泡生法晶体炉提拉系统静动态特性分析

2022-04-28李鑫仵晨杨军良耿祥晨张金诚郑旭鸿

机械工程师 2022年4期

李鑫，仵晨，杨军良，耿祥晨，张金诚，郑旭鸿

（西安理工大学机械与精密仪器工程学院，西安 710048）

0 引言

随着全球光伏产业的迅速发展，对可以用于蓝白光LED的基板材料的蓝宝石提出了更大尺寸、更高质量、更低成本的新要求，因此提高蓝宝石晶体生长设备的质量成为了行业当前面临的迫切需求[1]。目前市场上70%的大尺寸蓝宝石是由泡生法工艺制备的，而泡生法生产蓝宝石在引晶阶段籽晶杆的振动对晶体缺陷的产生有着非常大的影响，因此对晶体炉提拉系统的静动态特性研究对于提升晶体炉的性能至关重要[2]。

现有的对于泡生法晶体炉的研究大多集中于通过改进其热场结构达到合理的温度梯度来提升晶体炉的性能，对于泡生法晶体炉的静动态特性的研究较少。郭余庆等[3]通过数值模拟的方法比较了钨钼、石墨和氧化锆3种材料的保温屏的保温性能，得出了氧化锆保温屏保温性能最优的结论。汪传勇等[4]利用专业晶体生长数值分析软件模拟了蓝宝石晶体生长过程，改进了晶体炉的加热器和上下隔热屏。杨润等[5]通过有限元分析的方法计算出直拉式单晶炉在3种典型工况下的机架结构变形情况和应力分布，验证了单晶炉机架结构的静态性能。

本文采用有限元分析的方法，针对LJ-200型晶体炉的提拉系统的静动态特性进行了分析，以期找到提拉系统在运行中产生振动的原因和薄弱环节，为实际生产和后续的优化提供参考。

1 泡生法晶体炉提拉系统有限元模型的建立

LJ-200型号泡生法晶体炉的提拉系统由大立柱、小立柱、滚珠丝杠、导轨、滑座、套筒、称重传感器、提拉电动机、旋转电动机、波纹管和籽晶杆等部分组成，其结构如图1所示。

图1 提拉系统机械结构示意图

建立三维模型时，首先对其进行模型简化：1）忽略模型各处倒角和螺栓；2）忽略其水套、行星轮、手轮和电动机等对分析结果影响较小的部件；3）将模型中各处焊接结构简化为刚性连接。建立三维模型，如图2所示。

图2 提拉系统三维模型

进行有限元分析时，网格质量的高低能够在很大程度上决定分析结果的准确性，但网格划分得过于精细会使得计算效率降低，因此在准确性和网格数量之间需要找到一定的平衡[6]。为了减少整体网格数量，提升计算速度，在进行网格划分时，对关键受力部位网格精细划分，对结果影响较小的部位的网格划分可以适当粗糙一些[7]。最终建立的有限元模型如图3所示。

图3 提拉系统有限元模型

2 泡生法晶体炉进给系统静态特性分析

静态分析一般适用于计算固定载荷下系统或部件的位移、应力和应变情况，可以为后续提拉系统中部件的优化提供一定的参考，因此有必要对其进行静力分析[8]。

2.1 静态分析参数设置

1）接触设置。将模型各处之间的螺栓连接设置为绑定接触来模拟螺栓结合面的接触情况；将滑块与导轨、滑座与滚珠丝杠之间的接触设置为摩擦接触，摩擦因数设置为0.2。

2）边界条件。由于晶体炉的底座固定在地面上，而大立柱固定在底座上，因此设置大立柱的底面3个方向的自由度均为0。小立柱与大立柱连接处仅能发生旋转而不能分离，因此给小立柱转轴的底面也设置固定约束，如图4所示。

图4 提拉系统载荷施加情况

2.2 静态分析结果

静态分析结果如图5、图6所示。

图5 变形云图

图6 应力云图

根据图5分析结果可知，提拉系统的最大变形量为3.8702 mm，最大形变发生在籽晶杆部位，提拉系统最大屈服应力为161.57 MPa，符合实际情况。

综上所述，提拉系统中籽晶杆的变形较大，可能影响后续的晶体生长，造成晶体缺陷。通过静力分析，可以了解到籽晶杆是提拉系统中的薄弱环节，后续应该考虑对其进行优化。

3 泡生法晶体炉提拉系统动态特性分析

晶体炉在运行过程中，提拉系统不可避免地会产生振动[9]。同时电源柜、真空泵、冷却水系统产生的振动还可能会使提拉系统产生共振，从而大大影响引晶精度，使晶体产生粘锅等缺陷。通过动态分析可以计算出提拉系统的固有频率和振型，从而有效避免共振[10]。因此，对提拉系统进行动态特性分析对于提高系统运行时的稳定性非常重要。