EA000544B1

EA000544B1 - Method for severing of bodies of vitrocrystalline materials

Info

Publication number: EA000544B1
Application number: EA199900040A
Authority: EA
Inventors: Алексей Семенович Сирота; Владимир Федорович Солинов; Евгений Федорович Солинов; Владимир Михайлович Товмасян; Валентин Сергеевич Чадин
Original assignee: Ооо "Лазтекс"
Priority date: 1998-10-13
Filing date: 1998-10-13
Publication date: 1999-10-28
Also published as: EA199900040A1

Abstract

1. A method for severing of bodies of vitrocrystalline materials, for example glass, by thermosevering of a body or a plurality of bodies by the application of a laser beam or other source of irradiation, which is partially absorbed through all its thickness, characterized in that the irrigation source creates in the severing zone an irrigation spot, said irrigation spot having two irrigation zones with different irrigation energies: a zone of a higher irrigation energy and a zone of lower irrigation energy. 2. A method according to Claim 1, characterized in that the zone of higher irrigation energy is located in any point of the irrigation spot. 3. A method according to Claim 1, characterized in that a distribution curve of the irrigation energy is "cone-shaped". 4. A method according to Claim 1, characterized in that a generatrix of the distribution curve of the irrigation energy can be linear, curvilinear or stepped.

Description

Предлагаемое изобретение относится к технологии разделения твердых материалов и может быть использовано при резке листового стекла и/или других прозрачных или полупрозрачных хрупких материалов путем локального нагрева вдоль линии резки, и может быть использовано в электронной, стекольной, авиационной и других отраслях народного хозяйства.The present invention relates to the technology of separation of solid materials and can be used when cutting sheet glass and / or other transparent or translucent brittle materials by local heating along the cutting line, and can be used in electronic, glass, aviation and other sectors of the national economy.

Известен способ лазерной резки стекла [1] путем нагрева лазерным лучом поверхности перемещаемой стеклянной пластины, имеющей предварительно нанесенную риску (царапину), и последующего охлаждения зоны нагрева хладоагентом (воздушно-водяная смесь под давлением).A known method of laser cutting glass [1] by heating a surface of a movable glass plate with a pre-applied risk (scratch) by a laser beam and subsequent cooling of the heating zone with a refrigerant (air-water mixture under pressure).

Способ включает облучение лазером на основе СО₂ с длиной волны 10,6 мкм, с плотностью мощности излучения 5-20 Вт/мм², при скорости относительного перемещения луча лазера и стекла 0,4-30,0 мм/с и толщине стекла 3-6 мм.The method involves irradiation with a CO ₂ -based laser with a wavelength of 10.6 μm, with a radiation power density of 5-20 W / mm ² , at a speed of relative movement of the laser beam and glass of 0.4-30.0 mm / s and glass thickness 3 -6 mm.

Однако из-за практически полного поглощения излучения лазера в приповерхностном слое стекла требуется либо многократное воздействие лучом, либо механическое докалывание, не обеспечивается возможность одновременной резки нескольких стекол («пакетной резки»), а также резки стекол и других материалов большой толщины (до 20-25 мм).However, due to the almost complete absorption of laser radiation in the surface layer of glass, either repeated exposure to the beam or mechanical puncturing is required, it is not possible to simultaneously cut several glasses (“batch cutting”), or to cut glass and other thick materials (up to 20 25 mm).

Существенным недостатком является также плохая управляемость при резке криволинейных изделий и практическая невозможность получения разрезов с радиусом кривизны менее 1 0 мм.A significant drawback is the poor controllability when cutting curved products and the practical impossibility of obtaining cuts with a radius of curvature of less than 10 mm.

Известен также способ резки стекла [2] путем нагрева лазерным лучом поверхности перемещаемой стеклянной пластины, и последующего облучения зоны нагрева другим лазерным лучом, отличающимся от первого своей интенсивностью, который следует по траектории первого луча с некоторым регулируемым запаздыванием.There is also known a method of cutting glass [2] by heating the surface of a movable glass plate with a laser beam, and then irradiating the heating zone with another laser beam that differs from the first one in its intensity, which follows the path of the first beam with some adjustable delay.

Способ включает облучение лазером на основе СО₂ с длиной волны 10,6 мкм, с мощностью 200 Вт, причем лучи могут быть получены путем разделения исходного лазерного пучка системой зеркал, и могут быть направлены на стекло перпендикулярно к его поверхности с разных сторон или с одной стороны от пластины.The method includes the laser irradiation on the basis of CO ₂ with a wavelength of 10.6 microns, a power of 200 W, and rays may be obtained by dividing the original laser beam mirror system, and may be directed perpendicular to the glass surface from different sides or on the one sides of the plate.

Однако данный способ также не обеспечивает возможности одновременной резки нескольких стекол (стопы), а также характеризуется сложной оптической системой, что обусловливает плохую управляемость при резке криволинейных изделий и невозможность получения разрезов с малым радиусом кривизны. При этом способе также требуется многократное воздействие лазерным лучом, либо механическое докалывание.However, this method also does not provide the possibility of simultaneous cutting of several glasses (feet), and is also characterized by a complex optical system, which causes poor controllability when cutting curvilinear products and the impossibility of obtaining cuts with a small radius of curvature. This method also requires repeated exposure to a laser beam, or mechanical puncturing.

Наиболее близким к предложенному изобретению является способ резки пластин хрупких материалов [3] путем нагрева лазерным лучом (алюмоиттриевый гранат) поверхности перемещаемой стеклянной пластины или стопы и нагрева стекла путем облучения зоны нагрева многократно отраженным системой наклонных зеркал лазерным лучом.The closest to the proposed invention is a method of cutting plates of brittle materials [3] by heating a laser beam (yttrium aluminum garnet) of the surface of a movable glass plate or foot and heating the glass by irradiating the heating zone with a multiple-reflected system of inclined mirrors by a laser beam.

При этом зеркала находятся по обе стороны разрезаемой области стекла, а при резке стопы стекла разделены прокладками.In this case, the mirrors are located on both sides of the cut area of the glass, and when cutting the stack of glass, they are separated by gaskets.

Недостатками способа является сложность стабилизации режима резки, т. к. требуется точное регулирование мощности излучения и строгое обеспечение температурного режима, а также слабая управляемость движения линии реза по криволинейным траекториям, сложность оптического устройства. Поэтому способ не нашел практического применения.The disadvantages of this method are the difficulty of stabilizing the cutting mode, because it requires precise control of the radiation power and strict temperature control, as well as poor controllability of the cutting line along curvilinear paths, the complexity of the optical device. Therefore, the method has not found practical application.

Сущностью предлагаемого изобретения является способ резки пластин хрупких материалов путем воздействия на пластину или стопу пластин лучом лазера или другого источника излучения, которое частично поглощается материалом по всей его толщине. При этом источник излучения создает в области резки пятно облучения, имеющее две различающиеся по плотности мощности излучения зоны: зоны большей и меньшей плотности мощности излучения. Зона с большей плотностью мощности излучения находится в любой точке пятна облучения (см. фиг. 1).The essence of the invention is a method of cutting plates of brittle materials by exposing a plate or a stack of plates with a laser beam or other radiation source that is partially absorbed by the material throughout its thickness. In this case, the radiation source creates an irradiation spot in the cutting area, which has two zones of different radiation power density: zones of higher and lower radiation power density. The zone with a higher radiation power density is located at any point of the irradiation spot (see Fig. 1).

Кривая распределения плотности мощности излучения в пятне облучения имеет конусообразную форму.The distribution curve of the power density of the radiation in the irradiation spot has a conical shape.

Образующая кривой распределения плотности мощности излучения может быть линейной, криволинейной или ступенчатой (см. фиг. 2).Forming the distribution curve of the power density of the radiation can be linear, curved or stepped (see Fig. 2).

В предлагаемом способе область большей плотности мощности излучения вызывает появление трещины, а область меньшей плотности мощности излучения способствует развитию процесса трещинообразования как по глубине (толщине) материала, так и в направлении резания.In the proposed method, the region of higher radiation power density causes the appearance of a crack, and the region of lower radiation power density contributes to the development of the process of cracking both in the depth (thickness) of the material and in the direction of cutting.

Вследствие частичного поглощения (Кпогл. > 0) энергии излучения по всей толщине разрезаемого материала предлагаемый способ позволяет резать материалы различной толщины, для которых возможно создание условий, при которых в зоне большей плотности мощности излучения соблюдается соотношение 8_раст. > 8_прочн. (напряжения растяжения больше предела прочности на разрыв), а температура материала в этой зоне не превышает температуры стеклования (Tg) или плавления (Тпл.).Due to partial absorption (Kpogl.> 0) of the radiation energy throughout the entire thickness of the material being cut, the proposed method allows cutting materials of different thickness, for which it is possible to create conditions under which a ratio of 8 _rast is observed in the zone of higher radiation power density. > 8 _durable (tensile stresses greater than the tensile strength), and the temperature of the material in this zone does not exceed the glass transition temperature (Tg) or melting (Tpl.).

Благодаря прозрачности разрезаемого материала к используемому излучению предлагаемый способ позволяет резать материалы толщиной 0,1 - 25 мм и более.Due to the transparency of the material being cut to the radiation used, the proposed method allows cutting materials with a thickness of 0.1 - 25 mm or more.

В предлагаемом изобретении резку осуществляют излучением неодимового лазера с длиной волны излучения, для которого материал является частично прозрачным, и мощностью, достаточной для осуществления условий резки.In the present invention, the cutting is performed by radiation of a neodymium laser with a radiation wavelength for which the material is partially transparent, and with a power sufficient to realize the cutting conditions.

Диаметр пучка после фокусировки оптической системой может быть выбран в диапазоне 0,8-10,0 мм и более, при этом область наиболее высокой плотности мощности излучения составляет только часть общего сечения луча и располагается внутри контура луча.The beam diameter after focusing by the optical system can be selected in the range of 0.8-10.0 mm or more, while the region of the highest radiation power density is only part of the total cross section of the beam and is located inside the beam contour.

Закон распределения плотности мощности излучения по сечению луча близок по форме к коническому, причем распределение по сечению луча может быть ступенчатое или иное, а вершина кривой распределения (область максимальной интенсивности) плотности мощности излучения по сечению луча может быть смещена относительно центра луча (его оси) в пределах контура луча, что схематично представлено на фиг. 1 и 2.The distribution law of the radiation power density over the cross section of the beam is close in shape to conical, and the distribution over the cross section of the beam can be stepped or otherwise, and the top of the distribution curve (maximum intensity area) of the radiation power density over the cross section of the beam can be shifted relative to the center of the beam (its axis) within the contour of the beam, which is schematically represented in FIG. 1 and 2.

Согласно предлагаемому способу осуществляется резка как отдельных пластин материалов (например, стекла), так и резка целой стопы толщиной до 25 мм за один проход без замены оптической фокусирующей системы.According to the proposed method, both individual plates of materials (for example, glass) are cut as well as cutting a whole foot up to 25 mm thick in one pass without replacing the optical focusing system.

Ниже предлагаемый способ иллюстрируется конкретными примерами (табл. 1 ).Below, the proposed method is illustrated with specific examples (Table 1).

Примеры.Examples

Резку осуществляют неодимовым лазером с длиной волны 1,06 мкм. Средняя плотность мощности излучения лазерного луча выбирают в диапазоне от (1,5-2,0)-10³ Вт/см² (зарождение трещины) до (30-50)-10³ Вт/см² (высокие скорости резки).The cutting is performed by a neodymium laser with a wavelength of 1.06 μm. The average power density of the laser beam is selected in the range of (1.5-2.0) -10 ³ W / cm ² (crack initiation) to (30-50) -10 ³ W / cm ² (high cutting speeds).

Таблица 1Table 1

№ п/ п No P/ P Толщина стекла Glass thickness Диаметр зоны А, мм Diameter of zone A, mm Диаметр зоны Б, мм The diameter of zone B, mm Скорость резки, мм/мин Speed cutting, mm / min 1 one Пластина 1,2 мм 1.2 mm plate 0,3 0.3 1,0 1.0 120 120 2 2 Стопа 5 ммх4 шт. Foot 5 mmx4 pcs. 0,5 0.5 3,0 3.0 100 100 3 3 Пластина 25 мм 25 mm plate 0,7 0.7 5,0 5.0 60 60

Способ отличается простотой (используется только одна компактная фокусирующая система), надежностью, простой управляемостью и воспроизводимостью процесса резки, в том числе - при криволинейных траекториях резки, обеспечивает малые радиусы кривизны (до 5 мм) резки, высокую чистоту («бездефектность») разрезаемого края изделия, не требует «докалывания» изделия после резки.The method is simple (only one compact focusing system is used), reliable, simple controllability and reproducibility of the cutting process, including curved cutting paths, provides small radii of curvature (up to 5 mm) of cutting, high purity (“flawless”) of the cut edge the product does not require “sticking” the product after cutting.

Преимуществом предлагаемого способа является регулирование ПМИ, исключение неконтролируемого образования и ухода трещины в ненужном направлении.The advantage of the proposed method is the regulation of PMI, the elimination of uncontrolled formation and care of cracks in the unnecessary direction.

Claims

1. A method of cutting plates of brittle materials, such as glass, by thermal cracking by exposing a plate or a stack of plates to a laser beam or other radiation source that is partially absorbed by the material over its entire thickness, characterized in that the radiation source creates an irradiation spot in the cutting region having two zones differing in density of radiation power: zones of higher and lower radiation power density.

2. The method according to claim 1, characterized in that the area with a higher radiation power density is located at any point of the irradiation spot.

3. The method according to claim 1, characterized in that the distribution curve of the radiation power density has a conical shape.

4. The method according to claim 3, characterized in that the generatrix of the distribution curve of the radiation power density can be linear, curvilinear or stepwise.

Sources of information taken into account:

1. USSR author's certificate No. 571931, С 03 В33 / 09, 1988.

2. Application of France No. 2228040, C 03 B33 / 08, 1975.

3. USSR author's certificate No. 690809, С 03 В 33/09, 1977.

FIG. one . Areas of higher (A) and lower (B) radiation power density

FIG. 2. The shape of the distribution curve of the radiation power density.