1 Методы лазерной размерной обработки хрупких неметаллических материалов

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. 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, 4 –7].

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 [3, с. 9];

- 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		0,42	3,5
Газолазерная		6,35	1,57	20,1
Скрайбирование				0,144
Сквозное термораскалывание		5,1	1,6	1,1
Управляемое термораскалы­вание				0,21

 

Указанные недостатки не свойственны методу лазерного сквозного термораскалывания [4]. Первые сообщения по данной тематике были сделаны Ламли (R. Lamley). Они датируются концом 70-х годов XX века [8–9].

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 [4, 10]. При этом температура в зоне обработки ограничивается сверху значениями, при которых отсутствует релаксация термоупругих напряжений, обусловленная пластической деформацией [7, 10].

Однако в процессе изучения сквозного термораскалывания были выявлены его серьезные недостатки, преодоление которых оказалось сложным. Так, сквозное лазерное термораскалывание характеризуется низкой скоростью резки [3,10] и зависимостью режимов термораскалывания от габаритов исход­ной заготовки. По этим причинам невозможно термораскалывание образцов больших типоразмеров. Кроме этого, к недостаткам сквоз­ного термораскалывания следует отнести [3,10] 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 [10].

В настоящее время наиболее эффективным методом разделения хрупких неметаллических материалов является управляемое лазерное термораскалывание [3, 5 – 7, 10], 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 [6, 7, 21]. Предельным вариантом такого способа обработки можно считать предложенный в [11] 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 [7, 10, 22]. В [16] 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 [6, 7].

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 [5] 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.

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		0,72	-
Вода		0,35	0,04
Спирт пропиловый		0,35	0,08
Спирт этиловый		0,35	0,1
Глицерин		0,45	0,1

 

Определенный интерес вызывает влияние химического состава хладагента на процесс трещинообразования в силикатных стеклах и алюмооксидной керамике вследствие возможности протекания химических реакций, ускоряющих процесс разрушения.

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 [12], 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 [17].

В Советском Союзе технология двулучевой обработки материалов использовалась для увеличения эффективности лазерной резки диэлектрических материалов с металлизированной поверхностью [18].

Идея Ламберта получила дальнейшее развитие в работах Цая (C. Tsai) [13 – 15]. 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 [5 – 8] 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.

Описание экспериментального оборудования

Лазерный технологический комплекс

Во всех режимах работы комплекса применяется технологический газ (главным образом воздух). Воздух служит, во-первых, для защиты объектива,… Комплекс представляет собой стационарную конструкцию из двух лазеров и… Излучатель ИЛГН-802 является источником инфракрасного излучения с длиной волны 10,6 мкм. Излучатель YAG состоит из…

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

– узел вращения; – узел поворота лазерного излучения на 90°; – кожух;

Инструментальный микроскоп БМИ-1Ц

Глубина лазерных трещин, качество и точность разделения материала на фрагменты определялись с применением инструментального микроскопа БМИ-1Ц…      

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

3 Лабораторная работа «Исследование процесса асимметричного лазерного термораскалывания силикатных стекол»

Теоретические сведения

Одним из важных направлений использования лазерного излучения в качестве технологического инструмента являются процессы лазерного термораскалывания… Сущность метода асимметричного лазерного термораскалывания заключается в… Экспериментальные исследования выполняются на лазерном технологическом комплексе, в состав которого входят два лазера…

Практические задания

 

Включение и настройка установки

Процедура запуска установки твердотельного YAG-лазера

Процедура запуска и настройка установки CO2-лазера

Включить подачу питания СО₂-лазера переключением сетевого тумблера «I/O» на блоке «ИПЛ-3» в положение «ВКЛ». Нажать кнопку «Пуск». 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.

Настройка YAG-лазера

Повернуть систему фокусировки излучения YAG-лазера по часовой стрелке так, чтобы лазерный пучок на поверхности материала располагался непосредственно за пучком CO₂-лазера в соответствии со схемой на рисунке. Вращая регулировочный винт, перемещаем линзу в вертикальной плоскости до тех пор, пока диаметр пучка на поверхности материала не станет равным 2 мм. Сместить систему фокусировки лазерного излучения в направлении перпендикулярном линии обработки на величину 1 мм.

Экспериментальная часть

Ход работы:

1) Создать в настройке ЧПУ файл «asimm.mpf» со следующей последовательностью команд из таблицы 3.1:

 

Таблица 3.1 – Последовательность команд файла «asimm.mpf»

 

G94 G1A90F1000 G1X408Y130F2000 M50M42M44M46M48 G1X408Y450F600 M43 M51M53M45M47M49 M30

 

2) Закрепить образец на рабочем столе. Установить с помощью рукоятки «Ток» на блоке ИПЛ-3 ток в системе накачки CO₂-лазера равным 45 мкА. Аналогично, вращаем рукоятку «Ток» на блоке питания БП-10-40, установить ток в системе накачки YAG-лазера равный 28 мкА.

3) Откорректировать в файле строку 5, изменив значение скорости с F600 на F360 (6мм/с). Нажатием кнопки «Cycle Start» на настройке ЧПУ запустить программу на исполнение. В процессе выполнения программы пронаблюдать образование наклонной несквозной трещины следующей за лазерными пучками в области подачи хладагента. После окончания выполнения программы откорректировать файл, удалив команду M46 и внеся следующие изменения в строки (Таблица 3.2):

 

Таблица 3.2 – откорректированная программа файла «asimm.mpf»

 

G1A0F1000 G1X408Y450F240

 

Запустить программу на выполнение. Получить несквозную трещину перпендикулярную первоначальной линии обработки. По окончанию выполнения программы снять образец с рабочего стола, выполнить механическое докалывание и пронумеровать рабочий образец с трещиной.

4) Исправить содержимое команд в файле в соответствии с пунктом 1. Уменьшая скорость обработки с шагом 1 мм/с, повторить действия по пункту "3" и получить серию образцов. Скорость уменьшать до тех пор, пока разделяющая трещина перестанет быть несквозной.

5) Увеличивая скорость обработки с шагом 1 мм/с относительно начальной скорости F360 (6 мм/с), получить серию образцов с несквозной трещиной. Скорость увеличивать до тех пор, пока не прекратится образование и развитие несквозной разделяющей трещины.

6) Изменяя ток в системе накачки CO₂-лазера, а также начальные скорости обработки, повторить действия по пунктам "3-5" и получить серию образцов для следующих режимов таблицы 3.3.

 

Таблица 3.3 – Параметры установки лазеров для серии образцов при L = 1 мм

 

	I, мкА	υ, мм/с
L = 1мм

 

7) Сместить систему фокусировки излучения YAG-лазера в направлении перпендикулярном линии обработки на величину равную 1,5 мм; 2 мм. Получить серию образцов по пунктам 3 – 6 для следующих режимов по таблице 3.4.

 

Таблица 3.4 – Параметры установки лазеров для серии образцов при смещении системы фокусировки YAG-лазера

 

	I, мкА	υ, мм/с
L = 1,5мм
L = 2мм

 

8) С помощью инструментального микроскопа измерить глубину и отклонение разделяющей трещины. Результат занести в таблицу 3.5.

Таблица 3.5 – Результаты измеренных параметров с помощью инструментального микроскопа

	I, мкА	υ, мм/с	Отклонение S, мм	Глубина Z, мм
со стороны фаски	со стороны выступа	со стороны фаски	со стороны выступа
L = 1 мм
…	…	…	…	…
…	…	…	…	…
…	…	…	…	…
…	…	…	…	…
L=1,5 мм
…	…	…	…	…
…	…	…	…	…

Окончание таблицы 3.5

Требования к оформлению отчета

 

Титульный лист.

Цель работы.

Таблицы с результатами экспериментальных исследований.

Выводы.

 

Заключение

Наиболее эффективным методом разделения хрупких неметаллических материалов является управляемое лазерное термораскалывание, 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. Одним из методов формирования скругленных кромок в стеклоизделиях является двулучевое асимметричное лазерное термораскалывание с использованием двух лазерных пучков с различными длинами волн 10,6 мкм и 1,06 мкм. На основе этого разработана и составлена лабораторная работа «Исследование асимметричного лазерного термораскалывания силикатных стёкол». В ней студентам предлагается изучить процесс асимметричного лазерного термораскалывания силикатных стёкол, освоить работу с лазерной установкой, исследовать зависимость размера трещины от скорости обработки и от величины смещения YAG-лазера в сторону от линии обработки.

Список использованных источников

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.… 3 Кондратенко, В.С. Лазерное управляемое термораскалывание хрупких… 4 Мачулка, Г.А. Лазерная обработка стекла / Г.А. Мачулка. - М.: Сов. радио, 1979. - 136 с.