1、學學 生：潘錦強生：潘錦強指導老師：謝小柱指導老師：謝小柱時時 間：間：2014年年6月月4日日論文的大綱論文的大綱：第一章第一章 緒論緒論 第二章第二章 激光噴嘴氣體流場研究激光噴嘴氣體流場研究第三章第三章 運算及建模運算及建模第四章第四章 輔助氣體流場對激光劃切藍寶石的影響規(guī)律輔助氣體流場對激光劃切藍寶石的影響規(guī)律 緒論緒論 選題的背景選題的背景藍寶石藍寶石特性：特性：v化學成分為化學成分為氧化鋁氧化鋁(Al2O3)，v硬度高（莫氏硬度為硬度高（莫氏硬度為 9，僅次于金剛石），僅次于金剛石）v熔點高（熔點高（2053）、耐磨性好）、耐磨性好v高溫下（高溫下（1000）化學穩(wěn)定性好）化學穩(wěn)定

2、性好v光學穿透帶很寬等優(yōu)良性能。光學穿透帶很寬等優(yōu)良性能。藍寶石應用藍寶石應用 1、耐高溫高壓器件、光學系統(tǒng)、特種窗口、耐磨損器件、紅外制導、導彈整流罩、醫(yī)用材料等民用、軍事、科研高科技領域。 2、第三代半導體材料GaN最重要的產(chǎn)業(yè)化襯底。 3、智能手機的閃光燈及窗口片上 圖圖1 激光芯片通信激光芯片通信 圖圖2 醫(yī)用手術藍寶石刀片醫(yī)用手術藍寶石刀片 圖圖3 藍寶石基氮化鎵藍寶石基氮化鎵LED c）LAMMBOS手機保護屏手機保護屏 1.2激光劃切技術的特點激光劃切技術的特點v 加工速度快；加工速度快；v窄切槽窄切槽（典型為（典型為1030 m），材料利用率），材料利用率較高較高;v非接觸加工

3、，適合薄晶圓非接觸加工，適合薄晶圓;v高柔性，任意圖形劃切，對復雜圖形進行加高柔性，任意圖形劃切，對復雜圖形進行加工；工；v自動化程度高自動化程度高;v斷面光滑，切口平行度好，表面粗糙度??；斷面光滑，切口平行度好，表面粗糙度??；v 材料適用性。材料適用性。激光切割激光切割影響因素影響因素激光束本身的特性激光束本身的特性材料特性材料特性氣體流場氣體流場與加工工藝相關的因素與加工工藝相關的因素 1.3激光切割的影響因素激光切割的影響因素氣體流場：氣體流場：其中，對氣流的基本要求是進入切口的氣流量要其中，對氣流的基本要求是進入切口的氣流量要大，速度要高，以便足夠的氧化使切口材料充分大，速度要高，以便

4、足夠的氧化使切口材料充分進行放熱反應；同時又有足夠的動量將熔融材料進行放熱反應；同時又有足夠的動量將熔融材料噴射吹出。噴射吹出。因此，噴嘴氣流的控制（如噴嘴壓力、噴嘴角度因此，噴嘴氣流的控制（如噴嘴壓力、噴嘴角度等）是十分重要的因素。等）是十分重要的因素。 1.4現(xiàn)有的氣體流場的現(xiàn)狀現(xiàn)有的氣體流場的現(xiàn)狀當噴嘴氣流出口滯止壓力與環(huán)境壓力之比小于當噴嘴氣流出口滯止壓力與環(huán)境壓力之比小于3 4, 自由射流場中會產(chǎn)生自由射流場中會產(chǎn)生普朗特普朗特-邁耶膨脹現(xiàn)象邁耶膨脹現(xiàn)象,也被稱為也被稱為鉆石激波結構鉆石激波結構; 當壓力比大于當壓力比大于 3 4, 流場結構中會出流場結構中會出現(xiàn)現(xiàn)正激波正激波結構結

5、構, 稱為稱為馬赫盤馬赫盤。在進行高壓氣體切割時。在進行高壓氣體切割時流場中更容易形成馬赫盤流場中更容易形成馬赫盤,且氣流出口馬赫數(shù)會影響且氣流出口馬赫數(shù)會影響馬赫盤的位置馬赫盤的位置, 進而顯著影響激光切割質(zhì)量和切割效進而顯著影響激光切割質(zhì)量和切割效率。率。在劃切藍寶石時候，工件上的壓力與切割的深度和寬在劃切藍寶石時候，工件上的壓力與切割的深度和寬度有很大的影響。如何在增加噴嘴的加工壓力時，避度有很大的影響。如何在增加噴嘴的加工壓力時，避免或者是減小正激波的產(chǎn)生是現(xiàn)在流場需要解決的問免或者是減小正激波的產(chǎn)生是現(xiàn)在流場需要解決的問題。題。1.5研究的主要內(nèi)容：研究的主要內(nèi)容：激光劃切藍寶石的試

6、驗中發(fā)現(xiàn)切槽周圍存在激光劃切藍寶石的試驗中發(fā)現(xiàn)切槽周圍存在熔凝熔凝物沉積物沉積，熔凝物的存在會增加切槽的寬度尺寸，熔凝物的存在會增加切槽的寬度尺寸，因此減少或者消除熔凝物的沉積是需要解決的關因此減少或者消除熔凝物的沉積是需要解決的關鍵問題。鍵問題。該論文是采用雙噴嘴的流場來減小熔凝物的沉積，該論文是采用雙噴嘴的流場來減小熔凝物的沉積，從而減小切槽的寬度。從而減小切槽的寬度。對對同軸吹氣同軸吹氣，側軸吹氣側軸吹氣，同軸同軸+側吹輔助氣體的側吹輔助氣體的流場流場的分析，通過數(shù)據(jù)的對比，來分析雙噴嘴的的分析，通過數(shù)據(jù)的對比，來分析雙噴嘴的流場是否可以減小熔凝物的沉積，從而流場是否可以減小熔凝物的沉積

7、，從而減小減小切槽切槽的寬度的寬度。最后，通過一系列的實驗來驗證分析結。最后，通過一系列的實驗來驗證分析結果是否合理。果是否合理。第二章第二章 激光噴嘴氣體流場研究激光噴嘴氣體流場研究2.1 計算流體力學計算流體力學CFD基于基于ANSYS FLUENT 強大的流場以及溫度場強大的流場以及溫度場的分析功能，本文決定使用該仿真軟件對激光的分析功能，本文決定使用該仿真軟件對激光劃切藍寶石過程中輔助氣體進行了進行仿真分劃切藍寶石過程中輔助氣體進行了進行仿真分析進而得到最佳的激光劃切藍寶石輔助氣體工析進而得到最佳的激光劃切藍寶石輔助氣體工藝參數(shù)。藝參數(shù)。2.不同噴嘴的特性研究不同噴嘴的特性研究:2.1

8、傳統(tǒng)型噴嘴傳統(tǒng)型噴嘴對于傳統(tǒng)型噴嘴來說，起初隨噴嘴供氣壓力的提高，對于傳統(tǒng)型噴嘴來說，起初隨噴嘴供氣壓力的提高，切割速度會增加，但隨著切割速度會增加，但隨著供氣壓力供氣壓力的進一步提高，的進一步提高，切割速度就不會繼續(xù)增加，切割質(zhì)量反而會下降。切割速度就不會繼續(xù)增加，切割質(zhì)量反而會下降。主要原因是在供氣壓力主要原因是在供氣壓力Po超過一定值后，噴嘴和超過一定值后，噴嘴和工件之間的流場中將產(chǎn)生工件之間的流場中將產(chǎn)生激波激波。圖1.5 正激波氣流產(chǎn)生的渦流2.2附壁形噴嘴和非圓形噴嘴附壁形噴嘴和非圓形噴嘴兩種噴嘴的形狀均很復雜，兩種噴嘴的形狀均很復雜，加工比較困難加工比較困難，同時耗氣量也大。氣流

9、特性又不是很好，在同時耗氣量也大。氣流特性又不是很好，在較大的供氣壓力下仍會產(chǎn)生激波，氣流的紊較大的供氣壓力下仍會產(chǎn)生激波，氣流的紊流度較大，切割壓力隨噴嘴和工件之間的距流度較大，切割壓力隨噴嘴和工件之間的距離變化時，波動較大。雖然這兩種噴嘴比傳離變化時，波動較大。雖然這兩種噴嘴比傳統(tǒng)會聚型噴嘴的氣流特性有所提高，但也不統(tǒng)會聚型噴嘴的氣流特性有所提高，但也不是很理想。是很理想。2.3超音速拉瓦爾噴嘴超音速拉瓦爾噴嘴噴嘴產(chǎn)生的流場特性也不好，紊流度較大，對激光切噴嘴產(chǎn)生的流場特性也不好，紊流度較大，對激光切割工藝有不良影響。割工藝有不良影響。2.4不共腔噴嘴不共腔噴嘴非直線切割時，保持噴嘴和激光

10、束的相對位置非常困非直線切割時，保持噴嘴和激光束的相對位置非常困難。所以這種噴嘴在非直線切割中很少用到。難。所以這種噴嘴在非直線切割中很少用到。綜上所述，不同噴嘴的特性進行對比，超音速噴嘴綜上所述，不同噴嘴的特性進行對比，超音速噴嘴雖然能夠有效地減少正激波的產(chǎn)生，但雖然能夠有效地減少正激波的產(chǎn)生，但加工制造成加工制造成本過高本過高，因而本文最終選擇使用錐形噴嘴進行仿真，因而本文最終選擇使用錐形噴嘴進行仿真模擬與實驗分析。模擬與實驗分析。3.1湍流模型的選擇湍流模型的選擇1.標準標準k模型模型2.RNG k模型模型3.ReaIizable k模型模型第三章第三章 運算及建模運算及建模3.1.1標

11、準標準k模型模型標準標準k湍流模型的應用范圍應該說是非常湍流模型的應用范圍應該說是非常的廣泛，尤其是在的廣泛，尤其是在各向基本同性各向基本同性的湍流充分的湍流充分發(fā)展的高雷諾數(shù)區(qū)域，往往能給出比較滿意發(fā)展的高雷諾數(shù)區(qū)域，往往能給出比較滿意的計算結果，如船尾的復雜流場，船槳干擾，的計算結果，如船尾的復雜流場，船槳干擾，裸潛艇阻力的計算等。裸潛艇阻力的計算等。3.1.2RNG k模型模型RNGk湍流模型可以更好的處理高應變率及流湍流模型可以更好的處理高應變率及流線彎曲程度較大的流動。線彎曲程度較大的流動。RNG k湍流模型要比標準湍流模型要比標準k湍流模型多消耗湍流模型多消耗 10到到 15的的

12、CPU 時間。時間。3.1.3ReaIizable k模型模型為使流動符合湍流的物理定律，需要對正為使流動符合湍流的物理定律，需要對正應力進行某種數(shù)學約束。比應力進行某種數(shù)學約束。比RNG k模型模型所需要的時間更長。所需要的時間更長。3.2三維模型的建立三維模型的建立1.由于考慮到模型的結果的由于考慮到模型的結果的直觀性直觀性，二維軸對，二維軸對稱撞擊射流模型此時并不能很好的描述輔助氣稱撞擊射流模型此時并不能很好的描述輔助氣體與工件之間的相互作用，因此使用三維模型體與工件之間的相互作用，因此使用三維模型來描述撞擊射流。來描述撞擊射流。2.基于結果的網(wǎng)格重構技術?；诮Y果的網(wǎng)格重構技術。 網(wǎng)格

13、的劃分一般是在分析前劃分的，在以前，分析后得出網(wǎng)格的劃分一般是在分析前劃分的，在以前，分析后得出初步結果后，如果需要進一步分析的話，是要重新在軟件中定初步結果后，如果需要進一步分析的話，是要重新在軟件中定義網(wǎng)格屬性。基于結果的網(wǎng)格重構技術能直接修改計算的網(wǎng)格，義網(wǎng)格屬性?；诮Y果的網(wǎng)格重構技術能直接修改計算的網(wǎng)格，優(yōu)化自身的網(wǎng)格。優(yōu)化自身的網(wǎng)格。 為了提高解的精度，網(wǎng)格點必須足夠密，而整體加密網(wǎng)格為了提高解的精度，網(wǎng)格點必須足夠密，而整體加密網(wǎng)格所增加的計算量是無法忍受的，因而可以作網(wǎng)格的所增加的計算量是無法忍受的，因而可以作網(wǎng)格的自適應處理自適應處理，即使生成的網(wǎng)格可以即使生成的網(wǎng)格可以隨求

14、解過程變動隨求解過程變動，或者在流動參數(shù)變化較，或者在流動參數(shù)變化較大的區(qū)域能夠大的區(qū)域能夠自動自動加密。加密。 由于分析的流場中會出現(xiàn)由于分析的流場中會出現(xiàn)壓縮波壓縮波，而壓縮波在一個，而壓縮波在一個截面上的變化十分大，網(wǎng)格的好與快直接與結果的截面上的變化十分大，網(wǎng)格的好與快直接與結果的好壞有很大關系，因此，基于結果的網(wǎng)格重構技術好壞有很大關系，因此，基于結果的網(wǎng)格重構技術的應用是整個分析的關鍵。的應用是整個分析的關鍵。3.分析結果分析結果3.1同軸吹氣的影響；同軸吹氣的影響；仿真中使用的噴嘴為仿真中使用的噴嘴為45的錐形噴嘴，分別對入口氣壓為的錐形噴嘴，分別對入口氣壓為1bar，2bar，

15、3bar和和4bar進行流場仿真。進行流場仿真。同軸輸入氣壓分別為同軸輸入氣壓分別為1bar、2bar、3bar以及以及4bar時軸線上時軸線上的靜壓分布曲線的靜壓分布曲線1.01.52.02.53.03.54.01.01.52.02.53.0Static pressure（atm） Inlet pressure（atm） 由靜壓圖所繪制的折線由靜壓圖所繪制的折線對應的實驗數(shù)據(jù)：對應的實驗數(shù)據(jù)：高速的時候，隨著氣體壓力增加，切槽寬高速的時候，隨著氣體壓力增加，切槽寬度減小，但并非氣體壓力越大越好，同軸度減小，但并非氣體壓力越大越好，同軸氣體壓力氣體壓力23bar范圍合適。范圍合適。3.2側軸夾

16、角的影響：側軸夾角的影響： 側軸噴嘴入口氣壓為側軸噴嘴入口氣壓為2bar時，垂直夾角分別為（時，垂直夾角分別為（a）5、(b)20、(c)30、(d)45、(e)60和（和（f）85的絕對氣壓等值線分布。的絕對氣壓等值線分布。輸入氣壓為輸入氣壓為2atm時，側軸為不同角度時切槽處的動壓變時，側軸為不同角度時切槽處的動壓變化曲線圖化曲線圖對應的實驗數(shù)據(jù)：對應的實驗數(shù)據(jù)：對應的實驗結果也表明隨著夾角的增加，切槽寬度先基對應的實驗結果也表明隨著夾角的增加，切槽寬度先基本不變，角度本不變，角度45度以后減少，大于度以后減少，大于70度后基本不變度后基本不變側軸氣壓變化：側軸氣壓變化： 側軸軸輸入氣壓分

17、別為側軸軸輸入氣壓分別為1bar、2bar、3bar以及以及4bar時軸線上的靜壓分布曲線時軸線上的靜壓分布曲線1.01.52.02.53.03.54.01.01.52.02.53.0Static pressure（atm） Inlet pressure（atm）輸入氣壓為輸入氣壓為1bar-3bar時，隨著輸入氣壓的逐漸增大，切時，隨著輸入氣壓的逐漸增大，切槽中壁面射流區(qū)中的靜壓呈線性上升，但當輸入氣壓大于槽中壁面射流區(qū)中的靜壓呈線性上升，但當輸入氣壓大于3bar時，噴嘴出口處形成的斜激波會逐漸演變?yōu)檎げ?，時，噴嘴出口處形成的斜激波會逐漸演變?yōu)檎げ?，使得作用到切槽的壓力急劇下降。使得作?/p>

18、到切槽的壓力急劇下降。實驗數(shù)據(jù)：實驗數(shù)據(jù)：側吹氣體壓力大小對切槽寬度的影響，夾角側吹氣體壓力大小對切槽寬度的影響，夾角7070度度。氣體壓力增加，吹走熔凝物的壓力加大，切槽寬度減氣體壓力增加，吹走熔凝物的壓力加大，切槽寬度減小，但是如果輸入壓力大于小，但是如果輸入壓力大于3bar3bar，會產(chǎn)生正激波導致壁，會產(chǎn)生正激波導致壁面射流區(qū)的靜壓下降，并且會出現(xiàn)渦流，導致熔凝物粘面射流區(qū)的靜壓下降，并且會出現(xiàn)渦流，導致熔凝物粘在切槽邊上，增加切槽寬度，綜合以上考慮，氣體壓力在切槽邊上，增加切槽寬度，綜合以上考慮，氣體壓力在在2bar2bar附近合適。附近合適。同軸同軸+側吹輔助氣體的影響側吹輔助氣體

19、的影響: : 同軸為同軸為2bar時，側軸輸入氣壓分別為（時，側軸輸入氣壓分別為（a）1bar、(b)2bar、(c)3bar以及以及(d)4bar時切槽中沿切槽方向上的靜壓分布曲線時切槽中沿切槽方向上的靜壓分布曲線 輸入氣壓為輸入氣壓為1bar-4bar時，隨著輸入氣壓的逐漸增大，時，隨著輸入氣壓的逐漸增大，切槽中壁面射流區(qū)中的靜壓呈線性上升。但當輸入氣壓大切槽中壁面射流區(qū)中的靜壓呈線性上升。但當輸入氣壓大于于3bar時，噴嘴出口處并沒有出現(xiàn)正激波，壁面射流區(qū)中時，噴嘴出口處并沒有出現(xiàn)正激波，壁面射流區(qū)中的靜壓依然在增加。由于切槽寬度與壁面射流區(qū)中的靜壓的靜壓依然在增加。由于切槽寬度與壁面射流區(qū)中的靜壓大小有很大關系，射流區(qū)中的靜壓越大，切槽的寬度就相大小有很大關系，射流區(qū)中的靜壓越大，切槽的寬度就相對較小。對較小。實驗數(shù)據(jù)：實驗數(shù)據(jù)：(a) 同軸吹氣，同軸