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 Побияха Александр Сергеевич(73) Патентообладатель Учреждение образования Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины(57) Установка для лазерной резки хрупкого неметаллического материала, содержащая 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 и устройство подачи хладагента, координатный стол, блок управления установкой, связанный с компьютером, отличающаяся тем, что дополнительно содержит акустическое устройство детектирования развивающейся трещины, включающее соединенные последовательно приемник акустико-эмиссионного сигнала, приемно-усилительный тракт и блок обработки сигнала.(56) 1. Патент РФ 2024441, МПК С 03 С 33/02, 1994. 2. Патент РБ 2283, МПК С 03 С 33/02, 2005 (прототип). 3. Шалупаев С.В., Шершнев Е.Б., Сердюков А.Н., Никитюк Ю.В. Лазерное термораскалывание диэлектрических материалов //.. - 2001. - . 65. . 75-83. 59022010.02.28 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 и, в первую очередь, различных типов стекла и керамики. 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. Кроме этого, в известной установке затруднен контроль за процессом лазерной резки,так как визуальное наблюдение за процессом термораскалывания не обеспечивает надежного детектирования трещины и связано с неоправданным риском поражения отраженным лазерным излучением. Это приводит к увеличению брака в случаях срыва трещинообразования, так как увеличение числа годных изделий возможно лишь при своевременной повторной обработке соответствующих участков контура резки. Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявляемой полезной модели является установка для лазерной резки хрупких неметаллических материалов, содержащая 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 и устройство подачи хладагента, координатный стол, блок управления установкой, связанный с компьютером 2. Кроме того, установка содержит устройство видеоконтроля, представляющее собой видеокамеру, передающую изображение зоны обработки на монитор компьютера. Известная установка за счет одновременного использования лазеров с различными длинами волн обеспечивает возможность формирования заданного распределения полей термоупругих напряжений по всей глубине обрабатываемого материала, что, в свою очередь, позволяет формировать достаточно глубокие трещины для качественного окончательного разделения обрабатываемых изделий. Однако использование в известной установке устройства видеоконтроля, представляющего собой видеокамеру, передающую изображение зоны обработки на монитор компьютера, не обеспечивает возможность надежного обнаружения и регистрации наносимой трещины, так как она практически невидима. Дело в том, что при лазерном термораскалывании формируется трещина, которую можно визуально наблюдать лишь на небольшом расстоянии от места ее зарождения. Затем края микротрещины смыкаются, а так как они практически бездефектны, то трещина становится визуально невидимой. Кроме этого, использование устройства видеоконтроля требует разработки и применения сложного программного обеспечения, обеспечивающего анализ передаваемой видеоинформации. 2 59022010.02.28 Также нужно отметить, что еще одним недостатком использования в известной установке устройства видеоконтроля является невозможность визуального детектирования внутренних микротрещин, которые формируются в случае реализации параллельного термораскалывания 3. Вышеперечисленные недостатки известной установки приводят к невозможности ее использования для надежной реализации процесса лазерного термораскалывания. Техническая задача,решаемая заявляемой полезной моделью, - повышение надежности процесса обработки изделий из хрупких неметаллических материалов методом лазерного термораскалывания и увеличение числа годных изделий. Технический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в обнаружении прекращения роста лазерно-индуцированной микротрещины и повторении резки вдоль заданной линии. Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что установка для лазерной резки хрупкого неметаллического материала, содержащая 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 и устройство подачи хладагента,координатный стол, блок управления установкой, связанный с компьютером, дополнительно содержит акустическое устройство детектирования развивающейся трещины,включающее соединенные последовательно приемник акустико-эмиссионного сигнала,приемно-усилительный тракт и блок обработки сигнала. В отличие от прототипа, введение акустического устройства детектирования развивающейся трещины обеспечивает возможность надежного детектирования процесса развития лазерно-индуцированной трещины и в случае обнаружения и регистрации срыва процесса трещинообразования позволяет устранять брак за счет повторной обработки соответствующих участков контура резки. Дело в том, что индуцированная лазерным излучением трещина является источником акустической эмиссии, заключающейся в генерации упругих волн в твердом теле в результате разрыва внутренних связей в вершине трещины. При этом разрыв внутренних связей приводит к тому, что накопленная энергия быстро выделяется и часть ее излучается в виде упругих импульсов - сигналов акустической эмиссии, которые регистрирует акустическое устройство детектирования развивающейся трещины. На фигуре схематически изображена заявляемая полезная модель, вид сбоку. Установка для лазерной резки хрупких неметаллических материалов содержит лазер 1 с длиной волны излучения, соответствующей интенсивному поглощению поверхностными слоями обрабатываемого материала, и его фокусирующий объектив 2, лазер 3 и его фокусирующий объектив 4, координатный стол 5, механизм вертикального перемещения 6 с кареткой 7, на которой жестко закреплен фокусирующий объектив 2 и с возможностью поворота фокусирующий объектив 4, механизм нанесения дефекта 8, акустическое устройство детектирования развивающейся трещины 9 и устройство подачи хладагента 10. Кроме того, установка содержит блок управления 11 координатным столом 5 и механизмом вертикального перемещения 6. Работу блока управления 11 координирует технологическая программа, вводимая в компьютер 12. Кроме этого, информацию о наличии микротрещины фиксирует акустическое устройство детектирования развивающейся трещины 9 и передает на 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 5, фокусировке лазерного излучения и настройке устройства подачи хладагента 10 и механизма нанесения дефекта 8. Координатный стол 5 предназначен для относительного перемещения лазерных пучков и 3 59022010.02.28 обрабатываемого изделия 13 в горизонтальной плоскости. Механизм нанесения дефекта 8 предназначен для нанесения локальной инициирующей трещины на линии термораскалывания изделия 13. Устройство подачи хладагента 10 предназначено для подачи под давлением в зону обработки дисперсной воздушно-водяной смеси. Акустическое устройство детектирования развивающейся трещины 9 включает соединенные последовательно приемник акустико-эмиссионного сигнала, приемно-усилительный тракт и блок обработки сигнала (на фигуре не показаны). В качестве приемника акустико-эмиссионного сигнала акустического устройства детектирования развивающейся трещины 9 может быть использован ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь. Приемно-усилительный тракт акустического устройства детектирования развивающейся трещины 9 может включать предварительный усилитель,имеющий небольшое усиление и низкий уровень собственных шумов, фильтр, который устанавливает спектр частот принимаемых сигналов, и основной усилитель. В качестве блока обработки сигналов может быть использован компьютер 12 с размещенной в нем дополнительной платой, содержащей аналого-цифровой преобразователь. Принцип работы акустического устройства детектирования развивающейся трещины основан на анализе акустико-эмиссионного сигнала, излучаемого образцом в процессе его обработки методами термораскалывания. Этот принцип одинаково хорошо подходит для регистрации лазерно-индуцированных трещин как в прозрачных в видимом диапазоне хрупких материалах (например, в силикатных стеклах), так и в хрупких материалах, непрозрачных в этом диапазоне. Этот метод одинаково хорошо работает и в случае нанесения поверхностных трещин, и в случае нанесения внутренних трещин (например, в случае параллельного лазерного термораскалывания 3). При этом в ряде случаев целесообразно в качестве критерия, определяющего текущее состояние трещины (трещина успешно развивается, или ее рост прекратился), может служить коэффициент корреляции текущего спектра и спектра эталонного. В этом случае может оказаться полезным формирование для сравнения с эталонными амплитудно-частотных спектров из регистрируемых амплитудно-временных методом быстрого Фурье-преобразования. Механизм вертикального перемещения 6 может быть выполнен в виде шагового двигателя, связанного с кареткой 7, установленной на направляющей или иным образом. Установка работает следующим образом. В случае обработки силикатных стекол целесообразно использовать в качестве лазера 1 СО 2-лазер с длиной волны излучения 10,6 мкм, а в качестве лазера 2 СО-лазер с 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 5 в горизонтальной плоскости с необходимой скоростью по требуемым координатам. Изделие 13 из хрупкого неметаллического материала устанавливают на координатный стол 5, размещают механизм для нанесения дефекта 8 над началом предполагаемой траектории разделения и наносят дефект (закол, надрез) в начале контура термораскалывания. После этого координатный стол 5 совмещает надрез с начальным положением лазерных пучков лазеров 1 и 3. Подают на обрабатываемое изделие 13 лазерное излучение двух длин волн. При этом излучение лазера 1 фокусируется объективом 2 на надрезе в пятно круглого или эллиптического сечения, а излучение лазера 2, длина волны которого соответствует интенсивному объемному поглощению, обрабатываемым материалом фокусируется объективом 4 в объеме изделия 13. Далее координатный стол 5 перемещает изделие 13 по линии обработки, при этом одновременно подается под давлением мелкодисперсная воздушно-водяная смесь устройством подачи хладагента 10 в зону, предварительно нагретую лазерным излучением. В месте подачи хладагента инициируется разделяющая микротрещина, которая, заро 4 59022010.02.28 дившись от нанесенного дефекта, развивается в зоне растягивающих напряжений, сформированных хладагентом. В этот момент акустическое устройство детектирования развивающейся трещины 9 фиксирует и обрабатывает акустические сигналы, излучаемые обрабатываемым материалом. При этом в случае срыва процесса трещинообразования будет зафиксировано существенное различие регистрируемого спектра со спектром эталонным, что выразится в низком значении соответствующего коэффициента корреляции. Это,в свою очередь, является основанием для корректировки работы блока управления 11 координатным столом 5. Программное обеспечение компьютера 12 на основании сигнала о прекращении трещинообразования, переданного устройством детектирования развивающейся трещины 9, направляет работу блока 11 на выполнение повторения реза по заданной линии. В случае достаточно высоких значений коэффициента корреляции сигнал о прекращении трещинообразования не передается и резка продолжается в штатном режиме. 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 3. В результате их совместного с хладагентом воздействия в материале происходит развитие разделяющей микротрещины, распространение которой в поверхностных слоях определяется воздействием хладагента и излучения лазера 1 с длиной волны, соответствующей интенсивному поглощению материалом, а глубинное развитие трещины контролируется излучением лазера 3 с длиной волны, соответствующей интенсивному объемному поглощению. В случае если изделие имеет сложную пространственную форму, то компьютер 12 через блок 11 задает траекторию перемещения каретки 7 (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 6. При этом при перемещении объектива 2 и объектива 4 в вертикальном направлении сохраняются оптимальные значения плотности мощности излучения на поверхности обрабатываемого изделия и в его внутренних слоях вдоль пространственной траектории термораскалывания. В ходе выполнения вышеописанных операций акустическое устройство 9 постоянно регистрирует наличие микротрещины, и в случае прекращения процесса трещинообразования блок 11 обеспечивает повторную обработку соответствующих участков траектории. После завершения процесса обработки изделия 13 из хрупкого неметаллического материала методом управляемого лазерного термораскалывания прекращается подача лазерного излучения и хладагента в зону обработки. При этом компьютер 12 через блок 11 выводит координатный стол 5 и механизм вертикального перемещения 6 в исходное положение. Таким образом, использование предлагаемой установки обеспечивает надежное разделение изделий из хрупких неметаллических материалов. При этом использование акустического устройства детектирования развивающейся трещины, состоящего из приемника акустико-эмиссионного сигнала, приемно-усилительного тракта и блока обработки сигнала, позволяет надежно контролировать развитие разделяющей микротрещины и в случае прекращения процесса трещинообразования обеспечивает возможность устранения брака за счет повторной обработки соответствующих участков траектории. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5