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 мкмопределить 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 пределывыбрать критерий разрушения материалаопределить зависимость размера минимального дефекта, на котором возможно зарождение трещины, от параметров лазерного луча и толщины стеклянной пластинырешить задачу теории разрушения с последующим анализом (на основе критерия разрушения) поведения трещины на стадиях зарождения, стабильного роста и выхода на край пластиныразработать 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 трещинына 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 направлениеустановлено, 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-лазерна основе проведённых исследований получены эмпирические зависимости скорости перемещения лазерного луча от мощности излучения, наименьшего размера образца и толщины образцаиспользование разработанных приёмов управления трещиной на различных этапах процесса термораскалывания позволило получать детали с точностью не хуже 10,5 ммразработанную технологию УТР планируется практически использовать на предприятии АО &bdquo-Галактика" .

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

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.