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石英玻璃表面的磨削裂纹激光修复和去应力工艺技术研究

李润强  
【摘要】:石英玻璃是典型的硬脆难加工材料,"缓进给精磨成型—CO2激光修复表面磨削裂纹—塑性域超精密磨削"的工艺流程可以大幅度缩短大口径非球面石英玻璃透镜的生产周期。采用CO2激光辐照石英玻璃表面可以消除石英玻璃表面的磨削裂纹,但会在石英玻璃表面产生残余拉应力。本研究以降低裂纹修复后的表面粗糙度和消除残余应力为目标,研究了石英玻璃表面磨削裂纹的激光修复工艺和修复后石英玻璃的低温加热去应力工艺。本研究构建了激光修复实验平台,该平台由激光光源和光路、三维运动平台、控制系统三部分组成。利用该实验平台成功进行了石英玻璃表面磨削裂纹的激光修复实验,结果表明,在本激光修复工艺条件下玻璃亚表面不会产生微裂纹;阐释了石英玻璃表面磨削裂纹的愈合机理。建立了激光修复石英玻璃温度场有限元模型,分析了激光修复工艺参数对修复过程中玻璃温度场的影响。结果表明,能修复石英玻璃表面磨削裂纹的工艺参数均能使石英玻璃表面温度处于2050K~2350K之间。研究了激光修复工艺参数对表面粗糙度的影响。结果表明,修复后表面粗糙度随着激光功率的增大先降低后增大,过大的功率会造成玻璃表面烧蚀;修复后表面粗糙度随着激光光斑直径的增大而降低;修复后表面粗糙度随着扫描间隔的减小而降低;在0.05m/s~0.2m/s范围内,激光扫描速度对修复后表面粗糙度影响很小。研究了激光修复石英玻璃过程中残余应力的产生原因和修复后石英玻璃表面的激光加热去应力工艺。确定了石英玻璃的粘弹性本构方程,建立了修复后的石英玻璃表面残余应力的有限元模型,获得了残余应力的分布规律;实验验证了有限元模型的正确性。揭示了激光修复后石英玻璃表面残余应力的产生原因是在石英玻璃转变温度范围内激光辐照引起了热应力的应力松弛。实验研究了激光修复工艺参数对残余应力的影响规律,残余应力随着激光光斑直径的增大而减小,随着扫描速度的减小而减小。提出了采用较大光斑直径、较小激光功率、较低扫描速度的激光加热去应力工艺,降低了激光修复过程产生的残余应力。对比实验结果和有限元分析结果表明,该去应力工艺能显著降低修复后石英玻璃的残余应力。研究了激光修复后石英玻璃的电热低温加热去应力工艺,对低温加热去应力工艺进行了有限元分析。结果表明,在800℃下保温12小时,然后以10℃/h速率降温至740℃,可以基本消除石英玻璃中的残余应力,去应力后石英玻璃的双折射光程差降低至国家标准规定的应力双折射1级要求。提出了采用微波加热作为低温加热去应力工艺的加热方式,研究了高温下微波加热介质(SiC粉)对石英玻璃表面的元素污染,结果表明高温下微波加热介质会侵入石英玻璃表面,侵入深度小于0.3μm,可通过后续磨削和抛光去除。


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