基于吸收系数修正的硅片激光弯曲模拟与实验

考虑热吸收系数随温度变化的因素,以硅为对象进行了激光弯曲模拟和实验。借助APDL语言编写了激光弯曲成形的仿真程序,对单脉冲作用过程进行模拟,以得到单点脉冲周期内的温度分布;采用NiCr／NiSi合金薄膜热电偶对单脉冲作用过程中的温度分布进行测量,对比上述的温度模拟与测量结果,修正硅材料的激光综合吸收系数为0．82。采用有限元分析软件实现了硅片的脉冲激光弯曲成形的仿真和模拟,并对硅片多次连续扫描的弯曲模拟与弯曲实验进行对比,误差仅为0．1°,验证了仿真程序的有效性,为硅片的激光弯曲成形提供了理论与实验依据。     

硅片激光弯曲成形的数值模拟与实验

介绍了一种利用脉冲激光塑性化弯曲单晶硅片的新方法。在分析和描述光脉冲时空特性的基础上,运用有限元分析软件ANSYS对硅片弯曲过程进行建模仿真,得到了脉冲激光弯曲过程中温度场与应力应变的仿真结果。对脉冲激光作用过程中温度场与应力应变的周期性瞬间变化特征进行了描述,指出了脆性材料硅片的脉冲激光弯曲机理不属于简单意义上的温度梯度机理或屈曲机理,而是二种机理共同作用的结果。通过6次扫描试验实现了对硅片的有效弯曲,弯曲角度达6.5º,仿真结果与验证性试验相符。     

C194铜合金薄材脉冲激光弯曲的变形特性研究

为研究C194铜合金薄材脉冲激光弯曲成形机理及其变形特性,基于ABAQUS软件对其成形过程进行了有限元数值模拟,并采用相同参数进行了脉冲激光弯曲成形试验。结果表明:扫描路径上脉冲点的温度表现出强烈的交替振荡现象,工件上下表面温度变化趋势较为一致,下表面的温度值低于上表面各点,上下表面都存在明显的边缘效应;随着脉冲激光光斑的移动,光斑前缘表现出一定的正应变分布,扫掠过的区域呈现负应变分布,稳定后各点的应变均为负值,且中点处应变相对最小;脉冲激光作用后,扫描路径上残余应变量整体增加了一倍多,而残余应力水平变化不大;脉冲激光弯曲成形的变形效果与脉冲次数存在着明显的线性关系,数值模拟所得试样变形效果与试验结果吻合较好。     

长脉宽脉冲激光硅片弯曲成形试验

利用毫秒脉宽Nd:YAG激光对硅片进行了弯曲试验,给出了长脉宽脉冲激光弯曲硅片的能量阈值条件。研究了长脉宽Nd:YAG激光脉冲频率和脉冲宽度参数对硅片弯曲角度的影响,同时说明了脉冲频率和脉冲宽度参数对弯曲角度的影响可以转换成扫描速度和功率密度对弯曲角度的影响,并对试验结果进行了分析,引入了脉冲占空比来表征能量的时域分布对弯曲现象的影响。试验结果表明,采用毫秒量级脉冲激光可以对硅片进行弯曲加工,弯曲角度可达20°以上。     

圆振荡激光束提高激光弯曲成形效率

激光弯曲成形技术常用的激光类型是点激光,在温度梯度机理的作用下单次成形角度有上限,在3°左右。为了增大点激光单次成形角度,提高成形效率,本文以不锈钢304板为对象,通过试验对比探索了将圆振荡模式应用于激光弯曲成形中以提高弯曲角方法的可行性;并且借助于三维视觉传感器测量板件在圆振荡激光束弯曲成形过程中的动态响应,从余热效应、吸收率等角度分析其弯曲成形机理。对比试验结果显示,在激光能量密度较高的情况下,圆振荡模式确实可以明显提高工件的弯曲角,增长率在60%左右。同时,三维视觉传感器的测量结果显示出了板件在成形过程中的复杂形变与角度变化过程：板件在长度与宽度方向上均产生了塑性变形,长宽形变比约为10∶1;单次扫描成形板件弯曲角增长过程呈现不同的增长曲线;多次扫描成形弯曲角分布不均衡。此外,板件厚度也逐渐增加,热影响区微观晶粒得到细化。为进一步理解圆振荡激光束弯曲成形过程与机理提供了试验支撑。     

异形件两道次拉深试验与有限元模拟

塑性成形领域中对钣金件非对称零件的两道次拉深成形一直是个难题。以非对称形件为研究对象,采用数值模拟和试验相结合的方法进行了研究。试验中采用网格法研究了两道次拉深后得到的成形件局部应变分布和第二道次成形件的壁厚变化。数值模拟中采用两道次连续成形的方法进行了仿真分析,根据仿真结果分析了成形性、应力、应变分布等,同时得到了对应试验结果仿真结果,并将试验结果和仿真结果进行了对比。结果表明,多道次有限元模拟中厚度变化与试验相差较小,可以通过有限元模拟预测多道次成形件厚度;多道次有限元模拟中应变分布与试验相差较小,可以通过有限元模拟预测多道次成形件成形性;采用多道次连续成形方法可以解决多道次成形中不同道次间材料属性变化难处理的问题。     

激光打孔过程的数值模拟

为描述Nd：YAG脉冲激光打孔过程中孔的形貌及温度场的变化规律,建立了三维激光打孔的物理模型,利用APDL语言进行编程,对激光作用区域施加高斯激光热流密度载荷,模拟打孔过程中的温度场分布,并利用单元生死技术模拟激光打孔形貌的变化过程。模拟结果：孔的形貌为圆锥形,光斑中心温度瞬间达到5．6×10^3℃,并以光斑为中心逐渐降低,等温线近似圆形.通过与实际打孔结果对比,发现模拟结果与试验结果相吻合。     

钛箔材激光微弯曲成形过程有限元模拟

激光弯曲成形是一种利用激光成形工件的柔性成形技术.建立了钛箔激光微弯曲成形的三维热力耦合有限元模型,采用大型非线性有限元软件ANSYS对其激光微弯曲过程进行了有限元模拟.通过模拟计算得到了钛箔激光微弯曲过程的温度场和位移场分布.结果表明:钛箔上下表面存在温度梯度,但由于钛箔厚度薄,热传导迅速,导致其z向位移出现波动.     

电熔爆加工温度场有限元模拟

根据电熔爆实际加工情形,建立了电熔爆单脉冲加工的物理模型和数学模型;采用有限元模拟的方法,通过建立有限元模型,模拟在高斯热源、对流换热载荷共同作用的情况下电熔爆三维单脉冲加工的温度场分布。根据模拟结果得出脉冲电压对温度场分布的影响,并与实验结果进行比较,验证了仿真模型的正确性,可用于指导电熔爆加工机理的深入研究。     

激光切割钕铁硼磁性材料温度场的仿真分析

为研究激光切割钕铁硼材料过程的温度场分布情况,综合考虑材料热物理性参数与温度的关系及相变潜热的影响,运用ANSYS有限元分析软件模拟激光切割钕铁硼过程,APDL编程语言实现热源的加载移动和对流换热加载。研究了脉冲激光作用下不同激光参数对工件最高温度的影响。模拟结果表明,温度分布表现为近似椭圆形状的温度扩散,最高温度集中在热源中心处;工件最高温度随着激光功率、脉冲宽度增大和切割速度的减小而增大,仿真结果为激光切割参数的合理选取提供一定的依据。     

板料激光曲线弯曲成形的数值模拟

基于非傅立叶热传导方程建立了板料激光曲线弯曲成形过程的三雏瞬态温度场以及形变场的有限元列式。在可以忽略材料因变形而产生内热的情况下，将板料激光曲线弯曲过程的温度场和形变场视为两个独立的子系统进行了分别求解，模拟了具有强烈瞬态非线性特征的板料激光曲线弯曲过程，从热力学角度揭示了板料激光曲线弯曲变形的内在机制。     

厚钢板激光多次扫描弯曲成形的研究

采用数值模拟和实验研究分析了厚钢板激光多次扫描弯曲成形过程中弯曲角度与激光扫描次数之间的关系。建立三维热力耦合有限元模型计算了成形过程的温度场、应力场和弯曲角度的变化,对不同厚度钢板的激光多次扫描弯曲成形过程进行了实验研究,模拟结果与实验结果符合较好。在相同的工艺参数条件下,钢板越厚,弯曲角度越小。钢板弯曲角度随激光扫描次数的增加而增大,但对不同厚度钢板,它们的变化规律不同。钢板下表面的应变强化是多次扫描过程中随扫描次数增加而弯曲角度增量减小的主要原因。     

采用马赫-曾德尔干涉法测量单晶硅在线应力损伤

开展了毫秒脉冲激光辐照单晶硅的实验研究,基于马赫-曾德尔干涉技术测量了毫秒脉冲激光与单晶硅相互作用过程中的在线应力损伤。用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件建立了毫秒脉冲激光辐照单晶硅的数值仿真模型。从理论和实验两方面探讨了毫秒脉冲激光与单晶硅作用时,相同脉宽不同能量密度下应力场随时间的演变规律。进一步研究了干涉条纹的处理方法,基于传统x轴投影法提出了用45°投影法来计算材料各方向上的应变,并对两种处理方法得到的实验结果进行了对比。结果显示:与仿真结果相比,x轴投影法实验结果的误差为9.5%~29.3%,而45°投影法实验结果的误差为0.1%~22.6%,表明用马赫-曾德尔干涉法测量激光辐照单晶硅产生的在线应力损伤时,采用45°投影法计算材料各方向上的应变结果更为准确。该实验和计算方法为单晶硅在线应力损伤的研究提供了理论和实验上的指导。     

管材激光弯曲的有限元分析

为了研究管材激光弯曲过程中的温度和应力情况,利用有限元软件ANSYS进行分析计算,采用APDL语言编写命令流,生成单元,模拟移动热源载荷.通过分析计算获取温度场,应力应变场的详细信息.分析结果表明管材激光弯曲成形过程中,管材先经历背向激光的弯曲,之后形成面向激光束的弯曲;最后,在加热位置内外表面会发生朝向外侧的凸起变形.     

激光清洗硅片表面Al2O3颗粒的试验和理论分析

以KrF准分子激光器为激光源,对目前工业上常用的硅片研磨抛光液的主要成分Al₂O₃颗粒进行激光清洗的试验和理论分析。建立一维热传导模型,利用有限元分析软件MSC.MarC模拟硅片表面的温度随激光作用时间和能量密度的分布。通过理论计算,量化了颗粒所受到的清洗力以及其与硅片表面之间的粘附力,理论预测出1 μm Al₂O₃颗粒的激光清洗阈值为60 mJ/cm²。在理论分析的指导下,利用248 nm、30 ns的KrF准分子激光进行单因素试验,研究激光能量密度、脉冲个数、激光束入射角度对激光干法清洗效率的影响,并且实验验证了清洗模型以及场增强效应对激光清洗结果的影响。     

基于脉冲激光负阶跃响应的高速热电偶 时间常数测量方法

热电偶的时间常数是表征其动态特性的关键参数,利用激光激励获得温度阶跃是测量高速热电偶时间常数的主要手段。本文对比分析了正、负阶跃激光激励时的热电偶传热过程,指出负阶跃过程更符合时间常数测量的基本理论。通过建立阶跃调制激光和脉冲调制激光的负阶跃过程中热电偶的响应模型并计算,表明脉冲激光激励可有效解决阶跃调制激光测试结果偏慢的问题。通过搭建实验系统,相同条件下测得时间常数分别为73.78和41.34 ms,脉冲激光测试更能体现热电偶的极限测温速度。实验结果还表明不同脉冲能量对时间常数测量结果基本没影响,更小尺寸热电偶响应速度更快,强制对流环境对热电偶时间常数测量结果影响巨大。     

Four point bending setup for characterization of semiconductor piezoresistance

We present a four point bending setup suitable for high precision characterization of piezoresistance in semiconductors. The compact setup has a total size of 635 cm(3). Thermal stability is ensured by an aluminum housing wherein the actual four point bending fixture is located. The four point bending fixture is manufactured in polyetheretherketon and a dedicated silicon chip with embedded piezoresistors fits in the fixture. The fixture is actuated by a microstepper actuator and a high sensitivity force sensor measures the applied force on the fixture and chip. The setup includes heaters embedded in the housing and controlled by a thermocouple feedback loop to ensure characterization at different temperature settings. We present three-dimensional finite element modeling simulations of the fixture and discuss the possible contributions to the uncertainty of the piezoresistance characterization. As a proof of concept, we show measurements of the piezocoefficient pi(44) in p-type silicon at three different doping concentrations in the temperature range from T=30 degrees C to T=80 degrees C. The extracted piezocoefficients are determined with an uncertainty of 1.8%.     

Si3N4陶瓷激光加热辅助引弧微爆炸加工温度场仿真

介绍了激光加热辅助引弧微爆炸加工技术,建立了温度场数学模型,使用有限元分析软件计算出了加工Si3N4陶瓷时的温度场分布,并研究了工艺参数对温度场的影响。仿真结果表明：用激光加热辅助引弧微爆炸加工使加工温度得到提高,从单独使用引弧微爆炸加工的12 600℃提高到14 381℃;其最高温度随着激光功率的增大而升高,随光斑尺寸的增大而减小,随激光加热点距引弧微爆炸加工点距离的增大先增大后减小,随进给速度的增大而减小。研究结果为揭示激光加热辅助引弧微爆炸加工机理和选择合理工艺参数提供了理论依据。