RU2206528C2 - Method of cutting friable non-metallic materials (versions) - Google Patents
Method of cutting friable non-metallic materials (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2206528C2 RU2206528C2 RU2001122794/03A RU2001122794A RU2206528C2 RU 2206528 C2 RU2206528 C2 RU 2206528C2 RU 2001122794/03 A RU2001122794/03 A RU 2001122794/03A RU 2001122794 A RU2001122794 A RU 2001122794A RU 2206528 C2 RU2206528 C2 RU 2206528C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cutting
- notch
- elastic waves
- laser beam
- carried out
- Prior art date
Links
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 title claims abstract description 87
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 36
- 239000007769 metal material Substances 0.000 title claims abstract description 15
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 101
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 25
- 230000009471 action Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000002730 additional effect Effects 0.000 claims abstract description 3
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims abstract description 3
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 claims description 17
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 4
- 239000011521 glass Substances 0.000 abstract description 14
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 4
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 abstract description 2
- 238000003698 laser cutting Methods 0.000 abstract description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 2
- -1 monocrystals Substances 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 14
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 4
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 4
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 4
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 3
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 3
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 3
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005489 elastic deformation Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000010534 mechanism of action Effects 0.000 description 1
- 238000009527 percussion Methods 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 238000004227 thermal cracking Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P40/00—Technologies relating to the processing of minerals
- Y02P40/50—Glass production, e.g. reusing waste heat during processing or shaping
- Y02P40/57—Improving the yield, e-g- reduction of reject rates
Landscapes
- Re-Forming, After-Treatment, Cutting And Transporting Of Glass Products (AREA)
- Processing Of Stones Or Stones Resemblance Materials (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способам резки хрупких неметаллических материалов, в частности к способам лазерной резки таких материалов, как стекло, различные монокристаллы, например сапфир и кварц, все типы керамики, а также полупроводниковые материалы. The invention relates to methods for cutting brittle non-metallic materials, in particular to methods for laser cutting of materials such as glass, various single crystals, for example sapphire and quartz, all types of ceramics, as well as semiconductor materials.
Настоящее изобретение может быть использовано в различных областях техники для высокоточной и высокопроизводительной резки самого широкого класса материалов на заготовки и детали любых размеров, в том числе в электронной промышленности при изготовлении различных компонент из таких материалов, как сапфир, кремний, кварц, стекло. При этом резка может осуществляться как на всю толщину разрезаемого материала, так и на любую задаваемую глубину. The present invention can be used in various fields of technology for high-precision and high-performance cutting of a wide class of materials into workpieces and parts of any size, including in the electronics industry in the manufacture of various components from materials such as sapphire, silicon, quartz, glass. At the same time, cutting can be carried out both over the entire thickness of the material being cut, and at any given depth.
Известен способ резки хрупких неметаллических материалов, включающий предварительное нанесение короткой царапины по линии реза на краю пластины с помощью алмазного инструмента, нагрев линии реза лазерным эллиптическим пучком при относительном перемещении материала и пучка и локальное охлаждение зоны нагрева с помощью хладагента (см. WO 96/20062, PCT/RU94/00276, приор. 23.12.1994). Этот способ можно успешно использовать при резке листовых материалов как по прямолинейному контуру, так и по любому криволинейному контуру. Однако этот способ не позволяет осуществлять резку материала на заготовки малых размеров. Как правило, минимальный размер отрезаемой детали составляет от 3 до 5 величин толщины разрезаемого материала. При попытке отрезать более узкую часть материала происходит искривление линии реза за счет асимметричного распределения термических напряжений на краю пластины или неуправляемое растрескивание кромки материала. В то же время в настоящее время используется огромное количество деталей из материалов электронной техники с размерами, равными или значительно меньше толщины подложки. Кроме того, описанный способ не обеспечивает осуществлять высокопроизводительную сквозную резку материалов, а требует для окончательного разделения надрезанных частей материала осуществления дополнительной операции механического или другого метода докалывания материала. Однако эта операция не позволяет обеспечить стопроцентного высокого качества разрезаемых изделий, и, более того, она не применима при резке миниатюрных деталей. A known method of cutting brittle non-metallic materials, including the preliminary application of a short scratch along the cut line at the edge of the plate with a diamond tool, heating the cut line with a laser elliptical beam with relative movement of the material and the beam and local cooling of the heating zone using refrigerant (see WO 96/20062 , PCT / RU94 / 00276, prior 23.12.1994). This method can be successfully used when cutting sheet materials both along a straight contour and along any curved contour. However, this method does not allow the cutting of material into blanks of small sizes. As a rule, the minimum size of the cut part is from 3 to 5 values of the thickness of the cut material. When trying to cut off a narrower part of the material, the cut line is curved due to the asymmetric distribution of thermal stresses on the edge of the plate or uncontrolled cracking of the material edge. At the same time, a huge number of parts made of electronic equipment materials are currently being used with dimensions equal to or significantly less than the thickness of the substrate. In addition, the described method does not provide high-performance through cutting of materials, but requires for the final separation of the notched parts of the material to perform an additional operation of a mechanical or other method of piercing the material. However, this operation does not allow to ensure one hundred percent high quality of the cut products, and, moreover, it is not applicable when cutting miniature parts.
Известен также способ резки хрупких неметаллических материалов, используемый в установке для лазерной обработки хрупких материалов, включающий нагрев одной из поверхностей листа разрезаемого материала лазерным пучком, обеспечивающий образование разделяющей трещины, а также используется дополнительное механическое воздействие на противоположную поверхность листа (см. патент РФ 2139779, МКИ В 23 К 26/00, публ. 20.10.1999). There is also a method of cutting brittle non-metallic materials used in the installation for laser processing of brittle materials, including heating one of the surfaces of a sheet of material to be cut with a laser beam, which ensures the formation of a separating crack, and also uses additional mechanical action on the opposite surface of the sheet (see RF patent 2139779, MKI B 23 K 26/00, publ. 10/20/1999).
Однако этот способ не может обеспечить высококачественную резку материала на детали с малыми размерами. Кроме того, для данного способа характерна очень низкая производительность. Дело в том, что скорость сквозного лазерного термораскалывания определяется в основном теплопроводностью материала, которая весьма низка у стекла и других хрупких неметаллических материалов, для которых предназначен описанный способ резки. Поэтому такой способ резки не нашел широкого практического применения из-за чрезвычайно низкой производительности. Кроме того, качество и точность резки в данном способе резки является очень низкой. Дело в том, что в процессе перемещения листа стекла или другого хрупкого материала помимо постоянного значительного механического воздействия на поверхность материала подвижный шарик или любой другой ударный механизм наносит по противоположной поверхности материала периодические удары значительной интенсивности, зависящей от толщины и свойств разрезаемого материала. Это приводит к образованию обширной зоны деформаций самого материала. Сложение термических напряжений, возникающих в широкой зоне материала, подвергнутой нагреву лазерным пучком, с механическими напряжениями от постоянных нагрузок от механизма воздействия на поверхность и от периодических ударов шарика, деформирующих обширную зону материала, приводит к образованию результирующих разрушающих напряжений, управление которыми практически невозможно. Кроме того, в связи с большой зоной деформаций в этом процессе существенную роль на точность и качество резки начинает играть неоднородность материала, наличие остаточных напряженных зон и включений в самом материале, а также влияние граничных условий, то есть влияние краевых условий на термические и механические напряжения. Наконец, такой способ резки не позволяет осуществлять пересекающиеся резы. However, this method cannot provide high-quality cutting of material into small-sized parts. In addition, this method is characterized by a very low productivity. The fact is that the speed of through laser thermal cracking is determined mainly by the thermal conductivity of the material, which is very low for glass and other brittle non-metallic materials for which the described cutting method is intended. Therefore, this method of cutting did not find wide practical application due to extremely low productivity. In addition, the quality and accuracy of cutting in this method of cutting is very low. The fact is that in the process of moving a sheet of glass or other brittle material, in addition to constant significant mechanical impact on the surface of the material, a moving ball or any other percussion mechanism inflicts periodic impacts of significant intensity on the opposite surface of the material, depending on the thickness and properties of the material being cut. This leads to the formation of an extensive deformation zone of the material itself. The addition of thermal stresses arising in a wide area of the material subjected to heating by a laser beam, with mechanical stresses from constant loads from the mechanism of action on the surface and from periodic impacts of the ball, deforming a wide area of the material, leads to the formation of resulting breaking stresses, which are almost impossible to control. In addition, due to the large deformation zone, the heterogeneity of the material, the presence of residual stress zones and inclusions in the material itself, as well as the influence of boundary conditions, i.e. the influence of boundary conditions on thermal and mechanical stresses, begin to play a significant role in the accuracy and quality of cutting. . Finally, this cutting method does not allow intersecting cuts.
В основу настоящего изобретения положена задача повышения производительности и качества резки хрупких неметаллических материалов за счет возможности резки материалов на детали малых размеров, например с размерами, равными или менее толщины материала, за счет возможности осуществления сквозной и несквозной резки как в одном, так и в разных технологических циклах при равной скорости резки, а также за счет обеспечения возможности осуществления пересекающихся резов. The present invention is based on the task of increasing the productivity and quality of cutting brittle non-metallic materials due to the possibility of cutting materials into small parts, for example with dimensions equal to or less than the thickness of the material, due to the possibility of through and through cutting both in one and in different technological cycles at an equal cutting speed, as well as by ensuring the possibility of intersecting cuts.
Поставленная задача решается тем, что в способе резки хрупких неметаллических материалов, включающем нагрев материала по линии реза с помощью лазерного пучка и последующее охлаждение линии реза с помощью хладагента при относительном перемещении лазерного пучка с хладагентом и материала, отличительным является то, что для получения деталей малых размеров нагрев осуществляют по крайней мере двумя лазерными пучками, расположенными на поверхности материала на заданном расстоянии друг от друга в направлении, перпендикулярном направлению относительного перемещения лазерных пучков и материала. The problem is solved in that in the method of cutting brittle non-metallic materials, including heating the material along the cut line with a laser beam and subsequent cooling of the cut line with a coolant with the relative movement of the laser beam with refrigerant and material, it is distinguishing that to obtain small parts of sizes of heating is carried out by at least two laser beams located on the surface of the material at a predetermined distance from each other in a direction perpendicular to the direction relative movement of laser beams and material.
Кроме того, осуществляют резку в первом цикле с шагом, заданным расстоянием между пучками, а последующие циклы резки осуществляют с двукратным уменьшением смещения шага резки. In addition, they carry out cutting in the first cycle with a step specified by the distance between the beams, and subsequent cutting cycles are carried out with a twofold decrease in the offset of the cutting step.
Для повышения эффективности процесса резки хрупких неметаллических материалов лазерные пучки формируют на поверхности материала вытянутыми в направлении относительного перемещения лазерных пучков и материала. To increase the efficiency of the cutting process of brittle non-metallic materials, laser beams are formed on the surface of the material elongated in the direction of relative movement of the laser beams and material.
Поставленная задача решается также тем, что в способе резки хрупких неметаллических материалов, включающем нагрев поверхности материала по линии реза с помощью лазерного пучка и дополнительное воздействие на поверхность материала, отличительным является то, что для получения деталей малых размеров осуществляют по крайней мере два несквозных надреза материала, при этом поверхность материала нагревают по крайней мере двумя лазерными пучками, расположенными на поверхности материала на заданном расстоянии друг от друга в направлении, перпендикулярном направлению относительного перемещения лазерных пучков и материала, после нагрева поверхности материала охлаждают зоны нагрева с помощью хладагента, а дополнительное воздействие на поверхность материала осуществляют в зоне нанесения надреза по крайней мере одним источником упругих волн, при этом упругие волны концентрируют в объеме материала в зоне надреза по линии реза, а амплитуду и частоту упругих волн выбирают из условия углубления надреза на заданную глубину или сквозной резки. The problem is also solved by the fact that in the method of cutting brittle non-metallic materials, including heating the surface of the material along the cut line with a laser beam and additional exposure to the surface of the material, it is distinctive that at least two non-through cuts of the material are made to obtain small dimensions while the surface of the material is heated by at least two laser beams located on the surface of the material at a given distance from each other in the direction perpendicular to the direction of the relative movement of the laser beams and the material, after heating the surface of the material, the heating zones are cooled with the help of a refrigerant, and an additional effect on the surface of the material is carried out in the notched zone by at least one source of elastic waves, while the elastic waves are concentrated in the volume of the material in the notched zone along the cut line, and the amplitude and frequency of the elastic waves are selected from the condition of deepening the notch to a given depth or through cutting.
При этом воздействие упругих волн может быть осуществлено после завершения процесса нанесения надреза, то есть углубление надреза или сквозная резка могут осуществляться одновременно с нанесением надреза в одном технологическом цикле, но могут осуществляться и в двух независимых циклах. In this case, the action of elastic waves can be carried out after the completion of the notching process, that is, the notch deepening or through cutting can be carried out simultaneously with the notching in one technological cycle, but can be carried out in two independent cycles.
В ряде случаев целесообразно осуществлять воздействие источника упругих волн только в заданных зонах материала по линии реза. Это позволяет в процессе резки по одной линии реза осуществлять чередование сквозных резов с несквозными резами на заданную глубину. In some cases, it is advisable to effect the source of elastic waves only in predetermined zones of the material along the cut line. This allows the process of cutting along one cutting line to alternate through cuts with non-through cuts to a given depth.
В ряде случае одновременно концентрируют две упругие волны со стороны нанесения надреза вслед за лазерным пучком и хладагентом по обе стороны относительно линии надреза. Например, это целесообразно делать в тех случаях, когда размещение волновода и концентратора упругой волны с противоположной поверхности материала затруднено или не представляется возможным. In a number of cases, two elastic waves are simultaneously concentrated from the side of the notch following the laser beam and the refrigerant on both sides relative to the notch line. For example, it is advisable to do this in cases where the placement of the waveguide and the elastic wave concentrator from the opposite surface of the material is difficult or not possible.
Для повышения эффективности резки материала большой толщины одновременно концентрируют упругую волну в объеме материала в зоне надреза, воздействуя концентратором упругой волны на противоположную поверхность материала в зоне, расположенной между зон воздействия двух других упругих волн, концентрируемых со стороны воздействия лазерного пучка. To increase the efficiency of cutting material of large thickness, the elastic wave is simultaneously concentrated in the bulk of the material in the incision zone, acting by the elastic wave concentrator on the opposite surface of the material in the zone located between the zones of influence of two other elastic waves concentrated from the side of the laser beam.
Иногда помимо упругой волны в объеме материала с помощью волновода и концентратора охлаждают поверхность материала по линии реза. Sometimes, in addition to an elastic wave in the bulk of the material, the surface of the material is cut along the cut line using a waveguide and a concentrator.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:
- фиг.1 - схема сквозной резки материала с помощью двух лазерных пучков и хладагента;
- фиг.2 - схема последовательности циклов резки пластины двумя параллельными пучками;
- фиг. 3 - схема сквозной резки материала двумя лазерными пучками с применением хладагента;
- фиг.4 - схема сквозной резки с применением двух лазерных пучков и двух концентраторов упругих волн: а - вид сбоку; б - вид спереди (сечение);
- фиг.5 - схема сквозной резки с применением трех концентраторов упругих волн, расположенных со стороны воздействия двух лазерных пучков и хладагента;
- фиг. 6 - схема проведения в одном цикле несквозных и сквозных резов и сквозных пересекающихся резов.The invention is illustrated by drawings, on which:
- figure 1 - diagram of the through cutting of the material using two laser beams and a refrigerant;
- figure 2 is a sequence diagram of the cycles of cutting a plate with two parallel beams;
- FIG. 3 is a diagram of through cutting of material with two laser beams using refrigerant;
- figure 4 is a through cutting scheme using two laser beams and two elastic wave concentrators: a is a side view; b - front view (section);
- Fig. 5 is a through cutting diagram using three elastic wave concentrators located on the side of the action of two laser beams and a refrigerant;
- FIG. 6 is a diagram of conducting through and through cuts and through intersecting cuts in one cycle.
Способ резки хрупких неметаллических материалов за счет осуществления нагрева поверхности с помощью двух или более пучков и охлаждения зон нагрева с помощью хладагента заключается в следующем. The method of cutting brittle non-metallic materials by heating the surface using two or more beams and cooling the heating zones using a refrigerant is as follows.
При нагреве поверхности пластины хрупкого неметаллического материала 1 с помощью двух лазерных пучков 2 и 3 в зонах нагрева возникают значительные напряжения сжатия, которые при подаче хладагента 4 меняют свой знак на противоположный, то есть превращаются в растягивающие напряжения, которые приводят к образованию разделяющих трещин 5 и 6 (фиг.1). В зависимости от типа материала, его толщины и от режимов резки трещины могут быть сквозными, как показано на фиг.1, но могут быть и несквозными, а распространяться на некоторую глубину. На фиг.1 показан один из многочисленно возможных вариантов формирования двух или более пучков с помощью оптического клина (призмы) 7 и цилиндрической или сферическо-цилиндрической линзы 8. При одновременном нагреве материала двумя параллельными пучками 2 и 3 в материале в зонах нагрева возникают две симметричные зоны распределения напряжений сжатия. После резкого охлаждения зон нагрева хладагентом 4 в материале возникают две симметричные зоны напряжений растяжения, между которыми расположена зона напряжений сжатия, которая препятствует соединению трещин 5 и 6 между собой. When heating the surface of a plate of brittle
Для осуществления резки материала на более узкие полоски необходимо проводить резку в несколько последовательных циклов. В первом цикле резки каждый последующий рез I', I'', I''' осуществляют с шагом, равным расстоянию между пучками 5 и 6 или расстоянию между трещинами 5I' и 6I' (фиг.2). Во втором цикле резки производят смещение относительно первого реза на шаг, в два раза меньше первого шага, то есть на половину расстояния между пучками, и производят каждый последующий рез II', II'' с шагом, равным расстоянию между пучками 5 и 6. В случае необходимости получения еще более узких резов в третьем цикле резки производят смещение относительно первого реза на шаг, в два раза меньше второго шага, или в четыре раза меньше расстояния между пучками, и производят каждый последующий рез III', III'' с шагом, равным расстоянию между пучками 5 и 6. Такой прием позволяет осуществлять высококачественную резку очень малогабаритных деталей за счет симметричного распределения термических напряжений относительно уже полученных трещин. В случае необходимости получения миниатюрных квадратных или прямоугольных деталей после завершения резки в одном направлении пластину 1 поворачивают на 90o и повторяют процесс резки.For cutting material into narrower strips, it is necessary to carry out cutting in several consecutive cycles. In the first cutting cycle, each subsequent cut I ', I'',I''' is carried out with a step equal to the distance between the
Как уже отмечалось выше, резка материалов в соответствии с предлагаемым изобретением может осуществляться насквозь или на некоторую глубину материала. Для тонких материалов толщиной от 0,05 до 0,5 мм характерна сквозная резка. Для более толстых материалов получение сквозной резки с высокой скоростью резки и с высоким качеством трещины весьма проблематично. Поэтому здесь предпочтительнее осуществлять несквозные надрезы 5 и 6 в материале 1 за счет нагрева поверхности материала лазерными пучками 2 и 3 и охлаждения зон нагрева хладагентом 4 (фиг.3). Последующее углубление надреза на заданную глубину или насквозь может быть осуществлено за счет концентрации упругой волны в объеме материала в зоне надреза (фиг.4). Здесь на фиг.4а и фиг.4б показана схема углубления несквозных надрезов 5 и 6 на всю толщину материала 1. As already noted above, cutting of materials in accordance with the invention can be carried out through or to a certain depth of material. Thin materials with a thickness of 0.05 to 0.5 mm are characterized by through cutting. For thicker materials, cutting through with high cutting speed and high crack quality is very problematic. Therefore, it is preferable here to make through
Следует сразу подчеркнуть, что в этом способе практически отсутствует какое-либо заметное механическое воздействие на поверхность материала. При этом в зависимости от условий воздействия упругой волны (амплитуды и частоты колебаний), связанных с основными параметрами нанесения надреза: скоростью и глубиной надреза, можно легко осуществить углубленный рез на заданную глубину вплоть до сквозного реза. It should immediately be emphasized that in this method there is practically no noticeable mechanical effect on the surface of the material. Moreover, depending on the conditions of the elastic wave (amplitude and frequency of oscillations) associated with the main parameters of the notch: the speed and depth of the notch, it is easy to carry out an in-depth cut to a predetermined depth up to a through cut.
Рассмотрим основные физические принципы образования и распространения упругой волны в твердом упругом теле и условия углубления надреза вплоть до сквозного реза за счет воздействия упругой волны в зоне надреза. Let us consider the basic physical principles of the formation and propagation of an elastic wave in a solid elastic body and the conditions for deepening a notch up to a through cut due to the action of an elastic wave in the notch zone.
При распространении упругой волны в твердом теле возникают механические деформации сжатия (растяжения) и сдвига, которые переносятся волной из одной точки материала в другую. При этом имеет место перенос энергии упругой деформации в объеме твердого тела. Упругая волна характеризуется амплитудой и направлением колебаний, переменным механическим напряжением и деформацией, частотой колебаний, длиной волны, фазовой и групповой скоростями, а также законом распределения смещений и напряжений по фронту волны. Эти параметры следует учитывать для определения оптимальных условий углубления надреза, а именно концентрации упругой волны в объеме материала в зоне надреза. When an elastic wave propagates in a solid, mechanical compression (tension) and shear deformations arise, which are transferred by the wave from one point of the material to another. In this case, the energy of elastic deformation is transferred in the bulk of the solid. An elastic wave is characterized by the amplitude and direction of oscillations, alternating mechanical stress and deformation, oscillation frequency, wavelength, phase and group velocities, as well as the law of distribution of displacements and stresses along the wave front. These parameters should be taken into account to determine the optimal conditions for the notch deepening, namely, the concentration of the elastic wave in the volume of the material in the notch zone.
Для передачи упругой волны от его источника к зоне надреза можно использовать акустические волноводы. Например, в пластине или стержне, представляющими собой твердые акустические волноводы, могут распространяться волны, представляющие собой комбинации продольных и сдвиговых волн, распространяющихся под острыми углами к оси волновода и удовлетворяющих граничным условиям: отсутствию механических напряжений на поверхности волновода. Волновод должен заканчиваться концентратором, обеспечивающим концентрацию упругой волны в определенной зоне объема материала. To transmit an elastic wave from its source to the notch zone, acoustic waveguides can be used. For example, waves that are combinations of longitudinal and shear waves propagating at sharp angles to the axis of the waveguide and satisfying the boundary conditions: the absence of mechanical stresses on the surface of the waveguide can propagate in a plate or rod, which are solid acoustic waveguides. The waveguide should end with a concentrator, providing the concentration of the elastic wave in a certain area of the material volume.
Очень серьезным преимуществом предлагаемого изобретения является возможность воздействия упругой волны только в заданных зонах линии надреза, что позволяет в одном цикле резки чередовать несквозной надрез и сквозной рез. Один из примеров такой резки показан на фиг.6, где в одном цикле начало и завершение резки производят с помощью несквозного надреза, то есть без углубляющего воздействия упругой волны, а остальную часть резки осуществляют насквозь с образованием сквозной трещины. Во-первых, этот прием позволяет осуществлять сквозные пересекающиеся резы без ухудшения качества резки в местах пересечений и без применения дополнительных насечек в местах пересечений. Во-вторых, это позволяет обеспечивать высокую точность и качество резки, так как до полного завершения резки всей пластины на отдельные. A very serious advantage of the invention is the possibility of exposure to an elastic wave only in predetermined areas of the notch line, which allows alternating through and through notches in one cutting cycle. One example of such cutting is shown in FIG. 6, where in one cycle the start and end of cutting is done through a continuous cut, that is, without a deepening effect of an elastic wave, and the rest of the cutting is done through with the formation of a through crack. Firstly, this technique allows you to make through intersecting cuts without compromising the quality of cutting at the intersections and without the use of additional notches at the intersections. Secondly, this allows for high accuracy and quality of cutting, since until the complete completion of cutting the entire plate into separate ones.
В ряде случаев размещение волновода и концентратора упругой волны с противоположной поверхности материала затруднено или не представляется возможным. В таких случаях одновременно концентрируют с помощью трех волноводов 16, 18 и 20 и трех концентраторов 17, 19 и 21 три упругие волны со стороны воздействия двух лазерных пучков 2 и 3 по обе стороны от линий надрезов 5 и 6 (фиг. 5). В этом случае надрезы 5 и 6 осуществляются за счет напряжений растяжения, которые возникают в зонах подачи хладагента 4. Дополнительное воздействие трех концентраторов упругой волны по обе стороны от линии надреза создают дополнительные растягивающие объемные напряжения, которые приводят к углублению надреза или к сквозным резам 12 и 13. In some cases, the placement of the waveguide and the elastic wave concentrator from the opposite surface of the material is difficult or not possible. In such cases, three elastic waves are simultaneously concentrated using three
Диапазон частот упругих волн, которые могут обеспечить углубление надреза, может быть чрезвычайно широким: от нескольких Гц до высокочастотных колебаний. В качестве источников упругой волны могут быть использованы самые различные варианты. При этом источник упругой волны может быть расположен как со стороны надреза, так и с противоположной поверхности, в зависимости от типа используемого источника упругой волны и конструктивных особенностей используемого оборудования. The frequency range of elastic waves, which can provide a deepening of the notch, can be extremely wide: from a few Hz to high-frequency oscillations. As sources of elastic waves can be used in a variety of options. In this case, the source of the elastic wave can be located both from the notch side and from the opposite surface, depending on the type of source of the elastic wave used and the design features of the equipment used.
Ниже приведены конкретные примеры резки различных хрупких неметаллических материалов в соответствии с предлагаемым изобретением. The following are specific examples of cutting various brittle non-metallic materials in accordance with the invention.
Пример 1. В качестве материала для резки использовалась пластина из сапфира толщиной 0,1 мм. Для резки был использован СО2-лазер с длиной волны 10,6 мкм и мощностью 75 Вт. С помощью специальной оптической системы, состоящей из сферическо-цилиндрической линзы и оптического клина (пирамиды), лазерный пучок формировался на поверхности сапфировой подложки в виде двух вытянутых в направлении резки пучков длиной около 4,5 мм на расстоянии 1,2 мм друг относительно друга. В качестве хладагента была использована струя сжатого увлажненного газа, подаваемого с помощью форсунки в зоны нагрева. Скорость сквозной резки составила 200 мм/сек. После осуществления каждой очередной пары резов координатный стол с закрепленной на нем пластиной смещался на 1,2 мм. После завершения первого цикла резки координатный стол смещался относительно уже полученного реза на 0,6 мм и цикл резки повторялся с каждым последующим смещением координатного стола с пластиной на 1,2 мм. Таким образом, после завершения второго цикла резки пластина была порезана на плоски шириной 0,6 мм. После этого координатный стол с пластиной производил разворот на 90o, и циклы резки повторялись.Example 1. As a material for cutting, a sapphire plate 0.1 mm thick was used. For cutting, a CO 2 laser with a wavelength of 10.6 μm and a power of 75 W was used. Using a special optical system consisting of a spherical-cylindrical lens and an optical wedge (pyramid), a laser beam was formed on the surface of the sapphire substrate in the form of two beams elongated in the direction of cutting about 4.5 mm long at a distance of 1.2 mm from each other. As a refrigerant, a stream of compressed humidified gas supplied by a nozzle to the heating zones was used. Through cutting speed was 200 mm / s. After each successive pair of cuts, the coordinate table with the plate fixed on it shifted by 1.2 mm. After the completion of the first cutting cycle, the coordinate table was shifted relative to the already obtained cut by 0.6 mm and the cutting cycle was repeated with each subsequent shift of the coordinate table with the plate by 1.2 mm. Thus, after the completion of the second cutting cycle, the plate was cut into planes 0.6 mm wide. After that, the coordinate table with the plate made a 90 ° turn, and the cutting cycles were repeated.
Пример 2. В качестве материала для резки использовалась стеклянная пластина толщиной 1,1 м. Для нанесения надрезов был использован СO2-лазер мощностью 100 Вт. С помощью оптической системы лазерный пучок формировался на поверхности стекла в виде двух эллиптических пучков, вытянутых в направлении резки, длиной около 14 мм на расстоянии 2 мм друг относительно друга. В качестве хладагента была использована струя сжатого увлажненного газа, подаваемого с помощью форсунки в зоны нагрева. При скорости 400 мм/сек в стекле наносились два надреза на расстоянии 2 мм друг от друга глубиной 0,08 мм. Одновременно на противоположную поверхность стекла воздействовали с помощью двух концентраторов упругой волны, размещенных строго против линий надреза. На торец волновода воздействовали ударником с силой 75 гс и частотой 200 Гц, который формировали упругую волну деформаций в концентраторах. Это обеспечивало углубление надреза на всю глубину стекла. После завершения резки стеклянной пластины с шагом 2 мм продолжали резку со смещением относительно первого реза на 1 мм, что обеспечило получение полосок стекла шириной 1 мм. Далее произвели смещение пластины на величину 0,5 мм и продолжали резку с шагом 2 мм. Это обеспечило получение полосок стекла шириной 0,5 мм. После завершения резки в одном направлении стеклянную пластину разворачивали на 90o, после чего цикл резки повторяли.Example 2. As a material for cutting, a glass plate 1.1 m thick was used. A 100 W CO 2 laser was used for cutting. Using an optical system, a laser beam was formed on the glass surface in the form of two elliptical beams elongated in the cutting direction, about 14 mm long at a distance of 2 mm from each other. As a refrigerant, a stream of compressed humidified gas supplied by a nozzle to the heating zones was used. At a speed of 400 mm / s, two cuts were applied in the glass at a distance of 2 mm from each other with a depth of 0.08 mm. At the same time, the opposite surface of the glass was impacted by two elastic wave concentrators placed strictly opposite the notch lines. The waveguide end was impacted by a striker with a force of 75 gf and a frequency of 200 Hz, which formed an elastic strain wave in the concentrators. This provided a deepening of the incision to the entire depth of the glass. After the cutting of the glass plate with a step of 2 mm was completed, the cutting was continued with an offset of 1 mm relative to the first cut, which ensured the production of
При этом поскольку резка осуществляется насквозь и, следовательно, отпадает необходимость в проведении дополнительного разламывания заготовки на вырезанные элементы, то качество и точность полученных деталей значительно возрастают по сравнению с любыми известными способами резки. Moreover, since cutting is carried out through and therefore, there is no need to carry out additional breaking of the workpiece into cut elements, the quality and accuracy of the parts obtained significantly increase in comparison with any known cutting methods.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001122794/03A RU2206528C2 (en) | 2001-08-15 | 2001-08-15 | Method of cutting friable non-metallic materials (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001122794/03A RU2206528C2 (en) | 2001-08-15 | 2001-08-15 | Method of cutting friable non-metallic materials (versions) |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2001122794A RU2001122794A (en) | 2003-06-20 |
| RU2206528C2 true RU2206528C2 (en) | 2003-06-20 |
Family
ID=29210232
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2001122794/03A RU2206528C2 (en) | 2001-08-15 | 2001-08-15 | Method of cutting friable non-metallic materials (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2206528C2 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2342333C2 (en) * | 2006-04-18 | 2008-12-27 | Учреждение образования "Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины" | Method for separation of brittle non-metal materials under effect of thermoelastic strains |
| RU2354616C2 (en) * | 2004-10-01 | 2009-05-10 | Мицубоси Даймонд Индастриал Ко., Лтд. | Method for scribing of brittle material and device for scribing |
| RU2404931C1 (en) * | 2009-08-28 | 2010-11-27 | Владимир Степанович Кондратенко | Method of cutting plates from fragile materials |
| RU2479496C2 (en) * | 2011-03-25 | 2013-04-20 | Учреждение образования "Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины" | Method of separating fragile nonmetallic materials by thermo elastic strain |
| RU2730359C1 (en) * | 2019-09-25 | 2020-08-21 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва" | Method of multi-position laser cutting using diffraction optical elements |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5237150A (en) * | 1990-01-19 | 1993-08-17 | Fanuc Ltd. | Method of cutting workpiece with laser beam |
| WO1993020015A1 (en) * | 1992-04-02 | 1993-10-14 | Fonon Technology Limited | Splitting of non-metallic materials |
| RU2139779C1 (en) * | 1998-08-17 | 1999-10-20 | Закрытое акционерное общество "ТехноЛазер" | Installation for laser treatment of brittle materials |
-
2001
- 2001-08-15 RU RU2001122794/03A patent/RU2206528C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5237150A (en) * | 1990-01-19 | 1993-08-17 | Fanuc Ltd. | Method of cutting workpiece with laser beam |
| WO1993020015A1 (en) * | 1992-04-02 | 1993-10-14 | Fonon Technology Limited | Splitting of non-metallic materials |
| RU2139779C1 (en) * | 1998-08-17 | 1999-10-20 | Закрытое акционерное общество "ТехноЛазер" | Installation for laser treatment of brittle materials |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2354616C2 (en) * | 2004-10-01 | 2009-05-10 | Мицубоси Даймонд Индастриал Ко., Лтд. | Method for scribing of brittle material and device for scribing |
| RU2342333C2 (en) * | 2006-04-18 | 2008-12-27 | Учреждение образования "Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины" | Method for separation of brittle non-metal materials under effect of thermoelastic strains |
| RU2404931C1 (en) * | 2009-08-28 | 2010-11-27 | Владимир Степанович Кондратенко | Method of cutting plates from fragile materials |
| RU2479496C2 (en) * | 2011-03-25 | 2013-04-20 | Учреждение образования "Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины" | Method of separating fragile nonmetallic materials by thermo elastic strain |
| RU2730359C1 (en) * | 2019-09-25 | 2020-08-21 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва" | Method of multi-position laser cutting using diffraction optical elements |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2206525C2 (en) | Method of cutting friable non-metallic materials | |
| US6653210B2 (en) | Method and apparatus for cutting a non-metallic substrate using a laser beam | |
| CN1196562C (en) | Method and apparatus for cutting nonmetallic substrate by laser beam | |
| US8497451B2 (en) | Brittle nonmetallic workpiece and method and device for making same | |
| US20070039990A1 (en) | Impact induced crack propagation in a brittle material | |
| Deng et al. | Study on mechanics and key technologies of laser nondestructive mirror-separation for KDP crystal | |
| CN102741179A (en) | Methods for laser scribing and separating glass substrates | |
| KR20020047479A (en) | Laser cutting method for non-metallic materials | |
| KR100845391B1 (en) | Cutting of fragile nonmetallic materials (two variants) | |
| RU2206528C2 (en) | Method of cutting friable non-metallic materials (versions) | |
| JPS62112385A (en) | Selective etching of piezoelectric material | |
| JP2004155159A (en) | Cutting-off equipment and cutting-off method | |
| JPH10291084A (en) | Laser machining method for brittle material and its device | |
| Cheng et al. | Laser beam induced thermal-crack propagation for asymmetric linear cutting of silicon wafer | |
| JPH07328781A (en) | Cleaving method for brittle materials | |
| Huang et al. | The laser ablation model development of glass substrate cutting assisted with the thermal fracture and ultrasonic mechanisms | |
| JP2008168304A (en) | Laser cutting method | |
| RU2206527C2 (en) | Method of cutting friable non-metallic materials (versions) | |
| RU2206526C2 (en) | Method of cutting friable non-metallic materials | |
| RU2238918C2 (en) | Method for cutting of frangible non-metallic materials | |
| Chen et al. | Tensile strength and crack tip stress distribution of modified glass in the composite laser beam separation | |
| JP2001026435A (en) | Scribing/breaking method of hard brittle plate | |
| Gaudiuso et al. | Single-pass direct laser cutting of quartz by IR femtosecond pulses | |
| Miyashita et al. | Study on a controlling method for crack nucleation and propagation behavior in laser cutting of glass | |
| RU2237622C2 (en) | Method for cutting of frangible non-metallic materials |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120816 |