Установка для лазерной резки хрупкого неметаллического материала

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТАНОВКА ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ ХРУПКОГО НЕМЕТАЛЛИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА(71) Заявитель Учреждение образования Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины(72) Авторы Шалупаев Сергей Викентьевич Никитюк Юрий Валерьевич Середа Андрей Александрович(73) Патентообладатель Учреждение образования Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины(57) Установка для лазерной резки хрупкого неметаллического материала, содержащая установленные последовательно лазеры, один из которых имеет длину волны, соответствующую интенсивному поверхностному поглощению обрабатываемым материалом, другой - соответствующую объемному поглощению, механизм вертикального перемещения,на каретке которого установлены фокусирующие объективы каждого лазера, механизм нанесения дефекта, устройство подачи хладагента, координатный стол и блок управления установкой, связанный с компьютером, отличающаяся тем, что дополнительно содержит оптическую систему для фокусировки лазерного излучения с длиной волны, соответствующей интенсивному поверхностному поглощению обрабатываемым материалом в кольцевой пучок, размещенную в соответствующем фокусирующем объективе. 58272009.12.30 Полезная модель относится к оборудованию для лазерной резки хрупких неметаллических материалов методом лазерного термораскалывания и может быть использована в электронной, стекольной и авиационной промышленности для прецизионного разделения хрупких неметаллических материалов. Известна установка для лазерной резки хрупких неметаллических материалов, содержащая лазер с длиной волны, соответствующей интенсивному поглощению поверхностными слоями обрабатываемого материала, фокусирующий объектив, координатный стол,механизм нанесения дефекта и устройство подачи хладагента 1. Известная установка обеспечивает возможность качественного и безотходного разделения хрупких неметаллических материалов методом лазерного термораскалывания. Однако применение известной установки обеспечивает хорошие результаты лишь при резке изделий небольшой толщины. В случае резки изделий с большой высотой торцевых поверхностей использование известной установки становится нецелесообразным из-за невозможности одновременного поддержания оптимальных значений плотности мощности излучения на поверхности и в объеме обрабатываемого изделия. Это обусловлено использованием в известной установке только лазерного пучка с длиной волны, соответствующей интенсивному поглощению поверхностными слоями обрабатываемого материала, что в свою очередь делает невозможным выполнение качественной резки. Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявляемой полезной модели является установка для лазерной резки хрупкого неметаллического материала, содержащая установленные последовательно лазеры, один из которых имеет длину волны, соответствующую интенсивному поверхностному поглощению обрабатываемым материалом, другой - соответствующую объемному поглощению, механизм вертикального перемещения, на каретке которого установлены фокусирующие объективы каждого лазера, механизм нанесения дефекта, устройство подачи хладагента, координатный стол и блок управления установкой, связанный с компьютером 2. Известная установка за счет одновременного использования лазеров с различными длинами волн обеспечивает возможность получения более глубоких микротрещин по сравнению с однолучевой обработкой. Недостатком известной установки является низкая стабильность процесса формирования микротрещины. Дело в том, что при использовании известной установки лазерное излучение с длиной волны, соответствующей интенсивному поверхностному поглощению обрабатываемым материалом, фокусируется в пучок с гауссовым распределением плотности мощности в его сечении. При действии такого пучка на поверхности материала формируется тепловой источник нагрева с гауссовым распределением плотности мощности с максимумом в центре пучка. Это приводит к соответствующему формированию температурных полей, распределение которых по поверхности обрабатываемого материала характеризуется наличием резко выраженного максимума значений температуры на линии обработки. При этом, с одной стороны, для создания температурных напряжений, достаточных по величине для формирования микротрещины, в материале необходимо использование лазерного излучения с достаточно большой плотностью мощности (чем больше,тем лучше). А с другой стороны, для реализации хрупкого механизма разрушения необходимо, чтобы температура материала не превышала определенных значений (например, в случае термораскалывания силикатных стекол таким значением служит соответствующая температура стеклования). Одновременное выполнение обоих условий при использовании лазерных пучков с гауссовым распределением приводит к наличию узкого диапазона технологических параметров процесса лазерного термораскалывания (в первую очередь, мощности излучения и скорости обработки), которые обеспечивают приемлемые результаты. При этом малейшие отклонения приводят к срыву процесса трещинообразования либо вследствие низкой величины термоупругих напряжений, либо из-за существенного перегрева линии обработки. Указанный недостаток известной установки приводит к невозможности надежной реализации процесса лазерного термораскалывания. 2 58272009.12.30 Техническая задача, решаемая заявляемой полезной моделью, заключается в повышении надежности процесса прецизионного разделения изделий из хрупких неметаллических материалов методом управляемого лазерного термораскалывания. Технический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в формировании температурных полей, распределение которых на поверхности обрабатываемого материала характеризуется отсутствием резко выраженного максимума значений температуры на линии обработки. Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что установка для лазерной резки хрупкого неметаллического материала, содержащая установленные последовательно лазеры, один из которых имеет длину волны, соответствующую интенсивному поверхностному поглощению обрабатываемым материалом, другой - соответствующую объемному поглощению, механизм вертикального перемещения, на каретке которого установлены фокусирующие объективы каждого лазера, механизм нанесения дефекта, устройство подачи хладагента, координатный стол и блок управления установкой, связанный с компьютером, дополнительно содержит оптическую систему для фокусировки лазерного излучения с длиной волны, соответствующей интенсивному поверхностному поглощению обрабатываемым материалом в кольцевой пучок, размещенную в соответствующем фокусирующем объективе. В отличие от прототипа введение оптической системы для фокусировки лазерного излучения с длиной волны, соответствующей интенсивному поверхностному поглощению обрабатываемым материалом в кольцевой пучок, обеспечивает возможность формирования распределения температурных полей на поверхности обрабатываемого материала,наибольшие значения которых находятся на линии обработки, как и в случае использования гауссовых пучков, но при этом не имеют ярко выраженного максимума (т.е. распределение температуры более равномерно). Это позволяет использовать лазерное излучение большей мощности по сравнению с соответствующими режимами обработки с применением гауссовых пучков, при этом не превышая температуры стеклования. Это в свою очередь обусловливает возможность соответствующего повышения величины термоупругих напряжений и повышает надежность процесса термораскалывания. На фигуре схематически изображена заявляемая полезная модель, вид сбоку. Установка для лазерной резки хрупких неметаллических материалов состоит из лазера 1 с длиной волны, соответствующей интенсивному поверхностному поглощению обрабатываемым материалом, и его фокусирующего объектива 2, в котором размещена оптическая система 3 для фокусировки лазерного излучения в кольцевой пучок, лазера 4 с длиной волны, соответствующей объемному поглощению обрабатываемым материалом, и его фокусирующего объектива 5, координатного стола 6, механизма нанесения дефекта 7, устройства подачи хладагента 8, механизма вертикального перемещения 9 с кареткой 10. Фокусирующие объективы 2, 5, механизм нанесения дефекта 7, устройство подачи хладагента 8 размещены на каретке 10. Фокусирующий объектив 5 жестко закреплен на каретке 10,а фокусирующий объектив 4 закреплен с возможностью поворота. Кроме того, установка содержит блок 11 управления координатным столом 6. Работа блока 11 координируется при помощи технологической программы, вводимой в компьютер 12. Позицией 13 отмечено обрабатываемое изделие. Для регулирования подачи излучения от лазеров используют заслонки (на фигуре не показаны), предназначенные для отвода излучения из зоны обработки во время проведения операции установки изделия 13 на координатном столе 6, фокусировки лазерного излучения и настройки устройства подачи хладагента 8 и механизма 7 нанесения дефекта. Координатный стол 6 предназначен для относительного перемещения лазерных пучков и обрабатываемого изделия 13 в горизонтальной плоскости. Механизм нанесения дефекта 7 предназначен для нанесения локальной инициирующей трещины на линии термораскалывания изделия 13. Устройство подачи хладагента 8 предназначено для подачи под давлением в зону обработки дисперсной воздушно-водяной смеси. 3 58272009.12.30 Установка работает следующим образом. В случае обработки силикатных стекол целесообразно использовать в качестве лазера 1 2-лазер с длиной волны излучения 10,6 мкм, а в качестве лазера 2 -лазер 5,5 мкм. В некоторых случаях возможно использование в качестве лазера 2 -лазера с 1,06 мкм (например, при обработке толстых неоптических силикатных стекол, для которых на этой длине волны наблюдаются заметные потери энергии). Компьютер 12 в соответствии с заданной технологической программой координирует работу блока 11 и задает перемещение координатного стола 6 в горизонтальной плоскости с необходимой скоростью по требуемым координатам. Изделие 13 из хрупкого неметаллического материала устанавливают на координатный стол 6, размещают механизм нанесения дефекта 7 над началом предполагаемой траектории разделения и наносят дефект(закол, надрез) в начале контура термораскалывания. После этого координатный стол 6 совмещает надрез с начальным положением лазерных пучков лазеров 1 и 4. На обрабатываемое изделие 13 подают лазерное излучение двух длин волн. При этом оптическая система 3 объектива 2 фокусирует излучение лазера 1 на надрезе в пятно кольцевого сечения. Объектив 5 фокусирует излучение лазера 4 в объеме изделия 13. Координатный стол 6 перемещает изделие 13 вдоль контура обработки и одновременно устройство подачи хладагента 8 подает под давлением дисперсную воздушно-водяную смесь в зону, предварительно нагретую лазерным излучением. В месте подачи хладагента инициируется разделяющая микротрещина, которая, зародившись от нанесенного дефекта, развивается в зоне растягивающих напряжений, сформированных хладагентом. Далее начальная микротрещина распространяется до зоны сжимающих напряжений, сформированных лазерным излучением, которое формирует в обрабатываемом материале два тепловых источника поверхностный, созданный лазером 1, и объемный, созданный лазером 4. При этом вследствие использования кольцевого источника тепла на поверхности материала формируется распределение температурных полей без резко выраженного максимума на линии обработки,что исключает перегрев материала в широком диапазоне используемых технологических параметров. В результате совместного воздействия лазерного излучения и хладагента в материале происходит развитие несквозной разделяющей микротрещины. Если изделие имеет сложную пространственную форму, компьютер 12 через блок 11 задает траекторию перемещения каретки 10 (а значит, и зон нагрева и охлаждения) в вертикальной плоскости в соответствии с заданным месторасположением точек траектории на поверхности обрабатываемого изделия, регулируя работу механизма вертикального перемещения 9. При этом при перемещении фокусирующих объективов 2 и 4 в вертикальном направлении сохраняются оптимальные значения плотности мощности излучения на поверхности обрабатываемого изделия и в его внутренних слоях вдоль пространственной траектории термораскалывания. После завершения процесса обработки изделия 13 прекращается подача излучения и хладагента в зону обработки. При этом компьютер 12 при помощи блока 11 выводит координатный стол 6 и механизм вертикального перемещения 9 в исходное положение. Использование предлагаемой установки обеспечивает значительное повышение надежности процесса термораскалывания за счет возможности формирования распределения температурных полей на поверхности обрабатываемого материала, наибольшие значения которых находятся на линии обработки и не имеют ярко выраженного максимума. Это позволяет использовать лазерное излучение большей мощности по сравнению с соответствующими режимами обработки с применением гауссовых пучков, при этом не превышая температуры стеклования. Возможность соответствующего повышения величины термоупругих напряжений обеспечивает надежность процесса термораскалывания. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4