Способ резки пластин хрупких металлов

1 Предлагаемое изобретение относится к технологии разделения твердых материалов и может быть использовано при резке листового стекла и/или других прозрачных или полупрозрачных хрупких материалов путем локального нагрева вдоль линии резки, и может быть использовано в электронной, стекольной, авиационной и других отраслях народного хозяйства. Известен способ лазерной резки стекла [1] путем нагрева лазерным лучом поверхности перемещаемой стеклянной пластины, имеющей предварительно нанесенную риску (царапину),и последующего охлаждения зоны нагрева хладоагентом (воздушно-водяная смесь под давлением). Способ включает облучение лазером на основе СO2 с длиной волны 10,6 мкм, с плотностью мощности излучения 5-20 Вт/мм 2, при скорости относительного перемещения луча лазера и стекла 0,4-30,0 мм/с и толщине стекла 3-6 мм. Однако из-за практически полного поглощения излучения лазера в приповерхностном слое стекла требуется либо многократное воздействие лучом, либо механическое "докалывание", не обеспечивается возможность одновременной резки нескольких стекол (пакетной резки), а также резки стекол и других материалов большой толщины (до 20-25 мм). Существенным недостатком является также плохая управляемость при резке криволинейных изделий и практическая невозможность получения разрезов с радиусом кривизны менее 10 мм. Известен также способ резки стекла [2] путем нагрева лазерным лучом поверхности перемещаемой стеклянной пластины, и последующего облучения зоны нагрева другим лазерным лучом, отличающимся от первого своей интенсивностью, который следует по траектории первого луча с некоторым регулируемым запаздыванием. Способ включает облучение лазером на основе СO2 с длиной волны 10,6 мкм, с мощностью 200 Вт, причем лучи могут быть получены путем разделения исходного лазерного пучка системой зеркал, и могут быть направлены на стекло перпендикулярно к его поверхности с разных сторон или с одной стороны от пластины. Однако данный способ также не обеспечивает возможности одновременной резки нескольких стекол ("стопы"), а также характеризуется сложной оптической системой, что обусловливает плохую управляемость при резке криволинейных изделий и невозможность получения разрезов с малым радиусом кривизны. При этом способе также требуется многократное воздействие лазерным лучом, либо механическое "докалывание". Наиболее близким к предложенному изобретению является способ резки пластин хрупких материалов [3] путем нагрева лазерным лу 000544 2 чом (алюмоиттриевый гранат) поверхности перемещаемой стеклянной пластины или стопы и нагрева стекла путем облучения зоны нагрева многократно отраженным системой наклонных зеркал лазерным лучом. При этом зеркала находятся по обе стороны разрезаемой области стекла, а при резке стопы стекла разделены прокладками. Недостатками способа является сложность стабилизации режима резки, т.к. требуется точное регулирование мощности излучения и строгое обеспечение температурного режима, а также слабая управляемость движения линии реза по криволинейным траекториям, сложность оптического устройства. Поэтому способ не нашел практического применения. Сущностью предлагаемого изобретения является способ резки пластин хрупких материалов путем воздействия на пластину или стопу пластин лучом лазера или другого источника излучения, которое частично поглощается материалом по всей его толщине. При этом источник излучения создает в области резки пятно облучения, имеющее две различающиеся по плотности мощности излучения зоны: зоны большей и меньшей плотности мощности излучения. Зона с большей плотностью мощности излучения находится в любой точке пятна облучения (см. фиг. 1). Кривая распределения плотности мощности излучения в пятне облучения имеет "конусообразную" форму. Образующая кривой распределения плотности мощности излучения может быть линейной, криволинейной или ступенчатой (см. фиг. 2). В предлагаемом способе область большей плотности мощности излучения вызывает появление трещины, а область меньшей плотности мощности излучения способствует развитию процесса трещинообразования как по глубине(Кпогл.0) энергии излучения по всей толщине разрезаемого материала предлагаемый способ позволяет резать материалы различной толщины, для которых возможно создание условий,при которых в зоне большей плотности мощности излучения соблюдается соотношение раст.прочн. (напряжения растяжения больше предела прочности на разрыв), а температура материала в этой зоне не превышает температуры стеклования (Tg) или плавления (Тпл.). Благодаря прозрачности разрезаемого материала к используемому излучению предлагаемый способ позволяет резать материалы толщиной 0,1 - 25 мм и более. В предлагаемом изобретении резку осуществляют излучением неодимового лазера с длиной волны излучения, для которого материал является частично прозрачным, и мощностью,достаточной для осуществления условий резки. Диаметр пучка после фокусировки оптической системой может быть выбран в диапазоне 0,8-10,0 мм и более, при этом область наиболее высокой плотности мощности излучения составляет только часть общего сечения луча и располагается внутри контура луча. Закон распределения плотности мощности излучения по сечению луча близок по форме к коническому, причем распределение по сечению луча может быть ступенчатое или иное, а вершина кривой распределения (область максимальной интенсивности) плотности мощности излучения по сечению луча может быть смещена относительно центра луча (его оси) в пределах контура луча, что схематично представлено на фиг. 1 и 2. Согласно предлагаемому способу осуществляется резка как отдельных пластин материалов (например, стекла), так и резка целой стопы толщиной до 25 мм за один проход без замены оптической фокусирующей системы. Ниже предлагаемый способ иллюстрируется конкретными примерами (табл. 1). Примеры. Резку осуществляют неодимовым лазером с длиной волны 1,06 мкм. Средняя плотность мощности излучения лазерного луча выбирают в диапазоне от (1,5-2,0)103 Вт/см 2 (зарождение трещины) до (30-50)103 Вт/см 2 (высокие скорости резки). Толщина стекла Пластина 1,2 мм Стопа 5 ммх 4 шт. Пластина 25 мм Способ отличается простотой (используется только одна компактная фокусирующая система), надежностью, простой управляемостью и воспроизводимостью процесса резки, в том числе - при криволинейных траекториях резки,обеспечивает малые радиусы кривизны (до 5 мм) резки, высокую чистоту (бездефектность) разрезаемого края изделия, не требует докалывания изделия после резки. Преимуществом предлагаемого способа является регулирование ПМИ, исключение не 4 контролируемого образования и ухода трещины в ненужном направлении. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ. 1. Способ резки пластин хрупких материалов, например стекла, методом термораскалывания путем воздействия на пластину или стопу пластин лазерным лучом или другим источником излучения, которое частично поглощается материалом по всей его толщине, отличающийся тем, что источник излучения создает в области резки пятно облучения, имеющее две различающиеся по плотности мощности излучения зоны: зоны большей и меньшей плотности мощности излучения. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что зона с большей плотностью мощности излучения находится в любой точке пятна облучения. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что кривая распределения плотности мощности излучения имеет "конусообразную" форму. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что образующая кривой распределения плотности мощности излучения может быть линейной,криволинейной или ступенчатой. Источники информации, принятые во внимание: 1. Авторское свидетельство СССР 571931, С 03 В 33/09, 1988. 2. Заявка Франции 2228040, С 03 В 33/08, 1975. 3. Авторское свидетельство СССР 690809, С 03 В 33/09, 1977. Фиг. 2. Формы кривой распределения плотности мощности излучения.