СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСНОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ТВЕРДЫХ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD OF LASER PULSED SHAPING OF SOLID NON-METAL MATERIALS

Изобретение относится к способам обработки материалов, в частности к способам формообразования и резания твердых неметаллических материалов. Изобретение может быть использовано в промышленности для формообразования и резания, получения деталей сложной пространственной формы, гравировки и маркировки различных твердых неметаллических материалов, преимущественно различных видов стекла и керамики.
Известен процесс лазерного скрайбирования и разрушения тонких стеклянных листов с нанесенным на них покрытием. Он осуществляется путем направления лазерного луча от импульсного KrF лазера, длина волны которого сильно поглощается стеклом, фокусирования лазерного излучения на поверхности материала или в его толще и формирования дефекта в точке фокусировки (патент США №5961852, В23К 26/00, опубл. 5.10.1999).
Недостатком данного способа является то, что он позволяет разделять только тонкие листовые материалы, толщиной до нескольких сот микрометров. При этом траектории разделения материала сильно ограничены по геометрическим конфигурациям.
Известен способ обработки стекла и других хрупких неметаллических материалов под действием термоупругих напряжений, возникающих в результате нагрева поверхностного слоя лазерным излучением до температуры, не превышающей температуру размягчения материала, последующего локального охлаждения зоны нагрева, при этом скорость относительного перемещения пучка, материала и места локального охлаждения зоны нагрева выбирают из условия образования в материале несквозной разделяющей трещины (патент РФ №2024441, С03В 33/02, опубл. 15.12.1994).
Недостатком данного способа является то, что он, как и ранее указанный метод, позволяет осуществлять только непосредственное разделение листовых материалов и не позволяет осуществлять какой-либо другой вид обработки. При этом качественному гарантированному разделению могут подвергаться только листовые материалы толщиной до 10 мм.
Наиболее близким к заявленному является способ резки прозрачных неметаллических материалов путем направления лазерного луча от импульсного лазера, фокусирования лазерного излучения на поверхности образца или в его толще и формирования дефекта в точке фокусировки, а затем приложения механического усилия к поверхности образца, отличающийся тем, что используют импульсное лазерное излучение с длиной волны, лежащей в области прозрачности материала, длительностью импульса 10-100 пс и энергией в импульсе, достаточной для образования пробоя в зоне фокуса, затем определяют размер дефекта и формируют дефекты в точках образца, отстоящих друг от друга на расстоянии, определяемом 50% перекрыванием дефектов до двукратного расстояния между дефектами (патент РФ №2226183, С03В 33/00, опубл. 27.03.2004).
Недостатком указанного метода является необходимость приложения механических изгибающих усилий, что не дает получать сложные траектории разделения. Также способ не позволяет осуществлять какую-либо другую обработку, кроме разделения листовых материалов.
В основу настоящего изобретения положена задача расширения технологических возможностей процесса лазерной импульсной обработки твердых неметаллических материалов путем создания способа лазерного импульсного формообразования твердых неметаллических материалов, включая стекло и керамику, который обеспечит осуществление последовательного дискретного съема материала с поверхности обрабатываемого изделия.
Поставленная задача решается тем, что в способе лазерного импульсного формообразования твердых неметаллических материалов импульсное лазерное излучение с энергией в импульсе, обеспечивающей образование оптического пробоя в зоне фокуса, направляют от импульсного лазера к обрабатываемому материалу и формируют разрушения в точках фокусировки, при этом используют импульсное лазерное излучение с длиной волны, лежащей или не лежащей в области прозрачности обрабатываемого материала, и осуществляют последовательный дискретный съем материала в виде отдельного слоя путем фокусирования лазерного луча на поверхности обрабатываемого материала и формирования группы лунок с переменным коэффициентом перекрытия, определяемым в диапазоне от 0,1 до 0,9, затем на обработанной поверхности материала осуществляют последовательный дискретный съем следующего отдельного слоя материала, с переменным коэффициентом перекрытия между отдельными слоями, определяемым в диапазоне от 0,2 до 0,95. При использовании импульсного лазерного излучения с длиной волны, лежащей в области прозрачности обрабатываемого материала, осуществляют последовательный дискретный съем материала путем фокусирования лазерного луча на выходной или входной поверхности обрабатываемого материала по отношению к направлению распространения лазерного луча.
На фиг.1 показана схема образования отдельной лунки на поверхности обрабатываемого материала. Фиг.2 - схема последовательного дискретного съема материала. Фиг.3 - схема, показывающая ограничение образования поверхности. Фиг.4 - схема обработки прозрачного, для используемого лазерного излучения, материала путем фокусирования лазерного луча на выходной поверхности обрабатываемого изделия. Фиг.5 - отверстия различной формы, вырезанные в листовом стекле марки M1. Фиг.6 - схема вырезания прямоугольного отверстия в листовом стекле. Фиг.7 - комбинированное отверстие, вырезанное в листовом стекле марки M1. Фиг.8 - комбинированное отверстие, вырезанное в листовом стекле марки M1. Фиг.9 - винт М3 с потайной головкой, вырезанный из листового стекла марки M1. Фиг.10 - маркировка поверхности листового стекла марки M1.
Процесс лазерного импульсного формообразования поверхности обрабатываемого материала заключается в следующем (фиг.1). Под воздействием лазерного луча 1, сфокусированного на поверхности обрабатываемого материала 2, образуется лазерная искра вследствие оптического пробоя поверхности материала. При этом для прозрачного материала порог пробоя поверхности значительно ниже порога пробоя в его объеме, поскольку поверхность материала, как правило, концентрирует в себе напряжения, дефекты и неоднородности.
H
V
Результатом воздействия импульса лазерного излучения является лунка 3 глубиной h и поперечным размером d, которая образуется вследствие единичного съема материала. При последовательном формировании на поверхности обрабатываемого материала группы таких лунок на расстоянии S друг от друга происходит последовательный дискретный съем материала в виде отдельного слоя. Затем на обработанной поверхности осуществляют последовательный дискретный съем следующего слоя материала и т.д. с расстоянием между отдельными слоями S (фиг.2), тем самым обеспечивая управляемое формообразование поверхности обрабатываемого материала. Описанный послойный съем материала позволяет получать сложные по форме поверхности и их комбинации.
H
H
H
Указанное расстояние между лунками S выбирается из соображений, что создаваемые соседние лунки в отдельном слое располагаются с перекрытием относительно друг друга. Перекрытие лунок в слое определяется следующим образом: пусть р - величина относительного перекрытия соседних лунок, тогда коэффициент перекрытия K, определяемый как отношение величины относительного перекрытия p к поперечному размеру лунки d, принимается от 0,1 до 0,9, в зависимости от типа обрабатываемого материала и формируемых геометрических элементов. При этом коэффициент перекрытия K может изменяться в пределах отдельного слоя для различных формируемых геометрических элементов (угловые участки, участки округления малых радиусов (менее 0,3 мм), участки стыков различных геометрических элементов).
V
V
H
V
Расстояние между отдельными слоями S выбирается из соображений, что создаваемые соседние слои располагаются с перекрытием относительно друг друга. Коэффициент перекрытия между отдельными слоями K определяется аналогично коэффициенту перекрытия K: пусть р - величина относительного перекрытия соседних слоев, тогда коэффициент перекрытия K, определяемый как отношение величины относительного перекрытия р к глубине отдельной лунки h, принимается от 0,2 до 0,95, в зависимости от типа обрабатываемого материала и формируемых геометрических элементов (угловые участки, участки скругления малых радиусов (менее 0,3 мм), участки стыков различных геометрических элементов).
H
H
При этом для обеспечения оптимального последовательного дискретного съема материала каждая группа лунок очередного слоя смещается относительно группы лунок предыдущего слоя, так чтобы обеспечить «шахматный порядок» взаимного расположения лунок в соседних слоях. Например, если группа лунок в первом слое формируется с параметром S=0,03 мм, то группу лунок второго слоя необходимо сместить относительно первой группы на S/2.
Поскольку фокусируемый лазерный луч имеет вид сходящегося конуса, то при погружении на определенную глубину каустики сфокусированного луча относительно поверхности обрабатываемого материала 2 часть сфокусированного луча 1 перекрывается краями обработанной поверхности (фиг.3). Таким образом, вертикальные стенки получаемой поверхности в результате такого формообразования будут иметь наклон α≈arctg(D/2F), где D - диаметр лазерного луча до фокусировки, F - фокусное расстояние используемого объектива. Следовательно, такая схема процесса лазерного импульсного формообразования твердых неметаллических материалов пригодна при разделении листового материала, к кромкам которого не предъявляется требований строгой вертикальности, или при операциях формообразования, не требующих получения вертикальных стенок с углом наклона меньше указанного α. При этом разделение листовых материалов может осуществляться по любым траекториям и без необходимости приложения механических усилий.
Также для прозрачных для используемого лазерного излучения материалов применяется схема обработки, которая заключается в осуществлении последовательного дискретного съема материала путем фокусирования лазерного луча на выходной поверхности обрабатываемого материала по отношению к направлению распространения лазерного луча (фиг.4). Указанная схема предусматривает, что фокусировка лазерного луча 1 осуществляется на противоположенной стороне обрабатываемого материала 2. При этом характер образования лунок аналогичен приведенному ранее, за исключением того, что порог оптического пробоя выходной грани обрабатываемого материала ниже, чем входной, из-за интерференции падающей волны с отраженной.
Такой подход предъявляет ряд условий: материал должен быть прозрачен для лазерного излучения; входная поверхность должна быть отполирована; наличие неоднородностей и свилей в объеме материала может привести к отклонению фокусируемого лазерного луча, в результате чего процесс обработки может протекать нестабильно. Вместе с тем, такая схема процесса формообразования позволяет формировать строго вертикальные поверхности, т.е. поверхности, параллельные направлению распространения лазерного луча, что в свою очередь позволяет, например, формировать узкие и одновременно глубокие отверстия в обрабатываемом материале.
Поскольку поверхность обрабатываемых материалов, таких как стекло и керамика, имеет дефекты и неоднородности, то для обеспечения регулярного оптического пробоя поверхности материала необходимо использовать импульсное лазерное излучение с энергией в импульсе, обеспечивающей стабильное образование оптического пробоя в зоне фокуса.
V
H
V
H
При осуществлении последовательного дискретного съема материала путем фокусирования лазерного луча на выходной поверхности обрабатываемого материала необходимо также учитывать поглощение лазерного излучения в объеме материала. Например, при вырезании сквозного отверстия в изделии из оптического стекла марки К8, толщиной 100 мм, необходимо поддерживать постоянство коэффициентов перекрытия K и K по глубине обработки, поскольку при начальной обработке выходной поверхности указанного изделия часть излучения (приблизительно 2-3%) будет поглощаться. Таким образом, назначенные параметры S и S при обработке выходной грани указанного изделия необходимо также уменьшать на 2-3%, а затем при приближении к входной грани увеличивать до назначенных величин по линейной зависимости. Данное обстоятельство является важным при обработке прозрачного листового материала большой толщины (>100 мм) и при обработке изделий из материалов с низким коэффициентом пропускания (меньше 0,9).
Примеры осуществления способа
Все приведенные примеры выполнены с помощью импульсного Nd:AИГ-лазера, работающего в режиме модуляции добротности, на длине волны 1,06 мкм с выделением центральной моды с помощь апертурной диафрагмы, с длительностью импульса 15 нс и энергией в импульсе 20 мДж. Фокусное расстояние фокусирующего объектива 56 мм.
Обработке подвергалось листовое стекло марки M1 по ГОСТ 111-2001, ситалл марки СТ-50-1 по ОСТ 11-054.263-79 и оптическое стекло марки К8 по ГОСТ 3514-94.
H
НД
НД
H
НД
H
V
V
Примеры 1, 2. Произведены вырезания двух отверстий в листовом стекле толщиной 4 мм: прямоугольного (1×3 мм) и эллиптического (1×3 мм) (фиг.5). Лазерный луч фокусировался на выходной поверхности обрабатываемого материала. Основное значение коэффициента перекрытия K принималось 0,5, а для обеспечения разделения на угловых участках и участках скруглений с малыми радиусами использовался дополнительный коэффициент перекрытия К, равный 0,6. В частности, коэффициент перекрытия К использовался на угловых участках размером 0,2×0,2 мм при вырезании прямоугольного отверстия и на участках скруглений радиусом 0,25 мм при вырезании эллиптического отверстия. Расстояние между соседними лунками в пределах отдельного слоя S составляло 0,024 и 0,03 мм для К и K соответственно. Коэффициент перекрытия между соседними слоями K составлял 0,6; расстояние между соседними слоями S составляло 0,05 мм.
Толщина удаляемого слоя материала 5 для обеспечения полного разделения обрабатываемого изделия 2 в данных и последующих примерах реализации способа, принималась 0,06 мм, что позволяло внутренней отделяемой части изделия 4 беспрепятственно удаляться (фиг.6).
H
НД
V
H
НД
V
Пример 3. Вырезано прямоугольное отверстие 1×2 мм в пластинке ситалла, толщиной 1 мм. Параметры обработки: K=0,8, К=0,85, K=0,7, S=0,01 мм, S=0,0075 мм, S=0,02 мм. Лазерный луч фокусировался на входной поверхности обрабатываемого материала.
Пример 5. Получено комбинированное отверстие (фиг.7), состоящее из цилиндрической части диаметром 4 мм, переходящее в квадратную часть со стороной 2 мм. Вырезание производилось из листового стекла толщиной 3 мм.
Параметры обработки:
H
V
H
V
- цилиндрическая часть: K=0,5, K=0,5, S=0,03 мм, S=0,05 мм;
H
НД
V
VД
H
НД
V
VД
- квадратная часть: K=0,5, К=0,6, K=0,5, К=0,7, S=0,03 мм, S=0,024 мм, S=0,05 мм, S=0,03 мм.
НД
VД
Лазерный луч фокусировался на выходной поверхности обрабатываемого материала. Процесс обработки состоял из двух этапов: 1) полное удаление цилиндрической части; 2) вырезание части отверстия квадратного сечения. При вырезании отверстия квадратного сечения в месте стыка с уже вырезанной частью круглого сечения использовались дополнительные коэффициенты перекрытия К и К.
Пример 6. Получено комбинированное отверстие из листового стекла толщиной 4 мм, состоящее из цилиндрической части диаметром 2,5 мм, переходящее в коническую часть с углом схождения конуса 60 градусов (фиг.8).
Параметры обработки:
H
НД
V
VД
H
НД
V
VД
- цилиндрическая часть: K=0,5, К=0,6, K=0,5, К=0,7, S=0,03 мм, S=0,024 мм, S=0,05 мм, S=0,03 мм;
H
НД
V
VД
H
НД
V
VД
- коническая часть: K=0,5, К=0,6, K=0,5, К=0,7, S=0,03 мм, S=0,024 мм, S=0,05 мм, S=0,03 мм.
Лазерный луч фокусировался на выходной поверхности обрабатываемого материала.
H
НД
V
VД
H
НД
V
VД
Пример 8. Получена деталь - винт М3 с с потайной головкой по ГОСТ 17475-80 (фиг.9). Параметры обработки: K=0,5, К=0,6, K=0,5, К=0,7, S=0,03 мм, S=0,024 мм, S=0,05 мм, S=0,03 мм.
H
НД
V
Н
НД
V
Пример 9. Получено сквозное прямоугольное отверстие размером 1×1 мм в оптическом стекле марки К8 толщиной 25 мм. Параметры обработки: K=0,6, К=0,7, K=0,5, S=0,025 мм, S=0,02 мм, S=0,05 мм. Лазерный луч фокусировался на выходной поверхности обрабатываемого материала.
H
НД
V
VД
H
НД
V
VД
Пример 10. Произведено маркирование поверхности листового стекла (фиг.10). Надпись маркировки «ФХПиТ» осуществлялась в виде рельефа с глубиной 1,5 мм. Параметры обработки: K=0,5, К=0,6, K=0,5, К=0,7, S=0,03 мм, S=0,024 мм, S=0,05 мм, S=0,03 мм. Лазерный луч фокусировался на входной поверхности обрабатываемого материала.