激光成形是一种新的板材成形工艺方法，一直以来都是国际上研究的热点，具有广阔的应用前景。国内外学者对激光成形的研究，主要还是集中在不锈钢与碳钢等材料上，本文针对单晶硅薄板激光成形进行了研究。硅片激光弯曲成形，不但是硅片弯曲成形的新方法，而且是激光弯曲成形在脆性材料方面的新应用。 本文针对硅片脉冲激光弯曲成形的工艺特点，分析和描述了光脉冲动态热源的时空特性，借助有限元分析软件ABAQUS，针对脆性材料硅，利用FORTRAN语言处理了热源加载、计算收敛等问题，并对单元的网格划分进行了优化，建立了硅片脉冲激光弯曲成形的数值仿真模型。 结合理论分析和有限元模拟结果，对脉冲激光弯曲成形进行研究。在扫描过程中，研究了单因素（包括激光能量、扫描速度、扫描次数）对脉冲激光弯曲成形变形的影响。 关键词 有限元模拟，热应力，激光成形，单晶硅薄板 目 录
1 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 单晶硅 2
1.3 激光成形技术 3
1.4 有限元分析方法5
1.5 本论文研究的主要内容7
2 激光成形的成形机理8
2.1 激光成形工艺8
2.2 激光弯曲成形的机理9
3 激光成形的数值模拟11
3.1 ABAQUS软件简介11
3.2 有限元模型的建立12
3.3 激光成形模拟测量原理18
3.4 模拟结果与分析19
3.5 脉冲激光的模拟分析23
3.6 连续激光的模拟分析28
致谢 30
总结 31
参考文献32
绪论
板材的成形技术在制造业中一直占有着十分重要的地位， *景先生毕设|www.jxszl.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^* 
传统的板材成形工艺是利用板材自身的塑性，通过模具和外力的作用，制成零件的一种加工方法。与切削加工等方法相比，板材成形技术的应用不仅生产效率高，材料的利用率也很高。因此被广泛应用于航空航天、汽车、造船、等众多领域均。但是，模具是的传统板材成形工艺不可或缺的一部分，模具设计生产制造的周期较长、成本高，并且缺乏灵活性，一旦产品变化就需要更换新的模具，这样就难以满足市场上单件小批量生产的以及新产品开发试验检测的需要。现如今，市场竞争的日趋激烈和市场环境的迅速变化，还有消费者日趋个性化、主体化和多样化的需求，新产品更新换代的速度越来越快，零件的生产愈来愈趋于小批量、多品种，这就要求制造业企业快速制造并迅速占领市场。因此，传统的模具制造工艺很难满足现在市场对某些特定材料及零件要求的需要。针对这种现象，国内外许多学者都在致力于板材成形的新技术研究，一些新型的无模成形技术应运而生[1]。其中使用板材热应力成形的板材弯曲成形技术，由于其具有无需刀具与工件接触、无需刀具与外力等独特的优点而备受瞩目。并且，激光所拥有的独特优点和高功率激光器技术的日趋成熟以及商品化设备的推出，更是为板材的成形研究提供了全新的技术。
研究背景及意义
激光弯曲成形（Laser Bending）是一种高效、洁净的、无需模具及外力作用成形的工艺技术，特点是生产周期短、精度高、柔性大。激光弯曲成形技术是利用高能激光束，按照优化过的路径扫描工件表面，借助激光能量加载在工件表面产生的热应力实现板材的塑性成形[2]。通过调整激光加工的各种工艺参数和选择合适的扫描轨迹，可以借助非均匀温度场成形任意形状的薄板件、弯曲件和一些复杂的三维曲面零件，并且能对常温下难变形材料来成形。国内外众多学者和工程界领域的对此都非常关注。
和传统成形工艺不同，激光热成形技术涉及材料科学、弹塑性力学、传热学、等多学科，是一个复杂的瞬态热弹塑性变形过程。激光加载区域的温度瞬态变化很大，加热与冷却过程同时存在，这样就使得局部的温度、应力和应变在时间和空间上产生剧烈变化。随着温度变化，材料的力学性能与微观组织也产生了较大变化。针对激光热变形的成形机理、温度场变化和变形规律进行深入分析，对于指导试验、实现弯曲过程的精密控制具有重要的意义。
单晶硅，作为主要的半导体材料，属典型脆性材料。不但具有很好的机械性能，而且具有良好的电子特性，因而被广泛应用于各种领域。硅三维微结构元件主要通过刻蚀实现，所以均保留在原基体内部[3]。如果能利用硅的塑性在高温下进行直接成形，则可将元件成形到基体外部，进一步扩大其应用范围。借助激光弯曲成形单晶硅薄片，可以说是激光弯曲成形在脆性材料领域的一个尝试和新应用。目前，对于脆性材料的激光弯曲成形还处于理论分析和模拟阶段，分析模拟脆性材料的激光弯曲过程，对于指导试验和选择激光的参数有重大的意义。
单晶硅
单晶硅的特点
单晶硅（Monocrystalline silicon）属于非金属元素，其化学性能比较活泼，处于新材料发展的前沿，被广泛应用于晶体材料的重要组成。单晶硅的主要用途是用作半导体材料，可以用于太阳能电池板吸收太阳能把光能转化为电能和热能。随着世界能源的短缺，太阳能的清洁、环保、方便等诸多优点凸现出来，近几十年来，太阳能技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速稳定发展的新兴产业之一，而这一切都离不开硅工艺成型的不断发展。
单晶硅可以用于电路级、二极管级、整流器件级以及太阳能电池级单晶产品的生产和深加工制造，其后续产品半导体分离器件和集成电路已成功应用于各个领域，在航空航天和军事电子设备中也占有着重要地位[4]。
在微小型半导体逆变器技术和光伏技术飞速发展的今天，利用单晶硅所生产的太阳能电池可以直接把太阳能转化为光能，揭示着迈向绿色能源革命的开端。现在，国外的太阳能光伏电站已经到了理论成熟阶段，正在由理论向实际应用阶段进行过渡，太阳能硅单晶的利用市场需求量更是不言而喻，终究会普及到全世界范围。
单晶硅激光成形的目的
单晶硅是非常优良的红外窗口材料，光学系统中的滤光片、红外窗口以及基底材料和衬底材料都离不开单晶硅，同样，在微电子和光电子技术领域它也有着广泛的应用[5]。但是，由于单晶硅在红外本征吸收较大，材料带隙比较窄，并且塑性区也比较窄，因此在红外波段的强光辐照下极容易发生组织的破坏。研究单晶硅的激光变形特性，具有非常重要的意义，而且随着激光通讯和光电对抗技术的发展，这种研究就更具有现实性。本文主要针对单晶硅的激光成形工艺进行研究，研究了单晶硅材料在激光连续输出模式和脉冲输出模式作用下的成形特征，通过对两种激光作用下单晶硅成形情况的分析，在热效应和热力耦合模型的基础上，对单晶硅的激光成形机制进行了模拟。
单晶硅是典型脆性材料，还是主要的半导体材料。单晶硅不但具有良好的电子特性，而且具有很好的机械性能，因而被广泛应用于各种领域[6]。因为很多微结构元件加工方式主要通过刻蚀工艺来实现，因此都保留在原基体内部，但如果利用硅的塑性在高温下直接成形，则可将元件成形到基体外部，进一步扩大其应用范围。借助激光弯曲成形硅片是激光弯曲成形在脆性材料领域的新应用，目前对于脆性材料的激光弯曲成形才刚刚起步，分析模拟脆性材料的激光弯曲过程，对于指导试验，激光参数的选择等意义重大。
同时，虽然国内外学者己经对金属材料（例如：碳钢、不锈钢、钦合金、铜合金、铝及铝合金等材料）激光弯曲成形进行了研究，但主要还是集中在碳钢（特别是低碳钢）与不锈钢上，只有少数学者对单晶硅材料进行了研究[12]。单晶硅薄板具有密度低、硬度高、抗疲劳裂纹的扩展能力差的等显著特点，所以在对产品要求有特殊要求的领域，特别是在计算机和光电能有广泛的应用的技术领域内。其次，国内外学者所做的研究中，除了厚度为微米级的材料钢板和板材厚度很大的（6毫米以上）外，大部分板材的厚度都是1.0毫米左右（尤其是6毫米以下的，0.8毫米以上），然而对于薄板类的材料研究却很少，从某些程度上可以讲，这可以称得上是一个研究较为空白的区域。

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