способ резки хрупких неметаллических материалов

Формула изобретения

1. Способ резки хрупких неметаллических материалов, включающий нагрев поверхности материала по линии реза с помощью лазерного пучка и дополнительное воздействие на поверхность материала, отличающийся тем, что в зоне нагрева лазерным пучком осуществляет несквозной надрез материала по линии реза, а дополнительное воздействие на поверхность материала осуществляют в зоне нанесения надреза по крайней мере одним источником упругих волн, при этом амплитуду и частоту упругих волн выбирают из условия углубления надреза на заданную глубину или сквозной резки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что упругие волны концентрируют в объеме материала в зоне надреза по линии реза.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что после нагрева поверхности материала по линии реза лазерным пучком дополнительно охлаждают зону нагрева с помощью хладагента, при этом упругие волны концентрируют в зоне воздействия хладагента.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что воздействие упругой волны по линии надреза осуществляют после завершения процесса нанесения надреза.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что воздействие упругих волн осуществляют только в заданных зонах материала по линии реза.

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что линия воздействия источника упругих волн и линия воздействия лазерного пучка и/или хладагента смещены относительно плоскости, перпендикулярной поверхности материала.

7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что концентрируют одновременно две упругие волны со стороны нанесения надреза вслед за лазерным пучком и/или хладагентом по обе стороны относительно линии надреза.

8. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что одновременно концентрируют упругую волну в объеме материала в зоне надреза, воздействуя концентратором упругой волны на противоположную поверхность материала в зоне, расположенной между зон воздействия двух других упругих волн, концентрируемых со стороны воздействия лазерного пучка.

9. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что помимо концентрации упругой волны в объеме материала с помощью концентратора охлаждают поверхность материала по линии реза.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам резки хрупких неметаллических материалов, в частности к способам лазерной резки таких материалов, как любой тип стекла, включая кварцевое стекло, различные монокристаллы, например сапфир и кварц, все типы керамики, а также полупроводниковые материалы.

Настоящее изобретение может быть использовано в различных областях техники для высокоточной и высокопроизводительной резки широкого класса материалов как на всю толщину разрезаемого материала, так и на любую задаваемую глубину. При этом возможно в процессе резки по одной линии реза чередование сквозных резов с несквозными резами на заданную глубину. Представляется высокоэффективным использование данного изобретения для сквозной резки стекла толщиной от 0,1 до 20 мм, в том числе в процессе выработки стекла. Кроме того, обеспечивается резка с пересекающимися линиями реза без ухудшения качества резки в точках пересечения. Также обеспечивается резка как однослойных материалов, так и склеенных пакетов, что чрезвычайно важно при резке таких изделий, как плоские дисплейные экраны (FPD), в том числе жидкокристаллические экраны (LCD). Еще одной особенностью настоящего изобретения является возможность сквозной резки как под прямым углом к поверхности материала, так и с наклоном к поверхности разрезаемого материала. Последний прием очень важен при резке дисков или других изделий с замкнутым контуром.

Известен способ резки стеклянных трубок, включающий нанесение предварительной царапины (дефекта) с помощью алмазного инструмента по линии реза, нагрев линии реза лазерным эллиптическим пучком при относительном перемещении трубок и пучка и локальное охлаждение зоны нагрева с помощью хладагента (А. С. СССР 857025). Этот способ отличается высокой производительностью и высоким качеством резки стеклянных трубок.

Известен также способ резки листовых хрупких неметаллических материалов, основанный на применении перечисленных выше приемов, а именно предварительное нанесение царапины (дефекта) с помощью алмазного инструмента по линии реза, нагрев линии реза лазерным эллиптическим пучком при относительном перемещении материала и пучка и локальное охлаждение зоны нагрева с помощью хладагента (PCT/RU 94/00276, номер международной публикации WO 96/20062). Этот способ можно успешно использовать при резке листовых материалов как по прямолинейному контуру, так и по любому криволинейному контуру. Однако этот способ не позволяет осуществлять высокопроизводительную сквозную резку материалов, а требует для окончательного разделения надрезанных частей материала осуществления дополнительной операции механического или другого метода докалывания материала. Эта операция не позволяет обеспечить стопроцентного высокого качества разрезаемых изделий, а кроме того, требует применения дополнительного оборудования для ломки. Это, в свою очередь, усложняет и удорожает процесс резки.

Известен также способ резки листовых хрупких неметаллических материалов, включающий предварительное нанесение царапины (дефекта) с помощью алмазного инструмента по линии реза, нагрев линии реза лазерным пучком при относительном перемещении материала и пучка и локальное охлаждение зоны нагрева с помощью хладагента (PCT/GB 93/00699). Данный способ позволял осуществлять не только надрез, но и сквозную резку стекла либо других хрупких неметаллических материалов за счет применения повторного нагрева линии реза с помощью лазерного пучка или другого теплового источника. Однако прием повторного термического нагрева с целью докалывания материала относительно линии надреза имеет существенные ограничения в своих возможностях.

Перечислим основные из них:

- необходимость получения глубокого первоначального надреза, что может быть обеспечено низкой скоростью нанесения первоначального надреза;

- дополнительные энергозатраты при докалывании:

а) за счет снижения скорости резки при докалывании;

б) за счет увеличения мощности лазерного излучения и увеличения зоны термического воздействия;

невозможность осуществления пересекающихся резов.

Известен способ резки листового стекла, при котором на одну из поверхностей стекла по линии реза воздействуют направленным тепловым потоком, обеспечивающим образование разделяющей трещины, а к противоположной поверхности листа прикладывают изгибающее усилие, обеспечивающее продвижение трещины вдоль намеченной линии (см. Патент США 4190184, МКИ С 03 В 33/02, приор. 23. 08. 78).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ резки хрупких неметаллических материалов, используемый в установке для лазерной обработки хрупких материалов, включающий нагрев одной из поверхностей листа разрезаемого материала лазерным пучком, обеспечивающий образование разделяющей трещины, а также используется дополнительное механическое воздействие на противоположную поверхность листа (см. Патент РФ 2139779, МКИ В 23 К 26/00, публ. 20. 10. 99).

Однако как в случае применения постоянного механического воздействия на противоположную поверхность материала, так и в сочетании с постукиванием подвижным шариком по поверхности противоположной стороны листа по траектории перемещения лазерного пучка эти приемы позволяют лишь сократить запаздывание сквозной трещины относительно положения лазерного пучка на поверхности материала, но не позволяет повысить скорость резки. Дело в том, что скорость сквозного лазерного термораскалывания определяется в основном теплопроводностью материала, которая весьма низка у стекла и других хрупких неметаллических материалов, для которых предназначен описанный способ резки. Поэтому такой способ резки не нашел широкого практического применения из-за чрезвычайно низкой производительности. Кроме того, качество и точность резки в данном способе резки являются очень низкой.

В процессе перемещения листа стекла или другого хрупкого материала помимо постоянного значительного механического воздействия на поверхность материала подвижный шарик или любой другой ударный механизм наносит по противоположной поверхности материала периодические удары значительной интенсивности, зависящей от толщины и свойств разрезаемого материала. Это приводит к образованию обширной зоны деформаций самого материала. Сложение термических напряжений, возникающих в широкой зоне материала, подвергнутой нагреву лазерным пучком, с механическими напряжениями от постоянных нагрузок от механизма воздействия на поверхность и от периодических ударов шарика, деформирующих обширную зону материала, приводит к образованию большой зоны результирующих разрушающих напряжений, управление которыми практически невозможно. Кроме того, в связи с большой зоной деформаций в этом процессе существенную роль на точность и качество резки начинает играть неоднородность материала, наличие остаточных напряженных зон и включений в самом материале, а также влияние граничных условий, то есть влияние краевых условий на термические и механические напряжения. Еще одним недостатком описанного устройства и используемого в нем способа резки является невозможность резки склеенных пластин, например невозможна резка жидкокристаллических экранов (LCD) и плоских дисплейных экранов (FPD), так как осуществляется резка верхнего листа, на который воздействует лазерный пучок, в то время как механическое воздействие распространяется только на нижний лист. Наконец, такой способ резки не позволяет осуществлять пересекающиеся резы.

В основу настоящего изобретения положена задача повышения производительности и качества резки хрупких неметаллических материалов за счет возможности осуществления сквозной и несквозной резки как в одном, так и в разных технологических циклах при равной скорости резки, обеспечения возможности осуществления пересекающихся резов, а также за счет возможности резки двухслойных пакетов материалов.

Поставленная задача решается тем, что в способе резки хрупких неметаллических материалов, включающем нагрев поверхности материала по линии реза с помощью лазерного пучка и дополнительное воздействие на поверхность материала, отличительным является то, что в зоне нагрева лазерным пучком осуществляют несквозной надрез материала по линии реза, а дополнительное воздействие на поверхность материала осуществляют в зоне нанесения надреза по крайней мере одним источником упругих волн, при этом амплитуду и частоту упругих волн выбирают из условия углубления надреза на заданную глубину или сквозной резки.

Для обеспечения максимальной эффективности процесса упругие волны концентрируют в объеме материала в зоне надреза по линии реза.

При резке некоторых материалов целесообразно после нагрева поверхности материала по линии реза лазерным пучком дополнительно охлаждать зону нагрева с помощью хладагента, при этом упругие волны концентрируют в зоне воздействия хладагента.

В ряде случаев воздействие упругой волны по линии надреза осуществляют после завершения процесса нанесения надреза. Это означает, что углубление надреза или сквозная резка могут осуществляться одновременно с нанесением надреза в одном технологическом цикле, но могут осуществляться и в двух независимых циклах.

В ряде случаев целесообразно осуществлять воздействие упругих волн только в заданных зонах материала по линии реза. Это позволяет в процессе резки по одной линии реза осуществлять чередование сквозных резов с несквозными резами на заданную глубину.

В случае необходимости получения наклонного реза следует соблюдать условие, чтобы линия воздействия источника упругих волн и линия воздействия лазерного пучка и/или хладагента были смещены относительно плоскости, перпендикулярной поверхности материала.

В ряде случаев одновременно концентрируют две упругие волны со стороны нанесения надреза вслед за лазерным пучком и/или хладагентом по обе стороны относительно линии надреза. Например, такой прием целесообразно использовать в тех случаях, когда размещение волновода и концентратора упругой волны с противоположной поверхности материала затруднено или не представляется возможным.

Иногда одновременно концентрируют упругую волну в объеме материала в зоне надреза, воздействуя концентратором упругой волны на противоположную поверхность материала в зоне, расположенной между зон воздействия двух других упругих волн, концентрируемых со стороны воздействия лазерного пучка.

В ряде случаев помимо концентрации упругой волны в объеме материала с помощью концентратора охлаждают поверхность материала по линии реза.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:

- фиг.1 - схема образования надреза в материале с помощью лазерного пучка;

- фиг. 2 - схема образования надреза с помощью лазерного пучка и хладагента;

- фиг. 3 - схема углубления надреза в материале на заданную глубину с помощью упругой волны;

- фиг.4 - схема сквозного углубления надреза с помощью упругой волны;

- фиг.5 - схема проведения в одном цикле несквозного и сквозного реза и двух сквозных пересекающихся резов;

- фиг.6 - схема осуществления наклонного реза по отношению к поверхности материала;

- фиг.7 - схема сквозной резки одной из двух склеенных пластин;

- фиг. 8 - схема сквозной резки с применением механического волновода и концентратора упругой волны, расположенных с противоположной стороны разрезаемого листа;

- фиг. 9 - схема докалывания надреза за счет концентрации двух упругих волн со стороны надреза, осуществляемого с помощью лазерного пучка и хладагента: а - вид сбоку; б - вид сверху;

- фиг.10 - схема сквозной резки с применением двух концентраторов упругих волн, расположенных со стороны надреза, осуществляемого с помощью лазерного пучка: а - вид сверху; б - вид спереди (сечение);

- фиг.11 - схема сквозной резки с применением трех концентраторов упругих волн: а - вид сбоку; б - вид спереди (сечение);

- фиг. 12 - вариант концентратора упругой волны, воздействующего со стороны надреза;

- фиг. 13 - две фотографии в поляризованном свете момента сквозного углубления надреза под действием упругой волны: а - вид сверху; б - вид под углом 45^o.

Способ резки хрупких неметаллических материалов за счет осуществления надреза с помощью лазерного излучения и воздействия в зоне надреза упругих волн заключается в следующем.

Рассмотрим основные физические принципы образования и распространения упругой волны в твердом упругом теле и условия углубления надреза вплоть до сквозного реза за счет воздействия упругой волны в зоне надреза.

При распространении упругой волны в твердом теле возникают механические деформации сжатия (растяжения) и сдвига, которые переносятся волной из одной точки материала в другую. При этом имеет место перенос энергии упругой деформации в объеме твердого тела. В изотропном твердом материале могут распространяться упругие волны двух типов - продольные и сдвиговые. Продольные волны вызывают деформации, представляющие собой комбинацию сжатия (растяжения) и чистого сдвига. В сдвиговых волнах деформация является чистым сдвигом. Упругая волна характеризуется амплитудой и направлением колебаний, переменным механическим напряжением и деформацией, частотой колебаний, длиной волны, фазовой и групповой скоростями, а также законом распределения смещений и напряжений по фронту волны. Эти параметры следует учитывать для определения оптимальных условий углубления надреза, а именно концентрации упругой волны в объеме материала в зоне надреза.

Для передачи упругой волны от его источника к зоне надреза можно использовать акустические волноводы. Например, в пластине или стержне, представляющими собой твердые акустические волноводы, могут распространяться волны, представляющие собой комбинации продольных и сдвиговых волн, распространяющихся под острыми углами к оси волновода и удовлетворяющих граничным условиям: отсутствию механических напряжений на поверхности волновода. Волновод может заканчиваться концентратором, обеспечивающим концентрацию упругой волны в определенной зоне объема материала.

В любой упругой среде из-за внутреннего трения и теплопроводности распространение упругой волны сопровождается ее поглощением. В результате поглощения волны происходит превращение энергии волны в другие виды энергии. Поглощение волны приводит к ослаблению энергии волны по экспоненциальному закону. Если на пути упругой волны имеется препятствие в виде отражающей поверхности, то происходит дифракция волн на этом препятствии, в частности, отражение и прохождение упругой волны на плоской границе двух полупространств.

При нагреве поверхности пластины хрупкого неметаллического материала 1 с помощью лазерного пучка 2 при определенных условиях, а именно при подборе соответствующего значения плотности мощности лазерного излучения на поверхности материала и скорости v относительного перемещения материала и пучка на поверхности материала образуется надрез 3 глубиной (фиг.1). При этом надрез может быть выполнен как за счет лазерного скрайбирования, при котором вдоль линии реза с поверхности удаляется часть материала, так и за счет термических напряжений, образующих несквозной надрез (микротрещину) в материале без удаления материала. В последнее время широкое распространение получил способ нанесения надреза 3 на поверхности хрупкого неметаллического материала 1, включающий нагрев поверхности лазерным пучком 2 и локальное охлаждение зоны нагрева с помощью хладагента 4 (фиг.2).

Однако, как уже указывалось выше, такие способы требуют для окончательного разделения последующее механическое или термическое докалывание материала вдоль линии надреза. Это накладывает очень серьезные ограничения на возможность эффективного применения указанного способа в современной индустрии, о чем уже подчеркивалось при анализе существующих аналогичных способов резки.

Основным отличием предлагаемого изобретения является концентрация упругой волны 5 с помощью волновода 6 и концентратора в объеме материала 1 в зоне образования надреза 3, например в зоне воздействия лазерного пучка 2 (фиг. 3). Следует сразу подчеркнуть, что в этом способе практически отсутствует какое либо заметное механическое воздействие на поверхность материала. При этом в зависимости от условий воздействия упругой волны: амплитуды и частоты колебаний, связанных с основными параметрами нанесения надреза: скоростью и глубиной надреза , можно легко осуществить углубленный рез 7 на заданную глубину h. Изменяя параметры процесса легко получить сквозной рез 8 глубиной Н в материале 1 (Фиг.4). Как видно из приведенных выше примеров, проиллюстрированных чертежами, процесс нанесения надреза 3, а также процесс углубления надреза или сквозной резки может происходить с применением хладагента или без него.

Очень серьезным преимуществом предлагаемого изобретения является возможность воздействия упругой волны только в заданных зонах линии надреза, что позволяет в одном цикле резки чередовать несквозной надрез и сквозной рез. Один из примеров такой резки показан на фиг.5, где в одном цикле начало и завершение резки производят с помощью несквозного надреза 3, то есть без углубляющего воздействия упругой волны, а остальную часть резки осуществляют насквозь с образованием сквозной трещины 8. Во-первых, этот прием позволяет осуществлять сквозные пересекающиеся резы без ухудшения качества резки в местах пересечений и без применения дополнительных насечек в местах пересечений. Во-вторых, это позволяет обеспечивать высокую точность и качество резки, так как до полного завершения резки всей пластины на отдельные элементы она сохраняет свои первоначальные габариты и целостность.

Еще одним достоинством предлагаемого способа резки хрупких неметаллических материалов является возможность осуществления сквозного реза под некоторым углом по отношению к плоскости, перпендикулярной поверхности материала. Это может быть обеспечено за счет того, что линия воздействия источника 6 упругих волн и линия воздействия лазерного пучка 2 смещены относительно плоскости, перпендикулярной поверхности материала 1 (фиг.6). В результате такого смещения линия сквозного реза 9 наклонена под углом к направлению, перпендикулярному поверхности материала. Такой способ резки дает очень хорошие результаты при резке дисков или других изделий с замкнутым контуром резки, так как позволяет достаточно легко извлекать вырезанную деталь из общей заготовки. При этом этот уклон может быть настолько мал, что практически не влияет на точность резки.

Предлагаемый способ резки хрупких неметаллических материалов может быть использован для резки не только однослойных материалов, но и склеенных пластин. На фиг. 7 показана схема резки пластины 1, склеенной с пластиной 10 посредством клеевого соединения 11. В этом случае упругая волна 5 распространяется со стороны пластины 10 и, достигнув зоны надреза 3, углубляет надрез до сквозного реза 8 пластины 1. Однако можно направить упругую волну в объем материала и со стороны пластины 1. Все зависит от используемого источника упругой волны.

Рассмотрим один из простейших вариантов реализации предлагаемого способа, а именно углубление надреза 3 или осуществления сквозной резки за счет применения механического волновода 6 и концентратора 12 упругой волны, возникающей под действием механического воздействия ударника 13 (фиг.8). Механический волновод 6 может быть выполнен как прямолинейным, так и криволинейным, как показано на фиг.8. Такое исполнение волновода исключает передачу механического удара от ударника 13 непосредственно на поверхность материала 1. В данном случае волновод 6 выполнен в виде изогнутого металлического стержня, заканчивающегося концентратором - конусом с определенным углом у вершины, при этом вершина конуса имеет форму полусферы, что может быть реализовано за счет запрессованного стального шарика. Это обеспечивает точечный контакт концентратора 12 с поверхностью материала 1. Концентратор 12 устанавливается перпендикулярно поверхности материала 1 и расположен строго под линией надреза 3 в зоне его образования. При этом постоянное механическое воздействие концентратора 12 силой P₁ на поверхность материала 1 должно быть минимальным и не должно вызывать никаких деформаций материала, а должно обеспечивать лишь контакт концентратора 12 с поверхностью материала 1. Упругая волна в волноводе 6 и концентраторе 12 создается за счет взаимодействия ударника 13 с торцом волновода 6 с силой Р₂. При ударе по волноводу 6 в нем образуется упругая волна деформаций, которая распространяется по волноводу 6 и накапливается в концентраторе 12. В точке контакта концентратора 12 с поверхностью материала 1 энергия упругой деформации переносится в объем материала 1 и, достигнув вершины надреза 3, поперечные волны вызывают развитие надреза 3 вглубь материала, вплоть до сквозного реза 8.

В ряде случаев размещение волновода и концентратора упругой волны с противоположной поверхности материала затруднено или не представляется возможным. В таких случаях одновременно концентрируют с помощью концентратора 12 две упругие волны 5 со стороны воздействия лазерного пучка 2 и хладагента 4 вслед за лазерным пучком 2 и хладагентом 4 по обе стороны от линии надреза 3 (фиг. 9 а, б). В этом случае надрез 3 осуществляется за счет напряжений растяжения, которые возникают в результате резкого охлаждения зоны нагрева хладагентом 4. Дополнительное воздействие двух концентраторов упругой волны по обе стороны от линии надреза создают дополнительные растягивающие объемные напряжения, которые приводят к углублению надреза или к сквозному резу 8.

Аналогичный результат может быть получен и без применения хладагента, например, при нагреве поверхности материала 1 вдоль линии реза лазерным пучком 2 (фиг. 10 а, б), обеспечивающим образование надреза 3. Дополнительное воздействие двух концентраторов 12 упругой волны 5 по обе стороны от линии надреза обеспечит углубление надреза и сквозную резку, как и в предыдущем случае.

В ряде случаев эффективной представляется комбинация воздействия концентраторов 12 упругой волны одновременно с двух сторон разрезаемого материала 1 (фиг. 11 а, б). Этот случай наиболее эффективен для сквозной резки толстых листовых материалов.

Диапазон частот упругих волн, которые могут обеспечить углубление надреза, может быть чрезвычайно широким: от нескольких Гц до высокочастотных колебаний. В качестве источников упругой волны могут быть использованы самые различные варианты. При этом источник упругой волны может быть расположен, как со стороны надреза, так и с противоположной поверхности, в зависимости от типа используемого источника упругой волны и конструктивных особенностей используемого оборудования.

Ниже приведены конкретные примеры выполнения предлагаемого способа. В качестве материала для резки использовались пластины из кварцевого стекла толщиной 0,8 мм. Для проведения тестов по резке использовалась установка, содержащая многомодовый СО2-лазер мощностью 85 Вт и двухкоординатный стол с ходом 550650 мм, обеспечивающий скорость перемещения до 750 мм/с. Излучение лазера фокусировалось на поверхность материала с помощью сферическо-цилиндрической оптики из селенида цинка, обеспечивающей плотность мощности излучения на поверхности кварца около 20 Вт/мм². На противоположную поверхность кварцевой пластины воздействовали источником упругой волны. Для этого в контакт с поверхностью материала напротив зоны воздействия лазерного пучка устанавливался концентратор механической волны, представляющий собой круглый стержень диаметром 5 мм, заканчивающийся конусом, вершина которого заканчивалась полусферой диаметром 1,5 мм. Усилие прижима концентратора к поверхности кварцевого стекла составляла P₁=2...4 Г и предназначалось для обеспечения постоянного контакта концентратора и материала во время резки, то есть для отслеживания концентратором микронеровностей поверхности пластины. На торец волновода воздействовали ударником с силой Р₂=40 Г и частотой 300 Гц, который формировал упругую волну деформаций в концентраторе. При перемещении образца кварцевого стекла со скоростью 350 мм/с лазерный пучок осуществлял надрез в виде микротрещины глубиной 0,09 мм, а воздействие упругой волны в зоне образования надреза обеспечивало углубление надреза до сквозного реза. При этом резка и докалывание осуществлялись одновременно со скоростью 350 мм/с.

Поскольку воздействие упругой волны сосредоточено в очень узком ограниченном объеме материала в зоне осуществления лазерного надреза, то это позволяет проводить соседние резы в непосредственной близости друг от друга. Можно осуществлять резку квадратных или прямоугольных заготовок, минимальный размер которых может быть не более толщины исходного материала. Например, удалось вырезать квадратные заготовки из стекла толщиной 1,1 мм размерами 1,1 х 1,1 мм, или заготовки размером 2,5 х 2,5 мм из стекла толщиной 3 мм.

При этом поскольку резка осуществляется насквозь и, следовательно, отпадает необходимость в проведении дополнительного разламывания заготовки на вырезанные элементы, то качество и точность полученных деталей значительно возрастают.