Изучение механизма зарождения и дальнейшего продвижения параллельной трещины

3.2 Зарождение параллельной трещины.

Одно из приоритетных направлений исследования процесса ЛПТ - изучение механизма зарождения и дальнейшего продвижения параллельной трещины. При нагреве поверхностных слоев материала лазерным пучком на некотором расстоянии от поверхности возникают напряжения растяжения. Для зарождения параллельной трещины в объеме материала необходимо искусственно создать концентратор напряжений, который уменьшил бы прочность материала на заданной глубине от облучаемой поверхности.

В ходе выполнения работы были рассмотрены различные варианты зарождения внутренних или поверхностных дефектов:

1)  зарождение трещины с помощью концентратора акустических волн;

2)  получение в объеме стекла микродефектов  с помощью сфокусированного излучения Nd:YAG лазера;

3)  развитие параллельной трещины от микротрещины на кромке стекла, параллельной поверхности  материала;

4)  развитие последующих параллельных трещин от первичной параллельной трещины, так называемой, технологической параллельной трещины.

5)  раскалывание без начального дефекта;

6)  развитие трещины от шлифованного края стекла;

7)  развитие от микротрещины по краю материала;

3.2.1. Самопроизвольное зарождение трещины.

Экспериментально установлено [Кондр], что при определенных условиях на некоторых типах материалов (кварц, сапфир) параллельная трещина появляется без дополнительных воздействий на материал. Возможны следующие варианты:

1)  в материале оказались неоднородности, сыгравшие роль концентраторов напряжений;

2)  отделяемый слой совпадает с плоскостью анизотропного материала, имеющей меньшую прочность на разрыв.

Для проверки этих предположений был проведен следующий эксперимент: проведена параллельная трещина с зарождением ударником на плоскостях, по-разному ориентированных относительно осей кристалла. Эксперимент показал, что, хотя режимы проведения трещин и различаются в направлении, параллельным и перпендикулярным оси Z, трещина стремится развиваться параллельно поверхности материала, а не следуя направлениям осей.

На аморфном материале (силикатном стекле) самопроизвольное зарождение параллельной трещины получить не удалось ни при использовании высоких плотностей мощности, до 9 Вт/мм2, ни при использовании низких плотностей мощности (2-2,5 Вт/мм2). Проверены следующие режимы:

1)  Материал – оконное стекло М4 толщиной 10 мм; размер эллиптического пучка на стекле 8х0,7 мм, мощность на стекле 40 Вт, распределение «точка с кольцом», плотность мощности 9 Вт/мм2. При скорости от 50 мм/с до 20 мм/с самопроизвольного зарождения трещины нет. При скоростях ниже 20 мм/с поверхность стекла повреждается.

2)  Размер пучка 8х1,5 мм, плотность мощности 4,5 Вт/мм2. При скоростях от 20 мм/с до 3 мм/с самопроизвольное зарождение трещины не наблюдается. Повреждение поверхности при скорости ниже 11 мм/с.

3)  Размер пучка 8х2,8 мм, плотность мощности 2,25 Вт/мм2. При скоростях от 20 до 1 мм/с самопроизвольное зарождение трещины не наблюдается. Повреждение поверхности при скорости ниже 3 мм/с.

3.2.2. Зарождение от трещины, идущей перпендикулярно.

Этот способ применяется наиболее часто и дает наилучшие результаты. Используя зарождение от трещины, идущей перпендикулярно, можно сократить количество наносимых начальных дефектов и увеличить полезную площадь отделяемой пластины.

Глубина второй, зарождаемой трещины зависит от глубины первой, зарождающей (см. таблицу 1). Эксперименты показали, что зависимость имеет вид, эквивалентный обратной линейной, и на каждый 1 мм увеличения глубины зарождающей трещины значение уменьшается на 0,75 мм. Исключение составляет зарождающая трещина при скорости 10 мм/с, глубина которой резко увеличивается, и глубина зарождаемой трещины резко уменьшается. В месте соединения трещин возникает переходная область, описанная далее. Размеры переходной области зависят от разницы глубин, минимум наблюдается не при равенстве, а в случае, когда вторая трещина проходит глубже первой на 0,1-0,2 мм.

Таблица 3.2.

Зависимость глубины параллельной трещины от скорости, с которой была выполнена зарождающая трещина (от глубины зарождающей трещины)

Примечание. Использовано силикатное стекло марки М1 толщиной 10 мм, пучок размерами 8х1,5, мощность 40 Вт на стекле. Измерения глубины проведены на установившемся участке, на расстоянии 20 мм от начала отделения материала.

Рисунок 3.2 - Зависимость глубины параллельной трещины от скорости, с которой была выполнена зарождающая трещина (от глубины зарождающей трещины)

3.2.3. Зарождение от трещины, идущей параллельно.