Способ резки хрупких неметаллических материалов

 

Изобретение относится к способам резки хрупких неметаллических материалов, в частности к способам лазерной резки таких материалов, как любой тип стекла, включая кварцевое стекло, различные монокристаллы, например сапфир и кварц, все типы керамики, а также полупроводниковые материалы. Техническая задача изобретения: повышение производительности и качества резки хрупких неметаллических материалов. Способ резки хрупких неметаллических материалов включает нагрев поверхности материала по линии реза с помощью лазерного пучка и дополнительное воздействие на поверхность материала. В способе осуществляют, по крайней мере, один несквозной надрез материала, при этом поверхность материала нагревают двумя лазерными пучками, расположенными на поверхности материала на заданном расстоянии друг от друга в направлении, перпендикулярном направлению относительного перемещения лазерных пучков и материала. Дополнительное воздействие на поверхность материала осуществляют в зоне нанесения надреза, по крайней мере, одним источником упругих волн, при этом амплитуду и частоту упругих волн выбирают из условия углубления надреза на заданную глубину или сквозной резки. Для обеспечения максимальной эффективности процесса упругие волны концентрируют в объеме материала в зоне надреза по линии реза. Для повышения эффективности процесса резки хрупких неметаллических материалов лазерные пучки формируют на поверхности материала вытянутыми в направлении относительного перемещения лазерных пучков и материала. Кроме того, воздействие упругих волн может быть осуществлено только в заданных зонах материала по линии реза. В ряде случаев целесообразно осуществлять воздействие источника упругих волн только в заданных зонах материала про линии реза. 6 з.п.ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к способам резки хрупких неметаллических материалов, в частности к способам лазерной резки таких материалов, как любой тип стекла, включая кварцевое стекло, различные монокристаллы, например сапфир и кварц, все типы керамики, а также полупроводниковые материалы.

Настоящее изобретение может быть использовано в различных областях техники для высокоточной и высокопроизводительной резки самого широкого класса материалов на заготовки и детали любых размеров и конфигураций, в том числе, в электронной промышленности при изготовлении различных компонент из таких материалов, как сапфир, кремний, кварц, стекло. При этом резка может осуществляться как на всю толщину разрезаемого материала, так и на любую задаваемую глубину.

Известен способ резки хрупких неметаллических материалов, включающий предварительное нанесение царапины (дефекта) с помощью алмазного инструмента по линии реза, нагрев линии реза лазерным эллиптическим пучком при относительном перемещении материала и пучка и локальное охлаждение зоны нагрева с помощью хладагента (см. WO 96/20062). Этот способ можно успешно использовать при резке листовых материалов как по прямолинейному контуру, так и по любому криволинейному контуру. Однако этот способ не позволяет осуществлять высокопроизводительную сквозную резку материалов, а требует для окончательного разделения надрезанных частей материала осуществления дополнительной операции механического или другого метода докалывания материала. Эта операция не позволяет обеспечить стопроцентного высокого качества разрезаемых изделий, а кроме того, требует применения дополнительного оборудования для ломки. Это в свою очередь усложняет и удорожает процесс резки.

Известен также аналогичный способ резки хрупких неметаллических материалов, включающий нагрев линии реза лазерным пучком V-образной или U-образной формы и последующее охлаждение зоны нагрева хладагентом (см. gатент ЕР 0872303 А 2).

Известен также способ резки хрупких неметаллических материалов, включающий, как и в ранее перечисленных аналогах, нагрев линии реза лазерным пучком и последующее охлаждение зоны нагрева хладагентом, а также предусмотрено дополнительное углубление в местах крестообразного пересечения линий реза (см. патент JP 200061677, 20000229).

Известен способ резки листового стекла, при котором на одну из поверхностей стекла по линии реза воздействуют направленным тепловым потоком, обеспечивающим образование разделяющей трещины, а к противоположной поверхности листа прикладывают изгибающее усилие, обеспечивающее продвижение трещины вдоль намеченной линии (см. патент США 4190184, МКИ С 03 В 33/02, приор. 23.08.78).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ резки хрупких неметаллических материалов, используемый в установке для лазерной обработки хрупких материалов, включающий нагрев одной из поверхностей листа разрезаемого материала лазерным пучком, обеспечивающий образование разделяющей трещины, а также используется дополнительное механическое воздействие на противоположную поверхность листа (см. патент РФ 2139779, МКИ В 23 К 26/00, публ. 20.10.99).

Однако как в случае применения постоянного механического воздействия на противоположную поверхность материала, так и в сочетании с постукиванием подвижным шариком по поверхности противоположной стороны листа по траектории перемещения лазерного пучка эти приемы позволяют лишь сократить запаздывание сквозной трещины относительно положения лазерного пучка на поверхности материала, но не позволяют повысить скорость резки. Дело в том, что скорость сквозного лазерного термораскалывания определяется в основном теплопроводностью материала, которая весьма низка у стекла и других хрупких неметаллических материалов, для которых предназначен описанный способ резки. Поэтому такой способ резки не нашел широкого практического применения из-за чрезвычайно низкой производительности. Кроме того, качество и точность резки в данном способе резки является очень низкой. Дело в том, что в процессе перемещения листа стекла или другого хрупкого материала помимо постоянного значительного механического воздействия на поверхность материала подвижный шарик или любой другой ударный механизм наносит по противоположной поверхности материала периодические удары значительной интенсивности, зависящей от толщины и свойств разрезаемого материала. Это приводит к образованию обширной зоны деформаций самого материала. Сложение термических напряжений, возникающих в широкой зоне материала, подвергнутой нагреву лазерным пучком, с механическими напряжениями от постоянных нагрузок от механизма воздействия на поверхность и от периодических ударов шарика, деформирующих обширную зону материала, приводит к образованию результирующих разрушающих напряжений, управление которыми практически невозможно. Кроме того, в связи с большой зоной деформаций в этом процессе существенную роль на точность и качество резки начинает играть неоднородность материала, наличие остаточных напряженных зон и включений в самом материале, а также влияние граничных условий, то есть влияние краевых условий на термические и механические напряжения. Еще одним недостатком описанного устройства и используемого в нем способа резки является невозможность резки склеенных пластин, например невозможна резка плоских дисплейных экранов (FPD), в том числе, жидкокристаллических экранов (LCD), так как осуществляется резка верхнего листа, на который воздействует лазерный пучок, в то время, как механическое воздействие распространяется только на нижний лист. Наконец, такой способ резки не позволяет осуществлять пересекающиеся резы.

В основу настоящего изобретения положена задача повышения производительности и качества резки хрупких неметаллических материалов за счет возможности осуществления сквозной и несквозной резки, как в одном, так и в разных технологических циклах при равной скорости резки, за счет обеспечения возможности осуществления пересекающихся резов, а также за счет возможности резки двухслойных пакетов материалов.

Поставленная задача решается тем, что в способе резки хрупких неметаллических материалов, включающем нагрев поверхности материала по линии реза с помощью лазерного пучка и дополнительное воздействие на поверхность материала, отличительным является то, что осуществляют по крайней мере один несквозной надрез материала, при этом поверхность материала нагревают двумя лазерными пучками, расположенными на поверхности материала на заданном расстоянии друг от друга в направлении, перпендикулярном направлению относительного перемещения лазерных пучков и материала, а дополнительное воздействие на поверхность материала осуществляют в зоне нанесения надреза по крайней мере одним источником упругих волн, при этом амплитуду и частоту упругих волн выбирают из условия углубления надреза на заданную глубину или сквозной резки.

Для обеспечения максимальной эффективности процесса упругие волны концентрируют в объеме материала в зоне надреза по линии реза.

Для повышения эффективности процесса резки хрупких неметаллических материалов лазерные пучки формируют на поверхности материала вытянутыми в направлении относительного перемещения лазерных пучков и материала.

При этом воздействие упругих волн может быть осуществлено после завершения процесса нанесения надреза, то есть углубление надреза или сквозная резка могут осуществляться одновременно с нанесением надреза в одном технологическом цикле, но могут осуществляться и в двух независимых циклах.

Кроме того, воздействие упругих волн может быть осуществлено только в заданных зонах материала по линии реза.

В ряде случаев целесообразно осуществлять воздействие источника упругих волн только в заданных зонах материала по линии реза. Это позволяет в процессе резки по одной линии реза осуществлять чередование сквозных резов с несквозными резами на заданную глубину.

В ряде случаев одновременно концентрируют две упругие волны со стороны нанесения надреза вслед за лазерными пучками по обе стороны относительно линии надреза. Например, это целесообразно делать в тех случаях, когда размещение волновода и концентратора упругой волны с противоположной поверхности материала затруднено или не представляется возможным.

Иногда для повышения эффективности сквозной резки, особенно толстых листовых материалов, одновременно концентрируют упругую волну в объеме материала в зоне надреза, воздействуя концентратором упругой волны на противоположную поверхность материала в зоне, расположенной между зон воздействия двух других упругих волн, концентрируемых со стороны воздействия лазерных пучков.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены: - фиг.1 - схема образования надреза в материале с помощью двух лазерных пучков; - фиг. 2 - схема углубления надреза в материале на заданную глубину с помощью упругой волны; - фиг.3 - схема проведения в одном цикле несквозного и сквозного реза и двух сквозных пересекающихся резов; - фиг.4 - схема сквозной резки одной из двух склеенных пластин; - фиг. 5 - схема сквозной резки с применением механического волновода и концентратора упругой волны, расположенных с противоположной стороны разрезаемого листа; - фиг.6 - схема сквозной резки с применением двух лазерных пучков и двух концентраторов упругих волн: а - вид сверху; б - вид спереди (сечение); - фиг.7 - схема сквозной резки с применением трех концентраторов упругих волн: а - вид сбоку; б - вид спереди (сечение).

Способ резки хрупких неметаллических материалов за счет осуществления надреза с помощью двух лазерных пучков и воздействия в зоне надреза упругих волн заключается в следующем.

Рассмотрим вначале основные условия образования и распространения упругой волны в твердом упругом теле и условия углубления надреза вплоть до сквозного реза за счет воздействия упругой волны в зоне надреза.

При распространении упругой волны в твердом теле возникают механические деформации сжатия (растяжения) и сдвига, которые переносятся волной из одной точки материала в другую. При этом имеет место перенос энергии упругой деформации в объеме твердого тела. Упругая волна характеризуется амплитудой и направлением колебаний, переменным механическим напряжением и деформацией, частотой колебаний, длиной волны, фазовой и групповой скоростями, а также законом распределения смещений и напряжений по фронту волны. Эти параметры следует учитывать для определения оптимальных условий углубления надреза, а именно концентрации упругой волны в объеме материала в зоне надреза.

Для передачи упругой волны от его источника к зоне надреза можно использовать акустические волноводы. Например, в пластине или стержне, представляющих собой твердые акустические волноводы, могут распространяться волны, представляющие собой комбинации продольных и сдвиговых волн, распространяющихся под острыми углами к оси волновода и удовлетворяющих граничным условиям: отсутствию механических напряжений на поверхности волновода. Волновод должен заканчиваться концентратором, обеспечивающим концентрацию упругой волны в определенной зоне объема материала.

При нагреве поверхности пластины хрупкого неметаллического материала 1 с помощью двух лазерных пучков 2 в зонах нагрева возникают значительные напряжения сжатия, а в зоне, расположенной между зонами нагрева, возникают значительные напряжения растяжения. При определенных условиях, а именно при подборе соответствующего значения плотности мощности лазерного излучения на поверхности материала и скорости υ относительного перемещения материала и пучков, а также расстояния между пучками L, на поверхности материала образуется надрез 3 глубиной δ (фиг.1). По сравнению с описанными выше аналогами, где надрез осуществлялся за счет нагрева поверхности материала лазерным пучком и локального охлаждения зоны нагрева с помощью хладагента, применение для нагрева двух лазерных пучков позволяет исключить из технологии резки применение хладагента в виде воздушно-водяной струи. В ряде случаев это играет принципиальное значение. Например, при резке плоских дисплейных панелей (FPD), в том числе, жидкокристаллических экранов (LCD), применение воды крайне нежелательно, так как она может попасть в зазор между пластинами и привести изделие в негодность. Однако, как уже указывалось выше, такой способ резки требует для окончательного разделения последующее механическое или термическое докалывание материала вдоль линии надреза. Это накладывает очень серьезные ограничения на возможность эффективного применения указанного способа в современной индустрии, о чем уже подчеркивалось при анализе существующих аналогичных способов резки.

Основным отличием предлагаемого изобретения является концентрация упругой волны 5 с помощью волновода и концентратора 6 в объеме материала 1 в зоне образования надреза 3, например в зоне воздействия лазерных пучков 2, формируемых с помощью оптической системы 4 (фиг.2). Следует сразу подчеркнуть, что в этом способе практически отсутствует какое-либо заметное механическое воздействие на поверхность материала. При этом в зависимости от условий воздействия упругой волны: амплитуды и частоты колебаний, связанных с основными параметрами нанесения надреза: скоростью и глубиной надреза 5, можно легко осуществить углубленный рез на заданную глубину, вплоть до сквозного реза 7 глубиной Н в материале 1 (фиг.2).

Очень серьезным преимуществом предлагаемого изобретения является возможность воздействия упругой волны только в заданных зонах линии надреза, что позволяет в одном цикле резки чередовать несквозной надрез и сквозной рез. Один из примеров такой резки показан на фиг.3, где в одном цикле начало и завершение резки производят с помощью несквозного надреза 3, то есть без углубляющего воздействия упругой волны, а остальную часть резки осуществляют насквозь с образованием сквозной трещины 7. Во-первых, этот прием позволяет осуществлять сквозные пересекающиеся резы без ухудшения качества резки в местах пересечений и без применения дополнительных насечек в местах пересечений. Во-вторых, это позволяет обеспечивать высокую точность и качество резки, так как до полного завершения резки всей пластины на отдельные элементы она сохраняет свои первоначальные габариты и целостность.

Предлагаемый способ резки хрупких неметаллических материалов может быть использован для резки не только однослойных материалов, но и склеенных пластин. На фиг.4 показана схема резки пластины 1, склеенной с пластиной 8 посредством клеевого соединения 9. В этом случае упругая волна 5 распространяется со стороны пластины 8 и, достигнув зоны надреза 3, углубляет надрез до сквозного реза 7 пластины 1. Однако можно направить упругую волну в объем материала и со стороны пластины 1. Все зависит от используемого источника упругой волны.

Рассмотрим один из простейших вариантов реализации предлагаемого способа, а именно углубление надреза 3 или осуществления сквозной резки за счет применения механического волновода 6 и концентратора 10 упругой волны, возникающей под действием механического воздействия ударника 11 (фиг.5). Механический волновод 6 может быть выполнен, как прямолинейным, так и криволинейным, как показано на фиг.5. Такое исполнение волновода исключает передачу механического удара от ударника 11 непосредственно на поверхность материала 1. В данном случае волновод 6 выполнен в виде изогнутого металлического стержня, заканчивающегося концентратором - конусом с определенным углом у вершины, при этом вершина конуса имеет форму полусферы, что может быть реализовано за счет использования запрессованного стального шарика. Это обеспечивает точечный контакт концентратора 10 с поверхностью материала 1. Концентратор 10 устанавливается перпендикулярно поверхности материала 1 и расположен строго под линией надреза 3 в зоне его образования. При этом постоянное механическое воздействие концентратора 10 силой P₁ на поверхность материала 1 должно быть минимальным и не должно вызывать никаких деформаций материала, а должно обеспечивать лишь контакт концентратора 10 с поверхностью материала 1. Упругая волна в волноводе 6 и концентраторе 10 создается за счет взаимодействия ударника 11 с торцом волновода 6 с силой Р₂. При ударе по волноводу 6 в нем образуется упругая волна деформаций, которая распространяется по волноводу 6 и накапливается в концентраторе 10. В точке контакта концентратора 10 с поверхностью материала 1 энергия упругой деформации переносится в объем материала 1 и, достигнув вершины надреза 3, поперечные волны вызывают развитие надреза 3 вглубь материала, вплоть до сквозного реза 7.

В ряде случаев, размещение волновода и концентратора упругой волны с противоположной поверхности материала затруднено или не представляется возможным. В таких случаях одновременно концентрируют с помощью концентраторов 10 две упругие волны 5 со стороны воздействия двух лазерных пучков 2 по обе стороны от линии надреза 3 (фиг.6а, б). В этом случае надрез 3 осуществляется за счет напряжений растяжения, которые возникают в зоне, расположенной между зонами нагрева лазерными пучками 2. Дополнительное воздействие двух концентраторов упругой волны по обе стороны от линии надреза создают дополнительные растягивающие объемные напряжения, которые приводят к углублению надреза или к сквозному резу 7.

В ряде случаев эффективной представляется комбинация воздействия концентраторов 10 упругой волны одновременно с двух сторон разрезаемого материала 1 (фиг. 7а, б). Этот случай наиболее эффективен для сквозной резки толстых листовых материалов.

Диапазон частот упругих волн, которые могут обеспечить углубление надреза, может быть чрезвычайно широким: от нескольких долей Гц до высокочастотных колебаний. В качестве источников упругой волны могут быть использованы самые различные варианты. При этом источник упругой волны может быть расположен как со стороны надреза, так и с противоположной поверхности, в зависимости от типа используемого источника упругой волны и конструктивных особенностей используемого оборудования.

Приведем некоторые примеры резки в соответствии с предлагаемым изобретением.

Пример 1. В качестве материала для резки использовались пластины из боросиликатного стекла толщиной 1,1 мм. Для проведения тестов по резке указанного стекла использовалась установка, содержащая многомодовый СО₂-лазер мощностью 100 Вт и двухкоординатный стол с ходом 550х650 мм, обеспечивающий скорость перемещения до 750 мм/сек. С помощью специальной оптической системы, содержащей сферическо-цилиндрический объектив и оптический клин, излучение лазера формировали на поверхности материала в виде двух параллельных эллиптических пучков длиной 14 мм, расположенных на расстоянии 2,5 мм друг от друга. На противоположную поверхность стеклянной пластины воздействовали источником упругой волны. Для этого в контакт с поверхностью материала напротив надреза устанавливался волновод с концентратором механической волны, представляющий собой круглый стержень диаметром 5 мм, заканчивающийся конусом, вершина которого заканчивалась полусферой диаметром 1,5 мм. Усилие прижима концентратора к поверхности кварцевого стекла составляла P₁=2...4 г и предназначалось для обеспечения постоянного контакта концентратора и материала во время резки, то есть для отслеживания концентратором микро неровностей поверхности пластины. На торец волновода воздействовали ударником с силой Р₂=60 г и частотой 150 Гц, который формировал упругую волну деформаций в концентраторе. При перемещении образца боросиликатного стекла со скоростью 300 мм/с лазерные пучки осуществляли надрез в виде микротрещины глубиной около 0,1 мм, а воздействие упругой волны в зоне образования надреза обеспечивало углубление надреза до сквозного реза. При этом резка и докалывание осуществлялись одновременно со скоростью 300 мм/сек.

Пример 2. Производилась резка жидкокристаллической панели (LCD), состоящей из двух склеенных стеклянных пластин толщиной 0,7 мм. Для резки использовалось лазерное излучение мощностью 85 Вт, которое формировали на поверхности стекла в два параллельных эллиптических пучка на расстоянии 2 мм друг от друга. Вслед за лазерными пучками воздействовали двумя источниками упругой волны с концентраторами, расположенными со стороны воздействия лазерными пучками. Скорость сквозной резки при этом составляла 350 мм/сек.

Пример 3. Производили резку пластины из моно кристаллического кварца толщиной 0,43 мм. Резку производили с использованием лазерного излучения мощностью 55 Вт, которое формировали на поверхности материала в два параллельных эллиптических пучка длиной 7 мм. Концентратор упругой волны располагали с противоположной стороны пластины. При скорости резки 240 мм/сек включение источник упругой волны осуществляли с задержкой 0,01 сек, что обеспечивало образование на краю пластины несквозного надреза на расстоянии менее 2 мм от края пластины с последующим резким углублением реза на всю глубину. На выходе из пластины производили выключение источника упругой волны на расстоянии около 2 мм от края, что обеспечивало выход на край пластины несквозного надреза. Это обеспечивало целостность пластины в процессе резки и значительное повышение точности и качества резки.

Формула изобретения

1. Способ резки хрупких неметаллических материалов, включающий нагрев поверхности материала по линии реза с помощью лазерного пучка и дополнительное воздействие на поверхность материала, отличающийся тем, что осуществляют по крайней мере один несквозной надрез материала, при этом поверхность материала нагревают двумя лазерными пучками, расположенными на поверхности материала на заданном расстоянии друг от друга в направлении, перпендикулярном направлению относительного перемещения лазерных пучков и материала, а дополнительное воздействие на поверхность материала осуществляют в зоне нагрева по крайней мере одним источником упругих волн, а амплитуду и частоту упругих волн выбирают из условия углубления надреза на заданную глубину или сквозной резки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что упругие волны концентрируют в объеме материала в зоне надреза по линии реза.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что лазерные пучки формируют на поверхности материала вытянутыми в направлении относительного перемещения лазерных пучков и материала.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что воздействие упругих волн по линии надреза осуществляют после завершения процесса нанесения надреза.

5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что воздействие упругих волн осуществляют только в заданных зонах материала по линии реза.

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что концентрируют одновременно две упругие волны со стороны нанесения надреза вслед за лазерными пучками по обе стороны относительно линии надреза.

7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что одновременно концентрируют упругую волну в объеме материала в зоне надреза, воздействуя концентратором упругой волны на противоположную поверхность материала в зоне, расположенной между зон воздействия двух других упругих волн, концентрируемых со стороны воздействия лазерного пучка.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7