雷射鑽孔殘留熱應變之探討｜國立清華大學博碩士論文庫

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研究生：	邵耀賢 Shao Yao Hsien
論文名稱：	雷射鑽孔殘留熱應變之探討
指導教授：	王偉中 Wang Wei-Chung
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 動力機械工程學系 Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年：	2004
畢業學年度：	92
語文別：	中文
論文頁數：	96
中文關鍵詞：	雷射鑽孔、雲紋干涉術、電子束雲紋法、Goldak’s熱源模型
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本研究主要係運用兩種精密光學量測方法在雷射鑽孔的殘留熱應變量測上，首先以雲紋干涉術觀察工件在雷射鑽孔後之熱應變狀態，接著利用電子束雲紋法探討工件在雷射鑽孔後之孔周圍的熱應變狀態。本研究另利用商用有限單元分析軟體ANSYS，加上Goldak等人所提之熱源模型，以輔助探討工件在雷射鑽孔的熔融過程和應變狀態。

目   錄

一、前言    1
二、文獻回顧    3
三、原理介紹    5
    3-1    SEM的成像    5
        3-1.1    線掃描    5
        3-1.2    面掃描    5
    3-2    電子束雲紋法    6
    3-3    雲紋干涉術    8
    3-4    雷射鑽孔原理    11
    3-5    雷射熱源模型    11
四、實驗裝置與試片    14
    4-1    電子束雲紋法實驗裝置    14
        4-1.1    電子槍5    14
        4-1.2    高溫精密烤爐    14
        4-1.3    真空系統    15
        4-1.4    試片室    15
        4-1.5    偵測系統    15
        4-1.6    顯示及紀錄系統    15
    4-2    雲紋干涉術光路    16
    4-3    光柵    16
    4-4    研磨機    16
    4-5    CCD相機    17
    4-6    影像處理介面卡    17
    4-7    雷射鑽孔機    17
    4-8    試片規劃    17
五、實驗程序    19
    5-1    準備試片    19

    5-2    試片之切割和研磨    19
    5-3    試片光柵之黏貼    19
    5-4    試片之雷射鑽孔    20
    5-5    電子束雲紋干涉儀器之架設    20
    5-6    電子束雲紋干涉儀器之調整    20
    5-7    雲紋干涉術光路之架設    20
    5-8    雲紋干涉術光路之調整    21
    5-9    金屬試片雷射鑽孔後之取像    21
    5-10    分析結果與討論    22
    5-11    數值軟體分析    22
六、結果與討論    23
    6-1    使用有限單元法於模擬雷射鑽孔之基本假設    23
    6-2    使用有限單元法於模擬雷射鑽孔之溫度場分析
25
        6-2.1    使用有限單元法於模擬改變熱源參數之溫度場分析
26
            6-2.1.1    改變熱源模型幾何參數a    26
            6-2.1.2    改變熱源模型幾何參數b    26
            6-2.1.3    改變熱源模型幾何參數c和d    27
    6-3     金屬材料在雷射鑽孔時熱應變之有限單元探討
28
    6-4     利用雲紋干涉術觀測金屬材料在雷射鑽孔後之位移場
30
    6-5    利用電子束雲紋法觀測金屬材料在雷射鑽孔後之位移場
31
        6-5.1    同種材料在不同功率下的位移量    34
        6-5.2    相同雷射功率在不同材料下的位移量    34
        6-5.3    雷射鑽孔後之應變量    35


    6-6    電子束雲紋法與雲紋干涉術的比較    35
        6-6.1    就觀察範圍觀點    36
        6-6.2    就解析度觀點    36
        6-6.3    就應用範圍觀點    37
七、結論    38
八、未來展望    40
九、參考文獻    41

表目錄

表一    掃描式電子顯微鏡之規格    45
表二    不□鋼材之材料性質    46
表三    鋁材之材料性質    46
表四    鋁材試片在雷射鑽孔之條件和結果數據    47
表五    不□鋼材試片在雷射鑽孔之條件和結果數據    47
表六    各個雷射功率下鋁材試片之幾何參數    48
表七    各個雷射功率下不□鋼材試片之幾何參數    48
表八    鋁材試片在ANSYS中模擬出之最大位移值和最大應變值    48
表九
    不□鋼材試片在ANSYS中模擬出之最大位移值和最大應變值    49
表十    鋁材試片在4種不同雷射功率下之條紋數和位移值對照表    5    49
表十一    不□鋼試片在4種不同雷射功率下之條紋數和位移值對照表
49

圖目錄

圖3.1    電子槍之示意圖    50
圖3.2    線掃描的訊息顯示原理    50
圖3.3    面掃描的訊息顯示原理    51
圖3.4    試片光柵示意圖    51
圖3.5    黑白相間的條紋圖    52
圖3.6    光柵之放大圖    52
圖3.7    雲紋條紋圖    53
圖3.8    電子束雲紋法之示意圖    53
圖3.9    虛擬光柵示意圖    54
圖3.10    光從＋1及－1繞射級次進入相機之示意圖    54
圖3.11    單一橢圓能量分佈熱源模型之示意圖    55
圖3.12    Goldak’s熱源模型之示意圖    55
圖4.1    掃描式電子顯微鏡    56
圖4.2    掃描式電子顯微鏡示意圖    56
圖4.3    雲紋干涉術之光路圖    57
圖4.4    雲紋干涉光路示意圖    57
圖4.5    光柵    58
圖4.6    高轉速研磨機    58
圖4.7    雷射鑽孔機    59
圖4.8    試片示意圖    59
圖4.9    試片鑽孔位置示意圖    60
圖5.1    黏貼光柵之步驟    60
圖6.1    於數值模擬中之邊界條件    61
圖6.2
    鋁材試片在雷射功率1.3W下不同ff和fr之溫度場與實體圖
61
圖6.3    於不□鋼中溫度場之分佈    62
圖6.4    簡化模型    62

圖6.5    a=1.8×10-5；b=8.4×10-5；c,d=1.8×10-5之溫度場(100μm/格)
63
圖6.6    改變a=3.6×10-5，b、c和d不改變時之溫度場(100μm/格)    63
圖6.7    改變b=1.68×10-4，a、c和d不改變時之溫度場(100μm/格)
63
圖6.8    改變c,d=3.6×10-5，a、b不改變時之溫度場(100μm/格)    5    63
圖6.9    鋁材試片在雷射加工功率為1.3W時之模擬溫度場(100μm/格)
64
圖6.10    鋁材試片在雷射加工功率為1.5W時之模擬溫度場(100μm/格)
64
圖6.11    鋁材試片在雷射加工功率為1.9W時之模擬溫度場(100μm/格)
64
圖6.12    鋁材試片在雷射加工功率為2.1W時之模擬溫度場(100μm/格)
64
圖6.13
    不□鋼材試片在雷射加工功率為1.3W時之模擬溫度場(100μm/格)
65
圖6.14
    不□鋼材試片在雷射加工功率為1.5W時之模擬溫度場(100μm/格)
65
圖6.15
    不□鋼材試片在雷射加工功率為1.9W時之模擬溫度場(100μm/格)
65
圖6.16
    不□鋼材試片在雷射加工功率為2.1W時之模擬溫度場(100μm/格)
65
圖6.17    簡化模型之邊界條件示意圖    66
圖6.18    鋁材試片在雷射加工功率為1.3W時之位移量圖(100μm/格)

    (a)U場;(b)V場    66
圖6.19    鋁材試片在雷射加工功率為1.5W時之位移量圖(100μm/格)
    (a)U場;(b)V場    67

圖6.20    鋁材試片在雷射加工功率為1.9W時之位移量圖(100μm/格)
    (a)U場;(b)V場描    67
圖6.21    鋁材試片在雷射加工功率為2.1W時之位移量圖(100μm/格)
    (a)U場;(b)V場    68
圖6.22    鋁材試片在雷射加工功率為1.3W時之應變圖(100μm/格)
    (a)X方向;(b)Y方向    68
圖6.23    鋁材試片在雷射加工功率為1.5W時之應變圖(100μm/格)
    (a)X方向;(b)Y方向    69
圖6.24    鋁材試片在雷射加工功率為1.9W時之應變圖(100μm/格)
    (a)X方向;(b)Y方向    69
圖6.25    鋁材試片在雷射加工功率為2.1W時之應變圖(100μm/格)
    (a)X方向;(b)Y方向    70
圖6.26    不□鋼試片在雷射加工功率為1.3W時之位移量圖(100μm/格)
    (a)U場;(b)V場    70
圖6.27    不□鋼試片在雷射加工功率為1.5W時之位移量圖(100μm/格)
    (a)U場;(b)V場    71
圖6.28    不□鋼試片在雷射加工功率為1.9W時之位移量圖(100μm/格)
    (a)U場;(b)V場    71
圖6.29    不□鋼試片在雷射加工功率為2.1W時之位移量圖(100μm/格)

    (a)U場;(b)V場    72
圖6.30    不□鋼試片在雷射加工功率為1.3W時之應變圖(100μm/格)
    (a)X方向;(b)Y方向    72
圖6.31    不□鋼試片在雷射加工功率為1.5W時之應變圖(100μm/格)
    (a)X方向;(b)Y方向    73
圖6.32    不□鋼試片在雷射加工功率為1.9W時之應變圖(100μm/格)
    (a)X方向;(b)Y方向    73
圖6.33    不□鋼試片在雷射加工功率為2.1W時之應變圖(100μm/格)
    (a)X方向;(b)Y方向    74
圖6.34    在未雷射鑽孔前之V場雲紋條紋圖    74
圖6.35    在未雷射鑽孔前之U場雲紋條紋圖    74
圖6.36    在雷射加工功率為2.1W時之V場雲紋條紋圖    75
圖6.37    在雷射加工功率為7.5W時之V場雲紋條紋圖    75
圖6.38    電子束雲紋法之示意圖    75
圖6.39    鋁材試片在雷射加工功率為1.3W時電子束雲紋法之條紋圖。(a)U場;(b)V場
76
圖6.40    條紋計數及灰度值分佈示意圖
    (a)條紋計數示意圖; (b)灰度值分佈示意圖    76
圖6.41    鋁材試片在雷射加工功率為1.3W時電子束雲紋法之條紋圖(四分之一)
    (a)U場;(b)V場    77
圖6.42    鋁材試片在雷射加工功率為1.5W時電子束雲紋法之條紋圖
    (a)U場;(b)V場    77
圖6.43    鋁材試片在雷射加工功率為1.9W時電子束雲紋法之

    條紋圖
    (a)U場;(b)V    78
圖6.44    鋁材試片在雷射加工功率為2.1W時電子束雲紋法之條紋圖
    (a)U場;(b)V場    78
圖6.45    不□鋼試片在雷射加工功率為1.3W時電子束雲紋法之條紋圖
    (a)U場;(b)V場    79
圖6.46    不□鋼試片在雷射加工功率為1.5W時電子束雲紋法之條紋圖
    (a)U場;(b)V場    79
圖6.47    不□鋼試片在雷射加工功率為1.9W時電子束雲紋法之條紋圖
    (a)U場;(b)V場    80
圖6.48    不□鋼試片在雷射加工功率為2.1W時電子束雲紋法之條紋圖
    (a)U場;(b)V場    80
圖6.49    鋁材試片在雷射加工功率為1.3W位移量與距離之關係圖
    (a)U場;(b)V場    81
圖6.50    鋁材試片在雷射加工功率為1.5W位移量與距離之關係圖
    (a)U場;(b)V場    82
圖6.51    鋁材試片在雷射加工功率為1.9W位移量與距離之關係圖
    (a)U場;(b)V場    83
圖6.52    鋁材試片在雷射加工功率為2.1W位移量與距離之關係圖
    (a)U場;(b)V場    84

圖6.53    不□鋼材試片在雷射加工功率為1.3W位移量與距離
    之關係圖
    (a)U場;(b)V場    85
圖6.54    不□鋼材試片在雷射加工功率為1.5W位移量與距離之關係圖
    (a)U場;(b)V場    86
圖6.55    不□鋼材試片在雷射加工功率為1.9W位移量與距離之關係圖
    (a)U場;(b)V場    87
圖6.56    不□鋼材試片在雷射加工功率為2.1W位移量與距離之關係圖
    (a)U場;(b)V場    88
圖6.57    鋁材試片在雷射加工功率為1.3W應變量與距離之關係圖
    (a) ;(b)
89
圖6.58    鋁材試片在雷射加工功率為1.5W應變量與距離之關係圖
    (a) ;(b)
90
圖6.59    鋁材試片在雷射加工功率為1.9W應變量與距離之關係圖
    (a) ;(b)
91
圖6.60    鋁材試片在雷射加工功率為2.1W應變量與距離之關係圖
    (a) ;(b)
92
圖6.61    不□鋼材試片在雷射加工功率為1.3W應變量與距離之關係圖
    (a) ;(b)
93
圖6.62    不□鋼材試片在雷射加工功率為1.5W應變量與距離

    之關係圖
    (a) ;(b)
94
圖6.63    不□鋼材試片在雷射加工功率為1.9W應變量與距離之關係圖
    (a) ;(b)
95
圖6.64    不□鋼材試片在雷射加工功率為2.1W應變量與距離之關係圖
    (a) ;(b)
96

                                

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