RU2371397C2 - Method for cutting of brittle nonmetal materials - Google Patents
Method for cutting of brittle nonmetal materials Download PDFInfo
- Publication number
- RU2371397C2 RU2371397C2 RU2007147574/03A RU2007147574A RU2371397C2 RU 2371397 C2 RU2371397 C2 RU 2371397C2 RU 2007147574/03 A RU2007147574/03 A RU 2007147574/03A RU 2007147574 A RU2007147574 A RU 2007147574A RU 2371397 C2 RU2371397 C2 RU 2371397C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- radiation
- cutting
- cut
- glass
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к способам обработки материалов, в частности к способам резки неметаллических материалов, преимущественно стекла, и промышленно применимо в автомобилестроении для изготовления стекол и зеркал, в электронной промышленности при изготовлении прецизионных подложек для жидкокристаллических индикаторов и фотошаблонов, магнитных и магнитооптических дисков, в часовой промышленности для изготовления защитных стекол, в авиационной промышленности при изготовлении изделий конструкционной оптики, в области архитектуры и стройматериалов для размерного раскроя стекла, в том числе в процессе выработки, а также в других областях техники и производства, где используются прецизионные изделия из хрупких неметаллических материалов.The invention relates to methods of processing materials, in particular to methods of cutting non-metallic materials, mainly glass, and is industrially applicable in the automotive industry for the manufacture of glasses and mirrors, in the electronics industry in the manufacture of precision substrates for liquid crystal displays and photo masks, magnetic and magneto-optical disks, in the watch industry for the manufacture of safety glasses, in the aviation industry in the manufacture of structural optics, in the field of architecture materials for glass cutting size, including in the process of production, as well as in other areas of technology and production, which uses high-precision products of brittle nonmetallic materials.
Известен способ резки хрупких неметаллических материалов, включающий нагрев материала на линии реза лазерным пучком лазера, локальное охлаждение участка на линии реза с помощью хладагента при относительном перемещении участка локального нагрева и, по крайней мере, хладагента [PCT/RU94/00276]. При этом нагрев осуществляют пучком, имеющим на поверхности материала в поперечном сечении, проходящем через центр пучка, распределение плотности мощности излучения, убывающей от периферии к центру пучка.A known method of cutting brittle non-metallic materials, including heating the material on the cut line with a laser beam of the laser, local cooling of the section on the cut line with the help of a refrigerant with the relative movement of the local heating section and at least the refrigerant [PCT / RU94 / 00276]. When this heating is carried out by a beam having on the surface of the material in a cross section passing through the center of the beam, the distribution of the radiation power density, decreasing from the periphery to the center of the beam.
Недостатком данного способа является недостаточно высокое качество реза, поскольку из-за использования алмазной иглы для создания первоначального микродефекта и микродефекта пересечения поперечного, уже созданного скола на поверхности материала падают осколки этого материала, а точность линейности реза не высока и составляет порядка 200 мкм.The disadvantage of this method is the insufficiently high quality of the cut, because due to the use of a diamond needle to create the initial microdefect and the microdefect of the intersection of the transverse, already created chip, fragments of this material fall on the surface of the material, and the accuracy of the linearity of the cut is not high and is about 200 μm.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является известный способ резки хрупких неметаллических материалов, включающий нагрев материала на линии реза лазерным пучком лазера, излучающего в среднем инфракрасном диапазоне, локальное охлаждение участка на линии реза с помощью хладагента при относительном перемещении участка локального нагрева и, по крайней мере, хладагента [RU 2024441]. При этом нагрев осуществляют до температуры, не превышающей температуры размягчения материала, а скорость относительного перемещения пучка и материала и место локального охлаждения зоны нагрева выбирают из условия образования в материале несквозной разделяющей трещины.Closest to the claimed invention is a known method of cutting brittle non-metallic materials, including heating the material on the cut line with a laser beam of a laser emitting in the middle infrared range, local cooling of the section on the cut line with a refrigerant with relative movement of the local heating section, and at least refrigerant [RU 2024441]. In this case, the heating is carried out to a temperature not exceeding the softening temperature of the material, and the relative velocity of the beam and the material and the place of local cooling of the heating zone are selected from the condition of formation of a non-penetrating separating crack in the material.
Недостатком ближайшего аналога является недостаточно высокое качество реза, поскольку из-за использования алмазной пирамидки для создания первоначального микродефекта и микродефекта пересечения поперечного, уже созданного скола на поверхности материала падают осколки этого материала.The disadvantage of the closest analogue is the insufficiently high quality of the cut, because due to the use of the diamond pyramid to create the initial microdefect and the microdefect of the intersection of the transverse, already created chip, fragments of this material fall on the surface of the material.
Известно устройство для резки хрупких неметаллических материалов, содержащее лазер для нагрева разрезаемого материала, излучающий в среднем инфракрасном диапазоне, на оптической оси которого установлена оптическая фокусирующая система, формирующая лазерный пучок на поверхности разрезаемого материала в зоне резки, средство относительного перемещения разрезаемого материала и систему управления, электрически связанную с лазером и средствами фиксации и относительного перемещения разрезаемого материала [RU 2024441].A device for cutting brittle non-metallic materials is known, comprising a laser for heating the material being cut, emitting in the middle infrared range, on the optical axis of which an optical focusing system is installed, which forms a laser beam on the surface of the material being cut in the cutting zone, a means of relative movement of the material being cut and a control system, electrically connected with a laser and means of fixation and relative movement of the material being cut [RU 2024441].
Недостатком этого устройства является недостаточно высокое качество реза, поскольку из-за использования алмазной пирамидки для создания первоначального микродефекта и микродефекта пересечения поперечного, уже созданного скола на поверхности материала падают осколки этого материала.The disadvantage of this device is the insufficiently high quality of the cut, because due to the use of the diamond pyramid to create the initial microdefect and the microdefect of the intersection of the transverse, already created chips, fragments of this material fall on the surface of the material.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является известное устройство для резки хрупких неметаллических материалов, содержащее лазер для нагрева разрезаемого материала, излучающий в среднем инфракрасном диапазоне, на оптической оси которого установлена оптическая фокусирующая система, формирующая лазерный пучок на поверхности разрезаемого материала в зоне резки, механизм подачи хладагента, расположенный в непосредственной близости от зоны резки, средство фиксации разрезаемого материала, средство относительного перемещения разрезаемого материала и систему управления, электрически связанную с лазером, оптической фокусирующей системой, механизмом подачи хладагента, средствами фиксации и относительного перемещения разрезаемого материала [PCT/RU94/00276].Closest to the claimed invention is a known device for cutting brittle non-metallic materials, containing a laser for heating the material being cut, emitting in the middle infrared range, on the optical axis of which an optical focusing system is installed, which forms a laser beam on the surface of the material being cut in the cutting zone, the refrigerant supply mechanism located in close proximity to the cutting zone, means for fixing the material being cut, means for relative displacement of cut the material and a control system electrically associated with the laser, the optical focusing system, refrigerant supply mechanism, and means fixing the relative movement of the cut material [PCT / RU94 / 00276].
Недостатком этого ближайшего аналога является недостаточно высокое качество реза, поскольку из-за использования алмазной иглы для создания первоначального микродефекта и микродефекта пересечения поперечного, уже созданного скола на поверхности материала падают осколки этого материала, а точность линейности реза не высока и составляет порядка 200 мкм.The disadvantage of this closest analogue is the insufficiently high quality of the cut, because due to the use of a diamond needle to create the initial microdefect and the microdefect of the intersection of the transverse, already created chip, fragments of this material fall on the surface of the material, and the accuracy of the linearity of the cut is not high and amounts to about 200 μm.
С помощью заявляемого изобретения решается техническая задача повышения качества реза хрупких неметаллических материалов.Using the claimed invention solves the technical problem of improving the quality of the cut of brittle non-metallic materials.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе резки хрупких неметаллических материалов, включающем нагрев материала на линии реза пучком излучения лазера среднего инфракрасного диапазона, локальное охлаждение участка на линии реза с помощью хладагента при относительном перемещении участка локального нагрева и, по крайней мере, хладагента, на поверхность материала дополнительно локально воздействуют пучком излучения импульсного лазера среднего инфракрасного диапазона с длительностью импульса излучения от 10-5 до 10-2 с.The problem is solved in that in the known method of cutting brittle non-metallic materials, including heating the material on the cut line with a mid-infrared laser beam, local cooling of the section on the cut line with the help of a refrigerant with relative movement of the local heating section and, at least, the refrigerant, on the surface of the material is additionally locally exposed to a beam of radiation from a pulsed laser of the middle infrared range with a pulse duration of radiation from 10 -5 to 10 -2 s.
В частности, нагрев можно осуществлять лазерным пучком импульсно-периодического лазера.In particular, heating can be carried out by a laser beam of a repetitively pulsed laser.
В частности, нагрев можно осуществлять лазером с длиной волны от 3 до 7 мкм.In particular, heating can be carried out with a laser with a wavelength of from 3 to 7 μm.
В частности, нагрев можно осуществлять лазером с плотностью мощности излучения от 103 до 105 Вт/см2.In particular, heating can be carried out by a laser with a radiation power density of from 10 3 to 10 5 W / cm 2 .
В частности, длина волны импульсного лазера может составлять от 3 до 7 мкм.In particular, the wavelength of a pulsed laser can be from 3 to 7 microns.
В частности, плотность энергии излучения импульсного лазера может составлять от 10 до 103 Дж/см2.In particular, the radiation energy density of a pulsed laser can be from 10 to 10 3 J / cm 2 .
В частности, пучком импульсного лазера можно локально воздействовать от 1 до 10 раз.In particular, a pulsed laser beam can be locally exposed from 1 to 10 times.
В частности, начало нагрева можно осуществлять с задержкой от 0,01 до 0,1 с после воздействия импульсным лазером.In particular, the start of heating can be carried out with a delay from 0.01 to 0.1 s after exposure to a pulsed laser.
Поставленная цель достигается также тем, что в известном способе резки хрупких неметаллических материалов, включающем локальное воздействие на линии реза пучком излучения лазера среднего инфракрасного излучения, локальное охлаждение участка на линии реза с помощью хладагента при относительном перемещении участка локального нагрева и, по крайней мере, хладагента, локальное воздействие на линии реза осуществляют пучком излучения импульсно-периодического лазера среднего инфракрасного диапазона, варьируют энергию и длительность импульсов излучения, при этом в разрезаемом материале сначала создают микродефект при воздействии импульсами излучения с длительностью от 10-3 до 10-4 с и энергией от 0,01 до 10 Дж, следующими с частотой не более 5 Гц, а затем микродефект преобразуют в управляемую трещину путем увеличения частоты следования импульсов до значения от 1 до 50 кГц при средней мощности от 10 до 300 Вт.This goal is also achieved by the fact that in the known method of cutting brittle non-metallic materials, including local exposure to the cutting line with a laser beam of medium infrared radiation, local cooling of the section on the cutting line with a refrigerant with the relative movement of the local heating section and, at least, the refrigerant , local influence on the cutting line is carried out by a beam of radiation from a pulsed-periodic laser of the middle infrared range, the energy and duration of the pulses are varied radiation, in this case, a microdefect is first created in the material being cut by exposure to radiation pulses with a duration of 10 -3 to 10 -4 s and an energy of 0.01 to 10 J, following with a frequency of not more than 5 Hz, and then the microdefect is converted into controlled crack by increasing the pulse repetition rate to a value from 1 to 50 kHz at an average power of 10 to 300 watts.
В частности, можно воздействовать пучком излучения импульсно-периодического лазера с длиной волны от 3 до 7 мкм. При этом можно воздействовать пучком излучения лазера на парах Sr.In particular, it is possible to act with a radiation beam of a repetitively pulsed laser with a wavelength of 3 to 7 μm. In this case, it is possible to act on the Sr vapor laser beam.
Поставленная цель достигается также тем, что известное устройство для резки хрупких неметаллических материалов, содержащее лазер для нагрева разрезаемого материала, излучающий в среднем инфракрасном диапазоне, на оптической оси которого установлена оптическая фокусирующая система, формирующая лазерный пучок на поверхности разрезаемого материала в зоне резки, механизм подачи хладагента, расположенный в непосредственной близости от зоны резки, средство фиксации разрезаемого материала, средство относительного перемещения разрезаемого материала и систему управления, электрически связанную с лазером, оптической фокусирующей системой, механизмом подачи хладагента, средствами фиксации и относительного перемещения разрезаемого материала, дополнительно содержит импульсный лазер, излучающий в среднем инфракрасном диапазоне, а оптическая фокусирующая система содержит селективный оптический элемент для сведения пучков излучения обоих лазеров в коллинеарный пучок, причем импульсный лазер электрически связан с системой управления.This goal is also achieved by the fact that the known device for cutting brittle non-metallic materials, containing a laser for heating the material being cut, emitting in the middle infrared range, on the optical axis of which there is an optical focusing system that forms a laser beam on the surface of the material being cut in the cutting zone, the feeding mechanism refrigerant located in close proximity to the cutting zone, means for fixing the material being cut, means for the relative movement of the material being cut This material and a control system electrically connected to a laser, an optical focusing system, a coolant supply mechanism, means of fixation and relative movement of the material to be cut, additionally contains a pulsed laser emitting in the middle infrared range, and the optical focusing system contains a selective optical element for reducing radiation beams both lasers into a collinear beam, the pulsed laser being electrically coupled to the control system.
В частности, устройство может дополнительно содержать зеркало, выполненное и установленное с возможностью отражения пучков излучения обоих лазеров после прохождения ими через разрезаемый материал.In particular, the device may further comprise a mirror, made and installed with the possibility of reflection of the radiation beams of both lasers after they pass through the material being cut.
Поставленная цель достигается также тем, что известное устройство для резки хрупких неметаллических материалов, содержащее лазер для нагрева разрезаемого материала, излучающий в среднем инфракрасном диапазоне, на оптической оси которого установлена оптическая фокусирующая система, формирующая лазерный пучок на поверхности разрезаемого материала в зоне резки, механизм подачи хладагента, расположенный в непосредственной близости от зоны резки, средство фиксации разрезаемого материала, средство относительного перемещения разрезаемого материала и систему управления, электрически связанную с лазером, оптической фокусирующей системой, механизмом подачи хладагента, средствами фиксации и относительного перемещения разрезаемого материала, дополнительно содержит импульсный лазер, излучающий в среднем инфракрасном диапазоне, и дополнительную оптическую фокусирующую систему, формирующую импульсный лазерный пучок на поверхности разрезаемого материала, причем импульсный лазер и дополнительная оптическая фокусирующая система электрически связаны с системой управления.This goal is also achieved by the fact that the known device for cutting brittle non-metallic materials, containing a laser for heating the material being cut, emitting in the middle infrared range, on the optical axis of which there is an optical focusing system that forms a laser beam on the surface of the material being cut in the cutting zone, the feeding mechanism refrigerant located in close proximity to the cutting zone, means for fixing the material being cut, means for the relative movement of the material being cut This material and a control system electrically connected to a laser, an optical focusing system, a coolant supply mechanism, means of fixation and relative movement of the material being cut, additionally contains a pulsed laser emitting in the middle infrared range, and an additional optical focusing system that forms a pulsed laser beam on the surface material being cut, and the pulsed laser and an additional optical focusing system are electrically connected to the control system i.
В частности, лазерный пучок на поверхности разрезаемого материала может иметь форму эллиптического пятна.In particular, the laser beam on the surface of the material being cut may be in the form of an elliptical spot.
В частности, импульсный лазерный пучок на поверхности разрезаемого материала может иметь форму эллиптического пятна.In particular, the pulsed laser beam on the surface of the material being cut may be in the form of an elliptical spot.
В частности, дополнительная оптическая фокусирующая система может формировать импульсный лазерный пучок на расстоянии не более 3 мкм от края разрезаемого материала или ранее сделанного реза.In particular, an additional optical focusing system can form a pulsed laser beam at a distance of not more than 3 μm from the edge of the material being cut or a previously made cut.
В частности, оптическая фокусирующая система и дополнительная оптическая фокусирующая система может формировать лазерный пучок и импульсный лазерный пучок на поверхности разрезаемого материала в пятна, расположенные на расстоянии не более 0,5 мм друг от друга.In particular, the optical focusing system and the additional optical focusing system can form a laser beam and a pulsed laser beam on the surface of the material being cut into spots located at a distance of not more than 0.5 mm from each other.
В частности, импульсный лазер может быть выполнен в виде СO2 лазера.In particular, a pulsed laser can be made in the form of a CO 2 laser.
В частности, импульсный лазер может быть выполнен в виде Еr лазера.In particular, a pulsed laser can be made in the form of an Er laser.
В частности, импульсный лазер может быть выполнен в виде Nd лазера.In particular, the pulsed laser can be made in the form of an Nd laser.
В частности, лазер может быть выполнен в виде лазера на парах Sr.In particular, the laser can be made in the form of a vapor laser Sr.
В частности, лазер может быть выполнен в виде СО лазера.In particular, the laser can be made in the form of a CO laser.
В частности, механизм подачи хладагента может быть выполнен в виде форсунки с клапанами.In particular, the refrigerant supply mechanism may be in the form of a nozzle with valves.
В частности, средство фиксации разрезаемого материала может быть выполнено в виде вакуумного присоса.In particular, the means for fixing the material to be cut can be made in the form of a vacuum suction cup.
В частности, средство относительного перемещения разрезаемого материала может быть выполнено в виде двухкоординатного стола на воздушном подвесе с шаговым двигателем.In particular, the means of relative movement of the material being cut can be made in the form of a two-coordinate table on an air suspension with a stepper motor.
Поставленная цель достигается также тем, что известное устройство для резки хрупких неметаллических материалов, содержащее лазер для нагрева разрезаемого материала, излучающий в среднем инфракрасном диапазоне, на оптической оси которого установлена оптическая фокусирующая система, формирующая лазерный пучок на поверхности разрезаемого материала в зоне резки, механизм подачи хладагента, расположенный в непосредственной близости от зоны резки, средство фиксации разрезаемого материала, средство относительного перемещения разрезаемого материала и систему управления, электрически связанную с лазером, оптической фокусирующей системой, механизмом подачи хладагента, средствами фиксации и относительного перемещения разрезаемого материала, дополнительно содержит второй лазер для нагрева разрезаемого материала, излучающий в среднем инфракрасном диапазоне, на оптической оси которого установлена вторая оптическая фокусирующая система, формирующая лазерный пучок на противоположной поверхности разрезаемого материала в зоне резки, два импульсных лазера, излучающих в среднем инфракрасном диапазоне, две дополнительные оптические фокусирующие системы, формирующие импульсные лазерные пучки на поверхностях разрезаемого материала, причем второй лазер для нагрева разрезаемого материала, импульсные лазеры и дополнительные оптические фокусирующие системы электрически связаны с системой управления.This goal is also achieved by the fact that the known device for cutting brittle non-metallic materials, containing a laser for heating the material being cut, emitting in the middle infrared range, on the optical axis of which there is an optical focusing system that forms a laser beam on the surface of the material being cut in the cutting zone, the feeding mechanism refrigerant located in close proximity to the cutting zone, means for fixing the material being cut, means for the relative movement of the material being cut material and a control system electrically connected to the laser, the optical focusing system, the refrigerant supply mechanism, means of fixation and relative movement of the material being cut, further comprises a second laser for heating the material being cut, emitting in the middle infrared range, on the optical axis of which there is a second optical focusing a system forming a laser beam on the opposite surface of the material being cut in the cutting zone, two pulsed lasers emitting in the single infrared range, two additional optical focusing systems that generate pulsed laser beams on the surfaces of the material being cut, the second laser for heating the material being cut, pulsed lasers and additional optical focusing systems are electrically connected to the control system.
В частности, оба лазера для нагрева разрезаемого материала и соответствующие оптические фокусирующие системы могут быть выполнены и установлены с возможностью формирования коллинеарных лазерных пучков.In particular, both lasers for heating the material being cut and the corresponding optical focusing systems can be made and installed with the possibility of forming collinear laser beams.
В частности, оба импульсных лазера, соответствующие дополнительные оптические фокусирующие системы могут быть выполнены и установлены с возможностью формирования коллинеарных импульсных лазерных пучков.In particular, both pulsed lasers and corresponding additional optical focusing systems can be made and installed with the possibility of forming collinear pulsed laser beams.
В частности, дополнительная оптическая фокусирующая система может содержать селективный оптический элемент для сведения пучков излучения лазера для нагрева разрезаемого материала и импульсного лазера в коллинеарный пучок.In particular, the additional optical focusing system may comprise a selective optical element for converting laser beams to heat the material being cut and the pulsed laser into a collinear beam.
Достижение нового технического результата, состоящего в повышении качества реза хрупких неметаллических материалов, обусловлено следующим. При облучении материала лазерным излучением, для которого материал является частично прозрачным, во внешних его слоях возникают значительные напряжения сжатия, которые к разрушениям не приводят. При выходе нагретого участка из зоны воздействия лазерного излучения начинается охлаждение поверхностных слоев материала. При подаче хладагента вслед за лазерным пучком происходит резкое локальное охлаждение поверхности материала по линии реза. Создаваемый градиент температур обуславливает возникновение в материале напряжений растяжения, превышающих предел прочности, что приводит к образованию микротрещины, которая проникает вглубь материала до внутренних прогретых слоев, испытывающих напряжение сжатия. В дальнейшем происходит термоскалывание хрупкого неметаллического материала.The achievement of a new technical result, consisting in improving the quality of cutting of brittle non-metallic materials, is due to the following. When a material is irradiated with laser radiation, for which the material is partially transparent, significant compression stresses arise in its outer layers, which do not lead to destruction. When the heated section leaves the zone of exposure to laser radiation, cooling of the surface layers of the material begins. When refrigerant is supplied following the laser beam, a sharp local cooling of the material surface occurs along the cut line. The temperature gradient created causes the appearance of tensile stresses in the material that exceed the tensile strength, which leads to the formation of microcracks, which penetrate deep into the material to the internal heated layers experiencing compression stress. Subsequently, thermal cleavage of brittle non-metallic material occurs.
В дальнейшем изобретение поясняется чертежами (фиг.1 - фиг.3) и описанием конкретных вариантов его выполнения со ссылками на сопутствующие чертежи.The invention is further illustrated by the drawings (Fig.1 - Fig.3) and a description of specific options for its implementation with reference to the accompanying drawings.
Первый вариант устройства для резки хрупких неметаллических материалов (фиг.1) содержит непрерывный лазер 1, излучающий в среднем инфракрасном диапазоне, на оптической оси которого установлена система фокусировки 2, фокусирующая лазерный пучок в зоне резки на поверхности стекла 3 в эллиптическое пятно 4. Вблизи этого пятна 4 расположен механизм подачи хладагента, который выполнен в виде форсунки 5 с клапанами 6, обеспечивающими подачу воздушно-водяной или азотной смеси для охлаждения зоны резки. Устройство (фиг.1) содержит также импульсный лазер 7, излучающий в среднем инфракрасном диапазоне, на оптической оси которого установлена дополнительная оптическая система 8, фокусирующая импульсный лазерный пучок на поверхности стекла 3 в эллиптическое пятно 9. Для фиксации стекла 3 служит вакуумный присос 10, обеспечивающий плоскостность его поверхности. Для перемещения стекла 3 по любому контуру служит двухкоординатный стол 11 на воздушном подвесе с шаговым двигателем. Управление фиксацией и перемещением стекла 3, подачей хладагента, работой лазеров 1 и 7 осуществляется блоком управления 12 по заданной программе.The first version of the device for cutting brittle non-metallic materials (Fig. 1) contains a
Устройство (фиг.1) работает следующим образом. Под действием излучения импульсного лазера 7, сфокусированного в эллиптическое пятно 9 на поверхности стекла 3, зарождается микродефект. Опыт показал, что для этого достаточно от 1 до 10 импульсов длительностью от 10-5 до 10-2 с при плотности энергии излучения импульсного лазера 7 от 10 до 103 Дж/см2. При этом дополнительную оптическую фокусирующую систему 8 настраивают таким образом, чтобы пучок излучения импульсного лазера 7 фокусировался на расстоянии не более 3 мкм от края разрезаемого материала 3 или ранее сделанного реза в нем. Затем с задержкой от 0,01 до 0,1 с после воздействия импульсным лазером 7 включают непрерывный лазер 1. Пятно 4 его излучения, полученное с помощью оптической фокусирующей системы 2, располагают на линии реза на расстоянии более 3 мкм от пятна 9 импульсного лазера 7. Опыт показал, что управляемая трещина по линии реза формируется при плотности мощности излучения лазера 1 от 103 Вт/см2 до 105 Вт/см2. При этом скорость перемещения разрезаемого материала составляет от 20 до 500 мм/с. Вблизи пятна 4 подают воздушно-водяную или азотную смесь для охлаждения зоны резки.The device (figure 1) works as follows. Under the action of radiation from a
Второй вариант устройства для резки хрупких неметаллических материалов (фиг.2) содержит импульсно-периодический лазер 13 и импульсный лазер 14, излучающие в среднем инфракрасном диапазоне. На пути пучков излучения этих лазеров установлен селективный оптический элемент 15 для сведения пучков излучения лазеров 13 и 14 в коллинеарный пучок, на оптической оси которого установлена оптическая фокусирующая система 16, фокусирующая лазерный пучок на поверхности стекла 17 в зоне резки 18. Для увеличения эффективности нагрева используется зеркало 19, установленное на управляемом столе 20 с двухкоординатными приводами. Излучение лазеров 13 и 14, пройдя частично через стекло 17 и отразившись от зеркала 19 в области 21, снова поглощается в стекле 17, что позволяет увеличить его нагрев. Управление перемещением стекла 17, работой лазеров 13 и 14 осуществляется блоком управления 22 по заданной программе.The second version of the device for cutting brittle non-metallic materials (figure 2) contains a pulse-
Второй вариант устройства (фиг.2) отличается от первого (фиг.1) тем, что излучение как импульсно-периодического лазера 13, так и импульсный лазер 14 фокусируют в одну и ту же точку с помощью селективного оптического элемента 15. Кроме того, для увеличения эффективности нагрева используется зеркало 19. Излучение лазеров 13 и 14, пройдя частично через стекло 17 и отразившись от зеркала 19, снова поглощается в стекле 17, что позволяет увеличить его нагрев.The second embodiment of the device (Fig. 2) differs from the first (Fig. 1) in that the radiation of both a pulsed-
Третий вариант устройства (фиг.3), предназначенного для резки многослойных стекол (в том числе, и с воздушной прослойкой) содержит два непрерывных или импульсно-периодических лазера 23 и 24, установленных соосно с противоположных сторон разрезаемого материала 25. Излучение лазера 23 с помощью оптической фокусирующей системы 29 сводится в пятно эллиптической формы на поверхности нижнего стекла 28, а излучение лазера 24 с помощью оптической фокусирующей системы 26 - на поверхности верхнего стекла 27. Устройство (фиг.3) содержит также два импульсных лазера 30 и 31, излучающих в среднем инфракрасном диапазоне. Излучение лазера 30 с помощью оптической фокусирующей системы 32 сводится в пятно эллиптической формы на поверхности верхнего стекла 27, а излучение лазера 31 с помощью оптической фокусирующей системы 33 - на поверхности нижнего стекла 28. Для сведения пучков излучения лазеров 24 и 30 в коллинеарный пучок установлен селективный оптический элемент 34, а для сведения пучков излучения лазеров 23 и 31 - селективный оптический элемент 35. Разрезаемый элемент 25 можно перемещать по любому контуру с помощью высокоточных приводов 36. Управление всеми четырьмя лазерами 23, 24, 30, 31 и приводами 36 осуществляется с помощью системы управления 37.The third version of the device (figure 3), designed for cutting laminated glasses (including those with an air gap) contains two continuous or pulse-
Третий вариант устройства (фиг.3), по существу, представляет собой два устройства (фиг.2), установленные по разные стороны от разрезаемого материала и отъюстированные таким образом, чтобы проекции линий реза на верхнем 27 и нижнем 28 стеклах на любую плоскость, параллельную их поверхностям, совпадали.The third variant of the device (Fig. 3), essentially, is two devices (Fig. 2), installed on different sides of the material being cut and aligned so that the projection of the cut lines on the upper 27 and lower 28 glasses on any plane parallel to their surfaces coincided.
Достижение поставленной цели можно обеспечить и при использовании всего одного импульсно-периодического лазера. Однако в этом случае необходимо чередовать режимы работы лазера, меняя длительность и скважность импульсов. Для зарождения микродефекта используют мощные одиночные импульсы, а для преобразования его в управляемую трещину на разрезаемый материал воздействуют существенно менее энергетическими импульсами, но следующими с достаточно большой частотой,Achieving this goal can be achieved by using just one pulse-periodic laser. However, in this case, it is necessary to alternate the modes of the laser, changing the duration and duty cycle of the pulses. Powerful single pulses are used to nucleate the microdefect, and to convert it into a controlled crack, the material being cut is affected by significantly less energy pulses, but following with a rather high frequency,
Ниже приводятся примеры конкретного выполнения заявляемого изобретения.The following are examples of specific performance of the claimed invention.
Пример 1. С помощью устройства (фиг.1) проводили сквозную резку листового боросиликатного стекла 3 размерами 300×300 мм и толщиной 2 мм на заготовки для фильтров оптоэлектронных приборов. В качестве лазера 1 для нагрева разрезаемого материала 3 использовали СО лазер с неселективным резонатором мощностью 50 Вт, излучающий в диапазоне длин волн 5,1-6,2 мкм. Оптическая фокусирующая система 2 с фокусным расстоянием 150 мм формировала лазерный пучок на поверхности разрезаемого материала 3 в зоне резки в виде эллиптического пятно 4 размерами 0,5×10 мм, вытянутого вдоль линии реза. Плотность мощности излучения в пятне 4 составляла 1000 Вт/см2. На расстоянии 1 мм от этого пятна 4 расположен механизм подачи хладагента 5, выполненный в виде форсунки и клапанов 6, которые обеспечивают подачу воздушно-водяной смеси для охлаждения зоны резки. Для фиксации стекла 3 служит вакуумный присос 10, обеспечивающий равномерность поверхности стекла. В качестве средства перемещения стекла 3 использовался механизм перемещения 11 на воздушном подвесе с шаговым двигателем с точностью перемещения 0,5 мкм на длине 300 мм, обеспечивающий перемещения стекла 3 по любому контуру. Управление вакуумным присосом 10, механизмом перемещения 11, механизмом подачи хладагента, лазерами 1 и 7 осуществлялось блоком управления 12 по заданной программе.Example 1. Using the device (Fig. 1), through cutting of a sheet of
В качестве импульсного лазера 7 использовали Еr лазер, излучающий на длине волны 2,94 мкм импульсы длительностью 300 мкс с энергией 2 Дж. Дополнительная оптическая фокусирующая система 8 с фокусным расстоянием 150 мм формировала лазерный пучок на поверхности разрезаемого материала 3 в зоне резки в виде эллиптического пятна 9 размерами 5×150 мкм, вытянутого вдоль линии реза и расположенного на краю стекла или на пересечении ранее сделанного поперечного реза (по обе стороны от него). При плотности энергии пучка излучения 100 Дж/см2 импульсного лазера 7 в зоне резки достаточно воздействия трех импульсов излучения лазера 7 для зарождения микродефекта. После создания микродефекта импульсным лазером 7 включается механизм перемещения стекла 11 с линейной скоростью 100 мм/с и затем через промежуток времени 5 мс - лазер 1, чье излучение обеспечивает преобразование микродефекта в сквозную микротрещину. Оптическая фокусирующая система 2 и дополнительная оптическая фокусирующая система 8 формируют лазерный пучок и импульсный лазерный пучок на поверхности разрезаемого материала 3 в пятна, расположенные на расстоянии 0,5 мм друг от друга. Зарождение микродефектов под действием трех импульсов излучения лазера 7 осуществляется на линии реза. Это позволяет обеспечить высокое качество реза, при котором сквозная микротрещина отклоняется от заданной линии реза, в том числе, и при пересечении ранее сделанного поперечного реза на расстояние не более 5 мкм.As a
Пример 2. То же, что в примере 1, но дополнительная оптическая фокусирующая система 8 формирует импульсный лазерный пучок на расстоянии 1 мкм от края разрезаемого материала или ранее сделанного реза. Микродефект создавали при воздействии одного импульса излучения лазера 7 с плотностью энергии пучка излучения 1000 Дж/см2. Начало нагрева лазером 1 осуществляли с задержкой от 0,5 с после воздействия импульсным лазером 7. Оптическая фокусирующая система 2 и дополнительная оптическая фокусирующая система 8 формируют лазерный пучок и импульсный лазерный пучок на поверхности разрезаемого материала 3 в пятна, расположенные на расстоянии 0,3 мм друг от друга.Example 2. The same as in example 1, but an additional optical focusing
Опыт показал, что сквозная микротрещина отклоняется от заданной линии реза на расстояние не более 5 мкм.Experience has shown that a through microcrack deviates from a given cut line by a distance of not more than 5 microns.
Пример 3. То же, что в примере 1, но в качестве лазера 1 использовали импульсно-периодический лазер на парах Sr мощностью 25 Вт, излучающий на длине волны 6,4 мкм. Микродефект создавали при воздействии десяти импульсов излучения лазера 7 с плотностью энергии пучка излучения 10 Дж/см2. Дополнительная оптическая фокусирующая система 8 формирует импульсный лазерный пучок на краю стекла или на пересечении ранее сделанного поперечного реза (по обе стороны от него). Начало нагрева лазером 1 осуществляли с задержкой от 0,1 с после воздействия импульсным лазером 7. Оптическая фокусирующая система 2 и дополнительная оптическая фокусирующая система 8 формируют лазерный пучок и импульсный лазерный пучок на поверхности разрезаемого материала 3 в пятна, расположенные на расстоянии 0,1 мм друг от друга.Example 3. The same as in example 1, but as a
Опыт показал, что сквозная микротрещина отклоняется от заданной линии реза на расстояние не более 5 мкм.Experience has shown that a through microcrack deviates from a given cut line by a distance of not more than 5 microns.
Пример 4. То же, что в примере 1, но импульсный лазер 7 выполнен в виде СO2 лазера, излучающего на длине волны 10,6 мкм. Микродефект создавали при воздействии трех импульсов излучения лазера 7 с плотностью энергии пучка излучения 100 Дж/см2 и длительностью 1 мкс. Начало нагрева лазером 1 осуществляли с задержкой от 0,1 с после воздействия импульсным лазером 7.Example 4. The same as in example 1, but the
Опыт показал, что сквозная микротрещина отклоняется от заданной линии реза на расстояние не более 5 мкм.Experience has shown that a through microcrack deviates from a given cut line by a distance of not more than 5 microns.
Пример 5. То же, что в примере 1, но импульсный лазер 7 выполнен в виде Nd лазера, излучающего на длине волны 1,06 мкм. Микродефект создавали при воздействии трех импульсов излучения лазера 7 с плотностью энергии пучкаExample 5. The same as in example 1, but the
100 Дж/см2 и длительностью 0,1 мкс. Начало нагрева лазером 1 осуществляли с задержкой от100 J / cm 2 and a duration of 0.1 μs. The start of heating by
0,1 с после воздействия импульсным лазером 7.0.1 s after exposure to a
Опыт показал, что сквозная микротрещина отклоняется от заданной линии реза на расстояние не более 5 мкм.Experience has shown that a through microcrack deviates from a given cut line by a distance of not more than 5 microns.
Пример 6. С помощью устройства (фиг.2) проводили сквозную резку листового боросиликатного стекла 3 размерами 300×300 мм и толщиной 2 мм на заготовки для фильтров оптоэлектронных приборов. В качестве лазера 13 для нагрева разрезаемого материала 17 использовали импульсно-периодический лазер на парах Sr мощностью 20 Вт, излучающий на длине волны 6,4 мкм, а в качестве импульсного лазера 14 - Еr лазер, излучающий на длине волны 2,94 мкм импульсы с энергией 2 Дж и длительностью 300 мкс. Селективный оптический элемент 15, полностью пропускающий излучение лазера 13 и отражающий излучение лазера 14, сводил пучки излучения обоих лазеров в один коллинеарный пучок. Оптическая фокусирующая система 16 с фокусным расстоянием 150 мм формировала лазерный пучок на поверхности разрезаемого материала 17 в зоне резки в виде эллиптического пятна размерами 60×500 мкм, в котором плотность мощности излучения лазера 13 составляла 1000 Вт/см2, плотность энергии излучения импульсного лазера 14 составляла 100 Дж/см2.Example 6. Using the device (figure 2), through cutting of
Опыт показал, что сквозная микротрещина отклоняется от заданной линии реза на расстояние не более 5 мкм.Experience has shown that a through microcrack deviates from a given cut line by a distance of not more than 5 microns.
Пример 7. То же, что в примере 6, но между стеклом 17 и управляемым столом 20 с двухкоординатными приводами установлено зеркало 19.Example 7. The same as in example 6, but between the
Опыт показал, что сквозная микротрещина отклоняется от заданной линии реза на расстояние не более 5 мкм, при этом скорость резки возрастает по сравнению с примером 6 вдвое.Experience has shown that a through microcrack deviates from a given cut line by a distance of not more than 5 μm, while the cutting speed is doubled compared to Example 6.
Пример 8. С помощью устройства (фиг.3) проводили сквозную резку листового двойного боросиликатного стекла с размерами 3000×3000 мм и толщиной 1,5 мм на заготовки для дисплеев. В качестве лазеров 23 и 24 использовали два СО лазера мощностью 50 Вт, излучающий в диапазоне длин волн 5,9-6,2 мкм, а в качестве импульсных лазеров 30 и 31 использовали два Еr лазера с энергией 2 Дж и длительностью импульсов 300 мкс, излучающие на длине волны 2,94 мкм. Устройство (фиг.3), по существу, представляет собой два устройства (фиг.2), одно из которых настроено на резку верхнего стекла 27, а другое - на резку нижнего стекла 28.Example 8. Using the device (Fig. 3), a through cutting of a sheet of double borosilicate glass with dimensions of 3000 × 3000 mm and a thickness of 1.5 mm was performed on blanks for displays. Two 50 W CO laser emitting in the wavelength range of 5.9-6.2 μm were used as
Опыт показал, что сквозная микротрещина в каждом из стекол 27 и 28 отклоняется от заданной линии реза на расстояние не более 5 мкм, при этом проекции линий реза на верхнем 27 и нижнем 28 стеклах на любую плоскость, параллельную их поверхностям, совпадали с точностью 1 мкм.Experience has shown that a through microcrack in each of the
Пример 9. То же, что в примере 6, но лазер 14 и селективный элемент 15 отсутствовали. Проводили сквозную резку листового боросиликатного стекла листового с размерами 3000×3000 мм и толщиной 4 мм на заготовки для дисплеев. В качестве импульсного лазера 13 использовали лазер на парах Sr, излучающий на длине волны 6,4 мкм.Example 9. The same as in example 6, but the
Микродефект создали при воздействии импульсами излучения длительностью 300 мкс и энергией 10 Дж, следующими с частотой 3 Гц. После этого микродефект преобразовывали в сквозную трещину путем увеличения частоты следования импульсов до 1 кГц при средней мощности от 100 Вт.A microdefect was created when exposed to radiation pulses with a duration of 300 μs and an energy of 10 J, following with a frequency of 3 Hz. After that, the microdefect was transformed into a through crack by increasing the pulse repetition rate to 1 kHz at an average power of 100 watts.
Опыт показал, что сквозная микротрещина отклоняется от заданной линии реза на расстояние не более 5 мкм.Experience has shown that a through microcrack deviates from a given cut line by a distance of not more than 5 microns.
Пример 10. То же, что в примере 9, но микродефект создали при воздействии импульсами излучения длительностью 300 мкс и энергией 1 Дж, следующими с частотой 4 Гц. После этого микродефект преобразовывали в сквозную трещину путем увеличения частоты следования импульсов до 10 кГц при средней мощности от 300 Вт.Example 10. The same as in example 9, but the microdefect was created by exposure to radiation pulses of 300 μs duration and 1 J energy, following with a frequency of 4 Hz. After that, the microdefect was transformed into a through crack by increasing the pulse repetition rate to 10 kHz at an average power of 300 watts.
Опыт показал, что сквозная микротрещина отклоняется от заданной линии реза на расстояние не более 5 мкм.Experience has shown that a through microcrack deviates from a given cut line by a distance of not more than 5 microns.
Пример 11. То же, что в примере 9, но микродефект создали при воздействии импульсами излучения длительностью 1 мкс и энергией 0,01 Дж, следующими с частотой 50 Гц. После этого микродефект преобразовывали в сквозную трещину путем увеличения частоты следования импульсов до 50 кГц при средней мощности от 10 Вт.Example 11. The same as in example 9, but the microdefect was created by exposure to radiation pulses of 1 μs duration and an energy of 0.01 J, following with a frequency of 50 Hz. After this, the microdefect was transformed into a through crack by increasing the pulse repetition rate to 50 kHz at an average power of 10 watts.
Опыт показал, что сквозная микротрещина отклоняется от заданной линии реза на расстояние не более 5 мкм.Experience has shown that a through microcrack deviates from a given cut line by a distance of not more than 5 microns.
Примеры конкретного выполнения свидетельствуют о том, что с помощью заявляемого изобретения решается поставленная техническая задача повышения качества реза хрупких неметаллических материалов.Examples of specific performance indicate that using the claimed invention solves the technical problem of improving the quality of cutting of brittle non-metallic materials.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007147574/03A RU2371397C2 (en) | 2007-12-24 | 2007-12-24 | Method for cutting of brittle nonmetal materials |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007147574/03A RU2371397C2 (en) | 2007-12-24 | 2007-12-24 | Method for cutting of brittle nonmetal materials |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2007147574A RU2007147574A (en) | 2009-06-27 |
| RU2371397C2 true RU2371397C2 (en) | 2009-10-27 |
Family
ID=41026688
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007147574/03A RU2371397C2 (en) | 2007-12-24 | 2007-12-24 | Method for cutting of brittle nonmetal materials |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2371397C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2688656C1 (en) * | 2018-07-06 | 2019-05-21 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательское предприятие Лазерные технологии" | Method of cutting brittle non-metallic materials |
-
2007
- 2007-12-24 RU RU2007147574/03A patent/RU2371397C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2688656C1 (en) * | 2018-07-06 | 2019-05-21 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательское предприятие Лазерные технологии" | Method of cutting brittle non-metallic materials |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2007147574A (en) | 2009-06-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11345625B2 (en) | Method and device for the laser-based machining of sheet-like substrates | |
| JP4175636B2 (en) | Glass cutting method | |
| US8943855B2 (en) | Methods for laser cutting articles from ion exchanged glass substrates | |
| CN105392593B (en) | By the device and method of laser cutting profile from flat substrate | |
| JP5965239B2 (en) | Bonded substrate processing method and processing apparatus | |
| EP3363771B1 (en) | Method of machining and releasing closed forms from a transparent substrate using burst of ultrafast laser pulses | |
| JP2020079196A (en) | Laser cutting of glass composition for display | |
| JP5193326B2 (en) | Substrate processing apparatus and substrate processing method | |
| TWI801405B (en) | Apparatuses and methods for synchronous multi-laser processing of transparent workpieces | |
| WO2002022301A1 (en) | Laser beam machining method and laser beam machining device | |
| JP2002192369A (en) | Laser beam machining method and laser beam machining device | |
| JP5562254B2 (en) | Brittle material splitting apparatus and splitting method | |
| JP2002241141A (en) | Working method for glass by means of laser and device therefor | |
| CN110167891A (en) | For carrying out the base material treatment station of the machining based on laser to foliated glass substrate | |
| JPWO2003013816A1 (en) | Method and apparatus for scribing brittle material substrate | |
| RU2371397C2 (en) | Method for cutting of brittle nonmetal materials | |
| RU2688656C1 (en) | Method of cutting brittle non-metallic materials | |
| KR20180035111A (en) | Method and apparatus of dividing brittleness material substrate | |
| TW202106427A (en) | Methods of cutting glass-metal laminates using a laser | |
| KR20040083293A (en) | Glass-plate cutting machine having multiple-focus lens | |
| JP2002020134A (en) | Method and device for cracking rigid brittle plate |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20091225 |