基于ABAQUS的划片损伤过程研究

砷化镓解理加工是通过解理划片产生初始损伤，然后经过解理裂片获得解理面，因此不同的解理划片工艺参数对后续的解理裂片起到至关重要的作用。本文基于ABAQUS开展对砷化镓划片加工的有限元分析，分析划片损伤过程，以及不同工艺参数下划片过程中切削力的变化。结果表明：入刀时因未得到缓冲导致入刀口的损伤情况较大，划片深度增加一倍，划片力大小增幅达到100%左右，而划片速度增加一倍对划片力的大小几乎不影响，推断出划片载荷对划片损伤作用较大；从仿真结果来看在3 um、60 mm/s工艺参数下划片效果最佳。

近年来，随着社会的发展和科技的进步，相关行业对半导体激光器的需求与日俱增，因此人们逐渐重视半导体激光器的应用[1]。半导体激光器在激光领域具有许多优点，如结构简单、输出功率高、成形性能优异、尺寸小、易于集成、阈值电流低、可选择波长宽和电光转换效率高[2]。随着半导体激光器在全球激光市场的兴起，半导体激光器作为激光领域的核心部件，也成为科学家们的研究重点[3]。现有的划片工艺方法所产生的损伤对后续裂片获得的解理面造成大量波纹裂纹，因此研究划片的损伤过程机理至关重要，ABAQUS 是最先进的大型通用非线性有限元软件之一，可以用来模拟非常庞大复杂的模型， 解决工程实际中大型模型的高度非线性问题[4] [5] [6] [7] [8]。

因此本研究采用ABAQUS 进行砷化镓划片的有限元仿真模型的建立，分析不同工艺参数下砷化镓划片的损伤情况及划片力的波动情况，探究划片损伤机理。

2. 仿真模型的建立 2.1. 砷化镓划片力数学模型 如图1 所示四棱刀头划刻过程中的法向切削力nF 和切向切削力tF 的切削力模型： ()2sinsinnAHFθθ=− 33232cossin2cos2sinsintnnfFfffθθθθθ=++ 其中A 为刀头与工件的接触面积，H 为维氏硬度， nf 为砷化镓变形所产生的阻力，θ 为四棱刀头中心线与端面间夹角。

2.2. 砷化镓划片有限元仿真模型建立 首先打开ABAQUS 软件，进入部件创建模块，通过绘制草图、设定尺寸，完成金刚石刀头和砷化镓工件两个部件的创建。打开材料属性模块，创建砷化镓材料的属性，本模型划片为{100}晶面的<110>晶向，因此将砷化镓材料属性简化为各向同性，在材料属性中定义材料的方向，输入弹性模量、泊松比、剪切模量、屈服应力、剪切损伤等相关参数，见表1，创建截面特性，分配给砷化镓工件，金刚石刀头材料的创建与之相同。打开装配模块，通过平移、旋转等操作，将砷化镓工件与金刚石刀头进行装配。

打开相互作用模块，进行刀头与工件的接触设置，设定表面与表面接触，选取对应集。设定边界条件及约束，由于分析结果主要考虑工件的划刻情况，因此设定金刚石刀头为解析刚体，边界条件设定砷化镓工件完全固定，刀头设定位移–幅值控制速度。进行网格划分，金刚石刀头通过种子布局即可划分，砷