RU2617482C1 - Способ резки хрупких материалов - Google Patents
Способ резки хрупких материалов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2617482C1 RU2617482C1 RU2015151999A RU2015151999A RU2617482C1 RU 2617482 C1 RU2617482 C1 RU 2617482C1 RU 2015151999 A RU2015151999 A RU 2015151999A RU 2015151999 A RU2015151999 A RU 2015151999A RU 2617482 C1 RU2617482 C1 RU 2617482C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cut
- cutting
- heating
- laser beam
- combined
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K15/00—Electron-beam welding or cutting
- B23K15/08—Removing material, e.g. by cutting, by hole drilling
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K15/00—Electron-beam welding or cutting
- B23K15/10—Non-vacuum electron beam-welding or cutting
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
- B23K2101/18—Sheet panels
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
- C03B33/00—Severing cooled glass
- C03B33/09—Severing cooled glass by thermal shock
- C03B33/091—Severing cooled glass by thermal shock using at least one focussed radiation beam, e.g. laser beam
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
- C03B33/00—Severing cooled glass
- C03B33/09—Severing cooled glass by thermal shock
- C03B33/091—Severing cooled glass by thermal shock using at least one focussed radiation beam, e.g. laser beam
- C03B33/093—Severing cooled glass by thermal shock using at least one focussed radiation beam, e.g. laser beam using two or more focussed radiation beams
Landscapes
- Re-Forming, After-Treatment, Cutting And Transporting Of Glass Products (AREA)
- Processing Of Stones Or Stones Resemblance Materials (AREA)
Abstract
Изобретение относится к способам резки (термораскалывания) хрупких материалов, таких как пластины из любого типа стекла, всех типов керамики, а также полупроводниковых материалов, и может использоваться в автомобилестроении для изготовления стекол и зеркал, в электронной промышленности, а также в других областях техники. Способ включает нагрев поверхности материала по линии реза с помощью лазерного пучка, создание несквозного надреза материала по линии реза, дополнительное воздействие на поверхность материала в зоне нанесения надреза упругими волнами, охлаждение зоны нагрева поверхности материала с помощью хладагента, при этом упругими волнами воздействуют на поверхность материала в зоне действия хладагента. Дополнительное воздействие на поверхность материала осуществляют не менее чем двумя источниками упругих волн, которые располагают с противоположных боковых сторон материала поперек линии реза, при этом получают упругие волны, амплитуду и частоту которых выбирают из условия формирования в материале зоны стоячей упругой волны с периодическим изменением механических напряжений, совмещенной с зоной нагрева, для углубления надреза на заданную глубину или сквозной резки. Зону нагрева формируют импульсным лазерным пучком, а зоны стоячей упругой волны совмещают со сформированной зоной нагрева, причем максимальную интенсивность излучения лазера совмещают с временем максимального разряжения механических напряжений. Дополнительно можно сформировать несколько зон нагрева импульсным лазерным пучком для создания дополнительных линий реза. Технический результат заключается в повышении скорости резки материалов и увеличении толщины разрезаемого материала. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Description
Изобретение относится к способам резки (термораскалывания) хрупких материалов (в дальнейшем - материал, пластина), таких как любой тип стекла, различные монокристаллы, все типы керамики, а также полупроводниковые материалы и может быть использованно в автомобилестроении, в электронной промышленности и в других областях техники для высокоточной и высокопроизводительной резки широкого класса материалов.
Известен способ резки хрупких неметаллических материалов (патент РФ №2024441, МПК C03B 33/02, дата приоритета 02.04.1992 г., дата публикации 15.12.1994), включающий нагрев материала на линии реза пучком лазера, создание в зоне нагрева локального напряжения в обрабатываемом материале, совместное перемещение зоны нагрева и напряжения с образованием в материале несквозной разделяющей трещины. При резке материалов этим способом необходима дополнительная операция механического скрайбирования алмазной пирамидкой для создания первоначального микродефекта. Недостатками способа являются малые глубина и скорость резки, необходимость дополнительной операции скрайбирования.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ резки неметаллических хрупких материалов (патент РФ №2238918, МПК С03B 33/09, дата приоритета 07.06.2002 г., дата публикации 27.10.2004 г.), который принят в качестве прототипа. Способ включает в себя нагрев поверхности материала по линии реза с помощью лазерного пучка, создание несквозного надреза материала по линии реза трещины, дополнительное воздействие на поверхность материала, которое осуществляют в зоне нанесения надреза, по крайней мере, одним источником упругих волн, в качестве которого используют импульсное лазерное излучение, для которого материал непрозрачен, при этом амплитуду и частоту упругих волн выбирают из условия углубления надреза на заданную глубину или сквозной резки и охлаждения зоны нагрева поверхности материала с помощью хладагента, при этом упругие волны воздействуют в зоне воздействия хладагента. Одновременно на противоположную поверхность материала воздействуют упругой волной в зоне, расположенной между зонами воздействия двух других упругих волн, направленных со стороны воздействия лазерного пучка.
Недостатками этого способа являются малые толщина разрезаемых материалов, низкая скорость их резки, а также возможность отклонения направления линии реза от заданной траектории, особенно на начальных и конечных участках поверхности разрезаемого материала, что приводит к появлению брака. Эти недостатки являются следствием топологии локализации зон упругих напряжений в разрезаемом материале. При воздействии лазерного импульсного излучения на материал, непрозрачный для его длины волны, возникают акустические (упругие) волны соизмеримые с площадью взаимодействия. Обычно диаметр пучка импульсного лазера составляет единицы миллиметра, причем возникающие упругие волны имеют сферический фронт при распространении. При использовании двух лазерных источников, учитывая их поперечное распределение, амплитуду и частоту которых подберут для образования максимальных напряжений в зоне разреза, эта зона будет составлять доли миллиметра как по протяженности, так и по площади, что ограничит скорость реза и толщину разрезаемого материала. При этом на краях зоны созданных упругих напряжений возникает расширение зоны локализации этих напряжений и снижение их амплитуды, что связано с характером интерференции упругих волн, взаимодействующих не ортогонально и имеющих градиент поперечного распределения, что может приводить к отклонению направления линии реза от заданной траектории.
Решается задача увеличения толщины разрезаемого материала, повышения скорости и качества резки материала.
Поставленная задача решается тем, что в способе резки хрупких материалов включающем нагрев поверхности материала по линии реза с помощью лазерного пучка, осуществление надреза материала по линии реза, дополнительное воздействие на материал источниками упругих волн с выбором значений амплитуды и частоты этих потоков, дополнительно осуществляется перемещение материала относительно зоны нагрева, кроме этого не менее двух источников упругих волн располагаются с противоположных боковых сторон разрезаемого материала поперек линии реза, причем этими источниками создают две упругие волны, движущиеся навстречу друг другу, и формируют в материале зону стоячей упругой волны, совмещая максимальную амплитуду механических напряжений с зоной нагрева.
Кроме того, решение задачи обеспечивается тем, что дополнительно формируют несколько зон нагрева лазерным пучком для создания дополнительных линий реза, изменяют значения параметров частоты и амплитуды источников упругих волн и формируют дополнительно одну или несколько неподвижных зон с периодическими изменениями механических напряжений, по количеству равными числу зон нагрева, и совмещают их с сформированными зонами нагрева лазерным пучком.
Также решение задачи обеспечивается тем, что с противоположных сторон материала вдоль линии реза дополнительно вводят один или несколько источников упругих волн и располагают их линейно на каждой из боковых сторон плоскости материала.
Особенность предлагаемого способа заключается в следующем.
1) Для повышения глубины трещины и, соответственно, толщины разрезаемых материалов и качества резки, в данном изобретении предлагается, помимо зоны нагрева, создать зону с периодическими изменениями механических напряжений на основе эффекта стоячей волны, образующейся в результате взаимодействия движущихся навстречу друг другу потоков упругих волн. Эффект стоячей волны характерен появлением чередующихся т.н. узлов и пучностей, т.е. зон с нулевой и максимальной амплитудой механических напряжений: в виде сжатия-разрежения (в материале).
Эти две зоны пространственно совмещают с зоной нагрева, что увеличивает уровень локальных суммарных напряжений в материале, что в итоге и позволяет повысить глубину трещины и сделать ее единственной, повысив качество резки, одновременно приводя к повышению глубины и скорости резки.
Формирование двух и более зон механических напряжений, совмещенных с зонами нагрева разрезаемого материала, позволяет также осуществлять качественную резку по двум и более линиям реза, т.е. «в несколько полос». Это дает возможность повысить производительность резки материалов.
Сущность способа поясняется чертежом, где на фиг. представлена схема реализации предлагаемого способа. На поверхности разрезаемого материала 1 лазерным излучением 2 создается зона нагрева, в которую подается хладагент 3. У боковых поверхностей разрезаемого материала 1 находятся источники упругих волн 4, распространяющихся в материале 1 навстречу друг другу. В результате взаимодействия этих волн, имеющих одинаковую частоту, возникает стоячая волна. Предварительные расчеты частотных и пространственных параметров, определяющих работу устройства на фиг. показывают следующее. При скорости движения упругих волн в стекле v≈5000 м/с и резе посередине исходной стеклянной заготовки шириной ≈40 мм с шириной получаемых полос ≈20 мм значение частоты излучения возбуждаемых упругих волн составит f=250 кГц, что легко реализуемо промышленно выпускаемыми ультразвуковыми источниками упругих волн. В случае резки материала на две и более полос создаются с помощью лазерного излучения две и более зон нагрева, а частота упругих волн выбирается такой, чтобы при распространении их навстречу друг другу образовывались две или более зоны стоячей волны, совмещенные в материале с зонами нагрева. При использовании в качестве источника нагрева импульсного частотного лазера предлагается совместить время воздействия максимальной интенсивности излучения с временем фазы механического разряжения в зоне стоячей волны. Это увеличит производительность (или потенциальную толщину разрезаемого материала) резки материала при заданных величинах энергетических воздействий на материал (световых и акустических).
Ниже приведен конкретный пример выполнения предлагаемого способа. В качестве материала для резки использовалась пластина из стекла марки К8 толщиной 7 мм. Ортогонально к линии реза по краям пластины располагались ультразвуковые щелевые источники упругих волн марки ПЗ11Щ производства ООО «АЛТЕС» (Новосибирск). Мощность упругих волн в стекле составляла 1,5 Вт при частоте 250 кГц. Ширина пластины 40 мм, длина 300 мм. Для создания несквозного реза и зоны нагрева использовался инфракрасный импульсный лазер с длиной волны 10,6 мкм, средней мощности 100 Вт и частотой следования импульсов 10 кГц. Излучение лазера с помощью цилиндрической линзы из селенида цинка фокусировалось на поверхность разрезаемой пластины в пятно в виде эллипса с осями 1и 5 мм. В зону реза подавался хладагент. Разрезка пластины проводилась со скоростью 340 мм в секунду. Качество реза получалось хорошим, при этом не отмечалось случаев ухода от прямого реза на начальном и конечном участках разрезаемого материала.
Предлагаемое изобретение позволяет повысить скорость резки материалов и увеличить возможную толщину разрезаемого материала. При этом исключаются искривления, отклонение от заданной траектории реза и образование дефектов на начальных и конечных участках и, тем самым, повышается качество резки и уменьшается объем брака.
Claims (3)
1. Способ резки хрупких материалов, включающий нагрев поверхности материала по линии реза с помощью лазерного пучка, создание несквозного надреза материала по линии реза, дополнительное воздействие на поверхность материала в зоне нанесения надреза упругими волнами, охлаждение зоны нагрева поверхности материала с помощью хладагента, при этом упругими волнами воздействуют на поверхность материала в зоне действия хладагента, отличающийся тем, что дополнительное воздействие на поверхность материала осуществляют не менее чем двумя источниками упругих волн, которые располагают с противоположных боковых сторон материала поперек линии реза, при этом получают упругие волны, амплитуду и частоту которых выбирают из условия формирования в материале зоны стоячей упругой волны с периодическим изменением механических напряжений, совмещенной с зоной нагрева, для углубления надреза на заданную глубину или сквозной резки.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что зону нагрева формируют импульсным лазерным пучком, а зоны стоячей упругой волны совмещают со сформированными лазерным пучком зоной нагрева, причем максимальную интенсивность излучения лазера совмещают с временем максимального разряжения механических напряжений.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно формируют несколько зон нагрева импульсным лазерным пучком для создания дополнительных линий реза, а зоны стоячей упругой волны совмещают со сформированными лазерными пучками зонами нагрева.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015151999A RU2617482C1 (ru) | 2015-12-03 | 2015-12-03 | Способ резки хрупких материалов |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015151999A RU2617482C1 (ru) | 2015-12-03 | 2015-12-03 | Способ резки хрупких материалов |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2617482C1 true RU2617482C1 (ru) | 2017-04-25 |
Family
ID=58643109
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015151999A RU2617482C1 (ru) | 2015-12-03 | 2015-12-03 | Способ резки хрупких материалов |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2617482C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2688656C1 (ru) * | 2018-07-06 | 2019-05-21 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательское предприятие Лазерные технологии" | Способ резки хрупких неметаллических материалов |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5776220A (en) * | 1994-09-19 | 1998-07-07 | Corning Incorporated | Method and apparatus for breaking brittle materials |
RU2206525C2 (ru) * | 2001-07-25 | 2003-06-20 | Кондратенко Владимир Степанович | Способ резки хрупких неметаллических материалов |
RU2238918C2 (ru) * | 2002-06-07 | 2004-10-27 | Кондратенко Владимир Степанович | Способ резки хрупких неметаллических материалов |
US20070228616A1 (en) * | 2005-05-11 | 2007-10-04 | Kyu-Yong Bang | Device and method for cutting nonmetalic substrate |
US20090320524A1 (en) * | 2008-06-27 | 2009-12-31 | Anatoli Anatolyevich Abramov | Glass sheet cutting by laser-guided gyrotron beam |
-
2015
- 2015-12-03 RU RU2015151999A patent/RU2617482C1/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5776220A (en) * | 1994-09-19 | 1998-07-07 | Corning Incorporated | Method and apparatus for breaking brittle materials |
RU2206525C2 (ru) * | 2001-07-25 | 2003-06-20 | Кондратенко Владимир Степанович | Способ резки хрупких неметаллических материалов |
RU2238918C2 (ru) * | 2002-06-07 | 2004-10-27 | Кондратенко Владимир Степанович | Способ резки хрупких неметаллических материалов |
US20070228616A1 (en) * | 2005-05-11 | 2007-10-04 | Kyu-Yong Bang | Device and method for cutting nonmetalic substrate |
US20090320524A1 (en) * | 2008-06-27 | 2009-12-31 | Anatoli Anatolyevich Abramov | Glass sheet cutting by laser-guided gyrotron beam |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2688656C1 (ru) * | 2018-07-06 | 2019-05-21 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательское предприятие Лазерные технологии" | Способ резки хрупких неметаллических материалов |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101998761B1 (ko) | 투명 재료 내에 레이저 필라멘테이션을 형성하기 위한 방법 및 장치 | |
JP6906538B2 (ja) | ガラスエレメントの端面加工のための方法、およびその方法により加工されたガラスエレメント | |
KR102230762B1 (ko) | 레이저 빔 초점 라인을 사용하여 시트형 기판들을 레이저 기반으로 가공하는 방법 및 디바이스 | |
JP5432285B2 (ja) | 面取りした端部を有する形状にガラスをレーザ加工する方法 | |
US11053156B2 (en) | Method of closed form release for brittle materials using burst ultrafast laser pulses | |
RU2674916C2 (ru) | Способ лазерной обработки для разделения или скрайбирования подложки путем формирования клиновидных поврежденных структур | |
RU2226183C2 (ru) | Способ резки прозрачных неметаллических материалов | |
JP4175636B2 (ja) | ガラスの切断方法 | |
TWI469841B (zh) | 使用經傾斜的雷射掃描來加工工作件的方法和設備 | |
JP2013503105A (ja) | 化学強化ガラス基板からガラス品をレーザ割断するための方法 | |
KR20120098869A (ko) | 레이저 가공과 스크라이빙 시스템 및 방법 | |
JP2010536576A (ja) | 短パルスレーザを用いた固体材料切断方法およびシステム | |
KR20150112870A (ko) | 레이저 가공 강화 유리 | |
TW201706221A (zh) | 疊層基板之加工方法及利用雷射光之疊層基板之加工裝置 | |
RU2543222C1 (ru) | Способ притупления острых кромок стеклоизделий | |
RU2617482C1 (ru) | Способ резки хрупких материалов | |
KR20130126287A (ko) | 기판 절단 장치 및 방법 | |
RU2394780C1 (ru) | Способ лазерного импульсного формообразования твердых неметаллических материалов | |
JP2004035315A (ja) | 脆性材料基板の分断方法および脆性材料基板分断装置 | |
RU2688656C1 (ru) | Способ резки хрупких неметаллических материалов | |
TWI653113B (zh) | 剖面端部不加工鏡面切斷法 | |
US20220339741A1 (en) | Method of laser beam machining of a transparent brittle material and device embodying such method | |
KR20180035111A (ko) | 취성 재료 기판의 분단 방법 그리고 분단 장치 | |
CN113146063A (zh) | 用于加工脆性硬质材料的方法 | |
JP2008246808A (ja) | 高脆性非金属材料製の被加工物の加工方法及びその装置 |