在模擬雷射深雕的過程中，當以高功率密度(5GW/cm2)的雷射投射於工件表面時，會產生極大的溫度梯度，而導致工件內部殘留應力的產生。本文以有限元素分析軟體ABAQUS，利用移動熱源之方法及網格移除技術來模擬雷射深雕加工過程中雕刻層周圍的溫度場，並透過順序偶合法分析其所造成的應力場分佈情形。整個數值模擬之模型是以不銹鋼SUS304作為材質，並以脈衝寬度、脈衝頻率、雕刻速度及不同雕刻程序作為研究參數，以探討各項參數對深雕溫度場與應力場所造成的影響。模擬結果顯示，當提升雷射之脈衝寬度、脈衝頻率時，將因預熱效果之提高而降低雕刻時所產生的熱應力；同時在相同脈衝寬度及脈衝頻率之條件下，提升雕刻速度有助於降低雕刻層周圍殘留應力的產生。最後，藉由改變不同雕刻程序，得知以單向橫向雕刻時，所造成雕刻層周圍之殘留應力值分佈較大；而以縱向雕刻時，刻除之表面有著最大的殘留應力值；而以雙向橫向雕刻時，雕刻層周圍所得到的殘留應力值最低且分佈均勻。

In the process of laser engraving, the laser with high power density impinge on the work piece will increase the temperature gradient and induce the thermal stresses which usually cause the residual stress on structure. In this paper a finite element model with the moving heat source method and mesh remove technique was used to simulate the variation of the temperature field around the engraving region. Then, the thermal stresses and residual stress distributions can be calculated by the sequentially coupled thermal-stress analysis. The effects of parameters such as pulse duration, pulse frequency, engraving speed and engraving procedure on the engraving processing for the material stainless steel SUS304 will be investigated. The results showed that the laser with high pulse duration and high pulse frequency leads to a lower thermal stress due to the increase of the pre-heating effect. Moreover, at fixed pulse frequency and pulse duration, when the engraving speed increases, the residual stress around the engraving region will be reduced. Finally, changing engraving procedure will result in different residual stress.

目錄

摘 要 I
Abstract II
謝誌 III
目錄 IV
表目錄 VI
圖目錄 VI
符號索引 IX
第1章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究背景 4
1.2.1 雷射深雕原理.....................4
1.2.2 雷射加工與其他非傳統加工之比較.....7
1.2.3 雷射功率密度.....................8
1.2.4 吸收率..........................9
1.2.5 雷射加工延遲時間.................10
1.2.6 雷射寬度........................10
1.2.7 雷射頻率........................11
1.3 文獻回顧.............................11
1.4 研究範圍與目的.............15
第2章 研究方法..........................17
2.1 有限元素熱應力分析................18
2.2 溫度場統御方程式..................19
2.2.1 能量平衡方程式...............19
2.2.2 傅立葉熱傳導定律.............20
2.2.3 熱對流係數..................21
2.3 雷射熱源分佈.....................22
2.3.1 雷射熱源的處理..............22
2.3.2 雷射能量與強度分佈...........23
2.3.3 汽化時間....................26
2.4 材料參數之選定...................27
2.4.1材料的彈性模數與普松氏比.......27
2.4.2材料密度.....................28
2.4.3熱容和比熱容.................28
2.4.4熱傳導係數...................28
2.4.5膨脹係數.....................29
2.5 基本假設.........................29
2.6 模型建立之方法....................30
2.7 邊界條件設定......................32
2.8 收斂性之判斷依據..................33
2.9 研究參數.........................35

第3章 結果與討論........................37
3.1 雷射脈衝寬度對深雕溫度場之影響.....39
3.2 雷射脈衝寬度對深雕應力場之影響.....41
3.3 雷射脈衝頻率對深雕溫度場之影響.....44
3.4 雷射脈衝頻率對深雕應力場之影響.....49
3.5 雷射雕刻速度對深雕溫度場之影響.....56
3.6 雷射雕刻速度對深雕應力場之影響.....59
3.7 雷射雕刻程序對深雕溫度場之影響.....62
3.8 雷射雕刻程序對深雕應力場之影響.....70
3.9 雷射環向雕刻對深雕溫度場之影響.....73
3.10 雷射環向雕刻對深雕應力場之影響.....78

第4章 結論.............................83
第5章 未來展望.........................85
參考文獻.................................86
作者簡介.................................90


表目錄

表 1-1 不同的雷射型態在工業上的應用........5
表2-1 網格總數與光斑直徑之網格數量........34

圖目錄

圖 1-1 雷射深雕示意圖..............................1
圖 1-2 使用雷射深雕技術所雕刻出手機按鍵的數字.........2
圖 1-3 應用雷射深雕在不銹鋼板上所表現出各種色澤的標誌..2
圖 1-4 證件上雷射控管號碼...........................2
圖 1-5 高爾夫球頭線溝設計...........................4
圖 1-6 標準的Nd:YAG雷射系統組成架構圖................6
圖 1-7 Nd:YAG雷射吸收率對不同金屬表面溫度示意圖.......9
圖 1-8 雷射脈衝波形示意圖 (a)降梯狀(ramp-down)波形
(b)方波.....................................10
圖2-1 雷射深雕加工過程 (a)縱向雕刻 (b)橫向雕刻.......18
圖2-2 軸向路徑模型使用的局部網格加密.................31
圖2-3 環向路徑模型使用的局部網格加密.................31
圖2-4 軸向路徑邊界條件設定示意圖.....................32
圖2-5 環向路徑邊界條件設定示意圖.....................33
圖2-6 網格疏密與溫度值關係圖........................34
圖3-1 軸向取值路徑(紅色節點)........................38
圖3-2 環向取值路徑(紅色節點)........................38
圖3-3 雷射深雕作用在不同脈衝寬度下，當冷卻時間為9.3 10-3秒
時之溫度場分佈................................40
圖3-4 雷射深雕作用在不同脈衝寬度下對溫度場之影響.......41
圖3-5 在固定脈衝頻率下(10kHz)，不同脈衝寬度完全冷卻後之應
力場變化情形..................................42
圖3-6 雷射深雕作用在不同脈衝寬度下工件完全冷卻後之應力比
較..........................................43
圖3-7 雷射深雕作用在不同脈衝頻率下，當冷卻時間為9.3 10-3秒
時之溫度場分佈................................45
圖3-8 脈衝頻率10kHz時，隨著雷射前進擊發序號之溫度場變化47
圖3-9 脈衝頻率25kHz時，隨著雷射前進擊發序號之溫度場變化47
圖3-10 脈衝頻率50kHz時，隨著雷射前進擊發序號之溫度場變化48
圖3-11 脈衝頻率100kHz時，隨著雷射前進擊發序號之溫度場變化48
圖3-12 雷射深雕作用在不同脈衝頻率下對溫度場之影響........49
圖3-13 圖3-13在固定脈衝寬度下(45ns)，不同脈衝頻率完全冷卻後
之應力場變化情形...............................50
圖3-14 雷射深雕在不同脈衝頻率及不同截面上，工件完全冷卻後之
應力變化曲線...................................52
圖3-15 脈衝頻率10kHz時，隨著雷射前進擊發序號之應力場變化..53
圖3-16 脈衝頻率25kHz時，隨著雷射前進擊發序號之應力場變化..54
圖3-17 脈衝頻率50kHz時，隨著雷射前進擊發序號之應力場變化..55
圖3-18 脈衝頻率100kHz時，隨著雷射前進擊發序號之應力場變化.55
圖3-19 雷射深雕作用在不同雕刻速度下，冷卻時間為9.3 10-3秒的
　　　　溫度場分佈.....................................57
圖3-20 雷射深雕作用在不同雕刻速度下對溫度場之影響........58
圖3-21 不同雕刻速度完全冷卻內部應力場之變化情形..........59
圖3-22 雷射深雕作用在不同加工速度及不同截面上，工件完全冷卻　
　　　　後之應力變化曲線................................61
圖3-23 縱向雕刻示意圖.................................64
圖3-24 單向橫向雕刻示意圖..............................64
圖3-25 雙向橫向雕刻示意圖..............................64
圖3-26 縱向雕刻在不同進的位置上冷卻9.3 10-3秒後的溫度場分佈65
圖3-27 雷射深雕作用在不同前進的位置上對溫度場之影響........66
圖3-28 單向橫向雕刻在不同刻除深度上冷卻9.3 10-3秒後的溫度場
分佈............................................66
圖3-29 雷射深雕作用在不同深度下，在不同前進位置上之溫度分佈.67
圖3-30 雙向橫向雕刻在不同刻除深度上冷卻9.3 10-3秒後的溫度場
分佈...........................................68
圖3-31 雷射深雕作用在不同深度下，在不同前進位置上之溫度分佈.69
圖3-32 雷射深雕在不同雕刻程序對溫度場之影響...............69
圖3-33 縱向雕刻完全冷卻後之應力場變化情形.................71
圖3-34 單向橫向雕刻完全冷卻後之應力場變化情形.............71
圖3-35 雙向橫向雕刻完全冷卻後之應力場變化情形.............71
圖3-36 縱向雕刻完全冷卻後之應力分佈......................72
圖3-37 單向橫向雕刻完全冷卻後之應力分佈...................72
圖3-38 雙向橫向雕刻完全冷卻後之應力曲線...................73
圖3-39 雷射深雕在不同位置點上，冷卻9.3 10-3秒後之溫度場分佈.74
圖3-40 雷射深雕完成後，在不同時間點上冷卻過程之溫度場分佈....76
圖3-41 不同環繞面積下，環向雕刻所形成之溫度場分佈...........77
圖3-42 不同環繞面積下，環向雕刻前進方向量測點之溫度分佈......78
圖3-43 雷射深雕隨著擊發位置的不同，內部應力場之變化情形......80
圖3-44 雷射深雕隨著擊發位置的不同，距離雷射光斑中心不同位置
冷卻過程時之熱應力變化.............................81
圖3-45 雷射深雕隨著擊發位置的不同，距離雷射光斑中心不同位置
完全冷卻時之殘留應力分佈...........................82

參考文獻

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