石英玻璃表面的磨削裂紋激光修復和去應力工藝技術研究.pdf

1、石英玻璃是典型的硬脆難加工材料，“緩進給精磨成型—CO2激光修復表面磨削裂紋—塑性域超精密磨削”的工藝流程可以大幅度縮短大口徑非球面石英玻璃透鏡的生產周期。采用CO2激光輻照石英玻璃表面可以消除石英玻璃表面的磨削裂紋，但會在石英玻璃表面產生殘余拉應力。本研究以降低裂紋修復后的表面粗糙度和消除殘余應力為目標，研究了石英玻璃表面磨削裂紋的激光修復工藝和修復后石英玻璃的低溫加熱去應力工藝。
　　本研究構建了激光修復實驗平臺，該平臺由激光

2、光源和光路、三維運動平臺、控制系統三部分組成。利用該實驗平臺成功進行了石英玻璃表面磨削裂紋的激光修復實驗，結果表明，在本激光修復工藝條件下玻璃亞表面不會產生微裂紋;闡釋了石英玻璃表面磨削裂紋的愈合機理。
　　建立了激光修復石英玻璃溫度場有限元模型，分析了激光修復工藝參數對修復過程中玻璃溫度場的影響。結果表明，能修復石英玻璃表面磨削裂紋的工藝參數均能使石英玻璃表面溫度處于2050K～2350K之間。研究了激光修復工藝參數對表面粗糙度

3、的影響。結果表明，修復后表面粗糙度隨著激光功率的增大先降低后增大，過大的功率會造成玻璃表面燒蝕;修復后表面粗糙度隨著激光光斑直徑的增大而降低;修復后表面粗糙度隨著掃描間隔的減小而降低;在0.05m/s～0.2m/s范圍內，激光掃描速度對修復后表面粗糙度影響很小。
　　研究了激光修復石英玻璃過程中殘余應力的產生原因和修復后石英玻璃表面的激光加熱去應力工藝。確定了石英玻璃的粘彈性本構方程，建立了修復后的石英玻璃表面殘余應力的有限元模型

4、，獲得了殘余應力的分布規(guī)律;實驗驗證了有限元模型的正確性。揭示了激光修復后石英玻璃表面殘余應力的產生原因是在石英玻璃轉變溫度范圍內激光輻照引起了熱應力的應力松弛。實驗研究了激光修復工藝參數對殘余應力的影響規(guī)律，殘余應力隨著激光光斑直徑的增大而減小，隨著掃描速度的減小而減小。提出了采用較大光斑直徑、較小激光功率、較低掃描速度的激光加熱去應力工藝，降低了激光修復過程產生的殘余應力。對比實驗結果和有限元分析結果表明，該去應力工藝能顯著降低修復

5、后石英玻璃的殘余應力。
　　研究了激光修復后石英玻璃的電熱低溫加熱去應力工藝，對低溫加熱去應力工藝進行了有限元分析。結果表明，在800℃下保溫12小時，然后以10℃/h速率降溫至740℃，可以基本消除石英玻璃中的殘余應力，去應力后石英玻璃的雙折射光程差降低至國家標準規(guī)定的應力雙折射1級要求。
　　提出了采用微波加熱作為低溫加熱去應力工藝的加熱方式，研究了高溫下微波加熱介質（SiC粉）對石英玻璃表面的元素污染，結果表明高溫下微