Способ притупления острых кромок изделий



Способ притупления острых кромок изделий
Способ притупления острых кромок изделий
Способ притупления острых кромок изделий
Способ притупления острых кромок изделий
Способ притупления острых кромок изделий

 


Владельцы патента RU 2426700:

Кондратенко Владимир Степанович (RU)

Изобретение относится к способам обработки материала, в частности к способам притупления острых кромок изделий из стекла и других хрупких неметаллических материалов. Технический результат изобретения - повышение прочности кромки изделия. Способ притупления острых кромок изделий включает нагрев кромки изделия лазерным пучком до температуры, не превышающей температуру плавления материала при относительном перемещении лазерного пучка и материала со скоростью в диапазоне: V=(0,7-0,95)Vmax, где V - оптимальная скорость образования фаски при заданной мощности лазерного излучения, мм/сек; Vmax - максимальная скорость образования фаски при заданной мощности лазерного излучения, мм/сек. Способ включает дополнительный нагрев отделяющейся от кромки полоски материала вторым пучком до температуры, превышающей температуру плавления материала. Нагрев осуществляют лазерным излучением с негауссовым распределением излучения, в частности, имеющим в поперечном сечении, проходящем через центр пучка, близкое к равномерному распределению или распределение плотности мощности излучения, убывающей от периферии к центру пучка. Перед началом притупления кромки осуществляют локальное разупрочнение кромки с помощью алмазно-абразивного инструмента. 2 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к способам обработки материалов, в частности к способам притупления острых кромок изделий хрупких неметаллических материалов, преимущественно из стекла. Настоящее изобретение может быть использовано в различных отраслях промышленности при изготовлении изделий из стекла и других хрупких материалов для высококачественного и производительного притупления острых кромок изделий. В частности, изобретение может быть использовано при изготовлении деталей любых размеров и конфигураций, в том числе, в строительной и архитектурной индустрии при остеклении зданий и сооружений, в электронной промышленности при изготовлении различных компонентов, в том числе, из стекла, керамики, сапфира и полупроводниковых материалов, в автомобильной и авиационной промышленности при изготовлении изделий остекления, а также в других отраслях промышленности.

Традиционный способ притупления острых кромок различных изделий заключается в шлифовании кромок с помощью абразивного или алмазного инструмента (см., например, "Технология оптических деталей / Под ред. М.Н.Семибратова. - М.: Машиностроение. - 1978. - 415 с.). Этот способ используется с древних времен и постоянно усовершенствуется за счет создания нового сложного оборудования. Недостатком данного способа является низкая производительность, низкая культура производства, сложность и высокая цена используемого оборудования, низкое качество получаемых изделий из-за наличия нарушенного трещиноватого слоя после алмазно-абразивной обработки кромок. Поэтому в ряде случаев при изготовлении ответственных изделий с повышенными требованиями к прочностным параметрам прибегают к последующей механической или огневой полировке фасок.

Известен способ притупления острых кромок изделий из стекла путем их оплавления с помощью лазерного излучения, включающий нагрев кромки изделия сфокусированным лазерным пучком и относительного перемещения изделия и пучка (GB 2173186, МКИ СО3В 21/02, приор. Япония, 03.04.1985). Недостатком данного способа, как и способа оплавления кромки стекла пламенем газовых горелок, является необходимость последующего дополнительного температурного отжига для снятия термонапряжений.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ притупления острых кромок изделий, преимущественно из стекла, включающий нагрев кромки изделия сфокусированным лазерным пучком до температуры, не превышающей температуру плавления стекла, и относительного перемещения изделия и пучка (патент РФ №2163226, МКИ С03В 33/02, приор. 28.06.2000 - прототип).

Способ притупления острых кромок изделий из стекла с помощью лазерного излучения заключается в следующем. При нагреве поверхности стекла вдоль кромки лазерным пучком с длиной волны излучения 10,6 мкм (излучение CO2-лазера), для которого стекло непрозрачно, вся энергия поглощается в тонком поверхностном слое. Дальнейшее распространение энергии лазерного излучения вглубь материала происходит за счет теплопроводности. Следовательно, степень нагрева поверхности стекла или другого материала под действием лазерного излучения зависит от следующих факторов: мощности и плотности мощности лазерного излучения, скорости относительного перемещения лазерного пучка и материала, а также от скорости отвода тепла от поверхности вглубь материала, которая определяется коэффициентом теплопроводности материала. В результате локального нагрева до температуры, не превышающей температуры плавления, в поверхностных слоях стекла возникают высокие напряжения сжатия, которые компенсируются напряжениями растяжения, расположенными в объеме стекла. В случае выполнения определенных условий нагрева, а именно: выбора соответствующей плотности мощности излучения, размеров и формы пучка, а также скорости относительного перемещения изделия и лазерного пучка, можно обеспечить условие, когда напряжения растяжения превысят предел прочности стекла. Это приводит в свою очередь к отделению от кромки стекла узкой полоски стекла, за счет чего и обеспечивается притупление острой кромки пластины, т.е. образование фаски.

Недостатком описанного способа притупления острых кромок изделий является снижение прочности кромки за счет появления зачастую остаточных термических напряжений. Еще одним недостатком указанного способа является то, что в процессе притупления кромки при образовании длинной полоски отделяемого материала в виде стружки зачастую происходит обламывание этой стружки и прекращение процесса притупления кромки. Кроме того, описанный способ не позволяет управлять в широком диапазоне размерами и формой фаски.

В основу настоящего изобретения положена задача создания нового, более эффективного способа притупления острых кромок изделий из стекла и других хрупких неметаллических материалов с качественным улучшением следующих параметров:

- повышение прочности кромки стекла после снятия фаски;

- повышение повторяемости, надежности и стабильности технологического процесса образования притупляющей фаски;

- управление размерами и формой фаски.

Поставленная задача решается тем, что в способе притупления острых кромок изделий, включающем нагрев обеих поверхностей кромки изделия сфокусированным лазерным пучком эллиптической формы до температуры, не превышающей температуры плавления материала, при относительном перемещении изделия и пучка, согласно изобретению, для повышения прочности кромки нагрев осуществляют при относительном перемещении лазерного пучка и материала со скоростью в диапазоне:

V=(0,7-0,95) Vmax,

где V - оптимальная скорость образования фаски при заданной мощности лазерного излучения;

Vmax - максимальная скорость образования фаски при заданной мощности лазерного излучения,

при этом для повышения стабильности процесса после образования фаски осуществляют оплавление или пережигание образующейся стружки материала путем нагрева отделяющейся от кромки стружки материала вторым пучком до температуры, превышающей температуру плавления материала.

Кроме того, для повышения повторяемости, надежности и стабильности технологического процесса образования притупляющей фаски перед началом притупления кромки осуществлять локальное разупрочнение кромки с помощью алмазно-абразивного инструмента.

Целесообразно для управления размерами и формой фаски нагрев кромки изделия осуществлять лазерным пучком с негауссовым распределением излучения, в частности, имеющим в поперечном сечении, проходящем через центр пучка, близкое к равномерному распределению или распределение плотности мощности излучения, убывающей от периферии к центру пучка.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:

- фиг.1 - график зависимости механической прочности кромки Р от скорости притупления острой кромки, то есть от скорости снятия фаски v;

- фиг.2 изображает схему притупления кромки пластины 1 за счет образования фаски 3 первым лазерным пучком 2 и пережигание или оплавление стружки 4 вторым лазерным пучком 5, когда происходит удаление стружки 6;

- фиг.3 - профиль фаски, полученной с помощью лазерного излучения с модовой структурой TEM01 (7) и ТЕМ00 (8);

- фиг.4 - фотография притупленной кромки стекла и узкой стеклянной полоски (стружки), за счет которой происходит образование фаски;

- фиг.5 - фотографии сравнительных испытаний прочности кромок изделий из стекла после традиционного притупления и после притупления в соответствии с предлагаемым изобретением. Слева показан момент перед началом разрушения стеклянной пластины после традиционного притупления, справа - после притупления в соответствии с предлагаемым способом.

На фиг.1 представлена зависимость механической прочности кромки стекла Р от скорости относительного перемещения лазерного пучка и изделия, то есть от скорости снятия фаски v. Как следует из приведенного графика, процесс притупления кромки изделия из стекла может проходить в очень широком диапазоне скоростей: от 50 до 1000 мм/сек. Установлено также, что размер фаски увеличивается практически линейно с уменьшением скорости относительно перемещения. Однако, как следует из этого графика, попытка увеличения размера фаски за счет снижения скорости приводит к уменьшению механической прочности за счет появления остаточных термических напряжений. Поэтому с целью обеспечения высокой прочности кромки нагрев кромки следует осуществлять при относительном перемещении лазерного пучка и материала со скоростью в диапазоне V=(0,7-0,95) Vmax, где V - оптимальная скорость образования фаски при заданной мощности лазерного излучения; Vmax - максимальная скорость образования фаски при заданной мощности лазерного излучения. В этом диапазоне скоростей прочность кромки стекла изменяется всего на 9%. При этом повторяемость и стабильность процесса составляет 100%.

На фиг.2 представлена оптимальная схема притупления кромки (снятия фаски 3), обеспечивающая стабильность и повторяемость процесса, в которой происходит образование фаски 3 первым лазерным пучком 2 и пережигание или оплавление образующейся стружки 4 вторым лазерным пучком 5. Расстояние от места образования фаски (образования стружки 4) до места ее пережигания вторым пучком 5 может колебаться от нескольких миллиметров до нескольких десятков миллиметров. Что касается температуры нагрева отделяемой полоски стекла или другого материала, то она может изменяться в широком диапазоне: от температуры плавления до температуры испарения материала.

Очень важным фактором обеспечения повторяемости и стабильности снятия фаски является то, что перед началом снятия фаски необходимо осуществить локальное уменьшение разупрочнения кромки за счет нанесения дефекта на кромке с помощью алмазно-абразивного инструмента. Нанесение локального дефекта на кромке стекла или другого материала осуществляется путем прикосновения алмазно-абразивного инструмента, например, в виде бруска, под углом около 45 угловых градусов к кромке стекла или другого материала. Особенно это воздействие алмазно-абразивного инструмента актуально для изделий с бездефектными высокопрочными кромками, полученными методом лазерного управляемого термораскалывания. Это связано с тем, что прочность кромки стекла после лазерного управляемого термораскалывания выше в 5-8 раз по сравнению с механической резкой. Без нанесения данного локального дефекта на кромке изделия зарождение фаски гарантировано быть не может. В крайнем случае, зарождение образования фаски может быть достигнуто за счет заведомого увеличения мощности лазерного излучения или заведомого снижения скорости снятия фаски. Однако это приводит к появлению остаточных термических напряжений и, соответственно, к уменьшению механической прочности кромки изделия.

Следует отметить, что формой и размерами фаски можно управлять в широких пределах. На фиг.3 показана фотография фасок на стекле толщиной 1,1 мм, полученных с помощью лазерных пучков с различной модовой структурой. В частности, фаска с прямолинейным профилем 1 получена с помощью лазерного излучения с модовой структурой ТЕМ01, а фаска с вогнутым профилем 2 получена с помощью лазерного излучения с модовой структурой ТЕМ00. Изменяя модовую структуру лазерного излучения, можно получить профиль от вогнутой до выпуклой формы. Однако применение одномодового излучения ТЕМ00 для образования фаски, то есть в качестве первого лазерного пучка нежелательно, так как это приводит к перегреву кромки стекла и снижению ее механической прочности. Использование же лазерного излучения с гауссовым распределением для пережигания стружки вполне допустимо. Размеры фасок при притуплении острых кромок стекла могут варьироваться в диапазоне от 0,05 мм до 2 и более мм. Это зависит от параметров лазерного пучка и скорости снятия фаски.

Конкретные примеры притупления острых кромок изделий из различных хрупких материалов в соответствии с предложенным способом приведены в таблице 1.

Таблица 1.
№ п/п Скорость образования фаски, мм/сек Прочность кромки стекла, МПа Ширина фаски, мкм Повторяемость процесса, % Примечания
1.* 1000 160 110 80 Стекло содовое толщиной 1,1 мм. Мощность лазерного излучения постоянная, равная 100 Вт. Излучение второго лазера мощностью 70 Вт фокусировалось в пучок диаметром 1 мм на стружку из стекла на расстоянии 15 мм от места ее образования.
2. 950 155 120 100
3. 800 150 180 100
4. 700 140 220 100
5. 500 120 260 90
6. 400 100 310 80
7. 300 80 400 70
Примечания: Пример 1* соответствует максимальной скорости образования фаски; примеры 2-3 соответствуют оптимальной скорости образования фаски; примеры под номерами 5, 6, 7 также не являются оптимальными, так как повторяемость процесса в этих диапазонах режимов не является стопроцентной.

Помимо притупления острых кромок изделий из стекла данный способ можно применить для других хрупких неметаллических материалов.

Например, было выполнено притупление острой кромки кремниевого диска толщиной 0,5 мм с помощью полупроводникового лазера с длиной волны 808 нм с равномерным распределением плотности мощности по сечению пучка. Размер эллиптического пучка составил 2,5×0,5 мм. Мощность излучения составляла 150 Вт. При скорости снятии фаски 250 мм/сек размер фаски составил 150 мкм.

Также было осуществлено снятие фаски на изделиях из сапфира, монокристаллического кварца, керамики.

Как и в способе-прототипе, данный способ позволяет успешно снимать фаску как после резки методом лазерного управляемого термораскалывания, так и после традиционной резки с помощью твердосплавного ролика или алмазного резца. Однако описанный способ лазерного притупления кромок позволяет удалить весь нарушенный трещиноватый слой стекла, который остается в удаляемой узкой полоске после механической резки.

В отличие от прототипа данный способ позволяет оптимизировать режимы снятия фаски, которые обеспечивают повышение прочности кромки, повышение повторяемости и стабильности процесса снятия фаски, а также управлять размерами и формой фаски.

Помимо притупления кромок на изделиях из стекла этот способ притупления острых кромок можно использовать для таких материалов, как сапфир, кварц, керамика, кремний и другие полупроводниковые материалы.

Описанный способ притупления острых кромок изделий прошел апробацию и внедрен на одной компании при снятии фасок на плоских дисплейных панелях.

1. Способ притупления острых кромок изделий из стекла или других хрупких неметаллических материалов, включающий нагрев кромки изделия лазерным пучком до температуры, не превышающей температуру плавления материала, при относительном перемещении изделия и пучка, отличающийся тем, что для повышения прочности кромки нагрев осуществляют при относительном перемещении лазерного пучка и материала со скоростью в диапазоне:
V=(0,7-0,95)Vmax,
где V - оптимальная скорость образования фаски при заданной мощности лазерного излучения, мм/с;
Vmax - максимальная скорость образования фаски при заданной мощности лазерного излучения, мм/с,
при этом осуществляют нагрев отделяющейся от кромки полоски материала вторым пучком до температуры, превышающей температуру плавления материала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед началом притупления кромки осуществляют локальное разупрочнение кромки с помощью алмазно-абразивного инструмента.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют нагрев лазерным пучком с негауссовым распределением излучения, в частности, имеющим в поперечном сечении, проходящем через центр пучка, близкое к равномерному распределению или распределение плотности мощности излучения, убывающей от периферии к центру пучка.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способам резки хрупких неметаллических материалов, в частности приборных пластин из таких материалов, как стекло, керамика, кварц, сапфир, кремний, арсенид галлия, карбид кремния и другие материалы.

Изобретение относится к способам лазерной резки хрупких неметаллических материалов, преимущественно стекла и керамики, под действием термоупругих напряжений по замкнутым криволинейным траекториям.

Изобретение относится к способам резки неметаллических материалов, преимущественно стекла, и применимо в автомобилестроении для изготовления стекол и зеркал, в электронной промышленности, а также в других областях техники.

Изобретение относится к разделению листового стекла пламенем разогревающей горелки. .

Изобретение относится к способу и устройству скрайбирования для разделения хрупкого материала, такого как стекло, керамика. .

Изобретение относится к способам обработки материалов, в частности к способам высокоточной лазерной резки хрупких неметаллических материалов, преимущественно стекла, под действием термоупругих напряжений.

Изобретение относится к способам термораскалывания хрупких неметаллических материалов, в частности к способам лазерного термораскалывания таких материалов, как стекло и керамика, различные монокристаллы и полупроводниковые материалы, и может быть использовано в электронной промышленности, в качестве оптических меток и штрихов, при изготовлении токопроводящих дорожек в различных приборах, а также при изготовлении различных люминесцентных приборов.

Изобретение относится к области резки стекла и может применяться при резке листового стекла по прямой линии реза в промышленности и в быту с возможностью одновременного разрезания двух стекол.

Изобретение относится к технике изготовления жидкокристаллических экранов. .

Изобретение относится к способам создания изображений внутри оптически прозрачных твердых сред путем их лазерной обработки при создании декоративных и художественных изображений внутри прозрачной твердой среды, изготовлении сувениров и другой аналогичной продукции.

Изобретение относится к способу индуцированного лазером термического разделения хрупкого материала

Изобретение относится к способам лазерного термораскалывания кристаллического кварца

Изобретение относится к способу лазерного термораскалывания хрупких неметаллических материалов, преимущественно стекла

Изобретение относится к способам резки хрупких неметаллических материалов, в частности кварцевого стекла и других хрупких термостойких материалов. Техническим результатом настоящего изобретения является расширение возможностей способа резки хрупких неметаллических материалов за счет осуществления резки кварцевого стекла и других хрупких термостойких материалов методом ЛУТ. Способ резки хрупких неметаллических материалов включает нанесение локального надреза на краю заготовки по линии реза, нагрев линии реза лазерным пучком и последующее охлаждение зоны нагрева с помощью хладагента при относительном перемещении материала и лазерного пучка с хладагентом. Для обеспечения резки кварцевого стекла и других термостойких материалов нагрев заготовки лазерным пучком осуществляют перед нанесением локального надреза, а нанесение локального надреза осуществляют в зоне воздействия лазерного пучка или сразу за этой зоной. Нанесение надреза осуществляют при относительном перемещении заготовки со скоростью v с временной задержкой по отношению к началу нагрева материала лазерным пучком t, который определяется равенством t=AK/v, где А - половина размера эллиптического пучка в направлении движения или радиус круглого пучка, к - принимает значения в диапазоне 1-2,5. 1 табл., 5 ил.

Группа изобретений касается структурного блока, имеющего в качестве линии инициирования разлома лазерный трек, который состоит из углублений, полученных от лазерного луча, для подготовки последующего разделения этого структурного блока на отдельные конструктивные элементы. Тем самым обеспечивается то, что при разделении на отдельные части разлом всегда происходит вдоль этого лазерного трека, предотвращаются разломы, отклоняющиеся от лазерного трека, и после разламывания формируются ровные и не имеющие осыпаний края излома. Причем расстояние между двумя расположенными рядом углублениями от лазера меньше или равно диаметру этих углублений от лазера, соответственно измеренному на поверхности структурного блока. При этом лазерный трек скомбинирован с выемкой в отдельном конструктивном элементе. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к способам обработки стеклоизделий, в частности к способам притупления острых кромок стеклоизделий. Способ включает обработку кромки стекла сфокусированным лазерным лучом при относительном перемещении стеклоизделия и/или луча. Обработку кромки стекла выполняют лазерным лучом, имеющим в сечении форму кольца, во время которой осуществляют нагрев лазерным лучом кромки стекла до температуры выше температуры стеклования (Т > Tg). Техническим результатом изобретения является обеспечение повышения прочности стеклоизделий и скорости обработки, получение в прикромочной зоне минимально необходимых размеров фаски. 6 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к способу лазерной резки хрупких прозрачных неметаллических материалов, например стекла, и может быть использовано в стекольной, авиационной, автомобильной и других отраслях промышленности. Сущность изобретения состоит в том, что разделяемый материал подвергается воздействию двух пучков слабопоглощающегося излучения лазера (прямого и отраженного от находящегося под разрезаемым материалом зеркала), которые направляются на обрабатываемый объект под углом 0,5-20°. В результате этого сечение реза методом лазерного управляемого термораскалывания (ЛУТ) представляет собой ломаную линию, вписанную в полуокружность. Таким образом, способ позволяет осуществлять лазерную резку стекла с получением выпуклой или вогнутой формы сечения торца, причем на выпуклом торце отсутствуют острые кромки. 1 з.п. ф-лы, 6 ил., 5 пр.

Изобретение относится к способам резки хрупких неметаллических материалов, в частности сапфировых пластин импульсным лазерным излучением с длиной волны 1064 нм. Изобретение может быть использовано в различных областях техники и технологий для безотходной и высокоточной резки (термораскалывания) сапфировых пластин. Изобретение направлено на решение задачи повышения эффективности и качества резки. Способ лазерного управляемого термораскалывания сапфировых пластин включает направление лазерного луча от импульсного твердотельного Nd:YAG лазера на поверхность сапфировой пластины. Предварительно наносят энергопоглощающие слои графита на обе стороны сапфировой пластины по направлению реза, осуществляют локальный нагрев линии реза лазерным излучением с длительностью импульса 50-100 нс и средней мощностью 80-100 Вт, образование в материале сквозной разделяющей трещины. 3 ил.

Изобретение предназначено для разделения стекла и образования на нём скосов. При разделении стекла с помощью лазерного излучения на заготовки, изготовленные из стекла, сфокусированный лазерный луч (1) направляют на стекло, подлежащее разделению, и при образовании по меньшей мере двух заготовок стекло разделяется, при этом в области разреза расположены боковые поверхности (15). После того как стекло разделено, лазерный луч (1) направляют по меньшей мере на один край (16) боковой поверхности (15) образованной заготовки (5), чтобы отделить стекло от края (16), образуя при этом скос (17), который находится на боковой поверхности (15). Для образования скоса (17) по меньшей мере один лазерный источник (6) и отражатель (19), предназначенный для него, перемещают вдоль боковой поверхности (15) так, чтобы лазерный луч (1), который с плоскостью заготовки (5) образует острый угол, был эффективен для образования скоса (17). В процессе резки обеспечена текучая среда (20), покрывающая область края (16), на котором должен быть произведён скос (17). Показатель преломления среды (20) близок к показателю преломления стеклянного материала изделия. Лазерный источник (6) в области вхождения лазерного луча (1) в изделие и отражатель (19) в области выхода луча из изделия размещены в пределах среды (20). Технический результат изобретения - повышение эффективности лазерной резки стекла и отсутствие необходимости шлифовки скосов стекла. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 11 ил.
Наверх