Способ резки хрупких неметаллических материалов



Способ резки хрупких неметаллических материалов
Способ резки хрупких неметаллических материалов
Способ резки хрупких неметаллических материалов
Способ резки хрупких неметаллических материалов
Способ резки хрупких неметаллических материалов

 


Владельцы патента RU 2494051:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет приборостроения и информатики" (RU)

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.

 

Изобретение относится к способам резки хрупких неметаллических материалов, в частности кварцевого стекла и других хрупких термостойких материалов.

Настоящее изобретение может быть использовано в различных областях техники для высокоточного и производительного раскроя самого широкого класса хрупких неметаллических материалов на заготовки, в частности, при резке изделий из кварцевого стекла, ситаллов, термостойких стекол и других хрупких неметаллических материалов.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ резки хрупких неметаллических материалов, включающий 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 пластины и лазерного пучка с хладагентом (Патент РФ №2024441, МПК С03В 33/02 - прототип).

Сущность метода лазерного управляемого термораскалывания (ЛУТ) заключается в следующем. При облучении поверхности хрупкого материала лазерным излучением с длиной волны, для которого материал является непрозрачным, часть энергии отражается, а остальная часть поглощается и выделяется в виде тепловой энергии в приповерхностном слое материала. При облучении поверхности непрозрачного материала лазерным излучением во внешних его слоях возникают напряжения сжатия, которые к разрушению не приводят.

При подаче вслед за лазерным пучком хладагента происходит резкое локальное охлаждение поверхности материала по линии реза. Создаваемый градиент температур обуславливает возникновение в поверхностных слоях материала напряжений растяжения, превышающих предел прочности материала, которые приводят к образованию микротрещины или сквозной разделяющей трещины. Для оптимизации режимов ЛУТ для различных материалов необходимо учитывать взаимосвязь между основными параметрами, характеризующими этот процесс. К числу факторов, имеющих первостепенное значение для процесса ЛУТ, следует отнести: параметры лазерного пучка, а именно: длина волны и плотность мощности лазерного излучения, размеры и форма лазерного пучка на поверхности разделяемого материала; скорость относительного перемещения лазерного пучка и материала; теплофизические свойства, количество и условия подачи хладагента в зону нагрева; теплофизические и механические свойства разделяемого материала, его толщина и состояние поверхности.

Этот способ можно успешно использовать при резке различных хрупких неметаллических материалов, в том числе различных анизотропных материалов. Однако этот способ не позволяет осуществлять термораскалывание изделий из кварцевого стекла и других термостойких материалов. Кварцевое стекло и многие другие термостойкие материалы, например, ситаллы, обладают чрезвычайно высокой термостойкостью из-за низкого коэффициента линейного термического расширения (КЛРТ). В справочной литературе указано, что кварцевое стекло имеет высокую термостойкость, позволяющую выдерживать пятикратный перепад температур от нагрева до красного свечения к резкому охлаждению в воде или масле. Таким образом, считалось, что термостойкость кварцевого стекла или близких к нему по КЛТР других термостойких материалов не позволяет осуществлять их разделению за счет термонапряжений при лазерном термораскалывании.

Это можно объяснить следующим образом. Чем ниже КЛРТ материала, тем интенсивнее должен быть нагрев поверхности материала для увеличения градиента температур, обеспечивающего достижение необходимых для разрушения материала напряжений. Однако, чем выше температура нагрева поверхности термостойкого материала, тем выше вероятность снятия концентратора напряжений в месте нанесения локального надреза. В этом случае происходит либо оплавление надреза, либо отжиг и снятие напряжений в зоне нанесения начального надреза (царапины). В результате этого, зарождение разделяющей трещины не происходит. Таким образом, недостатком данного способа является невозможность термораскалывания кварцевого стекла и других термостойких материалов.

Техническим результатом настоящего изобретения является расширение возможностей способа резки хрупких неметаллических материалов за счет возможности осуществления резки кварцевого стекла и других хрупких термостойких материалов методом ЛУТ.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе резки хрупких неметаллических материалов, включающем 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, при чем 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=A(1…2,5)/v, где А - половина размера эллиптического пучка в направлении движения или радиус круглого пучка, к - диапазон 1…2,5.

Следует отметить, что резка кварцевого стекла или других термостойких материалов по предлагаемому способу методом ЛУТ может осуществляться с помощью приповерхностной (микротрещины) или сквозной разделяющей трещины в зависимости от толщины материала и режимов термораскалывания, а именно: мощности и плотности мощности лазерного излучения, скорости относительного перемещения материала и лазерного пучка.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:

- фиг.1 - схема нанесения надреза в зоне воздействия лазерного пучка;

- фиг.2 - схема нанесения надреза вслед за зоной воздействия лазерного пучка;

- фиг.3 - схема подачи хладагента в зону надреза вслед за зоной воздействия лазерного пучка, и начало зарождения трещины.

На перечисленных схемах, чертежах и фотографиях приняты следующие обозначения:

1 - подложка кварцевой пластины;

2 - эллиптический пучок СО2-лазера для резки (ЛУТ) кварцевого стекла;

3 - линия реза;

4 - надрез с помощью лазера или алмазного резца;

5 - алмазный резец (алмазная пирамидка) или лазерный пучок для нанесения надреза;

6 - пятно хладагента;

7 - форсунка для подачи хладагента (воздушно-водяного аэрозоля);

8 - микротрещина.

На Фиг.1 показан один из вариантов осуществления способа резки кварцевой пластины 1. В этом варианте производится следующая последовательность операций. При относительном перемещении кварцевой пластины 1 и лазерного пучка 2 длиной 2А со скоростью v по линии реза 3 в момент времени t1, когда, по меньшей мере, половина пучка уже переместилась от края пластины, наносят надрез 4 на краю платины 1 с помощью устройства для нанесения надреза 5. Если надрез нанести до начала нагрева пластины 1 лазерным пучком 2, как это осуществляется по известному способу, то произойдет оплавление надреза и снятие концентратора напряжений, в результате чего, зарождения трещины не произойдет.

На Фиг.2 показан другой вариант резки кварцевой пластины, в котором нанесение надреза 4 осуществляется в момент времени t2, когда пучок длиной 2А переместился от края пластины на всю свою длину со скоростью v.

На Фиг.3 показано начало подачи хладагента 6 с помощью форсунки 7 в момент времени t3, который соответствует времени, когда лазерный пучок 2 длиной 2А прошел место нанесения надреза 4. Этот момент времени t3 начала подачи хладагента 6 является началом зарождения микротрещины 8. При дальнейшем относительном перемещении пластины происходит продвижение микротрещины по линии реза.

Начало включения форсунки 7 для подачи хладагента 6 можно осуществлять одновременно с началом нагрева кварцевой пластины 1 лазерным пучком 2, либо с временной задержкой t3, которая определяется равенством t3=A(1…2,5)/v при относительном перемещении лазерного пучка и хладагента со скоростью v. В любом случае, хладагент подается в зону нагрева вслед за лазерным пучком.

Ниже приведены конкретные примеры резки пластин из кварцевого стекла в соответствии с предложенным способом.

Пример 1. Для ЛУТ кварцевого стекла использовался пучок круглого сечения диаметром 2А=4,0 мм. Образцом была пластина кварцевого стекла толщиной 5 мм. Использовался CO2 лазер с длиной волны излучения λ=10.6 мкм и мощностью излучения Р=40 Вт. Термораскалывание пластины осуществлялось следующим образом. Включалось перемещение пластины со скоростью 4 мм/с и одновременно включался затвор подачи лазерного излучения на край пластины. Через 1 секунду после начала движения пластины включался механизм нанесения надреза, выполненного в виде электромагнита с закрепленной алмазной пирамидкой. При коротком воздействии алмазной пирамидки на краю пластины наносился надрез (царапина) длиной 0,5 мм. Царапина была нанесена сразу вслед лазерному пучку. Одновременно с нанесением надреза включалась подача хладагента в виде воздушно-водяной смеси, подаваемой с помощью форсунки. При термораскалывании со скоростью V=4 мм/с образовывалась микротрещина глубиной 140 мкм. При увеличении мощности лазерного излучения до Р=50 Вт скорость термораскалывания повышалась до V=5 мм/с, т.е. пропорционально увеличению мощности.

Другие примеры лазерного термораскалывания кварцевой пластины приведены в Таблице 1. В ней приведены режимы и результаты лазерного термораскалывания пластины из кварцевого стекла толщиной 5 мм с помощью лазерного излучения СO2-лазера мощностью 40 и 50 Вт сфокусированного на поверхность заготовки в виде круглого и эллиптического пучков.

Таблица
№ п/п Задержка надреза t, сек Скорость перемещения v, мм/с Размер пучка, мм Мощность излучения, Вт Повторяемость процесса, %
1* 0 4 ⌀4 40 0 (реза нет)
2 0,2 4 ⌀4 40 0 (реза нет)
3 0,25 4 ⌀4 40 20
4 0,5 4 ⌀4 40 100
5 1 4 ⌀4 40 100
6 1,25 4 ⌀4 40 100
7 2 4 ⌀4 40 10
8 2,5 4 ⌀4 40 0 (реза нет)
9* 0 8 6×3 50 0 (реза нет)
10 0,5 8 6×3 50 100
11 1 8 6×3 50 100
12 1,5 8 6×3 50 0 (реза нет)
Примечание: 1* и 9* - режим резки по известному способу (прототипу), т.е. надрез осуществлялся перед началом нагрева заготовки.

Глубина прогрева кварцевой пластины в плоскости, перпендикулярной направлению перемещения пучка, сразу после ее прохождения незначительна. При таких режимах термораскалывания глубина образующейся микротрещины может находиться в пределах 0,1…0,2 мм, так как более глубокие слои стекла прогревались незначительно.

Для лазерного термораскалывания кварцевого стекла с подачей хладагента основными факторами, влияющими на его режимы, являются скорость относительного перемещения лазерного источника и материала и мощность лазерного излучении. На Фиг.4 показана зависимость скорости v термораскалывания кварцевого стекла толщиной 6 мм от мощности лазерного излучения Р. Как следует из приведенного графика, скорость термораскалывания кварцевого стекла линейно зависит от мощности лазерного излучения при заданной толщине пластины.

Связь глубины микротрещины с толщиной кварцевой пластины определяет усилие, необходимое для ее последующего разламывания относительно линии реза. Поэтому глубина микротрещины относится к одному из важнейших параметров процесса лазерного управляемого термораскалывания кварцевого стекла. На Фиг.5 показана зависимость глубины разделяющей трещины δ от мощности лазерного излучения Р при толщине кварцевого стекла 6 мм и 3 мм. Как следует из приведенного графика, изменение глубины трещины δ происходит более резко у кварцевых образцов большей толщины.

Как следует из проведенных данных, глубиной трещины для кварцевого стекла заданной толщины можно управлять в широких пределах, варьируя мощность лазерного излучения и скорость относительного перемещения образца и пучка. В частности, изменяя мощность лазерного излучения от 50 до 100 Вт можно изменять глубину разделяющей микротрещины от 0,1 до 0,6 мм. Глубина разделяющей микротрещины так же увеличивается при уменьшении скорости перемещения при ЛУТ.

Настоящее изобретение может быть использовано в различных областях техники для высокоточной и высокопроизводительной резки не только листовых термостойких материалов, но и трубчатых изделий, в том числе, кварцевых пластин и кварцевых труб любого размера и номинала.

Таким образом, в данном изобретении решена задача по расширению возможностей способа резки хрупких неметаллических материалов по отношению к известному изобретению за счет возможности осуществления резки кварцевого стекла и других хрупких термостойких материалов.

Способ резки хрупких неметаллических материалов, включающий нанесение локального надреза на краю заготовки, нагрев линии реза лазерным пучком и последующее охлаждение зоны нагрева с помощью хладагента при относительном перемещении пластины и лазерного пучка с хладагентом, отличающийся тем, что 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, причем 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=Aк/v, где А - половина размера эллиптического пучка в направлении движения или радиус круглого пучка, к - принимает значения в диапазоне 1-2,5.



 

Похожие патенты:

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

Изобретение относится к способам лазерного термораскалывания кристаллического кварца. .

Изобретение относится к способу индуцированного лазером термического разделения хрупкого материала. .

Изобретение относится к способам обработки материала, в частности к способам притупления острых кромок изделий из стекла и других хрупких неметаллических материалов.

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 сварки разнородных металлов лазерным излучением и может быть использовано, в том числе, в области машиностроения. .

Изобретение относится к способам и устройствам изготовления плоских пьезокерамических изделий изготовления плоских пьезокерамических изделий. .
Изобретение относится к области соединения разнородных материалов, в частности к способу соединения монокристаллов алмаза с металлами, и может быть использован для создания различного рода однокристального обрабатывающего инструмента, медицинского инструмента, для создания на поверхности полупроводниковых и иных алмазов электрических контактов с металлом.

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к способу лазерной резки пирографита, и может быть использовано в приборостроении, преимущественно в электронной технике.

Изобретение относится к износостойким и трибологически оптимизированным рабочим поверхностям цилиндров. .

Изобретение относится к технологии ла зерной химико-термической обработки и может быть использовано для изменения физико-химических и механических свойств поверхностей деталей из сплавов на основе алюминия.

Изобретение относится к лазерной сварке алюминиевых сплавов и может быть использовано в различных областях машиностроения, судостроения, авиационно-космической промышленности. Сварку деталей осуществляют при одновременном воздействии лазерного луча и дуги в одну сварочную ванну в среде инертного газа. Лазерный луч и дуговую горелку наклоняют в противоположные стороны относительно нормали к поверхности свариваемых деталей. Лазерный луч фокусируют над поверхностью свариваемых деталей с диаметром пятна на поверхности, равным (0,4÷0,6) мм, впереди точки дугового разряда на заданном расстоянии от нее с пороговой плотностью мощности, необходимой для начала процесса сварки, а по ходу движения лазерный луч наклоняют вперед на угол 8-9°. Дуговую горелку располагают позади лазерного луча под углом 40-50°. Расстояние между центром пятна лазерного излучения и точкой дугового разряда поддерживают равным (0,1÷0,2) диаметра электрода. Изобретение обеспечивает получение стабильного по глубине сварного шва с характеристиками шва, близкими к 1, а также отсутствие таких дефектов как поры, при минимальных энергетических затратах и высокой скорости самого процесса сварки. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.

Изобретение относится к способу лазерно-дуговой сварки толстолистовых стальных конструкций и может быть использовано в различных отраслях промышленности. Используют гибридную лазерно-дуговую головку. Дуговую горелку располагают перед лазерным лучом по ходу его движения, разделку кромок выполняют Х-образной формы, угол раскрытия которой не более 20° с каждой ее стороны, а притупление составляет от 40 до 50% от толщины заготовок. Сварку притупления Х-образной разделки выполняют за один проход на все сечение притупления, при движении гибридной лазерно-дуговой сварочной головки сверху вниз с расположением лазерного луча перпендикулярно участку поверхности зоны соединения. Последующее заполнение разделки с каждой ее стороны выполняют с поперечными колебаниями лазерно-дуговой головки. Достигается высокое качество сварных соединений за счет повышения прочности, отсутствия несплавлений и уменьшения размеров зоны термического влияния. 1 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.
Наверх