Влияние хладагента на развитие микротрещины в процессе ЛУТ

Влияние хладагента на развитие микротрещины в процессе ЛУТ.

Метод лазерного управляемого термораскалывания (ЛУТ), разработанный В.С. Кондратенко в 80-х годах, получил в настоящее время широкое признание и распространение для прецизионной резки широкого класса хрупких неметаллических материалов. К числу основных преимуществ метода ЛУТ следует отнести:

- высокая чистота процесса резки, связанная с безотходностью процесса разделения материала.

- высокая механическая прочность изделий, отсутствие остаточных напряжений в материале после резки.

- отсутствие механических нагрузок в зоне резки, исключающее деформацию и разрушение тонких стеклянных или кристаллических пластин.

- высокая скорость резки, достигающая нескольких сотен мм/с.

- сниженные энергозатраты по сравнению с другими методами лазерной резки.

Сущность метода ЛУТ заключается в следующем. При облучении поверхности хрупкого материала лазерным излучением с длиной волны, для которого материал является непрозрачным, часть энергии отражается от границы «воздух-материал», а остальная часть поглощается и выделяется в виде тепловой энергии в приповерхностном слое материала. При этом, в поверхностных слоях материала возникают значительные напряжения сжатия, которые, однако, не приводят к его разрушению. При подаче хладагента вслед за лазерным пучком происходит резкое локальное охлаждение поверхности материала по линии реза. Создаваемый градиент температур обуславливает возникновение в поверхностных слоях материала напряжений растяжения, превышающих предел прочности материала, которые приводят к образованию микротрещины, глубина которой определяется распределением термоупругих напряжений, зависящим от целого ряда факторов. Схема образования микротрещины при лазерном управляемом термораскалывании приведена на рис.1.

	Рис.1 Процесс образования микротрещины при ЛУТ

 

К числу основных факторов, влияющих на процесс ЛУТ можно отнести следующие:

- теплофизические и механические свойства разделяемого материала, его толщина и состояние поверхности;

- параметры лазерного пучка, а именно: плотность мощности лазерного излучения, размеры и форма лазерного пучка на поверхности разделяемого материала;

- скорость относительного перемещения лазерного пучка и материала;

- теплофизические свойства, количество и условия подачи хладагента в зону нагрева;

Наиболее важную роль в процессе лазерного управляемого термораскалывания, позволяющую получить в отличие от сквозного термораскалывания качественно новый результат - управляемую микротрещину, проникающую в стекло на заданную глубину, играет хладагент.  Физические свойства хладагента и параметры его подачи оказывают влияние на максимальную скорость резки, глубину микротрещины и качество кромки детали после разделения (таб.1, рис.2 - 4)

В качестве хладагента был исследован ряд разных по своим свойствам жидкостей: вода, глицерин, этиловый и пропиловый спирт, а также струя сжатого воздуха. Все исследуемые жидкости подавались в зону резки, перемешиваясь со струёй сжатого воздуха в виде мелкодисперсного тумана с помощью сопла. Это способствует более интенсивному охлаждению стекла благодаря удалению из зоны охлаждения паровой подушки, образующейся при испарении хладагента.

Таб.1. Сравнительные параметры процесса лазерного управляемого термораскалывания листового стекла толщиной 6 мм для различных хладагентов