异形薄壁陶瓷件激光打孔工艺研究

摘要

23Al O结构陶瓷具有稳定的理化性能和优异的机电性能，目前广泛应用于异形型芯、电子封装等领域，由于其高脆硬、难加工等性质，具有速度快、精度高、无接触、热作用区小等特点的激光打孔技术作为结构陶瓷打孔加工方式的首选成为研究的热点。本文基于激光与材料相互作用的原理，通过有限元软件仿真试件激光打孔过程，搭建相应的试验平台，优化工艺参数，最终得到满足锥度小、熔融物少、无明显微裂纹及孔形结构边缘清晰等要求的?1.6mm的小孔。
　　1.根据试件表面功率密度和打孔所需最大能量的理论计算，结合不同峰值功率的有限元分析模型，在材料相变原理的基础上，分析激光峰值功率对激光打孔过程的影响。结果表明，光斑直径、脉冲宽度不变的情况下，随着激光峰值功率的增加，试件表面功率密度增大，材料相变由熔化为主向气化为主转变，熔融物数量减少，打孔所需要的脉冲数目减少，加工时间缩短。同时温度场峰值温度增加，各点热循环曲线上峰值温度增加，但温度场的分布范围因材料热传导系数较小而变化得不明显，反而使得材料内部温度梯度过大引起热应力的剧烈变化，容易发生试件脆断的情况。
　　2.搭建异形薄壁陶瓷件激光沿缝打孔试验平台，采用分组试验，建立激光打孔过程中峰值功率、离焦量等与孔径孔深及小孔锥度的关系曲线，并结合理论分析研究各因素对小孔熔融物、微裂纹的影响，对打孔工艺参数进行优化，最终确定峰值功率1000W，脉冲宽度10ms，重复频率50Hz，离焦量0.4mm，保护气体（80％Ar+20%空气）流量20L/min的工艺参数下得到了满足质量要求的小孔。
　　3.研究了异形表面对激光束与材料作用过程的影响，分析了飞秒激光加工的小孔形貌。异形表面影响了激光光斑范围内材料对激光能量的吸收，小孔边缘与小孔中心处材料相变过程不均匀，导致小孔不圆度较大。飞秒激光加工的小孔质量最好，轴剖面结构边缘清晰，熔融物极少，无明显裂纹。

目录

声明

符号表

第1章 绪 论

1.1 背景及意义

1.2 激光打孔技术的优点

1.3 研究现状

1.4 激光打孔技术的发展趋势

1.5 异形陶瓷件激光打孔待解决的问题

1.6 本文研究的内容

第2章 激光与材料的相互作用

2.1 激光加工的原理

2.2激光打孔的原理

2.3 激光打孔技术分类

2.4 激光打孔工艺分类

2.5 飞秒激光加工的原理及优势

2.6 本章小结

第3章 激光打孔温度场模拟

3.1 热传导过程描述

3.2 激光打孔热源模型分析

3.3 温度场有限元模拟过程

3.4 模拟结果分析及验证

3.5 本章小结

第4章 激光打孔试验研究

4.1 打孔试验准备

4.2 试验设备

4.3 试验方案设计

4.4 打孔工艺参数的确定

4.5 试验结果分析

4.6 异形表面对小孔形貌的影响

4.7 飞秒激光对异形陶瓷件激光打孔试验

4.8 本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

致谢

附录A（攻读学位期间所发表的学术论文目录）