автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.07, диссертация на тему:Разработка технологии управляемого термораскалывания листового стекла излучением твердотельного лазера

На правах рукописи

УДК 621.9.048.7

РГБ ОД

МАЛОВ Илья Евгеньевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ УПРАВЛЯЕМОГО ТЕРМОРАСКАЛЫВАНИЯ ЛИСТОВОГО СТЕКЛА ИЗЛУЧЕНИЕМ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА

Специальность 05.03.07 — Оборудование и технология

лазерной обработки

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва - 2000

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана

Научный руководитель: доктор технических наук, Оиганов И.Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наух, профессор

Киселёв С.Н.,

кандидат технических наук Марущенко В.В.

Ведущее предприятие: Гос. унитарное предприятие ОКБ „Гранат".

Защита диссертации состоится июня 2000 г. на заседаю» диссертационного Совета К 053.15.03 в Московском государственно» техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 107005, г. Москва, Б-5, 2-я Бауманская ул., д. 5.

Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенные печатью, просим выслать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Автореферат разослан $ кая 2000 г.

Телефон для справок 267-09-63. 4 /

УЧЁНЫЙ СЕКРЕТАРЬ ------

дассартационкого совета к.т.н. доцент

Гирш В.И.

Псдгесглю а гечгать [2_ ££2000 г. Сбыл-, 10 п.л. Заказ "йграж 100 экл Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана.

А Ь п. Л ПЙС1, 2 С)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Устоявшиеся в современной проишшонно-сти 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, которио па 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 СО^-лазера. 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 (А = 1,06 мхм), более дешёвых и простых в эксплуатации по сравнению с газовыми, сделало актуальным проведение систематических исследований и разработку метода УТР с использованием АИГ:Н(1-лазера. Данный метод, в сравнении с упомянутым выше, является более эффективным и стабильным, а также имеет существенно более широкую область применения, т.х. позволяет в 3-г4 раза увеличить толщину разделяемого стекла. Он является перспективным для использования в электронике, авиа-

циошюй, автомобильной и судостроительной проишшенности.

Цель насюш^ей работы заключается в определении механизма а&рождепия и развития трег^пш при УТР стеклянной пластины лучом М1Г:Nd-лазера и в последующей разработке технологии раз-делкм листового стекла с помощью данного метода.

Задачи исследования:

— определение термодеформационного состояния стеклянной пластаны, подвергаемой воздействию непрерывного лазерного излучения с длиной волны 1,06 мкы;

— определение силовых полей, возникающих 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 пределы;

— выбор критерия разрушения материала;

— решение задачи теории разрушения с последующим анализом (на основе критерия разрушения) поведения трещины на стадии зарождения, стабильного роста и выхода на край пластины.

— разработка оптимальных приёмов термораскалываиия листового стекла на основе результатов теоретических к экспериментальных исследований.

Методы исследования базируются на основных теоремах теории теплопроводности, классической теории упругости и теории разрушения. При расчёте полей перераспределения напряжений в вершимо 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

АИГ.'М-лазера мощностью 400 Вт. Оценка величии» отклонения трещины от заданной траектории, а также контроль за наличием дефектов в обрабатываемом стекле осуществлялись с помощью микроскопов МБС-2 и МБИ-1.

Научную новизну и ценность составляет:

— расчётным путём установлен механизм УТР флоат-стекла излучением АИГ:Ыс1-лазера, заключающийся в следугщям. Лазерный луч обеспечивает локальный нагрев стеклянной пластины сразу по всей её толщине, приводящий к возникновение вне области нагрева растягивающих поперечных напряжений, под действием которых происходит зарождения и развитие разделяющей трещины;

— на 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 трецшш и позволяет изменять её направление;

— установлено, что при подходе лазерного луча к границе пластины, перед ним возникает область повышенных сжинающих 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 термораскалызашш позволяет устранить данное явление.

Практическая ценность и реализация результатов работы:

— использование при УТР лазерного излучения с длиной волны 1,06 мкм позволило в Зт4 раза увеличить толщину разделяемого стекла в сравнении с методом, использупцим С02-лазер;

— на основе проведённых исследований получены эмпирические

!

зависимости скорости перемещения лазерного луча от мощности излучения, наименьшего размера образца и толщины

образца;

—- использование разработанных приёмов управления трещиной на различных этапах процесса термораскалывания позволило получать детали с отклонением хромок от прямолинейности не более ±0,5 мм;

— разработанную технологию УТР планируется практически использовать на предприятии АО „Галактика".

Апробация работы. Основные разделы работы доложены: - на X Международной конференции „Лазеры в науке, технике и медицине" (20-24.09.1999);

— на научных семинарах кафедры „Лазерные технологии в машиностроении" МГТУ им. Н.Э. Баумана (1999 и 2000г.г.).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована научная и практическая актуальность работы, её цель, научная новизна, указаны методы, с помощью которых проводились исследования, практическая ценность от реализации работы.

В первой главе рассмотрены основные свойства силихатных стёкол, методы их обработки и применение. Анализ механических свойств показал, что прочность и долговечность стеклоизделий главным образом зависят от состояния их поверхности. В случае появления поверхностных дефектов (царапин, сколов, ыикротрещин и т.д.), прочностные характеристики стекла снижаются на 2тЗ порядка. Также наличие дефектов затрудняет разделку листового стекла, снижая точность получаемых деталей и повышая процент брака. Особенно заметно это проявляется при разделке стекла такими методами, как скрайбирование и термораскалывание■ При рассмотрении существующих дефектов листового стекла и требова-

яий качества, ограничивающих содержание этих дефектов, выяснялось, что наиболее предпочтительными (с точки зрения минимального количества механических повреждений поверхности) для разделения методом термораскалывания являются флоат-стёкла.

Свойства стёкол и их дефектов изложены в работах В.М. Павлушкина, В.П. Пуха, Г.М. Бартенева, М.В. Стрельциной, Р.З. Фридкина, Г. Либовица, О. В. Мазурина, Ю.А. Бродского, Г. А. Мачулки и др.

Методы разделки стекла рассмотрены в работах Г.А. Мачулки,

A.B. Лапина, Е.К. Белоусова, В.М. Гурьянова, В.Е. Махевича,

B.C. Кондратенко, В.И. Бороды, В.Ф. Жиркова, O.A. Краевского, Б.А. Порфёнояа, И.А. Орлова, B.C. Чадина и др.

Исходя из рассмотренных свойств стекла и условий современного производства, к методам разделки данного материала предъявляются следупцие требования: точное и быстрое разделение, минимальное количество дефектов на поверхности раздела, минимальное количество отходов, гибкость в условиях большой номенклатуры выпускаемых изделий, возможность автоматизации процесса, безопасность с точки зрения экологии, низкая себестоимость выпускаемых изделий. Анализ существующих методов разделки листового стекла показал, что традиционные методы (резка пилами, скрайбировакие), не обеспечивают должного качества поверхностей разделения, и требуют дополнительной обработки (шлифовки и полировки), которая, в свою очередь, также не гарантирует устранения всех краевых дефектов. Среди лазерных методов разделки стекла наиболее приемлемым, с точки зрения предъявляемых требований, оказался метод управляемого термораскалывания (УТР), поскольку он не требует использования высокомощных лазеров, как метод лазерной резки, и в то же время обеспечивает получение деталей с бездефектными краями в отличие от метода лазерного скрайбирования. Метод УТР является менее произво-

дательным по сравнению с механическим скрайбированием, однако при рассмотрении всего технологического процесса получения стеклоизделия, может оказаться не менее эффективным за счёт исключения операций шлифовки и полировки и уменьшения количества отходов. Кроне того, данный метод имеет следующий ряд преимуществ: позволяет получать детали с уникальными механическими свойствами по границам разделения, гибкость в условиях большой номенклатуры выпускаемых изделий, возможность полной автоматизации процесса, отсутствие механического воздействия на материал и его загрязнения продуктами разделения, более зхолоничное использование стекла и уменьшение отходов, разделение сразу по всей толщине листа, высокая экологичность.

Термораскалывание стекла может осуществляться с помощью как С02-лазера, так и АИГ: ЬИ-лазера. Метод УТР с использованием СОг-лазера имеет ряд принципиальных ограничений по толщине разделяемого стекла и скорости его разделения, обусловленных свойствами стекла. Причём, с увеличением толщины скорость разделения стремительно падает. Менее известный метод УТР с использованием АИГ:Нс1-лазера лишен подобных ограничений. В связи с этим, он может быть весьма перспективным для раскроя толстого стекла. Необходимо также отметить, что АИГ:Ыс1-лазер является более дешёвым и простым в эксплуатации по сравнению с газовш.

При анализе литературы не удалось обнаружить информации о каких-либо систематических исследованиях метода УТР с использованием твердотельного лазера. Возможно, это связано с тем, что нощ!ше АИГ:Ш-лаэеры появились сравнительно недавно. Их появление сделало актуальным проведение систематических исследований и разработку технологии разделки листового стекла с использованием данного метода.

Вторая глава содержит описание экспериментальных и расчёт-

них методик исследования, использованных при выполнении данной работы. Основу опытных исследований составили эксперименты, направленные на определение зависимости процесса УТР от технологических параметров (скорость и мощность лазерного луча, диаметр пятна нагрева и положение плоскости перетяжки). А также эксперименты по апробации методов, позволяющих повысить точность и эффективность обработки, таких как: использование отражающей подложхи, применение поддува воздуха, снижение (по определённому закону) мощности излучения па завершающем эта но развития трещины. Для проведения этих исследований был создан экспериментальный стенд, на базе опытного образца АИГ:ОД-лазе~ ра максимальной мощностью 400 Вт. Перемещение стеклянной пластины относительно лазерного луча осуществлялось с помощью двухкоордииатного стола, оснащённого двумя шаговыми двигателями, управляемыми блоком ЧПУ. Скорость перемещения данного стола по координатам лежала в пределах 504-1000 мм/мин.

Контроль за отклонением трещины осуществлялся с помощью стереоскопического микроскопа МБС-2 при увеличении в 88 раз.

Для проведения расчётов, связанных с нагревом Борсхого стекла при помощи АИГгЫсЬлазера, расчётно-опытным путём были найдены коэффициент отражения и линейный коэффициент поглощения V этого стекла на длине волны 1,06 мкм. Для этого луч АИГ:Ш-лазера пропускался сквозь пластины Борского стекла различной толщины (¿>1 = 1,4 и ¿>2 ~ 6,7 мм), после чего с помощью ИМО-2Н измерялась его мощность. На основе полученных данных были найдены значения Я и V по следующим формулам:

Их значения составили /?= 4,30 ± 0,67% и у= 32,62 ±2,75 и"1. Опытные исследования позволили проверить теоретически обос-

(1)

/

иованный механизм зарождения и распространения трещины при УТР стеклянной пластины, а также выявить закономерности поведения трещины в пластине конечных размеров и разработать эффективную технологии УТР.

Математические методы, использованные в теоретических исследованиях, рассмотрены в работах A.A. Самарского, A.B. Гулина, М.Я. Выгодского и др. Одним из них является метод численного интегрирования по формуле Симпсона. С помощью него рассчитывались поперечные растягивающие напряжения Оуу, действующие в вершине трещины.

Третья глава посвящена исследованию механизма образования и развития трещины в объёме стеклянной пластины при воздействии на неё излучением твердотельного лазера.

С целью математического описания термонапряжённого состояния, возникающего в нагретой пластине, лазерный луч был представлен в виде линейного источнижа нагрева.

Вначале было исследовано термонапряжённое состояние стеклянной пластины без трещин, нагреваемой линейным источником тепла. При определении напряжений, создаваемых лазерным лучом вблизи от края пластины, использовался метод зеркального источника тепла. В результате были получены математические уравнения, описывапцие это термонапряжённое состояние. Данные уравнения являются решением задачи классической теории упругости. Методы решения подобных задач описываются в работах С. П. Тимошенко, Л.Д. Ландау, Г. Либовица, Г. Паркуса, Е.М. Лифшица, D.M. Коляно, В.Г. Карнаухова и др.

С помощью полученных уравнений было установлено, что при локальном нагреве лазерным лучом в стеклянной пластине возникают продольные <тхх и поперечные <Хуу термонапряжения, причём, в области нагрева оуу являются сжимающими, а вне её - растяги-ьаюдиыи (см. рис.1). Посредством именно поперечных напряжений

и осуществляется процесс управляемого термораскалывания. При воздействии ^ на стекло неподвижным луг чом постоянной мощности с течением времени происходит расширение зоны дей-рис.1. Схема распределения темпера- ствия как атнахтх1 так

туры и напряжений в пластине, и растягивающих напряже-нагреваемой неподвижным ла- ний( ^ ЭТ0М/ в случав

зерным лучом. квазистационарного нагре-

ва, их максимальные значения остаются постоянными и определяются мощностью лазерного излучения.

После определения термонапряжённого состояния стехлянной пластины были проведены исследования процесса зарождения и распространения трещины. При этом решалась задача теории разрушения. Методы решения подобных задач рассмотрены в работах В.В. Панасюка, A.M. Махутова, Г. Либовица, М.П. Саврука, А.П. Дацышина, B.C. Зарубина и др.

С использованием метода 8К - модели, определялось напряжённое состояние в вершине трещины, находящейся в поле действия поперечных растягивающих напряжений оуу лазерного луча, и оценивался их уровень, приводящий к распространению трещины. В качестве критерия разрушения был выбран критический уровень растягивающих напряжений в вершине трещины, при сколь угодно малом превышении хоторого происходит её распространение:

!im [у/х* ■ сг(х\ Q =—(2) где oix',qKp) — поперечные растягивающие напряжения в окрестности вершины трещины [Па], вычисленные на основе классической теории упругости при нагрузке, не превышающей критическую

(<7«p) , х'— расстояние от вершины трещины до точек, лежащих в её плоскости [и], K=^tt-E-S - модуль сцепления, Е - модуль Юнга [Па], S — поверхностная энергия разрушения [Дж/м2].

С помощью критерия (2) было исследовано поведение трещины на стадиях зарождения, стабильного роста и завершения (при выходе луча на край пластины), а также установлено влияние технологических параметров на процесс термораскалывания.

Эти исследования показали, что при мощности лазерного луча 400 Вт трещина в стекле может возникнуть только при наличии в нём дефекта, размер которого j превышает критический. Этот размер для начального дефекта, расположенного на краю пластины в несколько раз меньше, чем в глубине. В случае пластины из Бор-ского стекла j краевого дефекта можно определить по следующей эмпирической формуле :

8

у=1300-

(3)

Р-0,957 ■ (1 - ехр(-32,6 ■ ¿> ))• (1+0,824 • ехр (-32,6 • 5)) где ô - толщина пластины [м], Р - мощность лазерного луча [Вт]. Если дефект расположен в стороне от заданной линии раз-

ИСТОЧ1ШК

тепла ^^

рис.2. Схема возможного расположения начального краевого дефекта.

1 — размер дефекта больше критического,

2 — дефект критического размера,

3 — размер дефекта меньше критического.

деления, то критический размер увеличивается . Зависимость у от расстояния П до линии разделения

(рис.2) является своего рода границей, которой достигают де-фехты, позволяющие зародить трещину. Из трёх вариантов дефектов , показанных на

этом рисунке, трещина будет зарождаться на первых двух.

Чтобы проанализировать поведение трещины на стадии стабильного роста, была решена задача теории разрушения для случая, когда трещина находится в поле поперечных напряжений <туу1 создаваемых движущимся лазерным лучом (рис.3 кривая 1). Полученные результаты показали, что управляемое развитие трещины происходит благодаря балансу сил, стимулиругацкх это развитие („давление", раздвигающее берега трещины) и сил, сдерживает?« ого (силы сяатия, действующе в области вершины трещины) (рис.3 кривая 2).

На завершающем этапе термораскалывания, когда лазерный луп

приближается к краю пластины, происходит существенное увеличение „давления" на берега трещины за счёт наличия свободной поверхности, Рис.3. Напряжения в пластине, позади от которой происходит движущегося лазерного луча. отражение тепловой энергии, что приводит к дополнительному нагреву материала. Это приводит к более активному росту трещины и приближению её вершины к источнику нагрева. В определённый момент давление, может увеличиться до уровня, при котором трещина обгонит источник и скачком выйдет на край пластины. В зависимости от скорости и мощности лазерного луча, а также размеров пластины, па её границе может возникнуть область повышенных сжимающих напряжений, что приведёт к отклонению трещины от заданной траектории после обгона ею лазерного луча.

Таким образом, проведённые в данной главе исследования позволяют понять суть процесса териора скалыв ания излучением АИГ:N¿1—лазера, и дают объяснение следующим явлениям: искркзле-

П

ние трещины при её зарождении на крав стеклянной пластины, невозможность зарождения трещины на бездефектном храе пластины, управляемое развитие трещины, отставание трещины от лазерного луча на стадии, стабильного роста, остановка трещины, появление неуправляемой трещины на стадии стабильного роста, обгон трещиной лазерного луча при приближении его к крап пластины и искривление трещины при её выходе на край пластины на заключительном этапе процесса термораскалывания.

Четвёртая глава посвящена разработке технологии управляемого термораскалывания листового стекла излучением твердотельного лазера.

В данной главе были проведены экспериментальные исследования, направленные на оптимизацию технологических параметров процесса термораскалывания, разработку методов повышения точности получаемых деталей и создание на их основе технологии УТР, обеспечивающей максимально эффективный раскрой стекла.

В результате проведённых экспериментов было установлено, что использование отражающей подложки из дюралхминиевого сплава Д16Т с чистотой поверхности не ниже /?а = 0,32 мхм позволяет примерно в 2 раза повысить скорость разделения стекла, в то время как стальная подложка не пригодна для этих целей, поскольку при нагреве происходит интенсивное окисление её поверхности. При максимальной мощности лазерного излучения (400 Вт) и диаметре пятна нагрева 2,7тЗ им была получена наибольшая точность и скорость разделения.

Опыты по зарождению трещины подтвердили результаты расчётов, проведённых в третьей главе, показав невозможность зарождения трещины на бездефектном крае пластины, нагреваемой лучом мощностью 400 Вт. В связи с этим был разработан метод, обеспечивающий 100%-ную зарождаемость трещины и позволяющий предотвратить её искривление на начальном этапе процесса термораска-

лив акия, 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 200т300 мкм путём вжигания частиц подложки в стекло лазерным импульсом длительностью 0,4т1,5 мс с энергией 2 Дж.

При проведении экспериментов по термораскалыванию пластин на части различной ширины были обнаружены некоторые особенности поведения трещины, заключающиеся в её отклонении от заданной траектории в сторону более узкой части. Установлено, что величина этого отклонения Дт имеет минимальные значения, в случае разделения образца пополам (Ат = 0,2-г0,4 мм) и при отделении квадрата, сторона которого меньше ширины остальной части (Дт = 0) (см. рис.4).

Для устранения этого явления был разработан специальный метод, заключающийся в охлаждении более узхой из разделяемых частей вертикальным потоком воздуха с~ отставанием от луча на 20-1-40 мм и смещением от линии разделения на 5т20 мм. Воздух подаётся через сопло диаметром 2 мм под давлением 0,7т0,8 атм.

мой части в.

п

Данный метод позволяет осуществлять более эффективное управление трещиной и снижает Лт до значений, не превышающих ±0,5 мм.

Основываясь на данных, полученных в третьей главе, был разработан способ, позволяющий уменьшить отклонение трещины при выходе её на край пластины, заключающийся в снижении мощности лазерного луча на завершающем этапе процесса УТР путём его перекрытия клиновидной диафрагмой. Для случая разделения пластин размером 230x230 мм со скоростью 600 мм/мин лучом мощностью 400 Вт, диаметр которого в плоскости диафрагмы составлял 5 км, найдены оптимальные размеры диафрагмы: расстояние от вершины до границы пластины с = 5 мм и угол раскрытия /7=15°. Обработка 12-ти образцов показала, что у семи из них искривление полностью отсутствует, а у пяти остальных - не превышает 0,3 мм.

Также в данной главе были проведены эксперименты, раскрывающие возможности метода УТР для его разностороннего применения, такие как: раскалывание образца по криволинейной траектории, разделение толстого стехла и пакетов стеклянных пластин.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Расчётным путём установлен механизм управляемого терио-раскалывания (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:Н&-лазера по всей её толщине возникают продольные сгхх и поперечные ауу термонапряжения, причём в области нагрева ауу являются сжимающими, а вне её — растягивающими. Посредством именно поперечных напряжений и осуществляется процесс УТР.

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 растягивапцих термояапряжеиий в тот момент, когда растягивающие напряжения в его вершине превысят критическое значение.

5. Показано, что развитие трещины происходит по линии максимальных поперечных растягивапцих напряжений оуу, 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 оуу, 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-гЗ мм) имеют место наидуч-¡тяг. производительности процесса и точности разделения флоат-стекла.

7. Установлено, что использование отражающей подложхи из дюралюминиевого сплава Д16Т с чистотой поверхности не ниже = 0,32 мкм позволяет примерно а 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

1 с

краевого дефекта размером 200т300 мкм путём вжигания частиц подложки в стекло лазерным импульсом длительностью 0,4т1,5 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 Л/л имеет минимальные значения в случае разделения образца пополам (Дт = 0,2т0,4 мм) и при отделении квадрата, сторона которого меньше ширины остальной части (Лт ~ 0). Разработан метод компенсации , заключающийся в охлаждении более узкой из разделяемых частей вертикальным потоком воздуха, подаваемого через сопло диаметром 2 мм под давлением 0,7т0,8 атм с отставанием от луча на 20т40 мм и смещением от линии разделения на 5т20 мм. Данный метод позволяет получать детали с точностью не хуже ±0,5 мм.

10. Разработана технология управляемого термораскалывания листового стекла излучением ЛИГлазера, рекомендуемая для внедрения на стехлообрабатывапцих предприятиях при необходимости разделения флоат-стекла толщиной до 25 мм.

Результаты исследований проведённых в данной работе отражены в публикациях:

1. Шепелев Г.В., Малов И.Е., Шиганов И.В. Технологические особенности разделения листового стекла излучением твердотельного лазера.// Лазеры в науке, технике и медицине.: Тезисы докладов X Междунар. конф. - Сочи, 1999. - С.36.

2. Шепелев Г;В., Малов И.Е. Лазерные технологии обработки стекла // Лазер информ: Науч-информ. сб. / НТЙУЦ ЛАС. - М.,

• 1999. - »1. - С.30-34.

3. Шепелев Г.В., Шиганов И.Н., Малов И.Е. Раскрой листового стакла лучом твердотельного лазера, // Сварочное производство. - 2000. - 16. - С.12-17.

Введение.

Глава 1. Свойства стекла, методы его обработки и применение

1.1. Основные свойства промышленных стёкол.

1.2. Методы разделки стекла.

1.2.1. Механическая разделка стекла.

1.2.2. Лазерная разделка стекла.

1.3. Выводы по данным литературного обзора.

1.4. Цели и задачи исследования.

Глава 2. Экспериментальные и расчётные методики исследования.

2.1. Использование экспериментального стенда в опытных исследованиях процесса УТР.

2.2. Определение коэффициентов отражения и поглощения Борского флоат-стекла.

2.3. Измерение отклонений трещины от заданной траектории.

2.4. Метод расчёта полей перераспределения напряжений.

Глава 3. Исследование механизма образования и развития трещины в объёме стеклянной пластины при воздействии на неё излучением твердотельного лазера.

3.1. Определение термонапряжённого состояния неограниченной пластины без трещин, нагреваемой линейным источником тепла.

3.1.1. Распространение тепла в неограниченной стеклянной пластине.

3.1.2. Вывод уравнения равновесия изотропной пластины.

3.1.3. Расчёт и анализ силовых полей, вызванных мгновенным источником тепла в неограниченной пластине.

3.2. Процесс зарождения трещины в стеклянной пластине в условиях термонапряжённого состояния, вызванного неподвижным лазерным излучением.

3.2.1. Выбор критерия разрушения материала.

3.2.2. Зарождение трещины в глубине тонкой пластины.

3.2.3. Зарождение трещины на краю пластины.

3.3. Процесс распространения трещины в силовом поле лазерного луча, перемещающегося вдоль поверхности стеклянной пластины.

3.3.1. Поведение трещины на стадии стабильного роста.

3.3.2. Поведение трещины на стадии завершения при приближении к краю пластины.

3.4. Выводы по главе.

Глава 4. Разработка технологии управляемого термораскалывания листового стекла излучением твердотельного лазера.

4.1. Оптимизация технологических параметров процесса УТР.

4.2. Точность получаемых деталей и методы её повышения.

4.3. Выбор режимов управляемого термораскалывания листового стекла.

4.4. Определение практических возможностей метода УТР.

4.5. Выводы по главе.

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 мкм; определить 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 пределы; выбрать критерий разрушения материала; определить зависимость размера минимального дефекта, на котором возможно зарождение трещины, от параметров лазерного луча и толщины стеклянной пластины; решить задачу теории разрушения с последующим анализом (на основе критерия разрушения) поведения трещины на стадиях зарождения, стабильного роста и выхода на край пластины; разработать 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 трещины; на 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 направление; установлено, 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-лазер; на основе проведённых исследований получены эмпирические зависимости скорости перемещения лазерного луча от мощности излучения, наименьшего размера образца и толщины образца; использование разработанных приёмов управления трещиной на различных этапах процесса термораскалывания позволило получать детали с точностью не хуже 10,5 мм; разработанную технологию УТР планируется практически использовать на предприятии АО „Галактика".

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

1. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1965. - 848с.

2. Hutte: Справочник: В 2 т. / Под ред. В.К. Запорожца, С.И. Курбатова.- Москва-Ленинград: ОНТИ, 1936.- Т.1.- 916с.

3. Мачулка Г.А. Лазерная обработка стекла. М.: Советское радио, 1979. - 136с.

4. Пат. 2024441 (Россия). Способ резки неметаллических материалов / B.C. Кондратенко. 1994.- 26с.

5. Pat. 3885943 (USA). Method of cutting glass with a laser /К.С. Granger. 1975.- 6p.

6. Pat. 3932726 (USA). Glass cutting / W. Verheyen, A. Raes. -1976. 8p.

7. Pat. 4468534 (USA). Method and device for cutting glass /F.W. Boddicker. 1984. - 4p.

8. Pat. 4682003 (USA). Laser beam glass cutting / T. Minakawa. 1987.- 6p.

9. Pat. 07323385 (Japan) . Method for cutting brittle material / M. Hideki. 1995. - 4p.

10. Pat. 09323300 (Japan) . Substrate dividing method / I. Atsushi. 1997. - 5p.

11. Pat. 10044139 (Japan) . Method for dividing board and manufacture of light emitting element using the board dividing / I. Atsushi. 1998. - 4p.

12. Pat. 06269968 (Japan). Method and device for cutting glass / I. Katsuyuki. 1994. - 7p.

13. Pat. 05185270 (Japan). Cutting method for glass panel /М. Fumio. 1993. - 5p.

14. Pat. 07068395 (Japan) . Method and device for cutting glass1. I. Katsuyuki. 1995. - 4p.

15. Pat. 07016769 (Japan) . Laser crack cutting method for soda glass / K. Takuma. 1995. - 7p.

16. Verheyen A. "Diamond" replaces diamonds // EuroLaser. -1998. №1. - P.16-18.

17. Белоусов E.K., Кондратенко B.C. Управляемое термораскалывание стекла с помощью лазерного излучения // Электронная промышленность. 1978. - №9. - С.65-68.

18. Пух В.П. Прочность и разрушение стекла. J1.: Наука, 1973.- 156с.

19. Мачулка Г. А., Гурьянов В. М. Лазерная резка стекла //Стекло и керамика. 1972. - №10. - С.11-12.

20. Борода В.И., Вартаньянц А.Ц., Карпов H.H. Термораскалывание стеклянных трубок лазерным излучением // Электронная промышленность. 1976. - №1. - С.59-63.

21. Жирков В.Ф., Лапин А.Н., Махевич В.Е. Автоматизация управления раскроем, резкой, и контроль качества листового стекла. М.: ВНИИ ЭСМ, 1974. - 47с.

22. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: В 10 т. -М.: Наука, 1987-1995. Т.7: Теория упругости. - 248с.

23. Бартенев Г.М., Фридкин Р.З. Изменение коэффициента истинной теплопроводности стекла при высоких температурах // Стекло.- 1972. №1. - С.14-17.

24. Стекло: Справочник / Под ред. Н.М. Павлушкина. М.: Строй-издат, 1973. - 487с.

25. Махутов H.A. Сопротивление элементов конструкций хрупкому разрушению. М.: Машиностроение, 1973. - 201с.

26. Панасюк В.В. Предельное равновесие хрупких тел с трещинами.- Киев: Наукова думка, 1968. 246с.

27. Либовиц Г. Разрушение: В 7 т. М.: Мир, 1973-1976. - Т.2: Математические основы теории разрушения. - 767с.

28. Либовиц Г. Разрушение: В 7 т. М.: Мир, 1973-1976. - Т.7: Разрушение неметаллов и композиционных материалов. - 637с.

29. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. - 600с.

30. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Физматгиз, 1962. - 536с.

31. Паркус Г. Неустановившиеся температурные напряжения. М.: Физматгиз, 1963. - 252с.

32. Прудников А.П., Брычков Ю.А., Маричев О.И. Интегралы и ряды. Элементарные функции. М.: Наука, 1981. - 800с.

33. Прудников А.П., Брычков Ю.А., Маричев О.И. Интегралы и ряды. Специальные функции. М.: Наука, 1983. - 752с.

34. Тихонов А.Н., Самарский A.A. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1972. - 736с.

35. Бартенев Г.М. Строение и механические свойства неорганических стёкол. М.: Стройиздат, 1966. - 216с.

36. Свойства стёкол и стеклообразующих расплавов: Справочник: В 4 т. / О.В. Мазурин, М.В. Стрельцина, Т.П. Швайко-Швайков-ская и др. Л.: Наука, 1973-1979. - Т.1: Стеклообразующий кремнезём и двухкомпонентные силикатные системы. - 444с.

37. Панасюк В.В., Саврук М.П., Дацышин А.П. Распределение напряжений около трещин в пластинах и оболочках. Киев: Наукова думка, 1976. - 444с.

38. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. М. : Физматгиз, 1961. - 783с.

39. Бродский Ю.А. Полированное стекло. М.: Госстройиздат, -1961. - 268с.

40. A.c. 731695 (СССР). Способ резки стекла / O.A. Краевский, Б.А. Порфёнов. 1978. - Зс.

41. A.c. 896866 (СССР). Устройство для резки стекла / В.Г. Захаров, O.A. Краевский. 1978. - 4с.

42. A.c. 1721995 (Россия). Способ лазерной резки трубчатых заготовок из стекла / И.И. Дутка, B.C. Коваленко, Г.Л. Матвиишин. 1996. - 6с.

43. Пат. 2015118 (Россия). Способ резки полых стеклоизделий /И.А. Орлов, B.C. Чадин. 1994. - 8с.

44. Григорьянц А.Г. Соколов A.A. Лазерная обработка неметаллических материалов. М.: Высшая школа, 1988. -192с.

45. Орлов И.А. Лазерная резка трубчатых стеклоизделий методом термораскалывания: Дис. канд. техн. наук. М., 1992. -235с.

46. Янке Е., Эмде Ф., Лёш Ф. Специальные функции. М.: Наука, 1977. - 344с.

47. Тимошенко С.П., Гудьер Д. Теория упругости. М.: Наука, 1975. - 576с.

48. Коляно Ю.М., Нудин А.Н. Температурные напряжения от объёмных источников. Киев: Наукова думка, 1983. - 287с.

49. Рыкалин H.H., Углов A.A., Кокора А.Н. Лазерная обработка материалов. М.: Машиностроение, 1975. - 296с.

50. Коваленко B.C., Ромашенко В.В., Олещук Л.М. Малоотходные процессы резки лучом лазера. Киев: Техника, 1987. - 112с.

51. Бокин П.Я. Механические свойства силикатных стёкол. Л.: Наука, 1970. - 180с.

52. Исаханов Г.В. Прочность неметаллических материалов при неравномерном нагреве. Киев: Наукова думка, 1971. - 178с.

53. Самарский A.A., Гулин A.B. Численные методы. М.: Наука, 1989. - 432с.

54. Подстригач Я.С. Коляно Ю.М. Неустановившиеся температурные поля и напряжения в тонких пластинках. Киев: Наукова думка, 1972. - 308с.

55. Шепелев Г.В., Малов И.Е., Шиганов И.Н. Технологические особенности разделения листового стекла излучением твердотельного лазера // Лазеры в науке, технике и медицине: Тез. докл. X Междунар. конф. Сочи, 1999. - С.36.

56. Шепелев Г.В., Шиганов И.Н., Малов И.Е. Раскрой листового стекла лучом твердотельного лазера // Сварочное производство. 2000. - №6. - С.12-17.

57. Шепелев Г.В., Малов И.Е. Лазерные технологии обработки стекла // Лазер информ: Науч-информ. сб. / НТИУЦ ЛАС. М., 1999. - №1. - С.30-34.