CC BY
130
УДК 621.791.78
В. К. Сысоев, П. А. Вятлев
Научно-производственное объединение им. С. А. Лавочкина Химки, Московская область
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОГО ТЕРМОРАСКАЛЫВАНИЯ
Показано влияние параметров лазерного термораскалывания на качество получаемых стеклянных изделий — прочность, шероховатость и температурный профиль зоны нагрева. Показано преимущество эксплуатационных свойств стеклянных изделий, полученных лазерным термораскалыванием, по сравнению с другими методами.
Метод управляемого лазерного термораскалывания хрупких неметаллических материалов [1—6], таких как стекло, сапфир, керамика, имеет ряд неоспоримых достоинств: высокую точность и скорость обработки, низкую энергоемкость и себестоимость процесса обработки. Все это вызывает интерес к данной технологии и к промышленному выпуску соответствующего оборудования.
Однако в литературе, посвященной управляемому лазерному термораскалыванию, весьма мало сведений о характеристиках изделий, получаемых по данной технологии. К таким характеристикам относятся: прочность получаемых изделий, шероховатость торцов получаемых изделий и температурный профиль нагрева изделий в зоне воздействия лазерного луча. Знание этих характеристик позволяет применять технологию, в том числе и для обработки изделий, содержащих электронные элементы, например дисплеев.
Цель настоящей работы — исследование прочностных и точностных характеристик, качества поверхности разреза и измерение температурного профиля нагрева полученных изделий при управляемом лазерном термораскалывании.
Методика эксперимента при исследовании прочностных характеристик состояла в следующем. На факультете стекла в РХТУ им. Д. И. Менделева с помощью прибора РМ-500 из дисплейного стекла толщиной 0,7 мм по технологии лазерного термораскалывания изготавливались образцы, которые подвергались механическим испытаниям по трехточечной схеме. Использовались три способа изготовления образцов:
— алмазное скрайбирование с последующим механическим доломом;
— лазерное скрайбирование излучением СО2-лазера;
— лазерное термораскалывание — сквозная микротрещина под воздействием излучения СО2-лазера (далее „термораскалывание").
Образцы изготавливались из одной партии стекла, и с помощью каждого способа обработки получали не менее 50 экземпляров. На рис. 1 представлены прочностные характеристики образцов боросиликатных стекол: 1 — алмазное скрайбирование, 2 — лазерное скрайбирование, 3 —термораскалывание; Г — прочность образца. Номера образцов присваивались последовательно от наименьшей прочности к наибольшей. Из рисунка можно сделать следующие выводы — образцы, изготовленные методом сквозного разделения с помощью управляемого термораскалывания (кривая 2), имеют наибольшую прочность и наименьший разброс по параметрам; образцы, изготовленные в режиме лазерного скрайбирования, имеют меньшую прочность и больший разброс значений прочности. Алмазное скрайбирование дает наихудшие результаты.
Технологические характеристики процесса лазерного термораскалывания
49
В рамках настоящей работы были проведены испытания образцов, полученных методом термораскалывания под нагрузкой. Десять образцов размером 50x50x0,125 мм выдержали нагрузку 1 кг в течение 12 месяцев.
Проблема геометрической однородности (шероховатости) торцов стеклянных образцов, получаемых по трем методам разделения, включает два аспекта — геометрия разделения по всей длине образца, которая чаще всего определяется инструментальными возможностями, и определяемая методом обработки локальная шероховатость, которая исследовалась в настоящей работе. Для этой цели исследовалось не менее 50 образцов, получаемых по каждому
Номер образца
Рис. 1
На рис. 2 показаны типичные профили шероховатости образцов боросиликатных стекол, показания прибора откалиброваны по кремниевой пластинке: 1 — алмазное скрайбирование (Яа = 14, Ятах = 49 мкм), 2 — лазерное скрайбирование (Яа = 13, Ятах = 47 мкм), 3 — термораскалывание (Яа = 0,0053, Ятах = 0,15 мкм). Здесь мкм г Яа — шероховатость образца, Ь — длина оцениваемого среза. Видно, что практически гладкая поверхность получается в случае термораскалывания.
Также в настоящей работе определялся температурный профиль нагрева стеклянных образцов, для того чтобы установить минимальное расстояние между зоной воздействия лазерного луча и элементами электронной схемы на дисплейной стеклянной плате. Методика заключалась в непосредственном измерении температуры поверхности стеклянных образцов с помощью краски-термоиндикатора НПФ „Люминофор", что является наиболее простым и достоверным методом. Применение термоиндикаторных красок позволяет определить возможную температуру электронных элементов на дисплейном стекле при лазерной обработке стекла. Термоиндикаторы наносились на стекло в виде небольших точек диаметром не более 0,5 мм. На рис. 3 представлены температурные профили нагрева стекла в процессе термораскалывания,
50 0
50
0
50
20 Ь, мм
20 Ь, мм
20 Ь, мм
Рис. 2
1
3
0
измеренные с помощью термоиндикаторов „Люминофор": 1— термоиндикаторы сверху, образцы находятся на полированном дюралевом столе; 2 — термоиндикаторы снизу, образцы лежат на полированном дюралевом столе; 3 — термоиндикаторы сверху, образцы помещены на точечные опоры.
Т °С
( ■ к \
А /
3 / 2 100 - 1
12 8 4 0 4 х, мм
Рис. 3
Из проведенных измерений следует, что зона с температурой более 80 °С не превышает 4 мм при ширине луча на стекле не более 1,5 мм. Измерения показывают, что максимальная температура в центре зоны нагрева при термораскалывании стекла имеет значение порядка 350 °С, что отвечает термостойкости исследуемого стекла.
Таким образом, в результате проведенных экспериментальных работ установлено, что стеклянные изделия, получаемые термораскалыванием, обладают повышенной прочностью, меньшей геометрической неоднородностью (менее 1 мкм) по сравнению с другими способами получения образцов, температура зоны термического воздействия более 80 °С находится на расстоянии не более 4 мм от линии разделения материала.
Полученные результаты позволяют применять технологию термораскалывания в промышленности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. МачулкаГ. А. Лазерная обработка стекла. М.: Сов. радио, 1979. 136 с.
2. Жималов А. Б., Солинов В. Ф., Кондратенко В. С., Каплина Т. В. Лазерная резка флоат-стекла в процессе обработки // Стекло и керамика. 2006. № 10. С. 4—9.
3. Абрамович Б. Т. Термоиндикаторы и их применение. М.: Энергия, 1972. 224 с.
4. Иванов А. В. Прочность оптических материалов. Л.: Машиностроение, 1989. 144 с.
5. Сысоев В. К., Булкин Ю. Н., Чадин В. С., Вятлев П. А., Захарченко А. В., Лезвинский К. Л. Управляемое гибридное светолазерное термораскалывание стекол // Письма в ЖТФ. 2007. Т. 33, № 1. С. 54—68.
6. Сысоев В. К., Вятлев П. А., Захарченко А. В., Папченко Б. П. Увеличение эффективности управляемого лазерного термораскалывания диэлектрических материалов // Оптич. журн. 2004. Т. 71, № 2. С. 41—45.
Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию
лазерных технологий 26.12.07 г.
и экологического приборостроения
