Спосіб лазерного різання скла
Власники патенту UA 2574634:
Винахід відноситься до способу лазерного різання крихких прозорих неметалевих матеріалів, наприклад, скла, і може бути використане в скляній, авіаційній, автомобільній та інших галузях промисловості. Сутність винаходу полягає в тому, що матеріал, що розділяється, піддається впливу двох пучків слабопоглощающегося випромінювання лазера (прямого і відбитого від знаходиться під розрізається матеріалом дзеркала), які направляються на оброблюваний об'єкт під кутом 0,5-20°. В результаті цього переріз різу методом лазерного керованого терморозколювання (ЛУТ) являє собою ламану лінію, вписану в півколо. Таким чином, спосіб дозволяє здійснювати лазерне різання скла з отриманням опуклої або увігнутої форми перерізу торця, причому на опуклому торці відсутні гострі кромки. 1 з.п. ф-ли, 6 іл., 5 ін.
Винахід відноситься до способу лазерного різання крихких прозорих неметалевих матеріалів, наприклад скла, сфокусованим лазерним випромінюванням і може бути використане у скляній, авіаційній, автомобільній та інших галузях промисловості.
Відомий спосіб лазерного різання скла променем неодимового (YAG) лазера [1], випромінювання якого слабо поглинається у силікатному склі. При цьому під матеріалом, що розрізається, розташований мідний відбивач. В цьому випадку матеріал поділяють з високою точністю без додаткової ломки і з гарною якістю краю, площина якого перпендикулярна до площини скла.
Однак різання матеріалу можна здійснювати тільки в тому випадку, якщо переміщається матеріал, що розрізається, що накладає суттєві обмеження на розміри матеріалу, що розрізається, і внаслідок цього - на обмеження швидкості різання.
Недоліком цього єтакож те, що край скла після різання вимагає додаткової операції притуплення. Крім того, обробка кромки для виробів тривимірної конфігурації (3D) цим способом є надзвичайно складною.
Відомий спосіб лазерного притуплення кромок скла методом оплавлення їх лазерним променем, що спрямовується на кромку, при відносному переміщенні скла та лазерного пучка [2].
Недоліком даного способу є нерівномірне охолодження краю скла, що призводить до виникнення термічної напруги, яку необхідно знімати методом температурного відпалу.
Крім того, на площині скла поблизу торця утворюються напливи, які збільшують товщину торця, що в ряді випадків неприпустимо.
Існує також спосіб зняття кромок скла методом лазерного керованого терморозколювання (ЛУТ) [3]. При цьому на край направляють сфокусований пучок СО2 лазера, що рухається щодо скла. В даному випадку не потрібен температурний відпал, тому що після ЛШТ немає суттєвих напруг у склі.
Однак досить жорсткі вимоги до точного фокусування лазерного випромінювання на край скла створюють великі технічні труднощі.
При цьому способі часто відбувається відламування стружки і припинення процесу притуплення кромок, крім того, технологія лазерної обробки кромок для виробів тривимірної конфігурації (3D) цим способом пов'язана з великими технічними труднощами.
Найбільш близьким до заявленого є спосіб різання прозорих крихких неметалевих матеріалів, наприклад, скла [4]. Різання виробляють сфокусованим лазерним променем при багаторазовому його проходженні через матеріал, що розділяється, за рахунок використання двох розташованих з протилежних сторін сферичних дзеркал, які з'єднують один з одним через діелектричнийматеріал у єдину систему за допомогою використання магніту чи електромагніту. Відстань між фокусами дзеркал змінюють залежно від товщини матеріалу, що розділяється шляхом переміщення нижнього дзеркала.
Цей винахід дозволяє у всьому діапазоні товщин матеріалу, що розрізається, наприклад скла товщиною 0,1-30 мм, отримувати високі точності різу до 50 мкм, висока якість (до 12 класу чистоти) поверхонь, що розділяються на всіх ділянках матеріалу, що розрізається, як в масиві, так і на краях.
Однак торці при цьому способі різання мають плоску поверхню та недостатньо притуплені грані, що вимагають додаткової обробки кромок.
Цей спосіб придатний тільки для різання плоского скла і вимагає складного електроустаткування.
Крім цього, конструкція пристрою має складну конфігурацію, необхідну для збереження точного юстування дзеркал при переміщенні ріжучої головки.
Метою пропонованого винаходу є:
- отримання в процесі лазерного різання скла з торцями, що мають у перерізі напівкруглу та/або ступінчасту форму та не мають гострих граней, що не потребує фацетування;
- Спрощення конструкції вузла різання.
Пропонований спосіб полягає в наступному (фіг. 1).
Скло (1) розділяють методом ЛУТ з використанням лазерного випромінювання, що слабо поглинається в матеріалі (2). На підібраній (регульованій) відстані під склом розташовують плоске дзеркало (3), яке відображає промінь, що частково пройшов через скло, назад в зону різання під деяким (регульованим) кутом по відношенню до напрямку падаючого випромінювання.
При цьому в зоні різання в результаті накладання двох пучків (прямого та відбитого), а також відведення тепла із зони підвищеної температури за рахунок теплопровідності скла, природноготеплообміну з навколишнім повітрям та примусового охолодження холодоагентом (6) виникає нерівномірний за обсягом розігрів матеріалу.
Розміри і конфігурацію зони нагріву формують шляхом регулювання кута падіння прямого променя на скло, що розділяється, а також кута падіння на скло променя, відбитого від дзеркала, яке може бути виконано з будь-якого добре відображає випромінювання лазера металу.
Необхідний профіль торця скла, що розділяється зазвичай являє собою ламану лінію (7).
Тип профілю торця виробу (опуклий або увігнутий) визначається асиметрією розташування зон нагріву та зон примусового охолодження щодо лінії різу.
При цьому опуклий торець пластини не має гострих кромок, що потребують додаткової операції фацетування.
Управління процесом різання (фіг. 2) при переміщенні променя лазера (А) вздовж лінії різання (С) здійснюють за допомогою зміни кута між падаючим променем лазера (А) і нормаллю (N) до точки падіння променя на поверхню скла (G), а також за рахунок нахилу площини падіння променя F на певний кут по осі (С), як показано на фіг. 2 (площина F'), одночасно керуючи напрямом поширення відбитого променя (В) шляхом повороту дзеркала (М) у двох площинах.
Плоске силікатне скло товщиною 6 мм піддають впливу випромінювання безперервного іттербієвого волоконного лазера з довжиною хвилі 1,07 мкм і гаусовим розподілом інтенсивності в пучку. Лазерний промінь направляють на скло під кутом 5° до нормалі поверхні скла у площині падіння (подовжній кут) і, крім того, був повертають на 2° відносно нормалі навколо осі, що збігається у напрямку з лінією різу (поперечний кут). Нижче скла, на відстані 3 мм, поміщають латунну пластину, яка відіграє роль дзеркала. Діаметр круглогоплями, що падає на скло променя, становить 4 мм, швидкість руху променя – 10 мм/сек, потужність випромінювання – 130 Вт. Холодоагент (повітряний потік) подають на відстані 5 мм слідом за лазерною плямою.
У процесі лазерного різання скло розділяють на дві частини, одна з яких має опуклу форму торця без гострих кромок (фіг. 3, 4), а інша відповідно увігнуту (фіг. 5, 6). Число площин на опуклому торці у різних умовах експерименту виходить рівним від 1 до 5. Процес різання відбувається без втрати матеріалу.
Міцність на поперечний вигин зразків скла, вирізаних таким способом (σ=9,8 кгс/мм 2 ), виявляється майже вдвічі вищою, ніж у зразків, вирізаних склорізом (σ=5,3 кгс/мм 2 ).
Приклад 2. Процес проводять за прикладом 1, за винятком того, що лазерний промінь, що падає на скло, направляють під кутом до нормалі до поверхні скла в площині падіння променя (подовжній кут) під кутом 15°, а поперечний кут становить 2 градуси. У цьому випадку кромка з боку падаючого променя виходить невеликий (0,5 мм), а з тильного боку кромка утворюється лише злегка притупленою, як це зазвичай буває при лазерному різанні скла методом лазерного керованого терморозколювання.
Приклад 3. Процес проводять за прикладом 1, за винятком того, що промінь падає на скло та відбивається дзеркалом перпендикулярно. При цьому в центрі опуклого торця утворюється невелика улоговинка, а фаски з обох боків досягають прийнятної величини
Приклад 4. Процес проводять за прикладом 1. Поздовжній кут становить 5 градусів, поперечний - 22 градуси. При цьому згори зразка утворюється слабка фаска, а знизу вона відсутня, що є негативним результатом.
Приклад 5. Процес проводився з прикладу 1.
Поздовжній кут - 22 градуси, поперечний - 2градуси. В результаті зверху зразка утворюється невелика фаска, а знизу фаска відсутня, що є негативним результатом.
Таким чином, запропоноване технічне рішення забезпечує лазерний поділ скла з отриманням торців опуклої форми без гострих кромок в єдиному циклі лазерного різання одним променем.
1. Патент 10-244386, B23K 26/00, 1998, Японія.
2. Патент СВ 2173186, МКІ С03В 21/02, пріор. Японія, 03.04.1985.
1. Спосіб лазерного різання скла шляхом його нагрівання сфокусованим променем лазера, площина падіння якого збігається з лінією різання, відображення частини випромінювання, що пройшло через скло, дзеркалом, розташованим під склом, що розрізається, і направлення його назад в зону дії падаючого променя, який відрізняється тим, що використовують плоске дзеркало, кут між падаючим на скло променем і нормаллю в точці падіння встановлюють в діапазоні 0,5-20°, а площину падіння променя нахиляють відносно нормалі до поверхні скла на кут від 0,5 до 20°, причому відбитий промінь направляють на нижню поверхню скла під кутом від 0 до 20 ° до нормалі в точці падіння відбитого променя.
2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що дзеркало розташовують на відстані 0,5-200 мм від поверхні скла.