Меню Рубрики

Установка по управляемому лазерному термораскалыванию

Лазерный мир

Метод управляемого лазерного термораскалывания хрупких материалов

«Первым купил наш патент Стив Джобс»«Первым купил наш патент Стив Джобс»

Речь идет об изобретении предприятием «Сапфир» (теперь это «Швабе – Фотосистемы») совместно с Институтом теплотехники метода управляемого лазерного термораскалывания хрупких материалов. До этого экран для смартфонов и телефонов вырезали при помощи алмазного круга, но при этом методе возникал шов, границы экрана требовали шлифовки, а это довольно трудоемкая работа.

«Установленная на судах лазерная установка позволит снизить транспортные расходы по Севморпути и при разработке арктического шельфа. Для перевозок в Карском море вместо трех атомных ледоколов типа «Арктика» и двух типа «Таймыр» достаточно будет трех ледоколов с лазерным комплексом», – заявил газете ВЗГЛЯД один из создателей лазерной установки для ледоколов Сергей Попов.

В ноябре этого года на ледоколе «Диксон» начнутся морские испытания уникальной лазерной установки для разрушения льда, разработанной в Национальном центре лазерных систем и комплексов (НЦЛСК) «Астрофизика» (входит в холдинг «Швабе» госкорпорации «Ростех») совместно с учеными Арктического и антарктического НИИ Санкт-Петербурга.

Какое отношение к разработанной в России лазерной технологии имеет Стив Джобс и его «Айфоны», как создатели этого лазера переубедили скептиков, не верящих в возможность колоть лазером лед, и как эти технологии могут спасать от наводнений и разливов нефти, в интервью газете ВЗГЛЯД рассказал первый заместитель гендиректора по НИОКР и инновационному развитию холдинга «Швабе» д. т. н., доцент Сергей Попов.

ВОПРОС: Как родилась такая идея – создать лазерную установку для разрезания льда?

Сергей Попов: Все началось в 2011 году, когда в телерепортаже показали операцию в Арктике по освобождению судна из ледового плена двумя самыми мощными ледоколами. И вместе с учеными и инженерами-лазерщиками из НЦЛСК «Астрофизика» мы задумались, как с помощью лазера сделать освоение Арктики более эффективным. Как помочь обеспечивать бесперебойную транспортировку полезных ископаемых и поставку оборудования для их добычи в суровых климатических условиях Северного Ледовитого океана?

Прототипом идеи разрезания льда лазером можно назвать ранее разработанную нами технологию, которой сейчас пользуются практически все. Но мало кто знает, что это отечественная технология. Первым заметил это изобретение и купил наш патент Стив Джобс. Теперь все экраны на «Айфонах» и «Айпадах» вырезаны с помощью нашего метода и оборудования. Мы используем это изобретение для промышленности, а Стив Джобс – для массового потребителя.

Речь идет об изобретении предприятием «Сапфир» (теперь это «Швабе – Фотосистемы») совместно с Институтом теплотехники метода управляемого лазерного термораскалывания хрупких материалов. До этого экран для смартфонов и телефонов вырезали при помощи алмазного круга, но при этом методе возникал шов, границы экрана требовали шлифовки, а это довольно трудоемкая работа.

Мы же придумали другую технологию: лазером нагреваются локальные точки, образуются небольшие линии на стекле, и следом на нагретую поверхность накладывается хладагент (водовоздушная смесь или азот, например). В результате резкого нагрева и резкого охлаждения возникает трещина маленьких размеров. Такой способ позволяет управлять процессом резки стекла и получать бесшовный экран для смартфона. Кроме того, он позволяет снять кромку 0,5 мм или даже меньше, что делает вырезанное стекло более прочным. И это может быть не только экран смартфона, но и сапфир или другие хрупкие материалы.

ВЗГЛЯД: И как эта технология работает при разрезании льда? Наверно, один из минусов – необходимость огромной мощности для работы лазерной установки при резке льда?

С. П.: Многие действительно думают, что разрезать лед лазером невозможно из-за низкой теплопроводности льда, преобразования воды в пар и других факторов. Вернее, можно, но, чтобы разрезать лед толщиной всего 20 см, потребуется потратить такую мощность, какую вырабатывают две электростанции. На самом деле это как пилить стекло ножовкой: сил затрачено много, а толку мало. Как стекло режут в обычных домашних условиях? Алмаз или диск стеклореза, проходя по поверхности стекла, оставляет царапину, из которой рождается трещина. Чтобы разрезать стекло толщиной 5 мм, достаточно трещины в 0,05 мм. Технология колки льда схожа с технологией резки стекла.

Чтобы, например, разрезать сапфир или стекло для экрана смартфона методом лазерного термораскалывания, мощность лазерного излучения должна быть всего 20–200 Ватт. Это обычная лампочка. Поэтому, чтобы разрезать лед, требуются не такие уж большие мощности.

Еще один важный момент для понимания технологии. Как в настоящее время происходит преодоление ледяных препятствий? Ледокол набирает скорость и своей силой тяжести с учетом клиновидности носовой части проламывает и раздвигает лед.

Суть изобретения в том, что лед надрезается лазерным лучом, как стеклорезом, в тех местах, где возникают точки концентрации напряжения, по которым лед разламывается.

Для этого нам не нужно резать весь лед, как стекло ножовкой, его надо лишь надрезать, как стеклорезом, на одну десятую доли толщины льда. Поэтому лазерной установке не нужна большая мощность. Оптический расчет и изготовление лазерной головки – это искусство. Наше ноу-хау – сформировать тот пучок лучей, который будет надрезать лед на заданном расстоянии от ледокола.

ВЗГЛЯД: Какие испытания уже были проведены, с какими сложностями столкнулись, что ждете от первого теста на открытой воде в арктических условиях, который планируется провести в ноябре?

С. П.: Сначала мы смоделировали этот метод математически. Потом провели эксперименты со льдом, замороженным в холодильнике из обычной воды. Он колется без проблем. Но ряд ученых нам возразили: в северных морях замерзает соленая вода, поэтому во льду имеются вкрапления воды. Это так называемый паковый (неоднородный) лед.

Поэтому для демонстрации полученных эффектов мы пригласили ученых и практиков более чем из 20 организаций и под видеозапись провели эксперимент с паковым льдом из соленой воды. Мы продемонстрировали всем, что лазерное излучение небольшой мощности способно расколоть лед метровой толщины.

Спустя полгода после этого мы отработали эту технологию в петербургском ЦНИИ им. академика А. Н. Крылова. Там есть большой бассейн для определения гидродинамических характеристик моделей судов длиной до 3 метров, где можно создавать ледовую обстановку. И был проведен эксперимент с лазерной установкой на макете ледокола в уменьшенном масштабе. Результат также получился положительным.

ВЗГЛЯД: На какую глубину получилось расколоть лед?

С. П.: На расстоянии 10 метров от судна паковый лед метровой толщины. Больше пока не пробовали.

ВЗГЛЯД: А где будет находиться лазерная установка на судне?

С. П.: Почему-то все думают, что лазерная установка должна быть на носу судна. На самом деле она может находиться где угодно. Ее можно закрепить на верхней палубе или внутри. А лазерное излучение передается по оптоволоконному кабелю большого диаметра.

ВЗГЛЯД: В ноябре вы планируете провести испытания в зимнюю навигацию на ледоколе «Диксон» с лазерной установкой. Какие опасения вызывают настоящие испытания?

С. П.: Их много, для этого и нужен натурный эксперимент. Например, от ледокола идут вибрации. В идеале лазерный луч идет по прямой, а на практике если источник, на котором установлен лазер, вибрирует, то у нас может получиться другая картинка. Мы попытались учесть вибрацию математически, придумали гиростабилизацию лазерной головки. Гиростабилизация – это вообще наш конек, мы умеем это делать. Не факт, что на практике все будет один в один как в теории. Поэтому я не могу сказать, что завтра все это заработает. Но в том, что это будет работать, я уверен. Просто надо на практике опробовать и доработать.

Читайте также:  Установка двойного слива в унитазе

ВЗГЛЯД: В чем же практическое значение такой лазерной установки? Заявляется, что она повысит ледопроходимость и класс ледокола?

С. П.: Ледокол «Арктика» может преодолевать лед глубиной 3,5 метра, потому что у него мощная энергетическая установка и огромная масса. А есть небольшие суда, которые могут проходить лед глубиной не более 1 метра. Но с помощью лазерной установки они смогут преодолевать лед глубиной уже до 1,5–2 метров без особой нагрузки. Формально класс судна повышается. Ледокол не станет тяжелее и мощнее от этого, но его возможности по преодолению ледяного поля увеличатся.

ВЗГЛЯД: Государство в рамках Госпрограммы развития Арктики вкладывает огромные средства в постройку дорогих мощных ледоколов. Но если лазерная установка способна увеличить класс ледокола, то, может, такие дорогие и не нужны больше, достаточно ледоколов малого класса?

С. П.: Интересный вопрос. Я думаю, что большие суда класса «Арктика» все равно будут нужны. Несмотря на высокий уровень научного прогнозирования, до конца просчитать глубину и движение ледового поля не всегда получается. Периодически лед все равно зажимает суда. Например, на пути ледокола с проходимостью льда глубиной до 1,5 метров появился более толстый лед, для освобождения его из ледового плена приходится организовывать дорогую спасательную экспедицию. А наличие такой лазерной установки поможет ледоколу сохранить проходимость в более жестких метеоусловиях, чем рассчитали метеорологи, что снизит количество спасательных операций.

Согласно экономическим расчетам, установленная на судах лазерная установка позволит снизить транспортные расходы по Севморпути и при разработке арктического шельфа. Например, посчитали, что для перевозок в Карском море вместо трех атомных ледоколов типа «Арктика» и двух атомных ледоколов типа «Таймыр» достаточно будет трех ледоколов с лазерным комплексом. То есть вместо огромных ледоколов достаточно будет ледоколов меньшего класса. Наша технология поможет быстрее реализовать поставленные государством задачи: увеличить сезон перевозки судов по Северному морскому пути, сделать его круглогодичным, а также наращивать грузооборот.

ВЗГЛЯД: Есть ли другие способы применения этой технологии?

С. П.: Мы еще одну разработку прямо «выжали» из этого же лазера. На основе этого же лазера появилась еще одна идея для новой разработки. Она помогает оперативно бороться с разливами нефти на воде. Нефтяную пленку сейчас собирают специальной техникой. В Мексиканском заливе разлитую нефть пытались собирать различными способами в течение длительного периода времени, из-за чего был нанесен огромный урон природе, погибло много рыбы, морских животных и птиц. А с помощью лазерной установки решить данную проблему можно намного быстрее.

Мы проводили опытные испытания при небольших разливах нефти – в час можно убрать несколько сотен квадратных метров нефтяных загрязнений.

Луч лазерной установки направляется на пятно и фокусируется чуть ниже поверхности воды, далее нефтяное пятно загорается и вместе с паром поднимается вверх. Пароводяная смесь сгорает практически без остатка. Продукты горения минимальны. Экологически это безопасно: под поверхностью воды ничего не происходит. Эта технология отработана и запатентована.

Есть пессимисты, которые полагают, что если таким образом опалить большую площадь разлитой нефти, то получится нефтяное облако. Но надо просто найти золотую середину, чтобы нефть на воде сгорала управляемо. А для этого нужны практические испытания.

Мы показывали эту разработку нефтяникам. Они просят готовое изделие. Но готовое изделие требует вложений, а это пока только разработка.

Еще одно наше изобретение может помочь в борьбе с наводнениями. В России много северных рек, и каждой весной в их устьях лед оттаивает позже, чем в южных широтах, возникают наводнения. Для их предупреждения МЧС проводит мероприятия по подрыву льда с применением авиации, а также специалистов в этой области, чтобы раздробить ледяное поле и поднять уровень воды. Это не самые экологичные и безопасные для морской флоры и фауны методы борьбы.

ВЗГЛЯД: Есть уже потенциальные заказчики лазерных установок?

С. П.: Как минимум два заказчика имеется. Это Северное морское пароходство (данной организацией будет предоставлен ледокол для натурных испытаний в ноябре), а также МЧС.

После презентации лазерной установки на конференции по борьбе с наводнениями представители МЧС, а также правительство Якутской области выразили интерес к данной разработке. В настоящее время завершен этап научных исследований по всем трем изобретениям, однако серийного производства еще нет. Необходимо завершить этап опытно-конструкторских работ.

ВЗГЛЯД: А экспортный потенциал имеется?

С. П.: После проведения экспериментов в Институте имени академика А.П. Крылова проект выдвинули в 2013 году на конкурс в Женеве, где он был удостоен золотой медали Международного инновационного салона Inventions Geneva. На том же мероприятии представители канадской фирмы заинтересовались разработкой. В Канаде ледовая обстановка очень похожа. Однако после введения санкций взаимодействие прекратилось.

В 2017 году проектом заинтересовались также представители Китайской Народной Республики.

ВЗГЛЯД: Сколько уже прошло от начала идеи?

С. П.: Идея возникла в 2011 году и была запатентована в 2012 году нашим предприятием НЦЛСК «Астрофизика». С тех пор постепенно реализуем этот инновационный проект.

ВЗГЛЯД: Финансирования не хватает? В рамках госпрограммы же были выделены средства…

С. П.: Денег, выделяемых на научные разработки, недостаточно. И так как успех данного проекта у многих вызывал сомнения, выделенных средств хватило лишь на моделирование.

ВЗГЛЯД: А теперь поверили?

С. П.: Поверили. Но теперь речь зашла об опытно-конструкторских работах, о практических испытаниях, требующих новых средств. Пока мы пытаемся находить деньги из разных источников. Из-за того что средства выделяются из разрозненных каналов, мы не можем все это сразу сделать. Сейчас мы пытаемся включиться в программу развития морского транспорта до 2030 года и войти в программу развития Арктики как отдельный сегмент.

ВЗГЛЯД: Сколько надо денег, чтобы довести проект лазерной установки для ледоколов и два других лазерных проекта до серийного производства?
С. П.: Это недешевое удовольствие, но суммы далеко не заоблачные. Речь идет о нескольких сотнях миллионов рублей для ледокольного проекта, и примерно столько же нужно на два других проекта – по удалению пятен нефти на воде и разрушению льда в устьях северных рек для снижения риска наводнения. И тогда в течение одного-двух лет мы смогли бы довести все три проекта до товарного продукта.

ВЗГЛЯД: Сколько будет стоить готовая продукция?

С. П.: Не готов точно сказать. Но это будут, скорее всего, десятки миллионов рублей. Лазерная установка для ледокола, которая поднимет его ледовый класс, обойдется всего где-то в 5% от стоимости ледокола.

источник

Лазерное управляемое термораскалывание

Лазерное управляемое термораскалывание.

Лазерное управляемое термораскалывание:

Лазерное управляемое термораскалывание – это безотходная технология резки стекла , кварца, сапфира , арсенида галия, ниобата и танталата лития, карбида кремния, керамики, полупроводниковых материалов и прочих хрупких материалов.

Сущность метода лазерного управляемого термораскалывания заключается в локальном (по линии реза) нагреве поверхности хрупкого материала лазерным пучком. В зоне нагрева в поверхностных слоях материала возникают напряжения сжатия. Далее зона нагрева по линии реза резко охлаждается. Резкая смена температур приводит к возникновению в поверхностных слоях напряжений растяжений и микротрещин. В итоге в материале образуется линия реза с ровными краями.

Максимальная толщина разрезаемого материала составляет до 30 мм., скорость резки – до 2 метров в секунду, мощность лазерного излучения – до 200 Ватт .

Лазерное управляемое термораскалывание позволяет не только осуществлять резку материала, но и вырезать в нем отверстия различной формы размером до 0,03 мм, вырезать из него фигуры размером до 0,03 мм и снимать фаску с краев.

Преимущества лазерного управляемого термораскалывания:

– высокая скорость резки – до 2 000 мм/с,

безотходная технология ,

– ширина резка – 0 мм,

высокая точность раскроя – +/- 5мм,

– притупление лазером острых кромок,

высокое качество,

– бездефектная резка,

низкая энергоемкость процесса по сравнению с другими технологиями и способами резки,

– высокая чистота процесса,

полная автоматизация процесса,

– повышение механической прочности готовых изделий до 5 раз по сравнению с механической резкой.

источник

Технология эффективного управляемого лазерного термораскалывания диэлектрических материалов Текст научной статьи по специальности « Нанотехнологии»

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — П. А. Вятлев, А. В. Захарченко, В. И. Масычев, К. Л. Лезвинский, Б. П. Папченко

В работе рассматривается технология увеличения эффективности управляемого лазерного термораскалывания диэлектрических материалов (оксидных стекол, кварца, сапфира и т.д.) с помощью излучения СО2 лазеров. Рассмотрены методы: бесконтактного получения микродефектов для организации микротрещины в обрабатываемом материале. управления движением лазерной микротрещины, позволяющие увеличить как скорость, так и толщину высокоточного раскроя диэлектрического материала лазерным термораскалыванием. термораскалывания во взаимопересекающихся направлениях, что позволяет получать миниатюрные изделия.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — П. А. Вятлев, А. В. Захарченко, В. И. Масычев, К. Л. Лезвинский, Б. П. Папченко

Technology effective controlled laser thermocleavage dielectric materials

In work is considered methods of increase of efficiency controlled laser thermocleavage dielectric materials (quartz, sapphire etc.) with the help of radiation СО2 of lasers. Methods are considered: contactless reception of microdefects for the organization of a microcrack in a processable material. Managements of movement of the laser microcrack, allowing to increase both speed of moving of preparation, and thickness of a dielectric material. thermocleavage in intersecting directions that allows to receive tiny products.

Текст научной работы на тему «Технология эффективного управляемого лазерного термораскалывания диэлектрических материалов»

Технология эффективного управляемого лазерного термораскалывания диэлектрических материалов

П.А.Вятлев, А.В.Захарченко, В.И.Масычев, К.Л.Лезвинский, Б.П.Папченко, В.К.Сысоев (asd@berc.rssi.ru )

ФГУП «Научно-исследовательский центр им. Г.Н. Бабакина»

Применение излучения СО2 лазеров для управляемого термораскалывания показало высокую эффективность для высокоточной размерной обработки диэлектрических материалов 4, от таких как стекла для жидкокристаллических экранов, до таких как сапфировые чипы для светодиодов. Однако имеющаяся технология имеет ряд ограничений, затрудняющих её широкое применение в промышленности. Это следующие две проблемы. Первая — высокое качество кромки материала, получаемого в результате его разделения рассматриваемым методом, затрудняет раскрой материала во взаимно пересекающихся направлениях, что особенно необходимо для изготовления миниатюрных изделий. Вторая проблема — это ограничения обработки по толщине материала. Данная работа посвящена некоторым решениям этих проблем.

Технологии бесконтактного создания микродефекта

Как известно1, основой технологии управляемого лазерного термораскалывания диэлектрических материалов является зарождение микротрещины и управление ее движением лазерным лучом и хладогентом, как показано на рис. 1а.

Микротрещина зарождается на первоначальном дефекте, который в имеющихся установках создается искусственно с помощью механического устройства (алмазной пирамиды) путем вдавливания ее в материал, где в последующем эту точку освещают лазерным лучом специальной формы (чаще всего эллиптической формы). Хладоагент из форсунки падает на горячий след луча, усиливая термонапряжение для создания микротрещины.

рис. 1а. Схема термораскалывания

Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» 1409 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2003/117.pdf

При пересечении лучом линии уже произведенного термораскалыванием высококачественного скола материала не удается управлять микротрещиной, и необходимо создать новый микродефект

на следующем сколе материала. Создание его механическим путем невозможно, особенно при создании микроминиатюрных изделий, получаемых с большой скоростью, что требуют частоты нанесения дефектов до и более 100 Гц (с точно регулируемым усилием), что для электромеханических устройств затруднено. К тому же механический дефект имеет размеры, недопустимые для изготовления миниатюрных изделий [5]. Инструмент для создания дефекта с регулируемыми характеристиками должен быть бесконтактным, что предполагает использование импульсного лазера. Выбор такого лазера будут определяться спектральными и теплофизическими характеристиками обрабатываемого материала, а также импульсными характеристиками лазерного излучения(энергия и длительность импульса). Управляемое термораскалывание наиболее перспективно для следующих материалов: кристаллический кварц, сапфир (включая керамику), оксидные стекла. Края ИК поглощения этих материалов лежат в области 2-3 мкм. Импульсные лазерные излучатели для создания дефектов показаны в табл. 1.

Бесконтактное образование микротрещин — дефектов для управляемого

лазерного термораскалывания диэлектрических материалов.

№ Тип лазера Характеристика Результат Примечание

1 Ш 1,06 мкм, нсек 10-20% Трудно осуществить микротрещину на поверхности

2 Ег 2,94 мкм, мксек 80-100% При больших мощностях и длинных импульсах идет плавление дефекта

3 С02 с модуляцией 10,6 мкм, мсек 60-70% Необходимость чистой поверхности материала, при больших мощностях

добротности идет гравировка

4 ТЕА С02 10,6 мкм, мксек 80-100% Необходимость чистой поверхности материала, при больших мощностях — плазмообразование

Конечно важно, чтобы источник излучения для дефектообразования был достаточно прост, надежен и дешев. Эксперименты, проведенные авторами для управляемого дефектообразования, проводились без исследования самого дефекта, а проводились по признаку создания управляемых термотрещин. Наши эксперименты показали, что для используемых материалов (оксидные стекла, сапфир, кристаллический кварц) возможно образование микродефекта от нескольких импульсных лазеров (неодимового (1,06 мкм, нсек), эрбивого (2,94 мкм, мксек), СО2 с модуляцией добротности (10,6 мкм, мсек) и ТЕА СО2 лазера (10,6 мкм, мксек)). Измерения показали, что наиболее приемлемым инструментом для дефектообразования является эрбиевый и ТЕА СО2 лазер [6]. Испытания проводились по следующей методике. На установке управляемого лазерного термораскалывания делали параллельные микротрещины (или сквозной скол), затем в один технологический акт совершалась следующая операция: край скола облучался импульсным излучением одного из выбранных лазеров и одновременно излучения непрерывного лазера проходили через эту зону «ведя» создающуюся микротрещину до следующего скола. Трудности получения микродефекта лазерным излучением заключались в двух аспектах: при очень большой мощности излучения возникал плазменный пробой на поверхности, при очень малых мощностях процесс дефектообразования был неустойчив. Подбирая мощность (энергии) импульсного лазера мы достигали максимально возможного устойчивого образования микротрещин (при этом добивались образования этой микротрещины как можно при меньших энергетических параметрах). Очень важно, что при такой методике не требовалось исследование самой микротрещины, что является весьма не простой инструментальной задачей. При этом необходимой задачей такой работы была оптимизация временной задержки между

Читайте также:  Установка squid на rhel

импульсным лазером и непрерывным лазером. Процедура такой технологии показана на рис. 1б.

рис.1б. Схема бесконтактного дефектообразования

а результаты отражены в табл. 1. Результаты испытаний показаны, как итог большой статистики. Каждый из перечисленных лазеров в принципе всегда создавал микродефекты. Но качество этих микродефектов зависело от типа материала, его толщины, вида поверхности и набранная статистика показывает, что наиболее приемлемым типом лазера, как инструмента, для этой цели являются эрбиевый и ТЕА СО2 лазеры. Одним из важных результатов этих испытаний является то, что наиболее оптимальный дефект -микротрещина образуется без видимого внешнего поверхностного дефектообразования. Данная методология получения микродефектов

Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» 1413 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2003/117.pdf

позволила реализовать термораскалывание образцов стекла с размерами 0,3 х 0,3 мм.

Управляемый докол в термораскалываемых лазерным

Образование и развитие управляемой микротрещины по воздействием излучения СО2 лазеров имеют две основные проблемы: ограничения скорости развития трещины вслед за лазерным лучом и главное -ограничения развития трещины по толщине стекла, что ограничивает получение конечных изделий. Физический механизм, позволяющий управляемо развивать микротрещины по всей толщине материала, известен достаточно давно. Это — создание дополнительных термонапряжений, например, подогрев или охлаждение нижней части объекта. Имеющийся уже рисунок термомикротрещин, возникших под воздействием лазерного излучения разовьется сквозным образом из-за перепада температур. Однако скорость данного процесса ограничена и определяется теплопроводностью материала. В ряде случаев (например при наличии легкоиспаряемых изделий на материале) температурный нагрев образцов не допустим. Вторым механизмом управляемого докола, получения лазерным излучением микротрещин, является ударное звуковое развитие трещины. Это явление известно на бытовом уровне. Когда стеклорез, создав резцом микротрещину, алмазом постукивает небольшим усилием с обратной стороны стекло, развивая полученную микротрещину до полного раскола материала. Ряд фирм выпускает специальные ручные инструменты для этого. Теория и экспериментальные исследования управления развитием микротрещины ударными волнами развиты в работе [7]. Развитие ударных волн в твердом теле (стекло и керамика) происходит со звуковыми скоростями, что позволяет надеется на ускорение процесса

докалывания материала по заданному контуру термораскалывания с большими скоростями.

Не вдаваясь в расчетные механизмы развития данной технологии рассмотрим полученные экспериментальные методы.

Прежде всего, рассмотрим основные требования к источнику акустических ударных волн. Схема работы показана на рис.2а.

рис.2а. Схема технологии акустического докалывания микротрещин

и состоит из трех компонент: луча лазера, создающего эллиптическую зону нагрева для создания микротрещин, зону реализации микротрещины, зону воздействия акустических ударных волн. Разнос этих зон по пространству и времени является предметом отладки технологии. При этом данную технологию можно реализовать

применяя акустическую ударную волну навстречу микротрещине т.е. «снизу», так используется отражение ударной волны от поверхности материала т.е. «сверху», как показано на рис.2б.

рис.2б. Варианты схем акустического докалывания микротрещин

Реализация механизма для возбуждения точечных акустических волн в движущемся материале является весьма не тривиальной задачей. Наши

исследования показали, что имеется ряд методов, позволяющих реализовать несколько устройств с различным принципом возбуждения акустических волн, удовлетворяющих данную технологию. Сводные данные этих устройств (методов), приведенные в табл.2.

Методы докалывания материалов после создания лазерным

№ Метод Устройство Примечание

Температурное Поверхностный Простота устройства.

1 воздействие нагрев (или охлаждение) Малые скорости и ограничения по толщине

Механический Простота устройства, но трудно

2 Механический звукопровод с механическим бойком разделить акустическую волну от механического перемещения звукопровода, крошится материал.

Магнитожидкостной Сложность устройств,

механизм обеспечивающих контакт с материалом.

Пневматическое Ударная волна от Бесконтактное устройство,

3 устройство разряда в капиллярном канале простое устройство с возможностью регулировки удара в широком диапазоне.

Генерация Возбуждение Ш Эффективное устройство, но

4 звуковых волн в лазера звуковых волн отрицательное воздействие

жидкости № в ^С12 растворе растворов на материал.

Рассмотрим данные методы возбуждения докола акустическими методами. Первый, самый простой метод заключается в возбуждении

ударных акустических волн в коническом стержне электромеханическим механизмом, прижатым к материалу (в самом простом случае — в стекле), что показано на рис.За.

рис.За. Электромеханическое устройство докалывания

Данное устройство позволяет регулировать как силу удара (уровень акустических волн), так и частоту ударов и уверенно раскалывая стекло толщиной до 20 мм, в то время как для этой марки стекла термораскалывание без акустического воздействия при тех же скоростях происходило максимально до толщины 2 мм. Несмотря на

Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» 1418 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2003/117.pdf

относительную простоту этого устройства, оно обладает существенным недостатком — в месте контакта стального шарика со стеклом материал периодически крошится, что для ряда применений недопустимо и весьма трудно выдержать регулируемый контакт с движущимся стеклом. Вторым устройством, реализуемым в данной работе является использование ударных акустических волн, создаваемых импульсным газовым разрядом в капиллярном канале, как показано на рис.3б.

рис.3б. Пневматическое устройство докалывания

Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» 1419 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2003/117.pdf

Наибольшим достоинством этого устройства является то, что не требуется механического контакта с обрабатываемым материалом, то есть наличие зазора 0,5 мм уверенно обеспечивает докалывание образцов. Для докалывания толстых стекол данное устройство весьма эффективно. Данное устройство, с помощью регулировки высоковольтного импульсного напряжения (не более 1 кв и длительностью 0,1-1 мкс.), позволяет реализовать, как регулировку энергии удара, его частоту(до 300Гц), так и возможна его реализация для работы с различными газами, а также можно использовать, как

одиночное устройство(для удара снизу), так и двойное(для удара сверху). Следующим устройством реализованным в рамках данной работы было использование генерируемых акустических ударных волн в жидкости возбуждаемых неодимовым лазером на 1,06 микрон. Схема этого устройства показана на рис.3в.

Даже небольшая мощность пучка неодимового лазера, сфокусированного в оптимально подобранной жидкости(раствор СиС12 в воде), позволяет уверенно раскалывать, получаемым

Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» 1420 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2003/117.pdf

гидрооптоакустическим эффектом, толстые стекла. Однако в ряде случаев не допустимо применение растворов типа .

В заключении рассмотрим применение импульсного СО2 лазера для непосредственного возбуждения ударных акустических волн для управления движением микротрещиной. Работы, проводимые с импульсным СО2 лазером, как на основе лазеров с модуляцией добротности, так и ТЕА СО2, не принесли положительных результатов.

Конечно, все эти устройства не исчерпывают возможность увеличения эффективности управляемого термораскалывания .

Авторы благодарны В. С. Кондратенко за идею этой работы.

1. Мачулка Г.А. Лазерная обработка стекла, Москва, «Советское Радио», 1979, с. 136.

2. Григорянц А.Г., Соколов А.А. Лазерная обработка неметаллических материалов, «Высшая школа», 1988, с. 191.

3. Белоусов Е.М., Кондратенко В.С. Мачупка Г.Н., Чуйко В.В. «Управляемое термораскалывание стекла лазерным излучением диапазона 10,6 микрон, «Электронная промышленность», 1979, №9, с.40-45.

4. Стригин М.Б., Чудинов А.Н. Лазерная обработка стекла пикосекундными импульсами, «Квантовая электроника», 1994, т.21, №8, с.787-790.

5. Иванов А.В. Прочность оптических материалов, Ленинград, «Машиностроение», 1989, с. 144.

6. Алейников В.С., Бондаренко Ю.Ф., Бойков В.Н., Зубов В.В., Старикова Г.С., Сысоев В.К. Импульсный лазер на СО2 с поперечным разрезом (отпаянный режим), Квантовая электроника, 1981, т.8, №2, с.381-383.

7. «Физика быстропротекающих процессов», Москва, 1971, т.2, с.252.

источник

Добавить комментарий

Adblock
detector