KDP晶体固结磨粒线锯锯切应力场耦合分析

摘要

KDP晶体具有较大的电光和非线性系数以及较高的激光损伤阈值，是目前可用作惯性约束核聚变工程中的首选非线性光学晶体材料。但是KDP晶体具有质软、脆性高、易潮解、对温度变化敏感等特性，在生长、出槽以及切片加工等过程中容易出现开裂现象。KDP晶体切片加工作为第一道加工工序，直接影响到后续工序的加工过程乃至晶片的成品率。固结磨粒线锯切片技术具有锯口损耗小、锯切应力低、能加工大尺寸晶体等优点，将其应用于KDP晶体切片加工，有望解决大尺寸KDP晶体切割过程中存在的晶片与晶体开裂等问题。本文针对KDP晶体的固结磨粒线锯切片加工，基于理论分析和有限元仿真，对线锯锯切过程中晶体应力场分布的变化规律进行了深入分析，主要工作如下:
　　根据晶体定向切割原理，分析了KDP晶体不同晶面的线锯锯切方式。通过分析晶体(001)晶面、二倍频晶面与三倍频晶面的晶面性质，确立了这三个常用晶面固结磨粒线锯切片加工时的锯切定向方案。分析表明，(001)晶面锯切装夹固定时只需要简单定向即可，并不需要对晶体进行旋转;锯切加工三倍频晶面时需要一次旋转定向，二倍频晶面则需要经过两次旋转定向。
　　建立了KDP晶体线锯切割的仿真模型，分析了锯切过程中晶体内部应力场的动态分布规律。基于各向异性弹性力学和有限元法理论，综合考虑材料模型、初始内应力场、锯切力动态载荷、材料去除等线锯切割加工模拟关键因素，研究了晶体(001)晶面与三倍频晶面线锯切割应力场变化规律。结果表明，锯切过程中应力变化整体平稳，属低应力锯切方式，当晶体即将切断时，最大拉应力显著增加;随着被加工材料的去除，晶体初始内应力释放，晶体内部距离待加工表面越近的点，切割过程中应力变化越剧烈;锯口处因锯切应力与内应力相互耦合而产生应力集中，并且晶体初始内应力越大，应力集中越严重。
　　建立了含缺陷的KDP晶体线锯切割数值计算模型，结合应力集中理论，分析了锯切过程中缺陷附近的应力分布状态，研究了缺陷尺寸及分布位置对应力分布的影响。结果表明，晶体缺陷引起应力集中，锯切过程中应力集中系数保持稳定，但当锯口通过缺陷时，应力集中系数激增;锯口处也存在应力集中，当锯口靠近缺陷时，两种应力集中的耦合效应增强，缺陷处最大拉应力增大;锯切至缺陷处时，耦合效应最强，最大拉应力增大到最大值;缺陷距离切除层越近，锯切过程中最大拉应力的变化越剧烈，并且锯切末段切除层中的缺陷处具有更大的最大拉应力。
　　基于温度场与热应力场分析基本原理，建立了KDP晶体线锯切割热分析有限元模型，分析了锯切过程中晶体内部温度场和热应力场的变化规律，同时进行了热应力场与初始内应力场的耦合分析。结果表明，锯口处KDP晶体温度最高，并且锯切过程中最高温度值基本保持不变，晶体内部最低温度值随着锯切深度的增加缓慢升高并趋于稳定;因锯切过程冷却条件良好，晶体整体温升很小，加工过程中的最大热应力小于晶体的断裂强度;尽管热应力单因素作用时对晶体开裂的影响较小，但其同初始内应力场耦合作用后KDP晶体内部的拉应力明显增加。