论文题目：脉冲激光金属表面去污机理与清洗工艺实验研究
摘要：激光清洗作为一种新型表面处理技术,与传统酸洗和物理去污相比具有绿色环保,清洗能力强等优点。表面污染物经过脉冲激光辐照后能够实现快速去除,被广泛应用在金属表面的清洗预处理中,具有极高应用价值。在多晶硅生产中,还原炉内壁金属表面会形成一层较薄的污染层,如不及时清洗则会降低内壁金属表面的金属光泽度,加大企业生产过程中的能量损耗。因此,在不损伤基材原有使用性能的基础上,去除金属表面污染物,提高表面光泽度,具有重要意义。本文开展的主要研究内容如下:本文以316L多晶硅还原炉母材专用钢作为清洗基材,通过模拟还原炉内主要环境条件进行了实验样件制备。同时,依据现有基础研究设备进行激光清洗实验平台的设计与搭建,通过对实验平台的调节控制,实现工艺参数有效量化,为后续实验提供可靠的支持。其次,通过COMSOL有限元软件建立了仿真物理模型,设置了边界条件,进行了网格划分,模拟了激光清洗过程中温度场的变化情况,分析了温度曲线变化趋势,并对仿真结果进行了验证。对微观下的瞬态热膨胀机理与烧蚀机理进行了激光清洗物理模型的简化与分析。此外,利用激光清洗实验平台进行了四因素四水平的正交实验,对比分析了多组正交实验结果,初步优化出较好的工艺实验参数。为保证实验过程全面、结果可靠,将初步优化出的较好工艺参数依次进行40次的清洗工艺实验,对不同清洗次数的实验结果,优先从宏观角度进行光泽度评估,观察实验样件表面污染物的去除规律。再借助SEM、EDS、XRD等检测方法对微观界面下的表面形貌和元素成分进行分析,通过宏观与微观的联合评估确定最佳表面与工艺实验参数。最后,为了观察激光清洗技术对金属表面的影响,对表面进行了耐腐蚀与硬度测试。结果表明,温度场的变化规律能够反映脉冲激光辐照基材表面时的光热机理,且基体累积的温度基本不会损伤表面;在微观机理仿真结果上,基材表面与污染物之间存在较大的瞬态温度梯度,并产生了温度场、应力场、加速度及位移等变化,实现了污染物的去除。此外,对比分析正交实验与工艺实验的结果发现,在172W、17KHz、5787rad·min-1、5.7m·h-1的最佳工艺参数下,激光清洗能够有效去除基材表面污染物,提升表面光泽度,且不产生热损伤。最后,经表面性能测试发现,清洗后的表面耐腐蚀性能有所改善,表面硬度基本趋于原始基材硬度。
关键词：激光清洗;清洗机理;还原炉母材;脉冲激光
学科专业：工程硕士（专业学位）
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 激光清洗国内外研究现状
1.2.1 国内研究现状
1.2.2 国外研究现状
1.3 论文的研究内容与组织结构
1.3.1 论文的研究内容
1.3.2 论文的组织结构
第2章 实验样件的制备与方法
2.1 污染物分析与样件制备
2.1.1 污染物分析
2.1.2 实验样件制备
2.2 激光清洗双正交实验设计
2.3 表面去污效果评判方法
2.3.1 表面宏观形貌与镜面效果法
2.3.2 有限元分析法
2.3.3 表面微观形貌与元素分析法
2.4 本章小结
第3章 激光清洗实验平台的设计
3.1 实验平台系统结构设计与功能原理
3.1.1 RFL-7C-0200手持激光清洗机
3.1.2 57BYGH782-1000步进电机
3.1.3 R7100宽屏多功能温度实时记录仪
3.1.4 丝杆滑台机架模型图
3.2 实验平台系统清洗过程与光路控制原理
3.2.1 实验平台系统清洗操作与效果
3.2.2 实验平台光学系统控制原理
3.3 实验平台控制系统元件选用与配置
3.3.1 控制器的选用
3.3.2 步进电机驱动器的配置
3.4 实验平台控制系统设计
3.4.1 Arduino Uno控制系统设计
3.4.2 MKX-IV控制卡控制系统设计
3.5 本章小结
第4章 激光清洗机理分析与温度场仿真
4.1 激光清洗机理分析
4.1.1 激光清洗表面光热效应
4.1.2 激光清洗表面光电离效应
4.2 激光清洗有限元模型理论分析
4.2.1 激光清洗温度场分析方法
4.2.2 初始条件与边界条件设定
4.2.3 温度场仿真网格模型
4.3 激光清洗基板温度场仿真结果与分析
4.3.1 激光清洗基板温度场仿真结果分析
4.3.2 激光清洗金属表面热散机理分析
4.4 激光清洗基板温度场变化机理分析与验证
4.4.1 激光清洗基板温度场变化机理分析
4.4.2 激光清洗温度场仿真结果与验证
4.5 激光清洗机理仿真分析
4.5.1 瞬态热膨胀机理仿真分析
4.5.2 激光清洗烧蚀机理仿真分析
4.6 本章小结
第5章 激光清洗正交实验设计与工艺实验
5.1 双正交实验设计
5.1.1 实验设计方法
5.1.2 实验设计方案
5.2 正交实验结果与宏观表面分析
5.2.1 双正交实验清洗表面宏观形貌分析
5.2.2 正交实验清洗表面微观检测分析
5.3 工艺实验表面清洗结果与效果评估
5.3.1 激光清洗工艺实验宏观表面分析与评估
5.3.2 激光清洗工艺实验微观检测分析与评估
5.4 激光清洗表面性能质量分析
5.4.1 激光清洗表面耐腐蚀性能分析
5.4.2 激光清洗表面硬度分析
5.5 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
致谢