[go: up one dir, main page]

RU2688656C1 - Способ резки хрупких неметаллических материалов - Google Patents

Способ резки хрупких неметаллических материалов Download PDF

Info

Publication number
RU2688656C1
RU2688656C1 RU2018124659A RU2018124659A RU2688656C1 RU 2688656 C1 RU2688656 C1 RU 2688656C1 RU 2018124659 A RU2018124659 A RU 2018124659A RU 2018124659 A RU2018124659 A RU 2018124659A RU 2688656 C1 RU2688656 C1 RU 2688656C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cutting
radiation
total
laser
wavelengths
Prior art date
Application number
RU2018124659A
Other languages
English (en)
Inventor
Владимир Юрьевич Юрин
Алексей Семенович Шумейко
Анатолий Николаевич Солдатов
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательское предприятие Лазерные технологии"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательское предприятие Лазерные технологии" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательское предприятие Лазерные технологии"
Priority to RU2018124659A priority Critical patent/RU2688656C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2688656C1 publication Critical patent/RU2688656C1/ru

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03BMANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B33/00Severing cooled glass
    • C03B33/09Severing cooled glass by thermal shock
    • C03B33/091Severing cooled glass by thermal shock using at least one focussed radiation beam, e.g. laser beam
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/067Dividing the beam into multiple beams, e.g. multifocusing

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Re-Forming, After-Treatment, Cutting And Transporting Of Glass Products (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

Изобретение относится к способам резки неметаллических хрупких материалов, преимущественно стекла, кварца и сапфира, и может использоваться при производстве смартфонов и любых других устройств с сенсорными панелями, при изготовлении приборов электротехники и микроэлектроники. Способ резки хрупких неметаллических материалов включает локальное воздействие на линии реза пучком излучения импульсно-периодического лазера, при этом варьируют энергию, воздействуя излучением ближнего и среднего ИК диапазона спектра с длительностью суммарного импульса 60-100 *10-9 с, следующего с частотой от 14 до 20 кГц и энергией в импульсе от 0,35 мДж до 0,7 мДж, при средней суммарной мощности излучения на всех длинах волн 5-10 Вт. Воздействуют пучком импульсного лазера с одновременной генерацией на 8 длинах волн в ИК диапазоне спектра соответственно 1,03; 1,09; 2,6; 2,69; 2,92; 3,01; 3,06; 6,45 мкм. Для осуществления криволинейной резки сначала задают контур фигуры сфокусированным лазерным излучением с диаметром фокального пятна 60-100 мкм и суммарной мощностью излучения ниже 5 Вт, с последующим осуществлением дополнительного прохода с увеличенным диаметром фокального пятна до 500 мкм, суммарной мощности излучения 7-10 Вт. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к способам обработки материалов, в частности к способам резки неметаллических хрупких материалов, преимущественно стекла, кварца и сапфира. И может использоваться при производстве смартфонов и любых других устройств с сенсорными панелями, при изготовлении приборов электротехники и микроэлектроники.
Известно изобретение, которое относится к способам обработки материалов (патент РФ 2024441, С03В 33/02, опубл. 15.12.1994 г.) и может быть использовано в автомобилестроении при изготовлении стекол и зеркал, в электронной промышленности при вырезке прецизионных подложек для жидкокристаллических индикаторов и фотошаблонов, магнитных и магнитооптических дисков.
Сущность: нагрев осуществляют до температуры, не превышающей температуру размягчения материала, а скорость относительно перемещения пучка и материала и место локального охлаждения зоны нагрева выбирают из условия образования в материале несквозной разделяющей трещины. Недостатком аналога является недостаточно высокое качество реза, поскольку из-за использования алмазной пирамидки для создания первоначального микродефекта и микродефекта пересечения поперечного, уже созданного скола на поверхности материала падают осколки этого материала.
Известен способ резки хрупких неметаллических материалов, включающий нагрев поверхности материала по линии реза с помощью лазерного пучка и дополнительное воздействие на поверхность материала (патент РФ 2238918, С03В 33/09, опубл. 27.0.2004 г.) В зоне нагрева лазерным пучком осуществляют несквозной надрез материала по линии реза. Дополнительное воздействие на поверхность материала осуществляют в зоне нанесения надреза по крайней мере одним источником упругих волн, в качестве которого используют импульсное лазерное излучение, для которого материал непрозрачен, при этом амплитуду и частоту упругих волн выбирают из условия углубления надреза на заданную глубину или сквозной резки. При резке некоторых материалов целесообразно после нагрева поверхности материала по линии реза лазерным пучком дополнительно охлаждать зону нагрева с помощью хладагента, при этом упругие волны воздействуют в зоне воздействия хладагента.
Недостатком аналога является недостаточно высокое качество реза, так как при использовании лазерного излучения в качестве источника упругих волн, с большой долей вероятности, на поверхности материала, вдоль лини реза, могут возникнуть поперечные микротрещины, которые влияют на прочность готового изделия.
Известен способ резки хрупких материалов (Патент 2617482, С03В 33/09, опубл. 25.04.2017 г.). Способ включает нагрев поверхности материала по линии реза с помощью лазерного пучка, создание несквозного надреза материала по линии реза, дополнительное воздействие на поверхность материала в зоне нанесения надреза упругими волнами, охлаждение зоны нагрева поверхности материала с помощью хладагента, при этом упругими волнами воздействуют на поверхность материала в зоне действия хладагента. Дополнительное воздействие на поверхность материала осуществляют не менее чем двумя источниками упругих волн, которые располагают с противоположных боковых сторон материала поперек линии реза, при этом получают упругие волны, амплитуду и частоту которых выбирают из условия формирования в материале зоны стоячей упругой волны с периодическим изменением механических напряжений, совмещенной с зоной нагрева, для углубления надреза на заданную глубину или сквозной резки. Зону нагрева формируют импульсным лазерным пучком, а зоны стоячей упругой волны совмещают со сформированной зоной нагрева, причем максимальную интенсивность излучения лазера совмещают с временем максимального разряжения механических напряжений. Дополнительно можно сформировать несколько зон нагрева импульсным лазерным пучком для создания дополнительных линий реза.
Недостатком данного метода является необходимость дополнительного создания напряжений в стекле путем механического воздействия упругими волнами, что влечет за собой сразу несколько негативных последствий. Во-первых, упругими волнами воздействуют поперек лини реза, что делает абсолютно невозможным осуществлять криволинейную резку. Во-вторых, при формировании дополнительных зон нагрева, упругие волны могут вызвать скос трещины с одной линии реза на другую, что приводить к браку изделия.
Известен способ резки неметаллических материалов, преимущественно стекла, и применимо в автомобилестроении для изготовления стекол и зеркал, в электронной промышленности, а также в других областях техники(патент 2371397, С03В 33/09, опубл. 27.10.2009 г.), выбранный в качестве прототипа. Способ резки включает локальное воздействие на линии реза пучком излучения лазера инфракрасного излучения, охлаждение участка на линии реза хладагентом. Локальное воздействие на линии реза осуществляют пучком излучения импульсно-периодического лазера среднего ИК диапазона, варьируют энергию и длительность излучения. Сначала в материале создают микродефект импульсами излучения с длительностью от 10-4 до 10-3 и энергией от 0,01 до 10 Дж, следующими с частотой не более 5 Гц. Затем микродефект преобразуют в управляемую трещину путем увеличения частоты следования импульсов до значения (1-50) кГц при средней мощности от 10 до 300 Вт. Устройство для резки хрупких неметаллических материалов содержит ПК лазер, излучение которого фокусируется на поверхности стекла в эллиптическое пятно, механизм подачи хладагента. Устройство содержит также импульсный ИК лазер, вакуумный присос, обеспечивающий плоскостность поверхности стекла. Для перемещения стекла по любому контуру служит двухкоординатный стол на воздушном подвесе с шаговым двигателем.
Недостатком настоящего изобретения является необходимость создания предварительного микродефекта, причем последующее преобразование микродефекта в трещину, возможно только по заданному контуру, и не является управляемым. Помимо этого, эллиптическое фокальное пятно является преградой для создания криволинейного реза, для осуществления которого необходимо вводить третью координату - поворот стола вокруг своей оси, а в данном патенте это не предусмотрено. А также использование хладагента, необходимое в данном случае для создания напряжений растяжения, замедляет и усложняет процесс резки.
Задачей настоящего изобретения является увеличение качества резки, за счет использования многоволнового излучения, проникающего на разную толщину обрабатываемого материала. Снижение количества элементов и комплектующих, а также уменьшение необходимой, для осуществления резки, мощности лазерного излучения.
Поставленная задача решается тем, что заявленный способ резки хрупких неметаллических материалов, включает локальное воздействие на линии реза пучком излучения лазера ближнего переднего инфракрасного излучения. Но в отличие от прототипа, локальное воздействие на линии реза осуществляют пучком излучения импульсно-периодического лазера ближнего и среднего инфракрасного диапазона с длительностью суммарного импульса 60-100*10-9 м, следующих с частотой от 14 до 20 кГц. и энергией в импульсе от 0,35 мДж до 0,7 мДж., при средней суммарной мощности излучения на всех длинах волн 5-10 Вт. В заявленном способе воздействуют пучком импульсного лазера с одновременной генерацией на 8 длинах волн в ИК диапазоне спектра соответственно 1,03;1.09;2.6;2.69;2.92;3.01;3.06;6.45 мкм
Для осуществления криволинейной резки, сначала задают контур фигуры сфокусированным лазерным излучением с диаметром фокального пятна 60-100 мкм, и суммарной мощностью излучения ниже 5 Вт., с последующим осуществлением дополнительный прохода с увеличенным диаметром фокального пятна до 500 мкм, суммарной мощности излучения 7-10 Вт.
Пример конкретного осуществления приведен ниже:
С помощью устройства, представленного на рисунке 1 проводят сквозную резка силикатного стекла. В качестве источника излучения используется лазер на парах стронция, состоящий из источника питания 1, лазерной газоразрядной трубки 4, которая наполнена смесью инертных газов и загруженной твердым стронцием, а также неустойчивого телескопического резонатора отрицательного типа с коэффициентом усиления М=15, в качестве которого выступают два зеркала с золотым или серебряным напылением, имеющим фокусные расстояния 1500 мм и -100 мм соответственно 2 и 3. Данный лазер генерирует излучение на 8 длинах волн в ближнем и среднем ИК диапазоне спектра, в частности 1,03;1.09;2.6;2.69;2.92;3.01;3.06;6.45 мкм с расходимостью излучения, близкой к дифракционной, с суммарной средней мощностью излучения от 5 до 10 Вт, длительностью импульсов генерации от 60 до 100 не, частотой следования от 14 до 20 кГц. Для изменения суммарной мощности излучения используется диафрагма 5. Для контроля мощности используется измеритель мощности ИМО «NOVA 2» 6 фирмы OPHIR.
Устройство также включает модуль фокусировки излучения и перемещения образца 7, блок управления координатным столом 8, ноутбук 9.
Модуль фокусировки, представленный на рисунке 2 состоит из статичного стола 10, двояковыпуклой собирающей линзы 12, с фокусным расстоянием 200 мм, выполненной из кристалла BaF2, плоского поворотного зеркала 13, с золотым или серебряным напылением, площадки перемещения линзы 11, для изменения расстояния от линзы до стола 14, данные перемещения необходимы при осуществлении резки изделий разной толщины, а также для работы в режиме расфокусировки. Перемещение стекла осуществляется благодаря 2х координатному столу 14, с рабочим полем 150×150 мм, координатной стол имеет отдельный блок управления, причем задание контура перемещения стекла относительно лазерного излучения осуществляется через ПК, скорость перемещения можно варьировать от 1 до 3000 мм/мин. При помощи данной системы фокусировки, излучение можно сфокусировать в пятно, диаметром 60-100 мкм, что позволяет при малой мощности излучения, получить большую плотность мощности.
Преимуществом настоящего изобретения является то, что каждая длина волны имеет свой диаметр фокального пятна, а также, разную глубину проникновения в стекло, при воздействии многоволновым излучением на стекло указанным в заявленном способе, в стекле возникают разнонагреваемые цилиндрические зоны. Если фокальные пятна лазерного излучения перемещаются по поверхности стекла с постоянной скоростью, то после нескольких импульсов, устанавливается квазистационарное состояние, при котором нагреваемая зона постоянного размера и формы перемещается вместе с лазерным лучом. Притом, после установления квазистационарного состояния, нагреваемая зона имеет форму клина, что позволяет не только снизить мощность излучения, но и значительно увеличивает качество торцов стекла после резки.

Claims (3)

1. Способ резки хрупких неметаллических материалов, включающий локальное воздействие на линии реза пучком излучения лазера среднего инфракрасного излучения, отличающийся тем, что локальное воздействие на линии реза осуществляют пучком излучения импульсно-периодического лазера ближнего и среднего инфракрасного диапазона, варьируют энергию, воздействуя излучением ближнего и среднего ИК диапазона спектра с длительностью суммарного импульса 60-100 *10-9c, следующего с частотой от 14 до 20 кГц и энергией в импульсе от 0,35 мДж до 0,7 мДж, при средней суммарной мощности излучения на всех длинах волн 5-10 Вт.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействуют пучком импульсного лазера с одновременной генерацией на 8 длинах волн в ИК диапазоне спектра соответственно 1,03; 1,09; 2,6; 2,69; 2,92; 3,01; 3,06; 6,45 мкм.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для осуществления криволинейной резки сначала задают контур фигуры сфокусированным лазерным излучением с диаметром фокального пятна 60-100 мкм и суммарной мощностью излучения ниже 5 Вт, с последующим осуществлением дополнительного прохода с увеличенным диаметром фокального пятна до 500 мкм, суммарной мощностью излучения 7-10 Вт.
RU2018124659A 2018-07-06 2018-07-06 Способ резки хрупких неметаллических материалов RU2688656C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018124659A RU2688656C1 (ru) 2018-07-06 2018-07-06 Способ резки хрупких неметаллических материалов

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018124659A RU2688656C1 (ru) 2018-07-06 2018-07-06 Способ резки хрупких неметаллических материалов

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2688656C1 true RU2688656C1 (ru) 2019-05-21

Family

ID=66636653

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018124659A RU2688656C1 (ru) 2018-07-06 2018-07-06 Способ резки хрупких неметаллических материалов

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2688656C1 (ru)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2720791C1 (ru) * 2019-09-06 2020-05-13 Общество с ограниченной ответственностью "НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ "ИРЭ-Полюс" (ООО НТО "ИРЭ-Полюс") Способ лазерной обработки прозрачного хрупкого материала и устройство его реализующее
CN114799495A (zh) * 2021-12-28 2022-07-29 华中科技大学 一种激光切割的控制方法及相关装置
RU2781187C1 (ru) * 2022-02-09 2022-10-07 Акционерное общество "Опытное конструкторское бюро "Новатор" Способ автоматизированного раскроя кварцевых и кремнеземных тканей методом газолазерной резки

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2371397C2 (ru) * 2007-12-24 2009-10-27 Валентин Константинович Сысоев Способ резки хрупких неметаллических материалов
US20140340730A1 (en) * 2013-03-15 2014-11-20 Howard S. Bergh Laser cutting strengthened glass
US20160318122A1 (en) * 2014-01-17 2016-11-03 Imra America, Inc. Laser-based modification of transparent materials
RU2617482C1 (ru) * 2015-12-03 2017-04-25 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) Способ резки хрупких материалов

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2371397C2 (ru) * 2007-12-24 2009-10-27 Валентин Константинович Сысоев Способ резки хрупких неметаллических материалов
US20140340730A1 (en) * 2013-03-15 2014-11-20 Howard S. Bergh Laser cutting strengthened glass
US9481598B2 (en) * 2013-03-15 2016-11-01 Kinestral Technologies, Inc. Laser cutting strengthened glass
US20160318122A1 (en) * 2014-01-17 2016-11-03 Imra America, Inc. Laser-based modification of transparent materials
RU2617482C1 (ru) * 2015-12-03 2017-04-25 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) Способ резки хрупких материалов

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2720791C1 (ru) * 2019-09-06 2020-05-13 Общество с ограниченной ответственностью "НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ "ИРЭ-Полюс" (ООО НТО "ИРЭ-Полюс") Способ лазерной обработки прозрачного хрупкого материала и устройство его реализующее
CN114799495A (zh) * 2021-12-28 2022-07-29 华中科技大学 一种激光切割的控制方法及相关装置
CN114799495B (zh) * 2021-12-28 2023-06-13 华中科技大学 一种激光切割的控制方法及相关装置
RU2781187C1 (ru) * 2022-02-09 2022-10-07 Акционерное общество "Опытное конструкторское бюро "Новатор" Способ автоматизированного раскроя кварцевых и кремнеземных тканей методом газолазерной резки

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6526396B2 (ja) 透明材料の内部でレーザーフィラメンテーションを実行する方法および装置
JP4175636B2 (ja) ガラスの切断方法
EP2359976B1 (en) Method of processing an object with formation of three modified regions as starting point for cutting the object
EP2837462B1 (en) Photo acoustic compression method for machining a transparent target
TWI604908B (zh) 藉由叢發超快雷射脈衝之絲化雷射加工矽之方法及所製成之產品
JP5089735B2 (ja) レーザ加工装置
RU2226183C2 (ru) Способ резки прозрачных неметаллических материалов
JP4584322B2 (ja) レーザ加工方法
JP2002205180A (ja) レーザ加工方法
CN106170365A (zh) 使用激光束焦线对片状衬底进行基于激光的加工的方法和设备
JP2002192369A (ja) レーザ加工方法及びレーザ加工装置
CN107755904A (zh) 借助激光从平坦基板中切割轮廓的设备及方法
CN102310285B (zh) 硅-玻璃键合片的激光加工装置及其方法
JP2002192371A (ja) レーザ加工方法及びレーザ加工装置
JP2009084089A (ja) ガラス切断装置及び方法
JP5378314B2 (ja) レーザ切断方法
JP2002192368A (ja) レーザ加工装置
RU2688656C1 (ru) Способ резки хрупких неметаллических материалов
JP5613809B2 (ja) レーザ切断方法およびレーザ加工装置
JP2003088974A (ja) レーザ加工方法
JP2011037664A (ja) レーザ表面処理方法および処理装置
US20240335909A1 (en) Method of and apparatus for cutting a substrate or preparing a substrate for cleaving
RU2720791C1 (ru) Способ лазерной обработки прозрачного хрупкого материала и устройство его реализующее
JP2003010991A (ja) レーザ加工方法
RU2371397C2 (ru) Способ резки хрупких неметаллических материалов