RU2479496C2 - Method of separating fragile nonmetallic materials by thermo elastic strain - Google Patents
Method of separating fragile nonmetallic materials by thermo elastic strain Download PDFInfo
- Publication number
- RU2479496C2 RU2479496C2 RU2011111422/03A RU2011111422A RU2479496C2 RU 2479496 C2 RU2479496 C2 RU 2479496C2 RU 2011111422/03 A RU2011111422/03 A RU 2011111422/03A RU 2011111422 A RU2011111422 A RU 2011111422A RU 2479496 C2 RU2479496 C2 RU 2479496C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heating
- laser beam
- center
- providing
- laser
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к способам обработки материалов, в частности к способу лазерного термораскалывания хрупких неметаллических материалов, преимущественно стекла, обеспечивающему возможность формирования наклонных кромок с заданной геометрией под действием термоупругих напряжений.The invention relates to methods for processing materials, in particular to a method for laser thermal cracking of brittle non-metallic materials, mainly glass, which enables the formation of inclined edges with a given geometry under the action of thermoelastic stresses.
Изобретение может быть использовано в электронной, стекольной и авиационной отраслях промышленности, в области архитектуры и стройматериалов, а также в других областях техники и производства, где существует необходимость прецизионной обработки изделий из хрупких неметаллических материалов.The invention can be used in the electronic, glass and aviation industries, in the field of architecture and building materials, as well as in other areas of technology and production, where there is a need for precision processing of products from brittle non-metallic materials.
Известно большое количество способов резки неметаллических материалов: механическая резка с помощью абразивного инструмента, механическое скрайбирование с помощью алмазного или твердосплавного инструмента, а также различные варианты лазерной резки. При этом для достижения высокой точности, хорошего качества и необходимой формы получаемых кромок используют последующую механическую доводку кромок, включая фацетирование. Данное обстоятельство обуславливает высокую трудоемкость и, как следствие, высокую себестоимость получаемых изделий.A large number of methods for cutting non-metallic materials are known: mechanical cutting using an abrasive tool, mechanical scribing using a diamond or carbide tool, and various laser cutting options. At the same time, to achieve high accuracy, good quality and the required shape of the edges obtained, subsequent mechanical finishing of the edges, including bevelling, is used. This circumstance determines the high complexity and, as a consequence, the high cost of the products.
Известен способ резки стекла и других хрупких неметаллических материалов под действием термоупругих напряжений, возникающих в результате лазерного нагрева поверхностных слоев вдоль линии реза и образования в материале сквозной разделяющей трещины [1].A known method of cutting glass and other brittle non-metallic materials under the action of thermoelastic stresses resulting from laser heating of the surface layers along the cut line and the formation of a through separating crack in the material [1].
Сущность указанного способа заключается в следующем. При нагреве поверхности листового стекла лазерным излучением с длиной волны 10,6 мкм основная часть энергии поглощается и выделяется в виде тепла в тонком поверхностном слое материала, что приводит к локальному поверхностному нагреву обрабатываемого изделия. При этом на процесс образования и дальнейшего развития разделяющей трещины определяющее влияние оказывает пространственная конфигурация полей напряжений, сформированных в результате расширения областей материала, подвергшихся лазерному нагреву. При реализации этого способа термораскалывания хрупких неметаллических материалов разделение материала происходит по всей толщине и характеризуется низкой скоростью, увеличение которой возможно за счет повышения мощности лазерного излучения. Однако чрезмерное увеличение мощности лазерного излучения приводит к перегреву стекла и образованию поперечных трещин вдоль линии обработки.The essence of this method is as follows. When heating the surface of sheet glass with laser radiation with a wavelength of 10.6 μm, the bulk of the energy is absorbed and released as heat in a thin surface layer of the material, which leads to local surface heating of the workpiece. In this case, the spatial configuration of the stress fields formed as a result of the expansion of regions of the material subjected to laser heating exerts a decisive influence on the process of formation and further development of a separating crack. When implementing this method of thermal cracking of brittle non-metallic materials, the material is separated throughout its thickness and is characterized by a low speed, an increase of which is possible due to an increase in the laser radiation power. However, an excessive increase in the laser radiation power leads to overheating of the glass and the formation of transverse cracks along the processing line.
Кроме этого, известный способ не может обеспечить возможность получения разделяющих трещин заданной формы.In addition, the known method cannot provide the possibility of obtaining separating cracks of a given shape.
Принимая во внимание низкую скорость известного способа термораскалывания стекла и низкую точность резки, описанный способ является практически неприменимым.Considering the low speed of the known method of thermally cracking glass and the low accuracy of cutting, the described method is practically not applicable.
Известен способ разделения неметаллических материалов, преимущественно стекла, под действием термоупругих напряжений в результате формирования лазерно-индуцированной наклонной трещины путем нанесения предварительного надреза на поверхности материала, поверхностного нагрева материала эллиптическим лазерным пучком до температуры, не превышающей температуры релаксации термоупругих напряжений и локального охлаждения зоны нагрева, осуществляемого со смещением центра зоны охлаждения относительно линии реза, при перемещении по обрабатываемой поверхности зон нагрева и охлаждения [2].A known method of separating non-metallic materials, mainly glass, under the action of thermoelastic stresses as a result of the formation of a laser-induced inclined crack by applying a preliminary notch on the surface of the material, surface heating the material with an elliptical laser beam to a temperature not exceeding the temperature of relaxation of thermoelastic stresses and local cooling of the heating zone, carried out with the displacement of the center of the cooling zone relative to the cut line, when moving along the machining the surface of the heating and cooling zones [2].
Сущность указанного способа заключается в следующем.The essence of this method is as follows.
В месте воздействия лазерного пучка формируется зона значительных по величине сжимающих напряжений. Совместное воздействие лазерного излучения и хладагента приводит к возникновению в поверхностных слоях материала зоны растягивающих напряжений, расположение которой определяется локализацией зоны интенсивного охлаждения поверхности за счет подачи хладагента.In the place where the laser beam is exposed, a zone of significant compressive stresses is formed. The combined effect of laser radiation and refrigerant leads to the appearance of a zone of tensile stresses in the surface layers of the material, the location of which is determined by the localization of the zone of intensive cooling of the surface due to the supply of refrigerant.
При этом вследствие поверхностного нагрева обрабатываемого материала лазерным эллиптическим пучком, ориентированным большой осью под углом к контуру обработки, а также вследствие последующего локального охлаждения зоны нагрева, осуществляемого со смещением центра зоны охлаждения относительно контура обработки, в образце формируется асимметричное распределение термоупругих полей относительно контура обработки. Указанная выше асимметричность распределения термоупругих полей обусловлена как соответствующей асимметричностью поглощения лазерного излучения относительно контура обработки, так и асимметричностью охлаждения, обусловленной смещением центра зоны охлаждения относительно контура обработки. При этом, изменяя угол между большой осью эллиптического пучка и контуром обработки, а также изменяя величину смещения центра зоны охлаждения относительно контура обработки в соответствии с известным способом, существует возможность формирования как рельефных, так и наклонных разделяющих трещин.In this case, due to surface heating of the processed material by a laser elliptic beam oriented at a large axis at an angle to the processing circuit, and also as a result of subsequent local cooling of the heating zone, carried out with the center of the cooling zone shifted relative to the processing circuit, an asymmetric distribution of thermoelastic fields relative to the processing circuit is formed in the sample. The above asymmetry in the distribution of thermoelastic fields is due to both the corresponding asymmetry of the absorption of laser radiation relative to the processing circuit and the asymmetry of cooling due to the displacement of the center of the cooling zone relative to the processing circuit. Moreover, by changing the angle between the major axis of the elliptical beam and the processing contour, as well as changing the displacement of the center of the cooling zone relative to the processing contour in accordance with the known method, it is possible to form both relief and inclined separating cracks.
Основным недостатком известного способа является отсутствие возможности эффективного управления пространственной конфигурацией термоупругих полей в объеме материала в случае обработки стеклоизделий большой толщины. Данное обстоятельство обусловлено тем, что для формирования асимметричного распределения термоупругих полей в известном способе используется воздействие лазерного излучения с длиной волны 10,6 мкм, которое поглощается в тонком поверхностном слое силикатного стекла и воздействие хладагента в виде мелкодисперсной воздушно-водяной, которое также носит поверхностный характер.The main disadvantage of this method is the lack of the ability to effectively control the spatial configuration of thermoelastic fields in the volume of the material in the case of processing glassware of large thickness. This circumstance is due to the fact that for the formation of an asymmetric distribution of thermoelastic fields in the known method, the action of laser radiation with a wavelength of 10.6 μm, which is absorbed in a thin surface layer of silicate glass and the influence of the refrigerant in the form of finely dispersed air-water, which is also surface in nature, is used. .
Еще одним недостатком известного способа является низкая стабильность процесса формирования лазерно-индуцированной трещины. Дело в том, что использование в известном способе только лазерного излучения, обеспечивающего поверхностный нагрев материала, является причиной существования узкого диапазона технологических параметров процесса лазерного термораскалывания (в первую очередь мощности излучения и скорости обработки), который обеспечивает необходимые результаты. При этом малейшие отклонения приводят к срыву процесса трещинообразования.Another disadvantage of this method is the low stability of the process of forming a laser-induced crack. The fact is that the use in the known method of only laser radiation, providing surface heating of the material, is the reason for the existence of a narrow range of technological parameters of the laser thermal cracking process (primarily radiation power and processing speed), which provides the necessary results. In this case, the slightest deviations lead to disruption of the cracking process.
Таким образом, применение известного способа лазерного термораскалывания становится нецелесообразным для получения разделяющих трещин заданной формы под действием термоупругих напряжений в случае обработки изделий большой толщины.Thus, the application of the known method of laser thermal cracking becomes impractical to obtain separating cracks of a given shape under the action of thermoelastic stresses in the case of processing products of large thickness.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ разделения хрупких неметаллических материалов под действием термоупругих напряжений, включающий формирование лазерно-индуцированной трещины и ее развитие путем нанесения предварительного надреза на поверхности материала, одновременного поверхностного и объемного нагрева материала двумя лазерными пучками до температуры, не превышающей температуры релаксации термоупругих напряжений, и последующего поверхностного охлаждения зоны лазерного нагрева при перемещении по обрабатываемой поверхности зон нагрева и охлаждения [3].The closest in technical essence to the claimed method is a method for the separation of brittle non-metallic materials under the action of thermoelastic stresses, including the formation of a laser-induced crack and its development by applying a preliminary cut on the surface of the material, simultaneous surface and volume heating of the material with two laser beams to a temperature not exceeding relaxation temperature of thermoelastic stresses, and subsequent surface cooling of the laser heating zone at moving on the treated surface of the heating and cooling zones [3].
Сущность известного способа разделения хрупких неметаллических материалов под действием термоупругих напряжений заключается в следующем.The essence of the known method of separation of brittle non-metallic materials under the action of thermoelastic stresses is as follows.
При одновременном поверхностном и объемном нагреве хрупкого неметаллического материала двумя лазерными пучками с соответствующими длинами волн, когда центр лазерного пучка, обеспечивающего объемный лазерный нагрев, размещен на отрезке, соединяющем центр лазерного пучка, обеспечивающего поверхностный лазерный нагрев и центр зоны охлаждения, формируется зона сжимающих напряжений.With simultaneous surface and volume heating of brittle non-metallic material by two laser beams with the corresponding wavelengths, when the center of the laser beam providing volume laser heating is placed on the segment connecting the center of the laser beam providing surface laser heating and the center of the cooling zone, a compressive stress zone is formed.
В месте воздействия лазерного пучка, обеспечивающего поверхностный нагрев, пространственная конфигурация зоны сжимающих напряжений характеризуется близким расположением к поверхностным слоям, а в месте воздействия лазерного пучка, обеспечивающего объемный нагрев обрабатываемого материала, пространственная конфигурация этой зоны характеризуется расположением в более глубоких слоях материала.At the site of the laser beam providing surface heating, the spatial configuration of the compressive stress zone is characterized by a close proximity to the surface layers, and at the site of the laser beam providing the volumetric heating of the processed material, the spatial configuration of this zone is characterized by its location in the deeper layers of the material.
Последующее охлаждение зоны нагрева приводит к возникновению зоны значительных по величине растягивающих напряжений. При этом зона растягивающих напряжений оказывается ограниченной вышеуказанной зоной сжимающих напряжений. Инициирование разделяющей трещины происходит в поверхностных слоях материала от дефекта в зоне растягивающих напряжений. Далее трещина распространяется до зоны сжимающих напряжений. После чего нестационарный рост трещины прекращается, и ее дальнейшее движение определяется изменением пространственного распределения зон растягивающих и сжимающих напряжений, обусловленным взаимным перемещением обрабатываемого материала и лазерных пучков. В результате известный двулучевой способ обеспечивает увеличение глубины лазерно-индуцированной трещины по сравнению с известным однолучевым способом.Subsequent cooling of the heating zone leads to the appearance of a zone of significant tensile stresses. In this case, the zone of tensile stresses is limited to the above zone of compressive stresses. The initiation of a separating crack occurs in the surface layers of the material from a defect in the zone of tensile stresses. Further, the crack propagates to the zone of compressive stresses. After that, the unsteady growth of the crack stops, and its further movement is determined by a change in the spatial distribution of the zones of tensile and compressive stresses due to the mutual movement of the processed material and laser beams. As a result, the known double-beam method provides an increase in the depth of the laser-induced crack in comparison with the known single-beam method.
Кроме этого, применение известного способа обеспечивает повышение надежности процесса лазерного термораскалывания, которое обусловлено значительным увеличением значений растягивающих напряжений в зоне воздействия хладагента по сравнению с известным однолучевым способом.In addition, the application of the known method provides an increase in the reliability of the laser thermal cracking process, which is due to a significant increase in tensile stresses in the refrigerant exposure zone as compared with the known single-beam method.
К недостаткам известного способа следует отнести невозможность его применения для получения наклонных кромок с заданной геометрией.The disadvantages of this method include the impossibility of its application to obtain inclined edges with a given geometry.
В основу настоящего изобретения положена задача создания надежного способа лазерного термораскалывания хрупких неметаллических материалов, включая стекло, при реализации которого обеспечивается возможность формировании наклонных кромок с заданной геометрией в стеклоизделиях большой толщины, которые отличаются повышенными прочностными характеристикамиThe basis of the present invention is the creation of a reliable method of laser thermal cracking of brittle non-metallic materials, including glass, the implementation of which allows the formation of inclined edges with a given geometry in glassware of large thickness, which are characterized by increased strength characteristics
Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, заключается в создании заданной асимметричной относительно контура обработки конфигурации полей термоупругих напряжений в объеме материала при обработке изделий большой толщины, величина и направление которых приводит к образованию разделяющей трещины необходимой пространственной формы.The technical result achieved by the claimed invention consists in creating a predetermined asymmetric configuration of thermoelastic stress fields in the material volume during processing of products of large thickness, asymmetric relative to the processing contour, the size and direction of which leads to the formation of a separating crack of the required spatial shape.
Технический результат достигается тем, что в способе разделения хрупких неметаллических материалов под действием термоупругих напряжений, включающем формирование лазерно-индуцированной трещины и ее развитие путем нанесения предварительного надреза на поверхности материала, одновременный поверхностный и объемный нагрев материала двумя лазерными пучками до температуры, не превышающей температуры релаксации термоупругих напряжений, и последующее поверхностное охлаждение зоны лазерного нагрева при перемещении по обрабатываемой поверхности зон нагрева и охлаждения, центр лазерного пучка, обеспечивающего объемный нагрев обрабатываемого материала, размещают на отрезке прямой, перпендикулярной к линии перемещения центра лазерного пучка, обеспечивающего поверхностный нагрев обрабатываемого материала и проходящей через отрезок этой линии, ограниченный центром лазерного пучка, обеспечивающего поверхностный нагрев обрабатываемого материала и фронтом зоны охлаждения.The technical result is achieved by the fact that in the method of separation of brittle non-metallic materials under the influence of thermoelastic stresses, including the formation of a laser-induced crack and its development by applying a preliminary cut on the surface of the material, simultaneous surface and volume heating of the material with two laser beams to a temperature not exceeding the relaxation temperature thermoelastic stresses, and subsequent surface cooling of the laser heating zone when moving along the processed the surfaces of the heating and cooling zones, the center of the laser beam providing volumetric heating of the processed material, is placed on a straight line perpendicular to the line of movement of the center of the laser beam providing surface heating of the processed material and passing through the segment of this line limited by the center of the laser beam providing surface heating of the processed material and the front of the cooling zone.
При этом расстояние S от центра лазерного пучка, обеспечивающего объемный нагрев материала, до отрезка линии перемещения центра лазерного пучка, обеспечивающего поверхностный нагрев обрабатываемого материала, ограниченного центром лазерного пучка, обеспечивающего поверхностный нагрев обрабатываемого материала, и фронтом зоны охлаждения определяют из равенстваIn this case, the distance S from the center of the laser beam, providing volumetric heating of the material, to the segment of the line of movement of the center of the laser beam, providing surface heating of the processed material, limited by the center of the laser beam, providing surface heating of the processed material, and the front of the cooling zone is determined from the equality
S=S1/K1,S = S1 / K1,
гдеWhere
S1 - ширина формируемой наклонной микротрещины,S1 is the width of the formed inclined microcracks,
K1 - коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров используемых лазерных пучков.K1 is the proportionality coefficient, depending on the parameters of the used laser beams.
Скорость V относительного перемещения по обрабатываемой поверхности зон нагрева и охлаждения определяют из равенстваThe speed V of the relative movement on the surface of the heating and cooling zones is determined from the equality
V=S1/(S2·K2),V = S1 / (S2K2),
гдеWhere
S1 - ширина формируемой наклонной микротрещины,S1 is the width of the formed inclined microcracks,
S2 - глубина формируемой наклонной микротрещины,S2 - the depth of the formed inclined microcracks,
К2 - коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств обрабатываемого материала.K2 - proportionality coefficient, depending on the properties of the processed material.
Радиус зоны охлаждения R3 определяют из условияThe radius of the cooling zone R3 is determined from the condition
R3≥S+R1+R2,R3≥S + R1 + R2,
гдеWhere
R1 - радиус лазерного пучка, обеспечивающего поверхностный нагрев обрабатываемого материала,R1 is the radius of the laser beam, providing surface heating of the processed material,
R2 - радиус лазерного пучка, обеспечивающего объемный нагрев обрабатываемого материала,R2 is the radius of the laser beam, providing volumetric heating of the processed material,
S - расстояние от центра лазерного пучка, обеспечивающего объемный нагрев материала, до отрезка линии перемещения центра лазерного пучка, обеспечивающего поверхностный нагрев обрабатываемого материала, ограниченного центром лазерного пучка, обеспечивающего поверхностный нагрев обрабатываемого материала, и фронтом зоны охлаждения.S is the distance from the center of the laser beam, providing volumetric heating of the material, to the segment of the line of movement of the center of the laser beam, providing surface heating of the processed material, limited by the center of the laser beam, providing surface heating of the processed material, and the front of the cooling zone.
Сущность заявляемого способа разделения хрупких неметаллических материалов под действием термоупругих напряжений заключается в следующем.The essence of the proposed method for the separation of brittle non-metallic materials under the action of thermoelastic stresses is as follows.
При реализации заявляемого способа осуществляют одновременный поверхностный и объемный лазерный нагрев обрабатываемого материала. При этом центр лазерного пучка, обеспечивающего объемный нагрев обрабатываемого материала, размещают на отрезке прямой, перпендикулярной к линии перемещения центра лазерного пучка, обеспечивающего поверхностный нагрев обрабатываемого материала, и проходящей через отрезок этой линии, ограниченный центром лазерного пучка, обеспечивающего поверхностный нагрев обрабатываемого материала и фронтом зоны охлаждения.When implementing the proposed method, simultaneous surface and volumetric laser heating of the processed material is carried out. In this case, the center of the laser beam providing volumetric heating of the processed material is placed on a straight line perpendicular to the line of movement of the center of the laser beam providing surface heating of the processed material and passing through the segment of this line limited by the center of the laser beam providing surface heating of the processed material and the front cooling zones.
В результате такого двулучевого нагрева в обрабатываемом материале формируется асимметричное распределение термоупругих полей, для которого характерно формирование поверхностной области напряжений сжатия в зоне воздействия лазерного пучка, обеспечивающего поверхностный нагрев. При этом в объеме материала формируется вертикальная цилиндрическая область сжимающих напряжений, положение центра которой определяется положением лазерного пучка, обеспечивающего объемный лазерный нагрев. Вследствие этого эта область сжимающих напряжений локализуется в стороне от линии перемещения центра лазерного пучка, обеспечивающего поверхностный нагрев обрабатываемого материала.As a result of such two-beam heating, an asymmetric distribution of thermoelastic fields is formed in the processed material, which is characterized by the formation of a surface region of compression stresses in the zone of action of a laser beam that provides surface heating. In this case, a vertical cylindrical region of compressive stresses is formed in the volume of the material, the position of the center of which is determined by the position of the laser beam, which provides volumetric laser heating. As a result of this, this region of compressive stresses is localized away from the line of movement of the center of the laser beam, which provides surface heating of the processed material.
Последующее поверхностное охлаждение участков материала, подвергшихся лазерного воздействию, в результате подачи хладагента приводит к возникновению области значительных по величине растягивающих напряжений. Эти напряжения достигают максимальных значений на поверхности материала на определенном удалении от линии перемещения центра лазерного пучка, обеспечивающего поверхностный нагрев. При этом в более глубоких слоях границы области максимальных растягивающих напряжений смещаются к вертикальной плоскости, проведенной через линию перемещения центра лазерного пучка, обеспечивающего поверхностный нагрев. В результате этого в объеме материала формируется асимметричная относительно контура обработки конфигурации полей термоупругих напряжений, величина и направление которых приводит к образованию наклонной разделяющей трещины.Subsequent surface cooling of the laser-exposed material areas as a result of the supply of refrigerant leads to the appearance of a region of significant tensile stresses. These stresses reach maximum values on the surface of the material at a certain distance from the line of movement of the center of the laser beam, which provides surface heating. Moreover, in the deeper layers, the boundaries of the region of maximum tensile stresses shift to a vertical plane drawn through the line of movement of the center of the laser beam, which provides surface heating. As a result of this, a configuration of thermoelastic stress fields asymmetric with respect to the processing contour is formed in the bulk of the material, the magnitude and direction of which leads to the formation of an inclined separating crack.
При этом использование дополнительного лазерного пучка, обеспечивающего объемный нагрев обрабатываемого материала, позволяет управлять геометрией формируемой трещины по всему объему материала, что особенно важно в случае обработки изделий большой толщины.In this case, the use of an additional laser beam that provides volumetric heating of the processed material allows controlling the geometry of the formed crack over the entire volume of the material, which is especially important in the case of processing products of large thickness.
Управление геометрическими параметрами формируемой наклонной трещины в соответствии с заявляемым способом осуществляют путем:Management of the geometric parameters of the formed inclined cracks in accordance with the claimed method is carried out by:
выбора расстояния S от центра лазерного пучка, обеспечивающего объемный нагрев материала, до отрезка линии перемещения центра лазерного пучка, обеспечивающего поверхностный нагрев обрабатываемого материала, ограниченного центром лазерного пучка, обеспечивающего поверхностный нагрев обрабатываемого материала, и фронтом зоны охлаждения,selecting a distance S from the center of the laser beam, providing volumetric heating of the material, to the segment of the line of movement of the center of the laser beam, providing surface heating of the processed material, limited by the center of the laser beam, providing surface heating of the processed material, and the front of the cooling zone,
выбора скорости V относительного перемещения по обрабатываемой поверхности зон нагрева и охлаждения при заданных ширине S1 и глубине S2 наклонной трещины.selecting the speed V of the relative displacement along the machined surface of the heating and cooling zones for a given width S1 and depth S2 of the inclined crack.
Расстояние S определяют из равенстваThe distance S is determined from the equality
S=S1/K1,S = S1 / K1,
где S1 - ширина формируемой наклонной микротрещины,where S1 is the width of the formed inclined microcracks,
K1 - коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров используемых лазерных пучков.K1 is the proportionality coefficient, depending on the parameters of the used laser beams.
Скорость V определяют из равенстваThe speed V is determined from the equality
V=S1/(S2·K2),V = S1 / (S2K2),
где S1 - ширина формируемой наклонной микротрещины,where S1 is the width of the formed inclined microcracks,
S2 - глубина формируемой наклонной микротрещины,S2 - the depth of the formed inclined microcracks,
К2 - коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств обрабатываемого материала.K2 - proportionality coefficient, depending on the properties of the processed material.
Радиус зоны охлаждения R3 определяют из условияThe radius of the cooling zone R3 is determined from the condition
R3=S+R1+R2,R3 = S + R1 + R2,
гдеWhere
R1 - радиус лазерного пучка, обеспечивающего поверхностный нагрев обрабатываемого материала,R1 is the radius of the laser beam, providing surface heating of the processed material,
R2 - радиус лазерного пучка, обеспечивающего объемный нагрев обрабатываемого материала.R2 is the radius of the laser beam, providing volumetric heating of the processed material.
Использование зоны охлаждения с определенными таким образом размерами обеспечивает охлаждение всех участков поверхности, подвергшихся лазерному нагреву.The use of a cooling zone with dimensions thus determined provides cooling of all surface areas subjected to laser heating.
Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного осуществлением нового действия и выбранным условием, при котором выполняют действия, характеризующие заявляемый способ, и не является частью уровня техники.A comparative analysis of the proposed solution with the prototype shows that the claimed method differs from the known implementation of a new action and the selected condition under which the actions characterizing the claimed method are performed, and is not part of the prior art.
Таким образом, заявляемый способ разделения хрупких неметаллических материалов под действием термоупругих напряжений является новым.Thus, the claimed method of separation of brittle non-metallic materials under the action of thermoelastic stresses is new.
Анализ научно-технической и патентной литературы выявил способ лазерной резки хрупких неметаллических материалов по замкнутым криволинейным траекториям, использующий признак «дополнительно осуществляют объемный нагрев материала вторым лазерным пучком, при этом его центр смещают в радиальном направлении от центра контура обработки».The analysis of scientific, technical and patent literature has revealed a method for laser cutting of brittle non-metallic materials along closed curved paths using the sign “additionally carry out volumetric heating of the material with a second laser beam, while its center is shifted radially from the center of the processing contour”.
Сущность применения дополнительного лазерного нагрева в известном способе заключается в устранении отклонения плоскости наносимой микротрещины трещины от нормального к поверхности материала направления, которое возникает в результате применения для резки по криволинейному контуру эллиптических лазерных пучков.The essence of the application of additional laser heating in the known method is to eliminate the deviation of the plane of the applied microcracks of the crack from the direction normal to the surface of the material, which arises as a result of the use of elliptical laser beams for cutting along a curved contour.
При этом смещение дополнительного лазерного пучка осуществляют таким образом, чтобы добиться качественной резки именно по криволинейным контурам и только в случае использования эллиптических лазерных пучков, ориентированных по касательной к линии реза.In this case, the offset of the additional laser beam is carried out in such a way as to achieve high-quality cutting precisely along curved contours and only in the case of using elliptical laser beams oriented tangentially to the cut line.
Заявляемый способ разделения хрупких неметаллических материалов под действием термоупругих напряжений отличается от прототипа тем, что он предназначен для резки по прямым линиям, а известный способ дает положительные результаты только при резке по замкнутым криволинейным траекториям. При этом определяющим отличием заявляемого способа является указание условий, позволяющих добиваться получения наклонных кромок с заданными геометрическими характеристиками.The inventive method for the separation of brittle non-metallic materials under the action of thermoelastic stresses differs from the prototype in that it is intended for cutting in straight lines, and the known method gives positive results only when cutting along closed curved paths. In this case, the defining difference of the proposed method is an indication of the conditions that make it possible to obtain inclined edges with predetermined geometric characteristics.
Таким образом, заявляемый способ разделения хрупких неметаллических материалов под действием термоупругих напряжений является новым.Thus, the claimed method of separation of brittle non-metallic materials under the action of thermoelastic stresses is new.
Анализ научно-технической и патентной информации не выявил в известных технических решениях заявляемой совокупности существенных признаков и не является суммой известных признаков. При этом заявляемое изобретение явным образом не следует из уровня техники, что позволяет сделать вывод о том, что заявляемый способ разделения хрупких неметаллических материалов под действием термоупругих напряжений имеет изобретательский уровень.The analysis of scientific, technical and patent information did not reveal in the known technical solutions the claimed combination of essential features and is not the sum of the known features. Moreover, the claimed invention does not explicitly follow from the prior art, which allows us to conclude that the claimed method for the separation of brittle non-metallic materials under the influence of thermoelastic stresses has an inventive step.
Заявляемый способ разделения хрупких неметаллических материалов под действием термоупругих напряжений является промышленно применимым, так как в случае его осуществления с помощью технических средств, известных в данной области техники, возможна реализация указанной области назначения, решения указанной технической задачи и получения указанного технического результата.The inventive method for the separation of brittle non-metallic materials under the action of thermoelastic stresses is industrially applicable, since if it is carried out using technical means known in the art, it is possible to realize the specified destination, solve the specified technical problem and obtain the specified technical result.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема образования наклонной трещины в стеклянной пластине с помощью двух лазерных пучков и хладагента.The invention is illustrated by the drawing, which shows a diagram of the formation of an inclined crack in a glass plate using two laser beams and a refrigerant.
Позицией 1 отмечена зона воздействия лазерного пучка, обеспечивающего поверхностный нагрев обрабатываемого материала, позицией 2 - зона воздействия хладагента, позицией 3 - зона воздействия лазерного пучка, обеспечивающего объемный нагрев обрабатываемого материала на плоскости обработки. Позиция 4 - заготовка из хрупкого неметаллического материала. Стрелкой отмечено направление перемещения изделия.Position 1 marks the zone of influence of the laser beam, providing surface heating of the processed material,
Способ осуществляют следующим образом. Берут исходную заготовку 4, например лист стекла. Укладывают его на плиту координатного стола. Включают перемещение стола с заготовкой 4 и наносят дефект (закол, надрез) в начале линии обработки. Далее координатный стол перемещает заготовку 4, в результате чего на плоскости обработки осуществляют перемещение по обрабатываемой поверхности зоны воздействия лазерного пучка 1, зоны воздействия лазерного пучка 3 и зоны воздействия хладагента 2.The method is as follows. Take the initial blank 4, for example a sheet of glass. Lay it on the plate of the coordinate table. Turn on the movement of the table with the
Центр зоны воздействия хладагента 2 размещают на отрезке прямой, перпендикулярной к линии перемещения центра лазерного пучка 1 и проходящей через отрезок этой линии, ограниченный центром лазерного пучка 3 и фронтом зоны охлаждения.The center of the zone of influence of the
При этом расстояние S от центра лазерного пучка 3 до отрезка линии перемещения центра лазерного пучка 1, ограниченного центром лазерного пучка 1 и фронтом зоны охлаждения, определяют из равенстваThe distance S from the center of the laser beam 3 to the segment of the line of movement of the center of the laser beam 1, limited by the center of the laser beam 1 and the front of the cooling zone, is determined from the equality
S=S1/K1,S = S1 / K1,
гдеWhere
S1 - ширина формируемой наклонной микротрещины,S1 is the width of the formed inclined microcracks,
K1 - коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров используемых лазерных пучков 1, 2.K1 is the proportionality coefficient, depending on the parameters of the used
Скорость V относительного перемещения по обрабатываемой поверхности зон нагрева и охлаждения определять из равенстваThe speed V of the relative displacement along the treated surface of the heating and cooling zones is determined from the equality
V=S1/(S2·K2),V = S1 / (S2K2),
гдеWhere
S1 - ширина формируемой наклонной микротрещины,S1 is the width of the formed inclined microcracks,
S2 - глубина формируемой наклонной микротрещины,S2 - the depth of the formed inclined microcracks,
К2 - коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств обрабатываемого материала.K2 - proportionality coefficient, depending on the properties of the processed material.
Радиус зоны охлаждения R3 целесообразно определять из условияThe radius of the cooling zone R3 should be determined from the condition
R3≥S+R1+R2R3≥S + R1 + R2
R1 - радиус лазерного пучка, обеспечивающего поверхностный нагрев обрабатываемого материала,R1 is the radius of the laser beam, providing surface heating of the processed material,
R2 - радиус лазерного пучка, обеспечивающего объемный нагрев обрабатываемого материала.R2 is the radius of the laser beam, providing volumetric heating of the processed material.
В месте подачи хладагента 2 инициируется разделяющая наклонная микротрещина, которая, зародившись от нанесенного дефекта, развивается в зоне растягивающих напряжений, сформированных хладагентом 2. Максимальных значений растягивающие напряжения на поверхности материала достигают на расстоянии S1 от линии, соединяющей центр лазерного пучка 1 и центр зоны воздействия хладагента 2. В более глубоких слоях границы области максимальных растягивающих напряжений смещаются к вертикальной плоскости, проведенной через линию перемещения центра лазерного пучка 1.At the point of delivery of
В результате этого в объеме материала формируется асимметричная относительно контура обработки конфигурации полей термоупругих напряжений, величина и направление которых приводит к образованию наклонной разделяющей трещины.As a result of this, a configuration of thermoelastic stress fields asymmetric with respect to the processing contour is formed in the bulk of the material, the magnitude and direction of which leads to the formation of an inclined separating crack.
После нанесения наклонной разделяющей микротрещины прекращают подачу лазерного излучения и хладагента 2. Далее координатный стол перемещает заготовку 4 в начало следующей линии разделения для повторения описанной выше последовательности действий.After applying the inclined separating microcracks, the supply of laser radiation and
После нанесения всех разделяющих микротрещин отключают подачу лазерных пучков 1, 3 и хладагента 2 и останавливают координатный стол. Разделение материала производят по нанесенным наклонным трещинам. В результате окончательного разделения осуществляется формирование наклонных кромок у стеклоизделий большой толщины, которые отличаются повышенными прочностными характеристиками.After applying all the separating microcracks, the supply of laser beams 1, 3 and
При этом повышение прочностных характеристик обусловлено как бездефектностью полученных кромок, так и их геометрией.In this case, the increase in strength characteristics is due to both the defect-freeness of the edges obtained and their geometry.
Пример осуществления заявляемого способа и качественная оценка выполненных результатов осуществлена при нанесении наклонных трещин в образцах из стекла марок М3-М5 толщиной 3-7 мм.An example of the implementation of the proposed method and a qualitative assessment of the results obtained when applying inclined cracks in samples of glass grades M3-M5 with a thickness of 3-7 mm
В качестве лазера 1 использовали лазер ИЛГН 802 мощностью излучения, изменяемой в диапазоне 0-80 Вт, с длиной волны излучения λ=10,6 мкм, обеспечивающей максимальное поглощение излучения тонким поверхностным слоем силикатных стекол.As laser 1, an ILGN 802 laser was used with a radiation power varying in the range 0-80 W, with a radiation wavelength λ = 10.6 μm, providing maximum absorption of radiation by a thin surface layer of silicate glasses.
В качестве лазера 3 - YAG-лазер мощностью излучения, изменяемой в диапазоне 0-100 Вт, с длиной волны излучения λ=1,06 мкм, соответствующей объемному поглощению излучения силикатными стеклами.As a laser, 3 is a YAG laser with a radiation power varying in the range of 0-100 W, with a radiation wavelength λ = 1.06 μm, corresponding to volume absorption of radiation by silicate glasses.
При разделении стекла лазерное излучение с λ=10,6 мкм фокусировали в круглые пучки с радиусом R1=1,0-2,2 мм, а излучение с λ=1,06 мкм фокусировали сферической линзой в круглые пучки радиусом R2=0,7-1,6 мм.When glass was split, laser radiation with λ = 10.6 μm was focused into round beams with a radius of R1 = 1.0-2.2 mm, and radiation with λ = 1.06 μm was focused by a spherical lens into round beams with a radius of R2 = 0.7 -1.6 mm.
В качестве хладагента 2 использовали воздушно-водяную смесь.As
Скорость резки образцов составляла 3-35 мм/с. При этом безразмерный коэффициент К1 принимал значения в диапазоне 0,05-0,2, а коэффициент К2 принимал значения в диапазоне 1-2 с/мм.The cutting speed of the samples was 3-35 mm / s. In this case, the dimensionless coefficient K1 took values in the range of 0.05-0.2, and the coefficient K2 took values in the range of 1-2 s / mm.
Реализация предложенного способа обеспечила нанесение наклонных разделяющих микротрещин шириной S1=0,05-0,6 мм и глубиной S2=0,3-1,6 мм.The implementation of the proposed method provided the application of inclined separating microcracks with a width of S1 = 0.05-0.6 mm and a depth of S2 = 0.3-1.6 mm.
Для сравнения было осуществлено разделение аналогичных образцов по способу, изложенному в прототипе. В ходе экспериментов было определено, что реализация процесса по способу, изложенному в прототипе, характеризуется недостаточно глубоким трещинообразованием из-за использования в качестве технологического инструмента лазерного излучения с длиной волны, поглощаемой тонким поверхностным слоем обрабатываемого материала.For comparison, the separation of similar samples was carried out according to the method described in the prototype. During the experiments, it was determined that the implementation of the process according to the method described in the prototype is not characterized by insufficiently deep cracking due to the use of laser radiation with a wavelength absorbed by a thin surface layer of the processed material as a technological tool.
Анализируя результаты проведенных экспериментальных исследований, можно сделать вывод, что предлагаемый способ разделения хрупких неметаллических материалов под действием термоупругих напряжений обеспечивает создание в объеме материала заданной асимметричной относительно контура обработки конфигурации полей термоупругих напряжений, величина и направление которых приводит к образованию разделяющей трещины необходимой пространственной формы, в том числе в случае обработки изделий большой толщины.Analyzing the results of experimental studies, we can conclude that the proposed method for the separation of brittle non-metallic materials under the influence of thermoelastic stresses ensures the creation in the volume of the material of a given configuration of thermoelastic stress fields asymmetric with respect to the processing contour, the magnitude and direction of which leads to the formation of a separating crack of the required spatial shape including in the case of processing products of large thickness.
Источники информацииInformation sources
1. Мачулка Г.А. Лазерная обработка стекла. М.: Сов. Радио, 1979, с.48-67.1. Machulka G.A. Laser processing of glass. M .: Sov. Radio 1979, p. 48-67.
2. RU 2024441, C1, МПК7 С03В 33/02, опубл. 1994.12.15.2. RU 2024441, C1, IPC 7 С03В 33/02, publ. 1994.12.15.
3. BY 10167, С1, МПК (2006) С03В 33/00 - прототип.3. BY 10167, C1, IPC (2006) С03В 33/00 - prototype.
4. BY 11830, C1, МПК (2006) С03В 33/00.4. BY 11830, C1, IPC (2006) С03В 33/00.
Claims (1)
S=S1/K1,
где S1 - ширина формируемой наклонной микротрещины,
K1 - коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров используемых лазерных пучков,
скорость V относительного перемещения по обрабатываемой поверхности зон нагрева и охлаждения определяют из равенства
V=S1/(S2·K2),
где S1 - ширина формируемой наклонной микротрещины,
S2 - глубина формируемой наклонной микротрещины,
K2 - коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств обрабатываемого материала,
радиус зоны охлаждения R3 определяют из условия
R3≥S+R1+R2,
где R1 - радиус лазерного пучка, обеспечивающего поверхностный нагрев обрабатываемого материала,
R2 - радиус лазерного пучка, обеспечивающего объемный нагрев обрабатываемого материала,
S - расстояние от центра лазерного пучка, обеспечивающего объемный нагрев материала, до отрезка линии перемещения центра лазерного пучка, обеспечивающего поверхностный нагрев обрабатываемого материала, ограниченного центром лазерного пучка, обеспечивающего поверхностный нагрев обрабатываемого материала, и фронтом зоны охлаждения. A method for separating brittle non-metallic materials under the influence of thermoelastic stresses, including the formation of a laser-induced crack and its development by applying a preliminary cut on the surface of the material, simultaneous surface and volume heating of the material with two laser beams to a temperature not exceeding the relaxation temperature of thermoelastic stresses, and subsequent surface cooling laser heating zones when moving along the treated surface of the heating and cooling zones, characterized the fact that the center of the laser beam providing volumetric heating of the processed material is placed on a straight line perpendicular to the line of movement of the center of the laser beam providing surface heating of the processed material and passing through the segment of this line limited by the center of the laser beam providing surface heating of the processed material , and the front of the cooling zone, while the distance S from the center of the laser beam providing volumetric heating of the material to the segment of the displacement line Centralized laser beam, providing a surface heating of the material being processed, restricted center of the laser beam, providing a surface heating of the processed material, and the front of the cooling zone is determined from the equation
S = S1 / K1,
where S1 is the width of the formed inclined microcracks,
K1 is the proportionality coefficient, depending on the parameters of the used laser beams,
the speed V of the relative movement on the surface of the heating and cooling zones is determined from the equality
V = S1 / (S2K2),
where S1 is the width of the formed inclined microcracks,
S2 - the depth of the formed inclined microcracks,
K2 - proportionality coefficient, depending on the properties of the processed material,
the radius of the cooling zone R3 is determined from the condition
R3≥S + R1 + R2,
where R1 is the radius of the laser beam, providing surface heating of the processed material,
R2 is the radius of the laser beam, providing volumetric heating of the processed material,
S is the distance from the center of the laser beam, providing volumetric heating of the material, to the segment of the line of movement of the center of the laser beam, providing surface heating of the processed material, limited by the center of the laser beam, providing surface heating of the processed material, and the front of the cooling zone.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011111422/03A RU2479496C2 (en) | 2011-03-25 | 2011-03-25 | Method of separating fragile nonmetallic materials by thermo elastic strain |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011111422/03A RU2479496C2 (en) | 2011-03-25 | 2011-03-25 | Method of separating fragile nonmetallic materials by thermo elastic strain |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2011111422A RU2011111422A (en) | 2012-09-27 |
| RU2479496C2 true RU2479496C2 (en) | 2013-04-20 |
Family
ID=47078188
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011111422/03A RU2479496C2 (en) | 2011-03-25 | 2011-03-25 | Method of separating fragile nonmetallic materials by thermo elastic strain |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2479496C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107866637A (en) * | 2016-09-28 | 2018-04-03 | 三星钻石工业股份有限公司 | The disconnection method and disconnection device of brittle substrate |
| RU2719862C1 (en) * | 2019-08-29 | 2020-04-23 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Пелком Дубна Машиностроительный Завод" | Method of hollow glass articles processing and laser installation for its implementation |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2024441C1 (en) * | 1992-04-02 | 1994-12-15 | Владимир Степанович Кондратенко | Process of cutting of nonmetal materials |
| US6501047B1 (en) * | 1999-11-19 | 2002-12-31 | Seagate Technology Llc | Laser-scribing brittle substrates |
| RU2206528C2 (en) * | 2001-08-15 | 2003-06-20 | Кондратенко Владимир Степанович | Method of cutting friable non-metallic materials (versions) |
| JP2011006313A (en) * | 2009-06-29 | 2011-01-13 | Mitsuboshi Diamond Industrial Co Ltd | Scribing method and scribing apparatus for thin sheet glass substrate |
-
2011
- 2011-03-25 RU RU2011111422/03A patent/RU2479496C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2024441C1 (en) * | 1992-04-02 | 1994-12-15 | Владимир Степанович Кондратенко | Process of cutting of nonmetal materials |
| US6501047B1 (en) * | 1999-11-19 | 2002-12-31 | Seagate Technology Llc | Laser-scribing brittle substrates |
| RU2206528C2 (en) * | 2001-08-15 | 2003-06-20 | Кондратенко Владимир Степанович | Method of cutting friable non-metallic materials (versions) |
| JP2011006313A (en) * | 2009-06-29 | 2011-01-13 | Mitsuboshi Diamond Industrial Co Ltd | Scribing method and scribing apparatus for thin sheet glass substrate |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107866637A (en) * | 2016-09-28 | 2018-04-03 | 三星钻石工业股份有限公司 | The disconnection method and disconnection device of brittle substrate |
| CN107866637B (en) * | 2016-09-28 | 2021-07-16 | 三星钻石工业股份有限公司 | Method and apparatus for breaking brittle material substrate |
| RU2719862C1 (en) * | 2019-08-29 | 2020-04-23 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Пелком Дубна Машиностроительный Завод" | Method of hollow glass articles processing and laser installation for its implementation |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2011111422A (en) | 2012-09-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Gvozdev et al. | Multiparametric optimization of laser cutting of steel sheets | |
| US11527441B2 (en) | Method for producing a detachment area in a solid body | |
| RU2024441C1 (en) | Process of cutting of nonmetal materials | |
| Nisar et al. | Laser glass cutting techniques—A review | |
| Ito et al. | High-efficiency and precision cutting of glass by selective laser-assisted milling | |
| Li et al. | Controllable generation of 3D textured abrasive tools via multiple-pass laser ablation | |
| CN107107267A (en) | The Laser Processing to transparent article is carried out using multiple focuses | |
| Zhao et al. | Semiconductor laser asymmetry cutting glass with laser induced thermal-crack propagation | |
| Deng et al. | Study on mechanics and key technologies of laser nondestructive mirror-separation for KDP crystal | |
| Zhao et al. | Dual laser beam revising the separation path technology of laser induced thermal-crack propagation for asymmetric linear cutting glass | |
| Liu et al. | A flexible multi-focus laser separation technology for thick glass | |
| RU2479496C2 (en) | Method of separating fragile nonmetallic materials by thermo elastic strain | |
| Ji et al. | Crack-free cutting of thick and dense ceramics with CO2 laser by single-pass process | |
| Cai et al. | Laser cutting sandwich structure glass–silicon–glass wafer with laser induced thermal–crack propagation | |
| Cheng et al. | Laser beam induced thermal-crack propagation for asymmetric linear cutting of silicon wafer | |
| Jin et al. | Research on laser-assisted micro-milling of fused silica | |
| Kalyanasundaram et al. | Fracture mechanics-based analysis for hybrid laser/waterjet (LWJ) machining of yttria-partially stabilized zirconia (Y-PSZ) | |
| Shalupaev et al. | Modeling of mechanical influence of double-beam laser on single-crystalline silicon | |
| Shalupaev et al. | Two-beam laser thermal cleavage of brittle nonmetallic materials | |
| Lutey et al. | Pulsed laser profiling of grinding wheels at normal and quasi-tangential incidence | |
| RU2383500C2 (en) | Method to cut non-metal materials | |
| Deng et al. | A simulation study of dual laser beam separation technology for thick transparent inorganic materials | |
| Yan et al. | CO2 laser peeling of Al2O3 ceramic and an application for the polishing of laser cut surfaces | |
| RU2478083C2 (en) | Method of splitting crystalline quartz under effect of thermoelastic stress | |
| RU2497643C2 (en) | Method of crystalline silicon separation by thermoelastic strains |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150326 |