石英玻璃表面的磨削裂紋激光修復(fù)和去應(yīng)力工藝技術(shù)研究.pdf

1、石英玻璃是典型的硬脆難加工材料，“緩進(jìn)給精磨成型—CO2激光修復(fù)表面磨削裂紋—塑性域超精密磨削”的工藝流程可以大幅度縮短大口徑非球面石英玻璃透鏡的生產(chǎn)周期。采用CO2激光輻照石英玻璃表面可以消除石英玻璃表面的磨削裂紋，但會(huì)在石英玻璃表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。本研究以降低裂紋修復(fù)后的表面粗糙度和消除殘余應(yīng)力為目標(biāo)，研究了石英玻璃表面磨削裂紋的激光修復(fù)工藝和修復(fù)后石英玻璃的低溫加熱去應(yīng)力工藝。
　　本研究構(gòu)建了激光修復(fù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)由激光

2、光源和光路、三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、控制系統(tǒng)三部分組成。利用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)成功進(jìn)行了石英玻璃表面磨削裂紋的激光修復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，在本激光修復(fù)工藝條件下玻璃亞表面不會(huì)產(chǎn)生微裂紋;闡釋了石英玻璃表面磨削裂紋的愈合機(jī)理。
　　建立了激光修復(fù)石英玻璃溫度場(chǎng)有限元模型，分析了激光修復(fù)工藝參數(shù)對(duì)修復(fù)過程中玻璃溫度場(chǎng)的影響。結(jié)果表明，能修復(fù)石英玻璃表面磨削裂紋的工藝參數(shù)均能使石英玻璃表面溫度處于2050K～2350K之間。研究了激光修復(fù)工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度

3、的影響。結(jié)果表明，修復(fù)后表面粗糙度隨著激光功率的增大先降低后增大，過大的功率會(huì)造成玻璃表面燒蝕;修復(fù)后表面粗糙度隨著激光光斑直徑的增大而降低;修復(fù)后表面粗糙度隨著掃描間隔的減小而降低;在0.05m/s～0.2m/s范圍內(nèi)，激光掃描速度對(duì)修復(fù)后表面粗糙度影響很小。
　　研究了激光修復(fù)石英玻璃過程中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因和修復(fù)后石英玻璃表面的激光加熱去應(yīng)力工藝。確定了石英玻璃的粘彈性本構(gòu)方程，建立了修復(fù)后的石英玻璃表面殘余應(yīng)力的有限元模型

4、，獲得了殘余應(yīng)力的分布規(guī)律;實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了有限元模型的正確性。揭示了激光修復(fù)后石英玻璃表面殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因是在石英玻璃轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)激光輻照引起了熱應(yīng)力的應(yīng)力松弛。實(shí)驗(yàn)研究了激光修復(fù)工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，殘余應(yīng)力隨著激光光斑直徑的增大而減小，隨著掃描速度的減小而減小。提出了采用較大光斑直徑、較小激光功率、較低掃描速度的激光加熱去應(yīng)力工藝，降低了激光修復(fù)過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果和有限元分析結(jié)果表明，該去應(yīng)力工藝能顯著降低修復(fù)

5、后石英玻璃的殘余應(yīng)力。
　　研究了激光修復(fù)后石英玻璃的電熱低溫加熱去應(yīng)力工藝，對(duì)低溫加熱去應(yīng)力工藝進(jìn)行了有限元分析。結(jié)果表明，在800℃下保溫12小時(shí)，然后以10℃/h速率降溫至740℃，可以基本消除石英玻璃中的殘余應(yīng)力，去應(yīng)力后石英玻璃的雙折射光程差降低至國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的應(yīng)力雙折射1級(jí)要求。
　　提出了采用微波加熱作為低溫加熱去應(yīng)力工藝的加熱方式，研究了高溫下微波加熱介質(zhì)（SiC粉）對(duì)石英玻璃表面的元素污染，結(jié)果表明高溫下微