Исследование процесса управляемого лазерного термораскалывания силикатных стекол
Министерство
образования Республики Беларусь
УО
"Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины"
Физический
факультет
Кафедра
радиофизики
Курсовая
работа
"Исследование
процесса управляемого лазерного термораскалывания силикатных стекол"
Выполнил
студент группы ФЭ-41
Куркович Р.Л.
Проверил Середа А.А.
Гомель, 2013
Реферат
Курсовая работа 27 страниц, 7 рисунков, 6 таблиц, 22 источника
Ключевые слова: термораскалывание, стекло, CO2-лазер, несквозная трещина
Цель работы: исследовать управляемое лазерное термораскалывание
силикатных стекол, а так же подготовка и создание лабораторной работы по данной
теме для студентов физического факультета.
Метод исследования: лазерный технологический комплекс, инструментальный
микроскоп БМИ-1Ц
Содержание
Введение
1. Методы лазерной
размерной обработки хрупких неметаллических материалов
2. Описание
экспериментального оборудования
2.1 Лазерный технологический комплекс
2.2 Инструментальный микроскоп БМИ-1Ц
3. Лабораторная
работа "Исследование процесса управляемого лазерного термораскалывания
силикатных стекол"
3.1 Теоретические сведения
3.2 Практические задания
.3 Требования к оформлению отчета
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Стекло - один из наиболее распространенных материалов, широко
используемых практически во всех областях человеческой деятельности. Это
обусловлено его уникальными свойствами: прозрачностью в видимом диапазоне
спектра, достаточной прочностью и возможностью использования в качестве
конструкционного материала, стойкостью против воздействия окружающей среды и
многих агрессивных сред, гибкой технологичностью, позволяющей относительно
простыми средствами изготовлять изделия самой различной формы и назначения,
гигиеничностью, эстетической привлекательностью и т. п. Поэтому стекло
выпускается в крупных промышленных масштабах и его изготовлению, обработке и
применению уделяется огромное внимание [1].
Особое место занимает стекло в электровакуумном производстве и
приборостроении. Помимо перечисленных, в данном случае используются его
превосходные вакуумные, электроизоляционные и теплоизоляционные свойства.
Благодаря этому стекло очень широко используется для изготовления оболочек и
конструктивных элементов электровакуумных и газоразрядных приборов, термометров
и других измерительных устройств, в микроэлектронике, а также в технологическом
оборудовании для производства указанных приборов.
Основными физическими свойствами стекла, предопределяющими методы его
изготовления и обработки, являются хрупкость при нормальной температуре и
высокая пластичность, плавно меняющаяся в широком диапазоне температур, начиная
от температуры стеклования (размягчения). Следствием этих свойств являются
основные методы обработки стекла: тепловая обработка в процессе формования
изделий и сварки деталей в узлы, направленное нарушение прочности стекла с
помощью тепловых, абразивных и твердосплавных инструментов с последующим его
разламыванием по намеченному контуру и шлифовка с целью обеспечения высокой
точности изготовления стеклянных изделий. Эти технологические процессы известны
с древних времен и доведены в настоящее время до максимальной простоты и
совершенства.
Тем не менее, в связи с появлением новой лазерной техники представляется
целесообразным разработка и дальнейшее исследование технологических процессов
обработки стекла в качестве рабочего инструмента, в которых выступает лазерное
излучение, так как решение этих задач в стекольной промышленности традиционными
методами связано с серьезными трудностями. Дело в том что, тепловой, и механический
методы обработки стекла базируются на искусстве рабочих и нередко
сопровождаются технологией, недостаточно полно обеспеченной с инженерной точки
зрения. По этим причинам используемые в промышленности методы обработки стекла
являются в большой степени субъективными, трудно поддаются автоматизации и
требуют широкого применения ручного труда, особенно при необходимости
обеспечения высокой точности изготовления стеклянных изделий.
Проблема высокоточной резки стеклоизделий становится особенно актуальной
с освоением и расширением массового выпуска новых приборов, например, ряда
электровакуумных приборов, электронно-оптических преобразователей, в
конструкции которых используются стеклянные изделия с высокими требованиями к
геометрической точности и качеству торцевой поверхности.
В последнее время одним из наиболее эффективных методов прецизионного
раскроя стекла и других материалов электронной техники признан метод лазерного
термораскалывания. Разработка лабораторных работ позволяющих изучить различные
модификации метода лазерного термораскалывания является актуальной задачей.
1. Методы лазерной размерной обработки хрупких неметаллических материалов
Важным направлением применения лазеров в технологических целях являются
процессы разделения неметаллических материалов. В соответствии с [2, с. 6]
"неметаллы представляют собой обширные классы материалов (диэлектрики,
полупроводники, пластики, горные породы, текстиль и т.д.), существенно
разнящиеся по химическому составу, свойствам, способам изготовления, назначения,
применения и, естественно, по способам обработки. Однако появление лазеров
впервые создало реальные условия для осуществления термического процесса
разделения неметаллов любого класса". Здесь же в отношении неметаллических
материалов указано, что "та или иная операция разделения в лазерной
технологии может быть отнесена к одному из трех видов обработки - резке,
сверлению или термораскалыванию". При этом отмечается, что
"промежуточное положение между резкой и термораскалыванием занимает метод
скрайбирования, применяемый для разделения полупроводниковых, керамических и
ситалловых подложек на отдельные элементы" [2, с. 11].
В курсе лекций В.С. Кондратенко [3, с. 4] приведена более полная
классификация, в соответствии с которой выделены следующие методы обработки
стекла и других хрупких неметаллических материалов:
лазерная резка испарением материала по линии реза;
газолазерная резка с подачей струи сжатого газа (как правило, воздуха)
для выдувания расплавленного материала;
- газолазерная резка с инициированием термической реакции посредством
активного газа;
скрайбирование;
сквозное лазерное термораскалывание;
- управляемое лазерное термораскалывание (УЛТ).
В целом суть методов лазерной обработки материалов изложена в достаточно
большом количестве источников, в частности, обработка хрупких неметаллических
материалов методами лазерного термораскалывания описана в работах [3, 1, 4 -
6].
Основываясь на результатах анализа особенностей различных методов
лазерного разделения неметаллических материалов, в первую очередь, силикатных
стекол и алюмооксидной керамики, описанных в вышеперечисленных источниках
(таблица 1.1 [3, с. 11]), можно отметить следующее:
- лазерная и газолазерная резка испарением материала по линии реза
является энергоемким процессом и не отличается высокой точностью обработки, что
делает неэффективным использование данных методов для получения прецизионных
изделий из хрупких неметаллических материалов;
- лазерное скрайбирование также характеризуется низким качеством
кромок обрабатываемых изделий и, кроме того, применение этого метода сопряжено
с загрязнением поверхности материала продуктами испарения. Вследствие этого
применение скрайбирования для высокоточной обработки в ряде случаев становится
нецелесообразным [3, с. 9].
Таблица 1.1 - Характерные режимы различных методов
лазерной размерной резки стекла
|
Метод лазерной размерной резки
|
Мощность лазерного излучения, Вт
|
Скорость резки, мм/с
|
Толщина стекла, мм
|
Удельная энергоемкость, Дж/мм2
|
|
Лазерная
|
200
|
0,42
|
3,5
|
143
|
|
Газолазерная
|
200
|
6,35
|
1,57
|
20,1
|
|
Скрайбирование
|
50
|
58
|
6
|
0,144
|
9
|
5,1
|
1,6
|
1,1
|
|
Управляемое термораскалывание
|
25
|
39
|
3
|
0,21
|
Указанные недостатки не свойственны методу лазерного сквозного
термораскалывания [1]. Первые сообщения по данной тематике были сделаны Ламли (R. Lamley). Они датируются концом 70-х годов XX века.
Сущность сквозного лазерного термораскалывания заключается в образовании
сквозной разделяющей микротрещины и ее распространении в хрупком
неметаллическом материале под действием термоупругих напряжений, сформированных
в результате поверхностного лазерного нагрева линии обработки вследствие
относительного перемещения лазерного пучка и поверхности материала [1, 9]. При
этом температура в зоне обработки ограничивается сверху значениями, при которых
отсутствует релаксация термоупругих напряжений, обусловленная пластической
деформацией [1, 9].
Однако в процессе изучения сквозного термораскалывания были выявлены его
серьезные недостатки, преодоление которых оказалось сложным. Так, сквозное
лазерное термораскалывание характеризуется низкой скоростью резки [3, 9] и
зависимостью режимов термораскалывания от габаритов исходной заготовки. По этим
причинам невозможно термораскалывание образцов больших типоразмеров. Кроме
этого, к недостаткам сквозного термораскалывания следует отнести [3, 9] и
низкую точность разделения, обусловленную характерным для этого способа
распределением в обрабатываемом материале зон напряжений растяжения и сжатия,
сформированных в результате поверхностного лазерного нагрева (соответствующий
анализ термоупругих полей выполнен в третьей главе). Наличие вышеперечисленных
недостатков сквозного лазерного термораскалывания обусловило признание этого
способа бесперспективным [14].
В настоящее время наиболее эффективным методом разделения хрупких
неметаллических материалов является управляемое лазерное термораскалывание [3,
4 - 6, 9], отличительная особенность которого
заключается в том, что разделение материала происходит вследствие образования
микротрещины, формируемой в результате поверхностного нагрева материала
лазерным излучением в сочетании с последующим охлаждением зоны нагрева
хладагентом. К основным преимуществам УЛТ относятся высокая точность и
безотходность разделения, а также высокая скорость обработки.
В результате исследований по данной тематике был разработан целый ряд
методов прецизионной лазерной обработки хрупких неметаллических материалов, к
которым, кроме УЛТ, относят параллельное и асимметричное лазерное
термораскалывание.
Параллельное лазерное термораскалывание осуществляется при воздействии на
материал эллиптического лазерного пучка, ориентированного малой осью вдоль
направления перемещения и приводит к терморасслоению образца [5, 6, 20].
Предельным вариантом такого способа обработки можно считать предложенный в [10]
способ притупления острых кромок, сопровождаемого отделением узкой полоски
стекла.
Сущность метода асимметричного лазерного термораскалывания заключается в
том, что при нагреве материала лазерным пучком эллиптического сечения,
ориентированным под углом к направлению относительного перемещения, образуется
наклонная трещина со скругленными кромками [6, 9, 21]. В [11] предложен вариант
метода асимметричного термораскалывания, с использованием которого получают
стеклопластины со сложным профилем края вследствие не только поворота луча на
угол 5 - 26° к линии разделения, но и перемещения хладагента относительно
лазерного луча и линии разделения.
Совмещение параллельного термораскалывания и УЛТ в едином цикле обработки
используется при комбинированном лазерном термораскалывании, предназначенном
для получения в образце взаимно перпендикулярных трещин [5, 6].
Таким образом, УЛТ является наиболее эффективным методом разделения
хрупких неметаллических материалов, применяемым в промышленности. Тем не менее,
данной технологии присущ ряд недостатков, затрудняющих ее дальнейшее широкое
промышленное распространение и обусловливающих необходимость проведения
исследований по усовершенствованию процессов высокоточного разделения хрупких
неметаллических материалов с использованием лазерного термораскалывания.
Еще одним недостатком УЛТ является низкая надежность процесса разделения
при режимах, характеризуемых малым расстоянием от границы лазерного пятна на
поверхности обрабатываемого материала до фронта зоны охлаждения при использовании
в качестве хладагента мелкодисперсной смеси. Анализируя
процесс УЛТ, удалось выявить несколько причин его нестабильности [22]. Одной из
них является существенное влияние вещества хладагента, попадающего в зону
лазерного воздействия, на теплофизические условия в ней, что и обусловливает
частые срывы процесса развития разделяющей микротрещины.
Необходимо отметить, что "наиболее важную роль в процессе лазерного
управляемого термораскалывания, позволяющую получить в отличие от сквозного
термораскалывания качественно новый результат - управляемую микротрещину,
проникающую в стекло на заданную глубину, играет хладагент" [3, с. 35].
В ходе проведенных исследований автором работы [4] было выяснено (таблица
1.2), что наиболее эффективно использование в качестве хладагента именно
мелкодисперсной воздушно-водяной смеси, подаваемой под давлением в зону
обработки. Это
объясняется более высокой удельной теплоемкостью воды по сравнению с другими
веществами, использованными в экспериментах. Определенный интерес вызывает влияние
химического состава хладагента на процесс трещинообразования в силикатных
стеклах и алюмооксидной керамике вследствие возможности протекания химических
реакций, ускоряющих процесс разрушения [12 с. 140].
Таблица
1.2 - Сравнительные параметры процесса лазерного управляемого термораскалывания
листового стекла толщиной 6 мм при использовании различных хладагентов
|
Наименование хладагента
|
Скорость УЛТ, мм/с
|
Глубина микротрещины, мм
|
Расход хладагента, мл/с
|
|
Струя воздуха
|
7
|
0,72
|
-
|
|
Вода
|
25
|
0,35
|
0,04
|
|
Спирт пропиловый
|
20
|
0,35
|
0,08
|
|
Спирт этиловый
|
25
|
0,35
|
0,1
|
|
Глицерин
|
10
|
0,45
|
0,1
|
Необходимо отметить, что в результате исследований удалось выявить на
охлаждаемой поверхности, кроме зоны со стабильным интенсивным охлаждением, еще
и наличие пленки, формируемой в результате растекания жидкости по
обрабатываемой поверхности [22]. При этом первичное охлаждение нагретых
лазерным излучением участков материала часто происходит под этой пленкой и
характеризуется существенной нестабильностью теплообмена.
Устранение указанных недостатков возможно при использовании в качестве
хладагента потока газа [13], что малоэффективно, или с применением специального
вакуумного устройства, удаляющего вещество хладагента, что технически сложно
реализуемо.
Отдельно необходимо остановиться на способах лазерного термораскалывания,
основанных на сочетании воздействий лазерного излучения с разными длинами волн.
В одной из первых работ этого направления Ламбертом в 1976 г. был предложен
способ двулучевой лазерной резки стекла [14].
В Советском Союзе технология двулучевой обработки материалов
использовалась для увеличения эффективности лазерной резки диэлектрических
материалов с металлизированной поверхностью [15].
Идея Ламберта получила дальнейшее развитие в работах Цая (C. Tsai) [16, 17, 18]. В них содержится утверждение о том,
что на поверхности керамики при действии сфокусированного излучения YAG-лазера формируется система
микротрещин, которые получают дальнейшее развитие, обусловленное
термонапряжениями, индуцированными расфокусированным пучком излучения CO2-лазера. В результате анализа вышеперечисленных работ
можно сделать вывод, что методам обработки, в которых сочетаются лазерное
скрайбирование и сквозное термораскалывание свойственны недостатки, присущие
каждому их этих методов.
Вызывает интерес предложенный в изобретении [19] двулучевой способ
разделения листа хрупкого материала на фрагменты требуемой геометрии,
осуществляемый в две стадии: начальная лазерная обработка листа производится с
образованием линии скрайбирования, вторичная лазерная обработка - с
образованием разлома. Процесс скрайбирования включает в себя локальное
воздействие луча импульсного лазера на отдельные участки линии скрайбирования
для их нагрева и последующее охлаждение этих участков. При этом докол
осуществляется при воздействии излучения CO2-лазера, работающего в
непрерывном режиме. Сочетая технические приемы, изложенные в работах Цая,
авторы [19] используют дополнительное охлаждение нагретой поверхности. Однако
кромки, получаемые при использовании данного способа резки, также
характеризуются недостаточно высоким качеством вследствие применения
предварительного скрайбирования.
В работах [4-7] были получены результаты по двулучевому лазерному
термораскалыванию хрупких неметаллических материалов, сущность которого заключается
в одновременном облучении обрабатываемой детали двумя лазерными пучками, с
разными длинами волн, одна из которых соответствует интенсивному поглощению
поверхностными слоями образца, а вторая соответствует объемному поглощению
обрабатываемым материалом. Разработанная технология двулучевого
термораскалывания хрупких неметаллических материалов, обеспечивает возможность
формирования заданного распределения полей термоупругих напряжений не только в
тонком поверхностном слое, но и по всей глубине обрабатываемого материала. Это
в свою очередь обеспечивает повышение качества и точности обработки,
увеличивает ее глубину.
2. Описание экспериментального оборудования
.1 Лазерный технологический комплекс
Для исследования процессов лазерного термораскалывания хрупких
неметаллических материалов был использован лазерный технологический комплекс.
Во всех режимах работы комплекса применяется технологический газ (главным
образом воздух). Воздух служит, во-первых, для защиты объектива, во-вторых, -
для формирования воздушно-водяной смеси, используемой в качестве хладагента в
процессе лазерного термораскалывания хрупких неметаллических материалов.
Комплекс представляет собой стационарную конструкцию из двух лазеров и
координатного стола, управляемых системой ЧПУ (рисунки 2.1 и 2.2). Ниже
приведены технические данные комплекса (таблица 2.1) и описание его составных
частей.
Излучатель ИЛГН-802 является источником инфракрасного излучения с длиной
волны 10,6 мкм. Излучатель YAG
состоит из квантрона с активным элементом, импульсной лампой накачки и
отражателями, элементов резонатора (зеркала, держатели), шторки для прерывания
излучения и телескопической насадки.
От источника питания ИПЛ-3 обеспечивается электроснабжение излучателя
ИЛГН-802.
Таблица 2.1 - Технические данные комплекса
|
Длина волны излучения YAG-лазера, мкм
|
1,064
|
|
Длительность импульса лазерного излучения YAG-лазера, мс
|
0,5 ÷ 8
|
|
Диапазон изменения частоты следования импульсов лазерного излучения
YAG-лазера, Гц
|
1 ÷300
|
|
Максимальная энергия излучения в импульсе YAG-лазера, Дж
|
2 ÷ 30
|
10,6
|
|
Максимальная мощность лазерного излучения СО2-лазера,
Вт
|
75
|
|
Время непрерывной работы комплекса, ч, не менее
|
4
|
|
Диаметр поворотного стола, мм
|
500
|
|
Число оборотов поворотного стола, об/мин
|
0 ÷ 34
|
|
Максимальное линейное перемещение вдоль осей X и Y, мм
|
500
|
|
Точность линейного перемещения по осям X и Y, мм
|
0,05
|
|
Максимальная скорость перемещения вдоль осей X и Y, мм/мин
|
6000
|
|
Точность позиционирования, мм, не более
|
0,05
|
|
Охлаждающая жидкость
|
H2O
|
|
Максимальная потребляемая мощность от сети переменного
тока, кВт
|
9
|
|
Масса обрабатываемой детали, кг, не более
|
5
|
|
Максимальная масса комплекса, кг, не более
|
500
|
|
Длина, мм
|
3500
|
|
Ширина, мм
|
3500
|
|
Высота, мм
|
2000
|
1 - стол координатный УКПТ-2М; 2 - узел вращения; 3 - кожух; 4 -
излучатель на YAG:Nd+3; 5 - узел подсветки; 6 - узел поворота лазерного излучения
на 90°; 7 - излучатель ИЛГН-802; 8 -
видеокамера КРС 400(80); 9 - система охлаждения СО2-лазера ЛСО-158А;
10 - блок защитных блокировок; 11 - монитор ТС-4410; 12 - шкаф управления ТС-8;
13 - блок питания СО2-лазера ИПЛ-3; 14 - блок питания YAG-лазера ИПЛ-2-6000; 15 - устройство
охлаждения YAG-лазера УО-1; 16 - система ЧПУ SINUMERIC 802S; 17 - компьютер; 18 - компьютерный стол
Рисунок 2.3 - Схематическое изображение технологического
комплекса лазерной обработки материалов
Комплекс выполнен в виде следующих конструктивных сборочных единиц:
Модуль 1
- излучатель YAG, работающий в импульсном
режиме;
блок питания YAG-лазера
БП-10-40;
устройство охлаждения УО-1;
Модуль 2
- излучатель ИЛГН-802, работающий в непрерывном режиме;
блок питания СО2-лазера ИПЛ-3;
система охлаждения ЛСО-158А;
Координатная система
- стол координатный УКПТ-2М;
узел вращения;
узел поворота лазерного излучения на 90°;
кожух;
видеокамера;
узел подсветки;
монитор ММ-9М (ТС-4410);
система ЧПУ SINUMERIC 802S;
компьютер Pentium
IV;
шкаф управления ТS-8.
Блок питания БП-10-40 предназначен для формирования импульсов тока в
лампах излучателя твердотельного технологического YAG-лазера и управления режимами его работы.
Использование двух квантронов работающих попеременно друг с другом позволяет
получить непрерывное излучение на выходе лазера. Поворот лазерного пучка на 90° осуществляется устройством, которое
представляет собой оптическую систему, состоящую из комплекта линз и зеркал.
Кожух выполняет функции защитного элемента, служащего для предохранения
от поражения лазерным излучением. Кожухом закрыты корпуса лазеров и узел
поворота лазерного луча.
Видеокамера КРС S400,
монитор ММ-9М (ТС-4410) и узел подсветки используются для визуализации процесса
обработки материалов.
Система ЧПУ SINUMERIC 802S предназначена для управления
шаговыми двигателями координатного стола (Х, Y, φ - координаты), шаговым двигателем узла
вращения, узлами пневмосистемы и защитными шторками, которые перекрывают пучок
при необходимости прекращения подачи лазерного излучения в зону обработки.
Набор команд для программирования ЧПУ SINUMERIK 802S прилагается в комплекте документации к стойке ЧПУ. Для
технологии обработки материалов введен дополнительный набор М-команд:
М40 - открыть пневмоклапан для обдува воздухом линзы YAG-лазера;
М41 - закрыть пневмоклапан для обдува воздухом линзы YAG-лазера;
М42 - открыть пневмоклапан для обдува воздухом линзы СО2-лазера;
М43 - закрыть пневмоклапан для обдува воздухом линзы СО2-лазера;
М44 - открыть пневмоклапан для подачи воздуха в систему хладагента;
М45 - закрыть пневмоклапан для подачи воздуха в систему хладагента;
М46 - открыть гидроклапан для подачи воды в систему хладагента;
М47 - закрыть гидроклапан для подачи воды в систему хладагента;
М48 - открыть пневмоклапан для подачи воздуха на эжектор;
М49 - закрыть пневмоклапан для подачи воздуха на эжектор;
М50 - открыть шторку СО2-лазера;
М52 - открыть
шторку YAG-лазера;
М53 - закрыть шторку YAG-лазера;
М54 - опустить резец;
М55 - поднять резец.
Компьютер предназначен для реализации на комплексе технологических
программ большого объема, выполнение которых с использованием системы ЧПУ
невозможно вследствие ограниченности ресурсов ее оперативной памяти, а также
для хранения технологических программ и их редактирования. Кроме этого,
предусмотрена возможность использования компьютера для визуализации зоны
обработки и записи видеоинформации на жесткий диск.
Шкаф управления ТS-8
представляет собой жесткую конструкцию, в которой установлены источники питания
обоих лазеров и устройство охлаждения, устройство защитных блокировок, а также
элементы пневмосистемы.
2.2 Инструментальный микроскоп БМИ-1Ц
Глубина лазерных трещин, качество и точность разделения материала на
фрагменты определялись с применением инструментального микроскопа БМИ-1Ц
(рисунок 2.4). Технические характеристики инструментального микроскопа
приведены в таблице 2.2.
Таблица 2.2 - Технические характеристики БМИ-1Ц
|
Предел измерений в продольном направлении, мм
|
0 ÷ 150
|
|
Предел измерений в поперечном направлении, мм
|
0 ÷ 50
|
|
Увеличение микроскопа, крат
|
10; 15; 30; 50
|
|
Основная погрешность, мкм
|
 3
|
Рисунок 2.4 - Инструментальный микроскоп БМИ - 1Ц
3. Лабораторная работа "Исследование процесса управляемого лазерного
термораскалывания силикатных стекол"
3.1 Теоретические сведения
В настоящее время наиболее эффективным методом
разделения хрупких неметаллических материалов является управляемое лазерное
термораскалывание. Сущность метода лазерного управляемого термораскалывания
заключается в формировании несквозной трещины при нагревании поверхности
хрупкого неметаллического материала лазерным излучением и последующего
охлаждения зоны нагрева хладагентом (см. рисунок 1.1).
Разработчиком данной технологии является советский
исследователь В. С. Кондратенко. К основным преимуществам управляемого
лазерного термораскалывания относятся высокая точность и высокая скорость
обработки, которая сочетается с его безотходностью. Кроме этого применение
данной технологии обеспечивает повышение прочности получаемых изделий.
Для выяснения особенностей механизмов управляемого
лазерного термораскалывании целесообразно проведение анализа особенностей
распределений термоупругих полей формируемых в обрабатываемых образцах. При анализе процессов лазерного термораскалывания в качестве
основного критерия, определяющего направление развития трещины, целесообразно
использование критерия максимальных растягивающих напряжений, впервые
введенного Е. Иоффе. В соответствии с этим критерием лазерная микротрещина
распространяется в направлении, перпендикулярном действию максимальных
растягивающих напряжений. При этом нужно учитывать, что трещина,
распространяющаяся в зоне растяжения, прекращает свой рост в зоне сжатия.
На рисунке 3.2 представлено характерное распределение
полей напряжений syy в
плоскости разделения силикатного стекла при воздействии на материал только
лазерного излучения (режим сквозного термораскалывания), а на рисунке 1.3 - при
совместном воздействии на обрабатываемый материал лазерного излучения и
хладагента (режим управляемого термораскалывания).
Как видно при сравнении рисунков 3.2
и 3.3, в месте воздействия лазерного пучка в обеих случаях формируется зона
значительных по величине сжимающих напряжений, которую огибает спереди и в
глубине материала зона растягивающих напряжений.
Однако при управляемом лазерном термораскалывании в
отличие от режима сквозного термораскалывания, в верхних слоях образца
формируется еще одна зона растягивающих напряжений, расположение которой
определяется локализацией воздействия хладагента.
Отметим, что эта зона растягивающих напряжений
ограничена зоной сжимающих напряжений, сформированных лазерным пучком.
Из анализа распределения термоупругих полей следует,
что инициирование разделяющей микротрещины при управляемом лазерном
термораскалывании происходит в поверхностных слоях материала от дефекта
микроструктуры в зоне растягивающих напряжений, сформированных вследствие
подачи хладагента. Далее микротрещина начинает свое движение и распространяется
до зоны сжимающих напряжений, сформированных лазерным излучением. После этого
нестационарный рост трещины прекращается, и дальнейшее ее распространение
определяется изменением пространственного распределения зон растягивающих и
сжимающих напряжений, обусловленным взаимным перемещением обрабатываемого
материала, лазерного пучка и хладагента. Таким образом, при управляемом
лазерном термораскалывании распределение сжимающих напряжений в объеме образца
определяет форму и глубину развития микротрещины, инициализация и развитие
которой происходит в зоне растягивающих напряжений, сформированных в зоне
воздействия хладагента.
3.2 Практические задания
. Включение и настройка установки
. Открыть вентиль системы подачи охлаждения лазера.
. Включить на распределительном щитке подачу питания на установку.
. Поворотом тумблера "Сеть" в положение "ON" включить шкаф управления TS-8.
. Перевести тумблер "Устройство охлаждения" в положение
"ВКЛ". При этом активируется система подачи сжатого воздуха на
форсунку и в систему обдува линз.
. Включить стойку числового программного управления (ЧПУ)
координатным столом поворотом тумблера на боковой панели стойки ЧПУ в положение
"ON".
. Включить подачу питания СО2-лазера переключением
сетевого тумблера "I/O" на блоке "ИПЛ-3" в
положение "ВКЛ". Нажать кнопку "Пуск".
. Подать питание на шаговые двигатели управления перемещения
координатного стола, нажав кнопку "Станок ВКЛ".
. Для вывода координатного стола в нулевое положение нажать кнопки
"-х", "-у", "-φ" и дождаться прекращения
движения механических частей координатного стола.
. Установить сфероцилиндрическую линзу в систему фокусировки
излучения. Поворотом регулировочного винта на системе фокусировки излучения,
установить линзу так, чтобы большая ось эллипса была ориентирована вдоль линии
обработки. Перемещая линзу в вертикальной плоскости, добиться размеров эллипса
на поверхности образца равным а=6 мм, b=2 мм.. Экспериментальное исследование.
1. Положить стеклянную пластинку на координатный стол в области
обработки.
. Загрузить на стойке ЧПУ файл "Uprav.mpf"
G94A90F1000X408Y150F2000M42M44M48x408Y450F600M45M49
3. Вращая регулировочные винты системы позиционирования форсунки
настроить подачу хладагента так, чтобы центр пятна хладагента на поверхности
образца находился на линии обработки, а расстояние между центрами лазерного
пучка и центром хладагента составляло 7 мм. Радиус хладагента 2,5 мм.
. На блоке питания лазера "ИПЛ-3" установить рукояткой
"ТОК" ток лазера 45μА. В файле изменить скорость
обработки материала с F600
на F180, что соответствует скорости 3
мм/с. Запустить программу на исполнение. В процессе выполнения программы
пронаблюдать образование несквозной трещины вдоль линии обработки на
поверхности образца в области воздействия хладагента. Дождаться окончания
выполнения программы. Механически доколоть образец. Образец пронумеровать.
. Увеличивая скорость с шагом 1 мм/с, получить серию образцов с
несквозной управляемой трещиной. Образцы пронумеровать. Скорость увеличивать до
тех пор, пока не прекратится возникновение и развитие трещины.
. Уменьшая скорость относительно начальной с шагом 1мм/с получить
серию образцов. Образцы пронумеровать. Скорость уменьшать до тех пор, пока
трещина не начнет перерастать в сквозную.
. Повторить последовательность операций по пунктам 4-6 при
следующих начальных параметрах тока лазера и скорости обработки:
I=50 μA F240 (4 мм/с)
I=55 μA F300 (5 мм/с)
I=60 μА F300 (5 мм/с)
. Установить ток лазера I=55μA и скорость обработки 4 мм/с. Исследовать влияние
расстояния между центрами лазерного луча и хладагента на процесс зарождения и
развития разделяющей трещины. Для этого, вращая регулировочные винты системы
позиционирования форсунки хладагента, изменять расстояние между центрами
хладагента и лазерного пучка с шагом 1 мм.
. На инструментальном микроскопе БМИ-1Ц измерить глубину трещины
для каждого полученного образца и данные занести в таблицы.
Таблица 1 - Экспериментальные значения глубины трещины для
режимов обработки по пунктам 3-6.
|
Режимы обработки
|
Значение тока на блоке ИПЛ-3, мкА
|
|
45
|
50
|
55
|
60
|
|
Скорость обработки, мм/с
|
Скорость обработки, мм/с
|
Скорость обработки, мм/с
|
Скорость обработки, мм/с
|
|
2
|
3
|
4
|
…
|
3
|
4
|
…
|
2
|
3
|
4
|
…
|
2
|
3
|
4
|
…
|
|
Z, мм
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2 - Экспериментальные значения глубины трещины для
режимов обработки по пункту 8.
|
Режимы обработки
|
Расстояние между центром лазерного пучка и хладагента, мм
|
|
7
|
8
|
9
|
…
|
|
Z, мм
|
|
|
|
|
3.3 Требования к оформлению отчета
1. Титульный лист
. Цель работы
. Таблицы с результатами экспериментальных исследований.
. Выводы.
Заключение
лазерный микроскоп инструментальный
термораскалывание
В данной курсовой работе представлена лабораторная работа по исследованию
управляемого лазерного термораскалыванию силикатных стекол. Она предназначена
для учащихся физического факультета по специальности "Физическая
электроника".
В ходе лабораторной работы студенты изучают процесс управляемого
термораскалывания, а также получают образцы и обрабатывают данные полученные
при различных технических параматрах.
Список использованной литературы
1. Мачулка, Г. А. Лазерная обработка
стекла / Г. А. Мачулка. -
М.: Сов. радио, 1979. -
136 с.
2. Лазерная техника и технология: в 7 кн.: учеб. пособие для вузов /
А. Г. Григорьянц, А. А. Соколов; под ред. А. Г. Григорьянца. - М.: Высш. шк,
1988. - Кн. 4: Лазерная обработка неметаллических материалов. - 191 с.
3. Кондратенко, В. С. Лазерное
управляемое термораскалывание хрупких материалов: курс лекций / В. С.
Кондратенко. - М.: МГАПИ, 2004. - 88 c.
4. Кондратенко, В.С. Исследование и разработка
процесса резки стекла методом лазерного управляемого термораскалывания: дис. …
канд. техн. наук:
05.17.11 / В. С. Кондратенко. - М. , 1983. - 179 с.
5. Шалупаев, С. В. Термоупругие поля,
формируемые в твердых телах световыми и звуковыми потоками: дис. … канд.
физ.-матем. наук:
01.04.05 / С. В. Шалупаев. - Мн, 1987. - 157 с.
6. Шершнев, Е. Б. Разработка и внедрение
новых эффективных процессов в производство стеклоизделий с применением лазерной
технологии: дис. … канд. техн. наук: 05.17.11 / Е. Б. Шершнев. - М, 1990. - 145 с.
7. Lumley, R. M. Controlled
separation of brittle materials used a laser / R. M. Lumley // J. Of the Amer.
Cer. Soc. - 1968. - Vol. 49, № 9. - P. 850 - 854.
8. Initiation of a controlled
fracture: pat. № 3610871 US, МПК
H01L 21/28 / R. M. Lumley; assignee Western Electric Company Incorporated.; - заявл. 19.02.70; опубл. 05.10.71. / [Electronic resource]
Mode of access: http://patft.uspto.gov. - Date of access:
12.05.2013
9. Способ резки неметаллических
материалов: пат. 2024441 РФ, МКИ 5 C03B33/02 / В. С. Кондратенко; заявитель В.
С. Кондратенко; заявл. 04.02.92; опубл. 12.15.94 / [Электронный ресурс]. -
2007. - Режим доступа: www.fips.ru - Дата доступа: 12.05.2013
10. Способ притупления острых кромок
изделий: пат. 2163226 РФ, МКИ 5 C03B33/02 / В. С. Кондратенко; заявитель В. С.
Кондратенко. - №2000116613/03; заявл. 06.28. 00; опубл. 02.20.01 // Официальный
бюллетень "Изобретения, полезные модели" [Электронный ресурс]. -
2007. - Режим доступа: www.fips.ru. - Дата доступа: 12.05.2013.
11. Способ резки листового стекла: заявка
93028964 РФ, МКИ 6 C 03B 33/02 / В. П. Стрекалов. В. С. Кондратенко, В. И.
Гундяк; заявитель акционерное общество "Кристалл". - №93028964;
заявл. 06.01.93; опубл. 06720.95. / [Электронный ресурс]. - 2007. - Режим доступа: www.fips.ru - Дата доступа: 12.05.2013.
12. Баринов, С. М. Прочность технической
керамики / С. М. Баринов, В. Я. Шевченко. - М.: Наука, 1996. - 159 с.
13. Управляемое гибридное светолазерное
термораскалывание стекол / В. К. Сысоев [и др.] // Письма в ЖТФ. - 2007. - Т. 33, вып. 1. - С. 54 - 59.
14. Severing of glass or
vitrocrystalline bodies: пат. 3935419 США, C03B 33/00 / E. Lambert, J.
Lambert, B. Longueville; заявитель Glaverbel-Mecaniver S.A. - № 05/405,597; заявл. 10. 11. 73; опубл. 01. 27. 76. / [Electronic resource]
Mode of access: http://patft.uspto.gov. - Date of access:
12.05.2013.
15. Увеличение эффективности лазерной
резки диэлектрических материалов с металлизированной поверхностью / Б. В.
Бокуть [и др.] // Электронная техника. Сер.7. Технология, организация
производства и оборудование. - 1988. - Вып. 4 (149).
- С. 3 - 5.
16. Tsai, C. Laser cutting of
thick ceramic substrates by controlled fracture technique / C. Tsai, H. Chen //
Journal of materials processing technology. - 2003. - Vol. 136. - P. 166 - 173.
17. Tsai, C. Laser milling of
cavity in ceramic substrate by fracture-machining element technique / C. Tsai,
H. Chen // Journal of materials processing technology. - 2003. - Vol. 136. - P. 158 - 165.
18. Tsai, C. Machining a
smooth surface of ceramic material by laser fracture machining technique / C.
Tsai, C. Ou // Journal of Materials Processing Technology. - 2004. - Vol. 156. - P. 1797 - 1804.
19. Combined laser-scribing
and laser-breaking for shaping of brittle substrates: пат. 6744009 США, B23K 26/14 / J. Xuan, C. Shih; заявитель Seagate Technology LLC. - №
10/227751; заявл. 08. 27. 02; опубл. 09. 01. 04. / [Electronic resource]
Mode of access: http://patft.uspto.gov. - Date of access:
12.05.2013.
20. Шалупаев, С. В. Лазерное разделение
стекла в плоскости, параллельной поверхности / С. В. Шалупаев, Е. Б. Шершнев,
Ю. В. Никитюк // Известия Гомельского государственного университета имени Ф.
Скорины. - 2001. - №
6 (9). - С. 114 - 117.
21. Шалупаев, С. В. Комбинированное лазерное
термораскалывание / С. В. Шалупаев, Е. Б. Шершнев, Ю. В. Никитюк // Лазерная
физика и спектроскопия: материалы IV Междунар. конф. по лазерной физике и
спектроскопии, Гродно, 4 - 8 окт. 1999 г. / НАНБ, мин. обр. РБ, БРФФИ, Гродн.
гос. ун-т.; под ред. В. К. Кононенко [и др.]. - Гродно, 1999. - Ч.2.- С. 177 -
179.
22. Особенности процесса лазерного
термораскалывания при дополнительном воздействии потока горячего воздуха / С.
В. Шалупаев, Ю. В. Никитюк, А. А. Середа, А. С. Побияха // Взаимодействие
излучений с твердым телом: материалы 7-й Междунар. конф., Минск, 26 - 28
сентября 2007 г. / Бел. гос. универ., НАНБ, МО РБ, БРФФИ, Белорусское
физическое общество; под ред. В. М. Анищика [и др.]. - Минск, 2007. - С. 68 - 70.