Установка для лазерной резки хрупкого неметаллического материала

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТАНОВКА ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ ХРУПКОГО НЕМЕТАЛЛИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА(71) Заявитель Учреждение образования Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины(72) Автор Никитюк Юрий Валерьевич(73) Патентообладатель Учреждение образования Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины(57) Установка для лазерной резки хрупкого неметаллического материала, содержащая установленные последовательно непрерывные лазеры, один из которых имеет длину волны,соответствующую интенсивному поверхностному поглощению обрабатываемым материалом, другой - соответствующую объемному поглощению, механизм вертикального перемещения, на каретке которого установлены фокусирующие объективы каждого лазера,устройство подачи хладагента, координатный стол и блок управления установкой, связанный с компьютером, отличающаяся тем, что дополнительно содержит импульснопериодический лазер с объективом, размещенным с возможностью поворота на каретке вертикального перемещения. Полезная модель относится к оборудованию для лазерной резки хрупких неметаллических материалов методом лазерного термораскалывания и может быть использована в электронной, стекольной и авиационной промышленности для прецизионного разделения 90352013.02.28 таких хрупких неметаллических материалов, как стекло, керамика, кварц, сапфир, кремний и другие материалы. Известна установка для лазерной резки хрупких неметаллических материалов, содержащая непрерывный лазер с длиной волны, соответствующей интенсивному поглощению поверхностными слоями обрабатываемого материала, фокусирующий объектив, координатный стол, устройство подачи хладагента и механизм нанесения дефекта, представляющий собой алмазную пирамиду 1. Известная установка обеспечивает возможность разделения хрупких неметаллических материалов методом лазерного термораскалывания. Однако применение известной установки обеспечивает хорошие результаты лишь при резке тонких изделий по прямолинейным, непересекающимся контурам обработки. В случае резки толстых изделий использование известной установки становится нецелесообразным из-за невозможности одновременного поддержания оптимальных значений плотности мощности лазерного излучения на поверхности и в объеме обрабатываемого материала. Причиной этого является использование в известной установке только лазерного пучка с длиной волны, соответствующей интенсивному поглощению поверхностными слоями обрабатываемого материала, что делает невозможным выполнение качественной резки таких изделий. В случае резки изделий вдоль пересекающихся контуров обработки и при резке пластин по контурам обработки, включающим криволинейные участки с малыми радиусами кривизны, использование известной установки не обеспечивает возможности качественной и стабильной резки. Причиной этого является высокая прочность кромок, формируемых при резке хрупких неметаллических материалов методом лазерного термораскалывания. Высокопрочные кромки препятствуют распространению лазерно-индуцированных трещин при пересечении с трещинами, уже сформированными в материале методом лазерного термораскалывания. Кроме этого, использование лазерно-индуцированных термоупугих полей для формирования разделяющей трещины приводит к ее отклонению от заданного контура обработки на участках с большой кривизной. При этом использование в известной установке алмазной пирамидки для формирования дефекта в начале контура обработки приводит к нежелательному загрязнению обрабатываемой поверхности осколками материала. Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявляемой полезной модели является установка для лазерной резки хрупкого неметаллического материала, содержащая установленные последовательно непрерывные лазеры, один из которых имеет длину волны, соответствующую интенсивному поверхностному поглощению обрабатываемым материалом, другой - соответствующую объемному поглощению, механизм вертикального перемещения, на каретке которого установлены фокусирующие объективы каждого лазера, устройство подачи хладагента, координатный стол, блок управления установкой, связанный с компьютером 2. Кроме того, установка содержит механизм нанесения дефекта, выполненный в виде алмазной пирамиды. Известная установка за счет одновременного использования лазеров с различными длинами волн обеспечивает возможность получения более глубоких микротрещин, по сравнению с однолучевой обработкой, что в свою очередь позволяет использовать известную установку для обработки более толстых образцов при резке по прямолинейным, непересекающимся контурам обработки. Недостатком известной установки является то, что в случае резки изделий вдоль пересекающихся контуров обработки и при резке изделий по контурам обработки, включающимкриволинейные участки с малыми радиусами кривизны, использование известной 90352013.02.28 установки становится нецелесообразным из-за нестабильности формирования лазерноиндуцированных трещин и низкого качества резки. Использование известной установки не возможно для качественного и стабильного разделения изделий по контурам обработки, включающим криволинейные участки с малыми радиусами кривизны, из-за инерционности термоупругого механизма формирования разделяющих трещин при лазерном термораскалывании. В результате этого практически не возможно точное нанесение лазерно-индуцированных трещин вдоль контуров с участками, характеризующимися большой кривизной. Кроме этого, нестабильность формирования лазерно-индуцированных трещин при использовании известной установки для резки по пересекающимся контурам обусловлена высокой прочностью кромок, получаемых при лазерном термораскалывании хрупких неметаллических материалов. При этом высокопрочные кромки препятствуют распространению лазерно-индуцированных трещин при пересечении с трещинами, уже сформированными в материале методом лазерного термораскалывания. Низкое качество резки при использовании известной установки обусловлено использованием в известной установке алмазной пирамидки для формирования дефекта в начале контура обработки, что приводит к нежелательному загрязнению обрабатываемой поверхности осколками материала. Техническая задача, решаемая заявляемой полезной моделью, - создание установки,обеспечивающей повышение стабильности и качества резки хрупких неметаллических материалов при разделении изделий по пересекающимся контурам обработки и при разделении изделий по контурам обработки, включающим криволинейные участки с малыми радиусами кривизны. Технический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в формировании на контурах обработки в местах их пересечения и в местах их резкого искривления лазерно-индуцированных дефектов, параметры которых обеспечивают высокую стабильность инициализации разделяющих трещин и устранение их отклонения от заданных контуров обработки, в том числе в случае пересекающихся контуров обработки и контуров обработки, включающих криволинейные участки с малыми радиусами кривизны. Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что установка для лазерной резки хрупкого неметаллического материала, содержащая установленные последовательно непрерывные лазеры, один из которых имеет длину волны, соответствующую интенсивному поверхностному поглощению обрабатываемым материалом, другой - соответствующую объемному поглощению, механизм вертикального перемещения,на каретке которого установлены фокусирующие объективы каждого лазера, устройство подачи хладагента, координатный стол и блок управления установкой, связанный с компьютером, дополнительно содержит импульсно-периодический лазер с объективом, размещенный с возможностью поворота на каретке вертикального перемещения. В отличие от прототипа введение импульсно-периодического лазера с объективом,размещенным на каретке вертикального перемещения, обеспечивает возможность формирования на контурах обработки в местах их пересечения и в местах их резкого искривления лазерно-индуцированных дефектов, параметры которых обеспечивают высокую стабильность инициализации разделяющих трещин и устранение их отклонения от заданных контуров обработки, в том числе в случае пересекающихся контуров обработки и в случае контуров обработки, включающих криволинейные участки с малыми радиусами кривизны. На фигуре схематически изображена заявляемая полезная модель, вид сбоку. Установка для лазерной резки хрупких неметаллических материалов состоит из непрерывного лазера 1 и его фокусирующего объектива 2, непрерывного лазера 3 и его фокусирующего объектива 4, координатного стола 5, устройства подачи хладагента 6, 3 90352013.02.28 механизма вертикального перемещения 7 с кареткой 8, импульсно-периодического лазера 9 с объективом 10. Фокусирующие объективы 2, 4 и 10, устройство подачи хладагента 6 размещены на каретке 8. При этом фокусирующий объектив 2 жестко закреплен на каретке 9, а фокусирующие объективы 4 и 10 закреплены с возможностью поворота. Кроме того, установка содержит блок 11 управления координатным столом 5 и механизмом вертикального перемещения 7. Работа блока 11 координируется при помощи технологической программы, вводимой в компьютер 12. Позицией 13 отмечено обрабатываемое изделие. Непрерывный лазер 1 имеет длину волны излучения, соответствующую интенсивному поглощению поверхностными слоями обрабатываемого материала. Непрерывный лазер 3 имеет длину волны излучения, соответствующую интенсивному объемному поглощению обрабатываемым материалом. Так, например, в случае обработки силикатных стекол целесообразно использовать в качестве лазера 1 2-лазер, имеющий длину волны излучения 10,6 мкм, а в качестве лазера 2 -лазер, имеющий длину волны излучения 5,5 мкм. В некоторых случаях возможно использование в качестве лазера 2 -лазера с длиной волны 1,06 мкм (например, при обработке толстых неоптических силикатных стекол,для которых на этой длине волны наблюдаются заметные потери энергии). Пространственно-временные параметры импульсного лазера 9 выбираются из условия формирования в обрабатываемом материале дефектов, обеспечивающих высокую стабильность инициализации разделяющих трещин и устранение их отклонения от заданных контуров обработки. Целесообразно для создания дефектов использование пикосекундного -лазера. В этом случае дефекты формируются методом пробоя. Также возможно применение для формирования дефектов других типов лазеров, например 2-лазера с модулируемой добротностью, -лазера, -лазера с длительностями лазерного излучения от 50 фсек до 1 мсек. При этом кроме пробоя возможна реализация и других механизмов формирования дефектов, например, дефекты можно формировать методом абляции. Для регулирования подачи излучения от лазеров используют заслонки (на фигуре не показаны), предназначенные для отвода излучения из зоны обработки во время проведения операции установки изделия 13 на координатном столе 5, фокусировки лазерного излучения и настройки систем подачи хладагента. Координатный стол 5 предназначен для относительного перемещения лазерных пучков и обрабатываемого изделия 13 в горизонтальной плоскости. Устройство 6 подачи хладагента предназначено для подачи под давлением в зону обработки дисперсной воздушно-водяной смеси. Механизм 7 может быть выполнен в виде шагового двигателя, связанного с кареткой 8, установленной на направляющей или иным образом. Установка работает следующим образом. Компьютер 12 в соответствии с заданной технологической программой координирует работу блока 11, задает перемещение координатного стола 5 в горизонтальной плоскости с необходимой скоростью по требуемым координатам. Изделие 13 из хрупкого неметаллического материала устанавливают на координатный стол 5. Под действием излучения импульсного лазера 9, сфокусированного объективом 10 в начале контура обработки создается дефект. После этого координатный стол 5 совмещает лазерно-индуцированный дефект с начальным положением лазерных пучков лазеров 1 и 3. Подают на обрабатываемое изделие 13 лазерное излучение двух длин волн. При этом объектив 2 фокусирует на надрезе излучение лазера 1 в пятно круглого или эллиптического сечения. Объектив 4 фокусирует излучение лазера 2, длина волны которого соответствует интенсивному объемному поглощению обрабатываемым материалом, в объеме изделия 13. Координатный стол 5 перемещает изделие 13 вдоль контура обработки, при этом одновременно устройство 7 4 90352013.02.28 подачи хладагента подает под давлением дисперсную воздушно-водяную смесь в зону,предварительно нагретую лазерным излучением. В месте подачи хладагента инициируется разделяющая трещина, которая, зародившись от нанесенного дефекта, развивается в зоне растягивающих напряжений, сформированных хладагентом. Далее начальная микротрещина распространяется до зоны сжимающих напряжений, сформированных лазерным излучением, которое формирует в обрабатываемом материале два тепловых источника поверхностный, созданный лазером 1, и объемный, созданный лазером 3. В результате их совместного с хладагентом воздействия в материале происходит развитие разделяющей микротрещины, распространение которой в поверхностных слоях определяется воздействием хладагента и излучением лазера 1 с длиной волны, соответствующей интенсивному поглощению материалом, а глубинное развитие трещины контролируется излучением лазера 3 с длиной волны, соответствующей интенсивному объемному поглощению. Если изделие имеет сложную пространственную форму, компьютер 12 через блок 11 задает траекторию перемещения каретки 8 (а значит, и зон нагрева и охлаждения) в вертикальной плоскости в соответствии с заданным месторасположением точек траектории на поверхности обрабатываемого изделия, регулируя работу механизма 7 вертикального перемещения. При этом при перемещении объективов 2, 4, 10 в вертикальном направлении сохраняются оптимальные значения плотности мощности излучения на поверхности обрабатываемого изделия и в его внутренних слоях вдоль пространственной траектории термораскалывания. В случае резки изделия по пересекающимся контурам обработки и (или) при разделении изделия по контурам обработки, включающим криволинейные участки с малыми радиусами кривизны под действием излучения импульсного лазера 9, сфокусированного объективом 10 на контурах обработки в местах их пересечения и в местах их резкого искривления, формируются дефекты. При этом лазерно-индуцированные дефекты формируют до начала воздействия непрерывных лазеров и хладагента, и в дальнейшем при лазерном термораскалывании лазерно-индуцированные дефекты обеспечивают высокую стабильность инициализации разделяющих трещин и устранение их отклонения от заданных контуров обработки, в том числе в случае пересекающихся контуров обработки и контуров обработки, включающих криволинейные участки с малыми радиусами кривизны. После завершения процесса обработки изделия 13 прекращается подача лазерного излучения и хладагента в зону обработки. При этом компьютер 12 при помощи блока 11 выводит координатный стол 5 и механизм 7 вертикального перемещения в исходное положение. Использование предлагаемой установки обеспечивает повышение стабильности и качества резки хрупких неметаллических материалов при разделении изделий по пересекающимся контурам обработки и при разделении изделий по контурам обработки,включающим криволинейные участки с малыми радиусами кривизны. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5