Исследование и разработка процесса изготовления пластин заданной толщины из хрупких материалов методом лазерного параллельного термораскалывания, страница 7

Совмещение двух пучков требуется для обеспечения масштабируемости процесса.

1)  резка двумя пучками

2)  поочередный проход

Опробованы следующие способы зарождения трещины:

1)  раскалывание без начального дефекта – процесс возможен не на всех материалах, неустойчив, требует повышенной плотности мощности лазерного излучения. Преимущество – простота, нет необходимости вводить дополнительные элементы;

2)  зарождение с помощью ударника (генератора акустических волн) Синани. Преимущество – работает стабильно не только на стекле, но и на кристаллическом кварце, сапфире. Недостатки – в месте нанесения удара поверхность оказывается поврежденной (пробитой), требуется вырезать поврежденную часть.

3)  создание микровзрывов в толще материала с помощью Nd:YAG лазера. Метод не оправдал себя, так как форма каверн в материале оказалась неоптимальной для зарождения параллельной трещины.

4)  Шлифованный край – не оправдал себя (дополнить)

5)  Микротрещина по краю материала – не оправдала себя, трещина развивается вверх, а не идет параллельно поверхности.

6)  Модификация предыдущего способа: материал сжимается в месте нанесения микротрещины, закрепляя край отделяемого слоя. (дополнить)

7)  Наклонная микротрещина – работает, но требует бортика на краю.

8)  Ультразвук (дополнить)

Зарождение параллельной трещины.

1.  Особенности зарождения трещины в материале.

2.  Самопроизвольное зарождение трещины.

3.  Зарождение от соседней трещины.

4.  Нанесение начального дефекта с помощью ударника Синани.

1. При нагреве поверхностных слоев материала лазерным лучом создаются на некотором расстоянии от поверхности напряжения растяжения. Если эти напряжения превышают предел прочности материала на растяжение, образуется трещина.

Несколько другая картина получается, если в толще материала на глубине, примерно соответствующей глубине, на которой напряжения растяжения достигают максимума, существует локальная неоднородность (трещина, пузырь и т.д.). Неоднородность выступает концентратором напряжений, и трещина возникнет при меньшем воздействии на материал.

Теперь, когда в материале зародилась параллельная трещина, её можно развить, передвигая лазерный луч в необходимом направлении. Развитие трещины будет идти за счет напряжений, возникающих при воздействии изгибающего момента (см. раздел 2), стремящегося «завернуть» слой материала от поверхности. Воздействие, необходимое для развития трещины меньше, чем требуется для её возникновения, поэтому целесообразно разделить эти два этапа во времени и/или пространстве.

Рассмотрим основные способы зарождения параллельной трещины, останавливаясь на описании их достоинств и недостатков.

2. 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.

Достоинства способа: не требуется никаких дополнительных приспособлений.