Влияние формы пучка на параметры лазерного параллельного термораскалывания

Влияние формы пучка на параметры лазерного параллельного термораскалывания.

Лазерное параллельное термораскалывание (ЛПТ) – перспективный процесс обработки хрупких материалов, заключающийся в отделении слоя материала путем создания в нем управляемой трещины. При определенных режимах воздействия на стекло эллиптического лазерного пучка в глубине материала зарождается трещина, распространяющаяся параллельно его поверхности [1, 2]. Экспериментально установлено, что трещина не может распространяться на сколь угодно малом расстоянии от поверхности материала, существует некоторое минимальное расстояние. Поэтому, в отличие от традиционных методов обработки (шлифования, резания), становится невозможным добиваться требуемых размеров детали, последовательно снимая слои материала уменьшающейся толщины. Существенным фактором, влияющим на глубину распространения и на профиль параллельной трещины, является распределение энергии в лазерном пучке.

Для экспериментальных работ использовался многомодовый CO₂ – лазер мощностью 100 Вт, обеспечивающий распределение энергии в пучке «точка с кольцом» ТЕМ₀₀+ТЕМ₁₀ , и стекло марки М1 толщиной 5 мм. Пучок эллиптической формы на поверхности материала образовывался с помощью соответствующей оптической системы. Распределение энергии в пучке фиксировалось по отпечатку на органическом стекле. Для того, чтобы определить глубину, на которой распространяется параллельная трещина, образец из стекла разрезали и выламывали слой материала, находящийся над трещиной. Затем часовым индикатором измеряли толщину образца в различных точках обнажившегося участка трещины.

Использовались пучки трех видов:

1)  пучок круглой формы, диаметром 3 мм. Профиль пучка приведен на рис.1.

2)  пучок эллиптической формы с распределением «кольцо» - получен из пучка с распределением «точка с кольцом» путем вырезания центральной зоны шириной 0,5 мм. Размеры пучка 4,5х1,2 мм, профиль приведен на рис.2.

3)  пучок эллиптической формы с распределением «точка с кольцом» размерами 4,5х1,2 мм. Профиль приведен на рис.3.

Профиль трещины, полученной с помощью пучка на рис.1, приведен на рис. 4. Вертикальными синими линиями обозначен размер пучка излучения лазера и расположение пучка излучения относительно профиля параллельной трещины. Глубина, на которой располагается трещина, получилась неодинаковой на различных участках, и слой снимаемого материала имеет разнотолщинность.

Рис.4

Профиль трещины, полученной с помощью пучка на рис.1

Максимальный отсчет индикатора составляет  4,53 мм, минимальный 4,4 мм. Толщина отделяемого слоя будет колебаться от 0,47 мм до 0,6 мм, т.е. на 0,13 мм.

Профиль трещины, полученной с помощью пучка с распределением «кольцо», приведен на рис.5.

Рис.5

Профиль трещины, полученной с помощью пучка на рис.2

Видно, что профиль получился более ровным, чем в предыдущем случае, и вместо возвышения в центре имеет провал. Максимальные и минимальные отсчеты составляют соответственно 4,27 мм и 4,22 мм, толщина слоя от 0,73 мм до 0,78 мм, разнотолщинность 0,05 мм.

На рис.6 показан профиль трещины, полученной с помощью пучка, приведенного на рис. 3. Максимальный и минимальный отсчеты составляют 4,37 мм и 4,35 мм, разница составляет 0,02 мм. Толщина отделяемого слоя будет находиться в пределах 0,63 – 0,65 мм.

Вывод: для получения наиболее плоского профиля параллельной трещины следует использовать пучок, аналогичный по форме пучку на рис. 3 (структура «точка с кольцом»).

Рис.6

Профиль трещины, полученной с помощью пучка на рис.3

Для проведения параллельного термораскалывания деталей, ширина которых превышает ширину пучка излучения, требуется использовать несколько проходов луча лазера. Однако условия распространения трещины в случае, когда она образовывается в толще материала и в случае, когда материал ослаблен трещиной предыдущего прохода, различны. Поэтому следующей задачей было выяснить, каким образом следует модифицировать режимы различных проходов для того, чтобы глубина, на которой распространяется трещина, оставалась одинаковой.

Рассматривалось несколько схем:

1) проходы располагаются один за другим по ширине;

2) траектории линий второго прохода располагаются между линиями первого прохода.

В первом случае имеют место различные условия распространения трещины на краях пучка, так как с одного края уже есть трещина от предыдущего прохода, а на втором – нет. Во втором случае условия на обеих краях одинаковые, с обеих краев второго прохода уже находится трещина.

Хорошие результаты были получены при использовании для второго прохода скорости перемещения луча, в 1,2 – 1,25 раза меньше, чем для первого прохода, и расстоянии между проходами 0,15-0,25 ширины пучка. Профиль трещины, получающейся в этом случае, приведен на рис.7. На рисунке средняя часть профиля проведена на первом проходе со скоростью 40 мм/с, левая и правая части – на втором проходе со скоростью 33 мм/с. Разброс отсчетов составляет от 4,23 мм до 4,29 мм, т.е. 0,06 мм.

Рис.7

Профиль параллельной трещины, получаемый при использовании двух проходов с разными скоростями.

Третий вопрос, который необходимо решить для создания технологии обработки с помощью ЛПТ – это выход параллельной трещины на край материала. Здесь разница в условиях распространения трещины на разных краях пучка очень большая и зависит от множества факторов, связанных со структурой поверхности, на которую выходит трещина. Для шлифованной поверхности режимы будут другими, нежели для полированной, так как в нарушенном слое материала очень много микротрещин, провоцирующих возникновение параллельной трещины.

Решение этого вопроса находится в стадии патентования и не будет обсуждаться в данной статье.

Итак, для проведения процесса ЛПТ следует: 1) использовать пучок излучения лазера с распределением «точка с кольцом»; 2) при использовании нескольких проходов располагать линии второго прохода между линиями первого, и подбирать соотношение скоростей первого и второго проходов, а также расстояние между проходами для достижения заданного разброса параметров профиля параллельной трещины.

В существующем виде процесс может быть применен как замена операций разделки и грубого шлифования. Проводятся работы по дальнейшему улучшению технологии ЛПТ.

Литература.

1.  Кондратенко В.С. Разработка и внедрение новых высокоэффективных методов прецизионной обработки изделий из стекла. Диссертация докт.техн.наук, Ленинград, 1989.

2.  Кондратенко В.С., Борисовский В.Е., Сорокин А.В. Процесс параллельного разделения хрупких материалов. Из материалов X Международной НПК «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики». М, 2008.