Разработка технологии управляемого термораскалывания листового стекла излучением твердотельного лазера тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.07, кандидат технических наук Малов, Илья Евгеньевич

• Малов, Илья Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Малов, Илья Евгеньевич

Введение.

Глава 1. Свойства стекла, методы его обработки и применение

1.1. Основные свойства промышленных стёкол.

1.2. Методы разделки стекла.

1.2.1. Механическая разделка стекла.

1.2.2. Лазерная разделка стекла.

1.3. Выводы по данным литературного обзора.

1.4. Цели и задачи исследования.

Глава 2. Экспериментальные и расчётные методики исследования.

2.1. Использование экспериментального стенда в опытных исследованиях процесса УТР.

2.2. Определение коэффициентов отражения и поглощения Борского флоат-стекла.

2.3. Измерение отклонений трещины от заданной траектории.

2.4. Метод расчёта полей перераспределения напряжений.

Глава 3. Исследование механизма образования и развития трещины в объёме стеклянной пластины при воздействии на неё излучением твердотельного лазера.

3.1. Определение термонапряжённого состояния неограниченной пластины без трещин, нагреваемой линейным источником тепла.

3.1.1. Распространение тепла в неограниченной стеклянной пластине.

3.1.2. Вывод уравнения равновесия изотропной пластины.

3.1.3. Расчёт и анализ силовых полей, вызванных мгновенным источником тепла в неограниченной пластине.

3.2. Процесс зарождения трещины в стеклянной пластине в условиях термонапряжённого состояния, вызванного неподвижным лазерным излучением.

3.2.1. Выбор критерия разрушения материала.

3.2.2. Зарождение трещины в глубине тонкой пластины.

3.2.3. Зарождение трещины на краю пластины.

3.3. Процесс распространения трещины в силовом поле лазерного луча, перемещающегося вдоль поверхности стеклянной пластины.

3.3.1. Поведение трещины на стадии стабильного роста.

3.3.2. Поведение трещины на стадии завершения при приближении к краю пластины.

3.4. Выводы по главе.

Глава 4. Разработка технологии управляемого термораскалывания листового стекла излучением твердотельного лазера.

4.1. Оптимизация технологических параметров процесса УТР.

4.2. Точность получаемых деталей и методы её повышения.

4.3. Выбор режимов управляемого термораскалывания листового стекла.

4.4. Определение практических возможностей метода УТР.

4.5. Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологии управляемого термораскалывания листового стекла излучением твердотельного лазера»

Актуальность работы. Устоявшиеся в современной промышленности методы обработки стекла давно известны и находят широкое применение, однако по сей день, оптимальная резка стекла остаётся крайне сложной задачей. Причиной этого является большое разнообразие форм и размеров вырезаемых заготовок, а также наличие на исходном материале распределённых по всей площади разнообразных дефектов, местоположение которых невозможно предугадать заранее. Вследствие этого получается большой процент бракованной продукции, а также возникают проблемы с автоматизацией процесса резки. Кроме того, края получаемых деталей содержат множество царапин, микротрещин, задиров и т.п., приводящих к снижению прочности изделий до значений, которые на два-три порядка меньше предполагаемого порога предельной прочности. Особенно актуальна эта проблема в случае, когда предъявляются повышенные требования к качеству обработки.

В 70-е годы был предложен способ раскроя стекла методом управляемого термораскалывания (УТР) с использованием СОг-лазе-ра. Этот способ обеспечивает удовлетворительную точность и высокое качество разделения. Однако из-за низкой производительности и ограничений по толщине разделяемого стекла (до 8 мм) он не получил широкого распространения.

Появление в последние годы современных высокомощных твердотельных лазеров (Л = 1,06 мкм), более дешёвых и простых в эксплуатации по сравнению с газовыми, сделало актуальным проведение систематических исследований и разработку метода УТР с использованием АИГ:Ш-лазера. Данный метод, в сравнении с упомянутым выше, является более эффективным и стабильным, а также имеет существенно более широкую область применения, т.к. позволяет в 3*4 раза увеличить толщину разделяемого стекла. Он является перспективным для использования в электронике, авиационной, автомобильной и судостроительной промышленности.

Цель настоящей работы заключается в определении механизма зарождения и развития трещины при УТР стеклянной пластины лучом АИГ:Ш-лазера и в последующей разработке технологии разделки листового стекла с помощью данного метода.

Для достижения цели, поставленной в работе, необходимо было решить следующие задачи: определить термодеформационное состояние стеклянной пластины, подвергаемой воздействию непрерывного лазерного излучения с длиной волны 1,06 мкм; определить силовые поля, возникающие в стеклянной пластине при её нагреве лазерным излучением (Л = 1,06 мкм) на различных стадиях процесса термораскалывания, начиная с момента попадания лазерного луча на поверхность стеклянной пластины и заканчивая выходом луча за её пределы; выбрать критерий разрушения материала; определить зависимость размера минимального дефекта, на котором возможно зарождение трещины, от параметров лазерного луча и толщины стеклянной пластины; решить задачу теории разрушения с последующим анализом (на основе критерия разрушения) поведения трещины на стадиях зарождения, стабильного роста и выхода на край пластины; разработать оптимальные приёмы термораскалывания листового стекла на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Методы исследования базируются на основных теоремах теории теплопроводности, классической теории упругости и теории разрушения. При расчёте полей перераспределения напряжений в вершине трещины, следующей за лазерным лучом, применялось численное интегрирование методом Симпсона. Расчёты проводились при помощи ПК на базе процессора Pentium-200 с использованием математической системы MathCAD и программ, составленных на языке Borland Pascal 7.0. Практические исследования велись на экспериментальном стенде, созданном на базе опытного образца MT:Nd-лазера мощностью 400 Вт. Оценка величины отклонения трещины от заданной траектории, а также контроль за наличием дефектов в обрабатываемом стекле осуществлялись с помощью микроскопов МБС-2 и МБИ-1.

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту: расчётным путём установлен механизм УТР флоат-стекла излучением АИГ:Ш-лазера, заключающийся в следующем. Лазерный луч обеспечивает локальный нагрев стеклянной пластины сразу по всей её толщине, приводящий к возникновению вне области нагрева растягивающих поперечных напряжений, под действием которых происходит зарождение и развитие разделяющей трещины; на основе силового критерия разрушения установлено, что по мере приближения трещины к лазерному лучу, уровень растягивающих напряжений в её вершине снижается до значений, не превышающих порог хрупкой прочности стекла, что обуславливает контролируемое развитие трещины и позволяет изменять её направление; установлено, что при подходе лазерного луча к границе пластины, перед ним возникает область повышенных сжимающих напряжений, в результате чего наблюдается устойчивое отклонение трещины от заданного направления, что существенно снижает точность процесса УТР. Уменьшение мощности лазерного луча на этом этапе процесса термораскалывания позволяет устранить данное явление.

Практическая ценность и реализация результатов работы: использование при УТР лазерного излучения с длиной волны 1,06 мкм позволило в 3-^4 раза увеличить толщину разделяемого стекла в сравнении с методом, использующим СО2-лазер; на основе проведённых исследований получены эмпирические зависимости скорости перемещения лазерного луча от мощности излучения, наименьшего размера образца и толщины образца; использование разработанных приёмов управления трещиной на различных этапах процесса термораскалывания позволило получать детали с точностью не хуже 10,5 мм; разработанную технологию УТР планируется практически использовать на предприятии АО „Галактика".

Апробация работы. Основные разделы работы доложены: на X Международной конференции „Лазеры в науке, технике и медицине" (20-24.09.1999); на научных семинарах кафедры „Лазерные технологии в машиностроении" МГТУ им. Н.Э. Баумана (1999 и 2000г.г.).

Заключение диссертации по теме «Оборудование и технология лазерной обработки», Малов, Илья Евгеньевич

ОБЩЕ ВЫВОДЫ

1. Расчётным путём установлен механизм управляемого термораскалывания (УТР) листового силикатного стекла излучением АИГ:Ш-лазера, связанный с созданием в стеклянном листе термонапряжённого состояния, при котором происходит зарождение и контролируемое развитие трещины, разделяющей его по заданному контуру.

2. Установлено, что при нагреве стеклянной пластины лучом АИГ:Ш-лазера по всей её толщине возникают продольные сгхх и поперечные Оуу термонапряжения, причём в области нагрева (Туу являются сжимающими, а вне её - растягивающими. Посредством именно поперечных напряжений и осуществляется процесс управляемого термораскалывания.

3. Показано, что при воздействии лучом постоянной мощности происходит расширение зоны действия как сжимающих, так и растягивающих напряжений, при этом их максимальные значения остаются постоянными.

4. Установлено, что зарождение разделяющей трещины происходит на краевом дефекте стеклянной пластины, который находится в поле действия поперечных растягивающих термонапряжений в тот момент, когда растягивающие напряжения в его вершине превысят критическое значение.

5. Показано, что развитие трещины происходит по линии максимальных поперечных растягивающих напряжений сгуу, создаваемых движущимся лазерным лучом, в случае, когда уровень растягивающих напряжений в её вершине превышает критическое значение. При этом, приближаясь к лазерному лучу трещина попадает в область сжимающих сгуу, что приводит к снижению напряжений в её вершине и не позволяет ей обогнать лазерный луч. Таким образом, осуществляется управляемое развитие трещины.

6. Расчётным путём и экспериментально установлено, что при максимально возможной мощности лазерного луча (400 Вт) и оптимальном диаметре пятна нагрева (2,7+3 мм) имеют место наилучшие показатели производительности процесса и точности разделения флоат-стекла.

7. Установлено, что использование отражающей подложки из дюралюминиевого сплава Д16Т с чистотой поверхности не ниже/?а = 0,32 мкм позволяет примерно в 2 раза повысить скорость разделения стекла.

8. Разработан метод, обеспечивающий 100%-ную зарождаемость трещины и позволяющий предотвратить её искривление на начальном этапе процесса термораскалывания, суть которого заключается в предварительном создании искусственного дефекта необходимого размера на краю пластины в том месте, откуда предполагается начинать процесс разделения. Предложен способ нанесения краевого дефекта размером 200+300 мкм путём вжигания частиц подложки в стекло лазерным импульсом длительностью 0,4+1,5 мс с энергией 2 Дж.

9. Экспериментально определена связь между величиной отклонения трещины от заданной линии разделения Дт и шириной отделяемой части образца. Установлено, что Дт имеет минимальные значения в случае разделения образца пополам (Дт= 0,2+0,4 мм) и при отделении квадрата, сторона которого меньше ширины остальной части (Дт 88 0) . Разработан метод компенсации Дт, заключающийся в охлаждении более узкой из разделяемых частей вертикальным потоком воздуха, подаваемого через сопло диаметром 2 мм под давлением 0,7+0,8 атм с отставанием от луча на

2 0-М О мм и смещением от линии разделения на 5^-20 мм. Данный метод позволяет получать детали с точностью не хуже ±0,5 мм.

10. Разработана технология управляемого термораскалывания листового стекла излучением АИГ:Ш-лазера, рекомендуемая для внедрения на стеклообрабатывающих предприятиях при необходимости разделения флоат-стекла толщиной до 25 мм.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Малов, Илья Евгеньевич, 2000 год

1. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1965. - 848с.

2. Hutte: Справочник: В 2 т. / Под ред. В.К. Запорожца, С.И. Курбатова.- Москва-Ленинград: ОНТИ, 1936.- Т.1.- 916с.

3. Мачулка Г.А. Лазерная обработка стекла. М.: Советское радио, 1979. - 136с.

4. Пат. 2024441 (Россия). Способ резки неметаллических материалов / B.C. Кондратенко. 1994.- 26с.

5. Pat. 3885943 (USA). Method of cutting glass with a laser /К.С. Granger. 1975.- 6p.

6. Pat. 3932726 (USA). Glass cutting / W. Verheyen, A. Raes. -1976. 8p.

7. Pat. 4468534 (USA). Method and device for cutting glass /F.W. Boddicker. 1984. - 4p.

8. Pat. 4682003 (USA). Laser beam glass cutting / T. Minakawa. 1987.- 6p.

9. Pat. 07323385 (Japan) . Method for cutting brittle material / M. Hideki. 1995. - 4p.

10. Pat. 09323300 (Japan) . Substrate dividing method / I. Atsushi. 1997. - 5p.

11. Pat. 10044139 (Japan) . Method for dividing board and manufacture of light emitting element using the board dividing / I. Atsushi. 1998. - 4p.

12. Pat. 06269968 (Japan). Method and device for cutting glass / I. Katsuyuki. 1994. - 7p.

13. Pat. 05185270 (Japan). Cutting method for glass panel /М. Fumio. 1993. - 5p.

14. Pat. 07068395 (Japan) . Method and device for cutting glass1. I. Katsuyuki. 1995. - 4p.

15. Pat. 07016769 (Japan) . Laser crack cutting method for soda glass / K. Takuma. 1995. - 7p.

16. Verheyen A. "Diamond" replaces diamonds // EuroLaser. -1998. №1. - P.16-18.

17. Белоусов E.K., Кондратенко B.C. Управляемое термораскалывание стекла с помощью лазерного излучения // Электронная промышленность. 1978. - №9. - С.65-68.

18. Пух В.П. Прочность и разрушение стекла. J1.: Наука, 1973.- 156с.

19. Мачулка Г. А., Гурьянов В. М. Лазерная резка стекла //Стекло и керамика. 1972. - №10. - С.11-12.

20. Борода В.И., Вартаньянц А.Ц., Карпов H.H. Термораскалывание стеклянных трубок лазерным излучением // Электронная промышленность. 1976. - №1. - С.59-63.

21. Жирков В.Ф., Лапин А.Н., Махевич В.Е. Автоматизация управления раскроем, резкой, и контроль качества листового стекла. М.: ВНИИ ЭСМ, 1974. - 47с.

22. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: В 10 т. -М.: Наука, 1987-1995. Т.7: Теория упругости. - 248с.

23. Бартенев Г.М., Фридкин Р.З. Изменение коэффициента истинной теплопроводности стекла при высоких температурах // Стекло.- 1972. №1. - С.14-17.

24. Стекло: Справочник / Под ред. Н.М. Павлушкина. М.: Строй-издат, 1973. - 487с.

25. Махутов H.A. Сопротивление элементов конструкций хрупкому разрушению. М.: Машиностроение, 1973. - 201с.

26. Панасюк В.В. Предельное равновесие хрупких тел с трещинами.- Киев: Наукова думка, 1968. 246с.

27. Либовиц Г. Разрушение: В 7 т. М.: Мир, 1973-1976. - Т.2: Математические основы теории разрушения. - 767с.

28. Либовиц Г. Разрушение: В 7 т. М.: Мир, 1973-1976. - Т.7: Разрушение неметаллов и композиционных материалов. - 637с.

29. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. - 600с.

30. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Физматгиз, 1962. - 536с.

31. Паркус Г. Неустановившиеся температурные напряжения. М.: Физматгиз, 1963. - 252с.

32. Прудников А.П., Брычков Ю.А., Маричев О.И. Интегралы и ряды. Элементарные функции. М.: Наука, 1981. - 800с.

33. Прудников А.П., Брычков Ю.А., Маричев О.И. Интегралы и ряды. Специальные функции. М.: Наука, 1983. - 752с.

34. Тихонов А.Н., Самарский A.A. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1972. - 736с.

35. Бартенев Г.М. Строение и механические свойства неорганических стёкол. М.: Стройиздат, 1966. - 216с.

36. Свойства стёкол и стеклообразующих расплавов: Справочник: В 4 т. / О.В. Мазурин, М.В. Стрельцина, Т.П. Швайко-Швайков-ская и др. Л.: Наука, 1973-1979. - Т.1: Стеклообразующий кремнезём и двухкомпонентные силикатные системы. - 444с.

37. Панасюк В.В., Саврук М.П., Дацышин А.П. Распределение напряжений около трещин в пластинах и оболочках. Киев: Наукова думка, 1976. - 444с.

38. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. М. : Физматгиз, 1961. - 783с.

39. Бродский Ю.А. Полированное стекло. М.: Госстройиздат, -1961. - 268с.

40. A.c. 731695 (СССР). Способ резки стекла / O.A. Краевский, Б.А. Порфёнов. 1978. - Зс.

41. A.c. 896866 (СССР). Устройство для резки стекла / В.Г. Захаров, O.A. Краевский. 1978. - 4с.

42. A.c. 1721995 (Россия). Способ лазерной резки трубчатых заготовок из стекла / И.И. Дутка, B.C. Коваленко, Г.Л. Матвиишин. 1996. - 6с.

43. Пат. 2015118 (Россия). Способ резки полых стеклоизделий /И.А. Орлов, B.C. Чадин. 1994. - 8с.

44. Григорьянц А.Г. Соколов A.A. Лазерная обработка неметаллических материалов. М.: Высшая школа, 1988. -192с.

45. Орлов И.А. Лазерная резка трубчатых стеклоизделий методом термораскалывания: Дис. канд. техн. наук. М., 1992. -235с.

46. Янке Е., Эмде Ф., Лёш Ф. Специальные функции. М.: Наука, 1977. - 344с.

47. Тимошенко С.П., Гудьер Д. Теория упругости. М.: Наука, 1975. - 576с.

48. Коляно Ю.М., Нудин А.Н. Температурные напряжения от объёмных источников. Киев: Наукова думка, 1983. - 287с.

49. Рыкалин H.H., Углов A.A., Кокора А.Н. Лазерная обработка материалов. М.: Машиностроение, 1975. - 296с.

50. Коваленко B.C., Ромашенко В.В., Олещук Л.М. Малоотходные процессы резки лучом лазера. Киев: Техника, 1987. - 112с.

51. Бокин П.Я. Механические свойства силикатных стёкол. Л.: Наука, 1970. - 180с.

52. Исаханов Г.В. Прочность неметаллических материалов при неравномерном нагреве. Киев: Наукова думка, 1971. - 178с.

53. Самарский A.A., Гулин A.B. Численные методы. М.: Наука, 1989. - 432с.

54. Подстригач Я.С. Коляно Ю.М. Неустановившиеся температурные поля и напряжения в тонких пластинках. Киев: Наукова думка, 1972. - 308с.

55. Шепелев Г.В., Малов И.Е., Шиганов И.Н. Технологические особенности разделения листового стекла излучением твердотельного лазера // Лазеры в науке, технике и медицине: Тез. докл. X Междунар. конф. Сочи, 1999. - С.36.

56. Шепелев Г.В., Шиганов И.Н., Малов И.Е. Раскрой листового стекла лучом твердотельного лазера // Сварочное производство. 2000. - №6. - С.12-17.

57. Шепелев Г.В., Малов И.Е. Лазерные технологии обработки стекла // Лазер информ: Науч-информ. сб. / НТИУЦ ЛАС. М., 1999. - №1. - С.30-34.