雷射輔助水射流近無損傷微細加工關鍵技術研究

《雷射輔助水射流近無損傷微細加工關鍵技術研究》是依託山東大學，由王軍擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：雷射輔助水射流近無損傷微細加工關鍵技術研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王軍
• 依託單位：山東大學

中文摘要

本項目融合水射流和雷射加工技術於一體，創建一種新的雷射輔助水射流近無損傷微細加工技術及系統，採用雷射加熱並軟化工件材料、水射流驅除及冷卻的耦合效應去除材料，用於微細結構的高效、低成本、高質量、近無損傷微細加工，並對其基礎理論進行系統研究。該技術能夠對水射流束和雷射束分別進行獨立控制，實現水射流束和雷射束耦合的加工工藝。研究基於雷射加熱、水射流驅除及冷卻和工件材料相互作用的水射流和雷射耦合效應，建立新的水射流-雷射耦合效應理論模型，揭示雷射加熱、水射流驅除及冷卻和工件材料之間的相互作用機理及材料去除機理，以便加快材料切除過程，降低熱影響，達到近無損傷去除材料的效果。並建立近無損傷微細加工時的工藝參數最佳化模型和材料去除率模型，最佳化工藝參數，提高加工效率。本項目的研究成果對於提高微細加工技術的加工效率和加工質量，促進微細加工技術的創新和發展具有重要的理論意義與實際套用價值。

結題摘要

本項目融合水射流和雷射加工技術於一體，提出了雷射輔助水射流近無損傷微細加工理論與技術，研製了國際上第一台立式高精度雷射水輔助射流微細加工系統。採用雷射加熱並軟化工件材料、水射流驅除及冷卻的耦合效應去除材料，用於微細結構的高效、低成本、高質量、近無損傷微細加工，並對其基礎理論進行系統研究。研究了工藝參數對槽深、槽寬和材料去除率影響的顯著性，結果表明，射流偏置距離、射流靶距、掃描速度、雷射平均功率和射流壓力對槽深、槽寬和材料去除率都有非常顯著的影響。建立了槽深、槽寬和材料去除率預報回歸模型。研究了雷射對材料的加熱作用，將雷射的熱作用等效為一個三維體熱源，建立了雷射熱源方程。研究了水射流對材料的衝擊作用，建立了圓形傾斜射流產生的壁面切應力模型。研究了水射流對材料的冷卻作用，建立了射流衝擊區和壁面射流區的平均對流換熱係數方程。研究了水射流對雷射的干涉作用，建立了由衝擊區向壁面射流區轉變的臨界偏置距離模型。研究了雷射在空氣-水交界面的折射並計算了折射後的雷射照射在材料表面的光斑直徑。構建了一套光束質量因子測量裝置，並對水中光束的質量因子進行測量。建立了考慮高溫熱物理參數變化的雷射輔助水射流複合微細加工單晶碳化矽晶片的三維溫度場模型；基於熱傳導方程定解問題的解的結構定理，對溫度場模型方程組進行坐標變換，獲得了雷射輔助水射流複合微細加工單晶碳化矽晶片的三維溫度場模型的解析解。建立了4H單晶碳化矽的臨界分切應力與溫度之間的關係模型；構建了雷射輔助水射流複合微細加工4H單晶碳化矽的材料去除有限差分模型，該模型對槽深、槽寬和切口截面輪廓的預報均具有較高的精確度。該技術能夠對水射流束和雷射束分別進行獨立控制，實現水射流束和雷射束耦合的加工工藝。本項目的研究成果對於提高微細加工技術的加工效率和加工質量，促進微細加工技術的創新和發展具有重要的理論意義與實際套用價值。