RU2224648C1 - Способ резки хрупких неметаллических материалов - Google Patents
Способ резки хрупких неметаллических материалов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2224648C1 RU2224648C1 RU2002123517/03A RU2002123517A RU2224648C1 RU 2224648 C1 RU2224648 C1 RU 2224648C1 RU 2002123517/03 A RU2002123517/03 A RU 2002123517/03A RU 2002123517 A RU2002123517 A RU 2002123517A RU 2224648 C1 RU2224648 C1 RU 2224648C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cutting
- coefficient
- thermal expansion
- laser beam
- linear thermal
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Processing Of Stones Or Stones Resemblance Materials (AREA)
Abstract
Изобретение относится к способам резки хрупких неметаллических материалов, в частности к способам лазерной резки анизотропных материалов, к которым относятся различные монокристаллы, например сапфир и кварц, а также различные полупроводниковые материалы. Техническая задача изобретения - повышение качества резки хрупких неметаллических анизотропных материалов за счет возможности осуществления резки в различных направлениях относительно кристаллографической ориентации как в случае прямолинейной резки в различных направлениях, так и при резке по любому криволинейному контуру. Способ резки хрупких неметаллических материалов включает нанесение надреза по линии реза, нагрев линии реза лазерным пучком при относительном перемещении материала и пучка и локальное охлаждение зоны нагрева с помощью хладагента. В зависимости от направления резки анизотропного материала относительно кристаллографической ориентации материала определяют значение коэффициента линейного термического расширения, а интенсивность нагрева в каждом направлении резки выбирают пропорционально коэффициенту линейного термического расширения за счет изменения скорости относительного перемещения лазерного пучка и материала и/или изменения мощности или плотности мощности лазерного излучения. При этом соотношение скорости относительного перемещения лазерного пучка и материала и мощности лазерного излучения в зависимости от изменения значения коэффициента линейного термического расширения материала выбирают из условия: P·υ-1=k·λ-1, где Р - мощность лазерного излучения, Вт; υ - скорость относительного перемещения лазерного пучка и материала, мм/с; λ - коэффициент линейного термического расширения материала, °С-1; k - коэффициент пропорциональности, Дж/мм·°С. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Description
Изобретение относится к способам резки хрупких неметаллических материалов, в частности к способам лазерной резки анизотропных материалов, к которым относятся различные монокристаллы, например сапфир и кварц, а также различные полупроводниковые материалы.
Известен способ резки хрупких неметаллических материалов, включающий нанесение надреза на поверхности материала по линии реза, нагрев линии реза лазерным пучком при относительном перемещении материала и пучка и локальное охлаждение зоны нагрева с помощью хладагента (патент РФ № 2024441, МКИ 5 С 03 В 33/02, опубл. 15.12.94). Сущность данного способа резки заключается в следующем. При нагреве поверхности материала лазерным излучением с длиной волны, для которой материал является непрозрачным, энергия лазерного излучения выделяется в виде тепловой энергии в тонком поверхностном слое. Возникающие в зоне нагрева напряжения сжатия не приводят к разрушению материала. При подаче хладагента вслед за лазерным пучком происходит резкое локальное охлаждение поверхности материала, обуславливающее возникновение напряжений растяжения, которые приводят к образованию в материале надреза в виде трещины, распространяющейся в глубь материала на некоторую глубину или на всю глубину материала. Этот способ резки получил широкое распространение для резки таких материалов, как любой тип стекла и керамики. Поскольку стекло или керамика являются изотропными материалами, то при их резке в различных направлениях не возникает проблем, так как возникающие напряжения имеют одинаковый характер и величину в любом направлении резки.
Однако этот способ не позволяет осуществлять высококачественную резку монокристаллических материалов, у которых сильно выражена анизотропия теплофизических и механических свойств в зависимости от направления ориентации кристаллографической решетки.
В основу настоящего изобретения положена задача повышения качества резки хрупких неметаллических анизотропных материалов за счет возможности осуществления резки в различных направлениях относительно кристаллографической ориентации как в случае прямолинейной резки в различных направлениях, так и при резке по любому криволинейному контуру.
Задача решается за счет того, что способ резки хрупких неметаллических материалов, включающий нанесение надреза по линии реза, нагрев линии реза лазерным пучком при относительном перемещении материала и пучка и локальное охлаждение зоны нагрева с помощью хладагента, характеризуется тем, что в зависимости от направления резки анизотропного материала относительно кристаллографической ориентации материала определяют значение коэффициента линейного термического расширения, а интенсивность нагрева в каждом направлении резки выбирают пропорционально коэффициенту линейного термического расширения за счет изменения скорости относительного перемещения лазерного пучка и материала и/или изменения мощности или плотности мощности лазерного излучения.
При этом соотношение скорости относительного перемещения лазерного пучка и материала и мощности лазерного излучения в зависимости от изменения значения коэффициента линейного термического расширения материала выбирают из условия:
P·υ-1=k·λ-1,
где Р - мощность лазерного излучения, Вт;
υ - скорость относительного перемещения лазерного пучка и материала, мм/с;
λ - коэффициент линейного термического расширения материала, °С-1;
k - коэффициент пропорциональности, Дж/мм·°С.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:
фиг.1 - схема образования надреза с помощью лазерного пучка и хладагента в анизотропном материале при разных направлениях резки;
фиг.2 - схема резки диска из кварцевой пластины с осью симметрии третьего порядка;
фиг.3 - график изменения скорости резки при вырезке диска из кварцевой пластины.
Способ резки хрупких неметаллических материалов заключается в следующем.
При нагреве поверхности анизотропного материала 1 с помощью лазерного пучка 2 при их относительном перемещении со скоростью υ|| в направлении, параллельном оси С, и при последующем охлаждении линии нагрева с помощью хладагента 3 в объеме материала под действием возникающих напряжений растяжения образуется микротрещина 4 глубиной δ (фиг.1).
Как известно, величина термических напряжений, возникающих при нагреве в твердом хрупком материале, определяется равенством:
σ=λ·E·ΔT/(1-υ),
где Е - модуль Юнга, ГПа;
λ - коэффициент термического расширения, °С-1;
υ - коэффициент Пуассона;
ΔТ - градиент температур, °С.
В свою очередь, величина градиента температур пропорциональна количеству энергии лазерного излучения, поглощенного материалом, т.е.
ΔT~Q=P·l/υ,
где Q - количество энергии лазерного излучения, Дж;
Р - мощность лазерного излучения, Вт;
l - длина лазерного пучка, мм;
υ - скорость относительного перемещения, мм/с.
Основным параметром материала, влияющим на режимы термораскалывания, является коэффициент линейного термического расширения. Известно также, что этот параметр существенно изменяется в анизотропных материалах в зависимости от кристаллографической ориентации. Поэтому для соотношения скорости относительного перемещения лазерного пучка и материала и мощности лазерного излучения в зависимости от изменения значения коэффициента линейного термического расширения анизотропного материала при различных направлениях резки справедливо следующее условие:
P·υ-1=k·λ-1,
где k - коэффициент пропорциональности, зависящий от размеров лазерного пучка и свойств материала.
Как уже упоминалось выше, коэффициент линейного термического расширения у многих анизотропных материалов существенно изменяется в зависимости от кристаллографической ориентации. Например, коэффициент линейного термического расширения монокристаллического кварца в направлении, параллельном оси С, равен λ||=(90-100)·10-7°С-1, а в направлении, перпендикулярном оси С, равен λ⊥=(148-180)·10-7°С-1. (Столь различные значения коэффициентов линейного термического расширения приведены в различных источниках. Например, значения λ||=90·10-7°С-1 и λ⊥=148·10-7°С-1 приведены в источнике Глюкман Л.И. Пьезоэлектрические кварцевые резонаторы.// М.: Радио и связь, 1981, а значения λ||=100·10-7°С-1 и λ⊥=180·10-7°С-1 приведены в Лейтвейн Ф., Зоммер-Кулачевски Ш. Кристаллография.//М.: Высшая школа, 1968). С учетом такого существенного отличия этого параметра в зависимости от ориентации кристалла при резке в различных направлениях необходимо осуществлять дифференцированный нагрев, обеспечивающий создание контролируемых разрушающих термических напряжений в каждом направлении ориентации. Это может быть обеспечено либо увеличением в 1,6-1,8 раза скорости резки υ⊥ в направлении, перпендикулярном оси С, по сравнению со скоростью резки υ|| в направлении, параллельном оси С, либо соответствующим уменьшением мощности или плотности мощности лазерного излучения. В частности, экспериментально было установлено, что скорость резки кварцевой пластины толщиной 0,6 мм в направлении, перпендикулярном оси С, составляет υ⊥=700 мм/с, а в направлении, параллельном оси С, составляет υ||=400-440 мм/с при постоянной мощности лазерного излучения Р=50 Вт.
Более сложно осуществлять учет влияния анизотропии материала на режимы термораскалывания при резке по криволинейному контуру, например при резке дисков. Например, у кварца ось С является осью симметрии третьего порядка, это означает, что свойства кристалла повторяются при повороте на 120° (фиг.2). Поэтому при резке дисков скорость резки или мощность лазерного излучения необходимо изменять непрерывно через каждые 120° в течение всего цикла резки (фиг.3).
Ниже приведены конкретные примеры резки в соответствии с изобретением.
Пример 1. В качестве материала для резки использовались пластины из монокристаллического кварца толщиной 0,6 мм. В качестве средства перемещения пластины был использован двухкоординатный стол с ходом 250·250 мм, обеспечивающий скорость перемещения до 700 мм/с. Для резки был использован СО2-лазер с длиной волны излучения 10,6 мкм и мощностью 50 Вт. Лазерное излучение фокусировалось с помощью сферическо-цилиндрической оптики в пучок эллиптического сечения размерами 7·0,4 мм, вытянутый в направлении резки. Скорость резки кварцевой пластины толщиной 0,6 мм в направлении, перпендикулярном оси С, составила 700 мм/с, а в направлении, параллельном оси С, составила 440 мм/с. При этом значение коэффициента пропорциональности k для пучка длиной 7 мм для монокристаллического кварца составило 10,7·10-7 Дж/мм·°С.
Пример 2. Производили резку пластины из кварца толщиной 0,9 мм на диски диаметром 100 мм. Резку осуществляли с переменной скоростью, которая плавно изменялась от 250 до 150 мм/с при повороте пластины на каждые 120°, как это показано на фиг. 2 и 3.
Пример 3. Производили резку пластины из сапфира толщиной 0,43 мм с базовой ориентацией 0001. Для резки был использован СO2-лазер мощностью 75 Ватт. Излучение лазера фокусировалось с помощью сферическо-цилиндрической оптики в эллиптический пучок длиной 4 мм, вытянутый в направлении перемещения подложки. Коэффициент линейного термического расширения сапфира в направлении, параллельном оси С, равен λ||=66·10-7°С-1, а в направлении, перпендикулярном оси С, равен λ⊥=50·10-7°С-1. Резка в направлении, перпендикулярном оси С, составила 500 мм/с, а в направлении, параллельном оси С, скорость резки была увеличена пропорционально увеличению коэффициента термического расширения в 1,32 раза и составила 660 мм/с. Значение коэффициента пропорциональности k для пучка длиной 4 мм для сапфира равно 7,5·10-7 Дж/мм·°С.
Настоящее изобретение может быть использовано в различных областях техники для высокоточной и высокопроизводительной резки широкого класса анизотропных материалов как на всю толщину разрезаемого материала, так и на любую задаваемую глубину. При этом данное изобретение можно использовать при прямолинейной резке, а также при резке по любому криволинейному контуру, в частности при резке дисков.
Claims (2)
1. Способ резки хрупких неметаллических материалов, включающий нанесение надреза по линии реза, нагрев линии реза лазерным пучком при относительном перемещении материала и пучка и локальное охлаждение зоны нагрева с помощью хладагента, отличающийся тем, что в зависимости от направления резки анизотропного материала относительно кристаллографической ориентации материала определяют значение коэффициента линейного термического расширения, а интенсивность нагрева в каждом направлении резки выбирают пропорционально коэффициенту линейного термического расширения за счет изменения скорости относительного перемещения лазерного пучка и материала и/или изменения мощности или плотности мощности лазерного излучения.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что соотношение скорости относительного перемещения лазерного пучка и материала и мощности лазерного излучения в зависимости от изменения значения коэффициента линейного термического расширения материала выбирают из условия
P·υ-1=k·λ-1,
где Р - мощность лазерного излучения, Вт;
υ - скорость относительного перемещения лазерного пучка и материала, мм/с;
λ - коэффициент линейного термического расширения материала, °С-1;
k - коэффициент пропорциональности, Дж/мм·°С.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002123517/03A RU2224648C1 (ru) | 2002-09-03 | 2002-09-03 | Способ резки хрупких неметаллических материалов |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002123517/03A RU2224648C1 (ru) | 2002-09-03 | 2002-09-03 | Способ резки хрупких неметаллических материалов |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2224648C1 true RU2224648C1 (ru) | 2004-02-27 |
Family
ID=32173229
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2002123517/03A RU2224648C1 (ru) | 2002-09-03 | 2002-09-03 | Способ резки хрупких неметаллических материалов |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2224648C1 (ru) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102059747A (zh) * | 2010-08-25 | 2011-05-18 | 重庆川仪自动化股份有限公司 | 蓝宝石方孔成型的方法 |
RU2478083C2 (ru) * | 2011-03-25 | 2013-03-27 | Учреждение образования "Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины" | Способ разделения кристаллического кварца под действием термоупругих напряжений |
RU2497643C2 (ru) * | 2011-03-25 | 2013-11-10 | Учреждение образования "Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины" | Способ разделения кристаллического кремния под действием термоупругих напряжений |
RU2731167C1 (ru) * | 2019-07-11 | 2020-08-31 | Федеральное государственное автономное научное учреждение Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники имени В.Г. Мокерова Российской академии наук (ФГАНУ ИСВЧПЭ РАН) | Способ лазерной плазмохимической резки пластин |
-
2002
- 2002-09-03 RU RU2002123517/03A patent/RU2224648C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102059747A (zh) * | 2010-08-25 | 2011-05-18 | 重庆川仪自动化股份有限公司 | 蓝宝石方孔成型的方法 |
RU2478083C2 (ru) * | 2011-03-25 | 2013-03-27 | Учреждение образования "Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины" | Способ разделения кристаллического кварца под действием термоупругих напряжений |
RU2497643C2 (ru) * | 2011-03-25 | 2013-11-10 | Учреждение образования "Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины" | Способ разделения кристаллического кремния под действием термоупругих напряжений |
RU2731167C1 (ru) * | 2019-07-11 | 2020-08-31 | Федеральное государственное автономное научное учреждение Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники имени В.Г. Мокерова Российской академии наук (ФГАНУ ИСВЧПЭ РАН) | Способ лазерной плазмохимической резки пластин |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
TWI323203B (ru) | ||
Ikesue et al. | Influence of pore volume on laser performance of Nd: YAG ceramics | |
US20210197314A1 (en) | Method for Reducing the Thickness of Solid-State Layers Provided with Components | |
US6653210B2 (en) | Method and apparatus for cutting a non-metallic substrate using a laser beam | |
KR20010021028A (ko) | 레이저 열처리용 광학계 및 레이저 열처리장치 | |
TWI570284B (zh) | Piezoelectric oxide single crystal substrate | |
CN1642867A (zh) | 切割非金属材料的方法以及执行该方法的设备 | |
Pimenov et al. | Picosecond-laser-induced structural modifications in the bulk of single-crystal diamond | |
RU2224648C1 (ru) | Способ резки хрупких неметаллических материалов | |
Okamoto et al. | High surface quality micro machining of monocrystalline diamond by picosecond pulsed laser | |
Piredda et al. | Micro-machining of PMN-PT crystals with ultrashort laser pulses | |
Hou et al. | On the ultra-precision fabrication of damage-free optical KDP components: mechanisms and problems | |
US20240043342A1 (en) | High strength ceramics with novel fracture mode | |
RU2497643C2 (ru) | Способ разделения кристаллического кремния под действием термоупругих напряжений | |
Lin et al. | Experimental investigation on laser in-situ assisted ultra-precision cutting of fused silica | |
Maksimovskii et al. | Growth of coherent whiskers on polycarbonate substrates by laser radiation | |
RU2640603C1 (ru) | Способ получения конвертера поляризации | |
US20150158255A1 (en) | Method for obtaining laminas made of a material having monocrystalline structure | |
Lipateva et al. | Femtosecond Laser-Induced Polarization-Controlled Birefringence inside Nd: YAG Single Crystal | |
Miyashita et al. | Study on a controlling method for crack nucleation and propagation behavior in laser cutting of glass | |
Li et al. | The separation mechanism of 4H-SiC dicing by continuous laser | |
RU2026895C1 (ru) | Способ получения мультикристаллов кремния | |
Furukawa et al. | Principal factors affecting the sub-micrometer grooving mechanism of SiC thin layers by a 355 nm UV laser | |
RU2237622C2 (ru) | Способ резки хрупких неметаллических материалов | |
RU2478083C2 (ru) | Способ разделения кристаллического кварца под действием термоупругих напряжений |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120904 |