限度減小熱損傷，本研究采用激光輔助水射流切割單晶硅技術(shù)去除材料，是利用材料隨溫度升高力學(xué)性能顯著下降這一特性，使用較低功率密度的激光對(duì)材料進(jìn)行加熱軟化，使材料溫度始終保持在熔點(diǎn)以下，材料不發(fā)生融化燒蝕;水射流束置于激光束后，利用水射流的沖擊力去

2、除加熱軟化的材料。同時(shí)水射流對(duì)激光加熱區(qū)域起到冷卻作用，將激光產(chǎn)生的熱量迅速帶走，降低熱損傷。
　　本文實(shí)驗(yàn)研究了激光輔助水射流切割單晶硅的微槽特征和工藝參數(shù)對(duì)微槽特征的影響。研究了工藝參數(shù)對(duì)微槽深度的影響，結(jié)果表明:微槽深度隨著激光焦平面位置和激光脈沖能量的增加而增大，隨著水射流偏置距離增加而先增大后減小，隨著水射流壓強(qiáng)和沖擊角度的增加而降低;由大到小的影響次序位為水射流壓強(qiáng)＞激光脈沖能量＞激光焦平面位置＞水射流偏置距離＞激光脈

3、沖重疊率＞水射流沖擊角度。研究了工藝參數(shù)對(duì)微槽寬度的影響，結(jié)果表明:微槽寬度隨著激光焦平面位置的變化而幾乎不變化，隨著激光脈沖能量和沖擊角度的增加而增大，隨著水射流偏置距離和水射流壓強(qiáng)的增加而減小;由大到小的影響次序位為水射流壓強(qiáng)＞激光脈沖能量＞水射流偏置距離＞激光脈沖重疊率＞水射流沖擊角度＞激光焦平面位置。研究了工藝參數(shù)對(duì)熱影響區(qū)寬度的影響，結(jié)果表明:熱影響區(qū)寬度隨著水射流偏置距離和水射流壓強(qiáng)的增加而降低，而激光焦平面位置、水射流沖擊

4、角度、激光脈沖能量和激光脈沖重疊率的影響甚微;由大到小的影響次序位為水射流偏置距離＞水射流壓強(qiáng)＞激光脈沖重疊率＞激光脈沖能量＞水射流沖擊角度＞激光焦平面位置。
　　本文利用量綱分析法，分別建立了微槽深度、微槽寬度和熱影響區(qū)寬度模型，揭示了微槽特征和工藝參數(shù)之間的定量關(guān)系。通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，微槽深度、微槽寬度和熱影響區(qū)寬度的實(shí)驗(yàn)值與理論值之間的平均相對(duì)誤差在15％以內(nèi)，驗(yàn)證了模型的可靠性?？捎糜陬A(yù)測(cè)激光輔助水射流切割單晶

5、硅時(shí)微槽特征和微槽質(zhì)量。
　　本文以微槽深度最大、微槽寬度和熱影響區(qū)寬度最小為優(yōu)化目標(biāo)，選用灰色關(guān)聯(lián)度法對(duì)正交實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸一化處理，并對(duì)各響應(yīng)目標(biāo)進(jìn)行了灰色關(guān)聯(lián)度求解，初步選出了實(shí)驗(yàn)樣本中的最優(yōu)工藝參數(shù)組合。進(jìn)一步求解灰色關(guān)聯(lián)度最大平均響應(yīng)值，預(yù)測(cè)出最優(yōu)工藝參數(shù)組合，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了工藝參數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果的有效性。在保證熱影響區(qū)寬度小于20μm的前提下，優(yōu)化了微槽深寬比，最佳工藝參數(shù)組合對(duì)應(yīng)的微槽深寬比為1.398,優(yōu)于之前預(yù)測(cè)得