Возможность высокоскоростной лазерной резки стекла

Появление в последние годы высокомощных волоконных лазеров, более эффективных и простых в эксплуатации по сравнению с другими типами лазеров, сделало актуальным проведение систематических исследований и разработку технологии резки стекла методом управляемого термораскалывания. В статье рассмотрен вопрос о возможности высокоскоростной резки стекла современными лазерами мощностью до нескольких десятков киловатт в ближнем инфракрасном диапазоне излучения. Определялось поле упругих напряжений, возникающее в стеклянной пластине при её нагреве лазерным излучением. Метод исследования базировался на теории термоупругости.

Представлена математическая модель расчета температуры и упругих напряжений, индуцированных облучением стекла движущимся лазерным лучом. Приведены результаты численного моделирования температурных полей и профилей упругих напряжений при различных скоростях движения пятна облучения. Показано, что при высокой мощности излучения максимально достижимая скорость резки стекла прямо пропорциональна мощности. Имеющиеся в литературе данные по скорости резки борского стекла при низких мощностях излучения (менее 400 Вт) экстраполированы на высокие мощности (до нескольких десятков киловатт). Показано, что скорость резки может достигать 70 см/с при мощности лазерного излучения 20 кВт. Для резки крупногабаритных листов стекла в массовом производстве рекомендуются волоконные иттербиевые лазеры, имеющие длину волны излучения 1,065 мкм, которые удовлетворяют требованиям по уровню мощности, стабильности излучения и ресурсу работы. Кроме того, эти лазеры имеют возможность транспортировки излучения по оптоволоконному кабелю и автоматического управления пространственным положением пятна облучения. Полученные результаты могут быть использованы для разработки новых технологий по резке стекла на промышленных линиях по производству флоат-стекла, в технологическом процессе раскроя листов стекла и резки 3D-стеклоизделий. Метод лазерного управляемого термораскалывания, в сравнении с другими лазерными методами резки стекла, является более эффективным и стабильным, а также имеет существенно более широкую область применения, так как позволяет в несколько раз увеличить толщину разделяемого стекла.

лазерная резка, термораскалывание, упругие напряжения, иттербиевый волоконный лазер, борское стекло

1. Мачулка, Г.А. Лазерная обработка стекла / Г.А. Мачулка. – М.: Советское радио, 1979. – 135 с.

2. Григорьянц, А.Лазерная обработка неметаллических материалов / А.Григорьянц, A.A. Соколов. – М.: Высшая школа, 1988. – 192с.

3. Сhui, G.K. Laser cutting of hot glass/ G.K. Сhui // Amer. Ceram. Soc. Bull. – 1975. – Vol. 54. – No. 5. – P. 514–518.

4. Lumley, R.M. Controlled separation of brittlo materials used a laser / R.M. Lumley // J. of the Amer. Cer. Soc. – 1969. – Vol. 48. – No. 9. – P. 850.

5. Higuchi, T. Application of laser to drilling and cutting / T. Higuchi, T. Miyazama, H. Joshida // Mitsubishi Denki. – 1971. – Vol. 45. – No. 10. – P. 1298.

6. Жималов, А.Б. Лазерная резка флоат-стекла в процессе его выработки / А.Б. Жималов [и др.] // Стекло и керамика. – 2006. – № 10. – С. 3–5.

7. Солинов, В.Ф. Раскрой листового силикатного стекла методом термораскалывания / В.Ф. Солинов, В.С. Кондратенко, В.М. Брауде // Техника, экономика, информация. – 1982. – Сер. Техника. – Вып. 6–7. – С. 47.

8. Hermanns, C. Laser cutting of glass / C. Hermanns // Proc. SPIE 4102. – 2000. – P. 219–226.

9. Kang, H.S. A study of cutting glass by laser / H.S. Kang [et al.] // Proc. SPIE 4426. – 2002. – P. 367–370.

10. Кондратенко, В.С. Лазерное управляемое термораскалывание хрупких материалов / В.С. Кондратенко. – М.: МГУПИ, 2007. – 191 с.

11. Бучанов, В.В. Применение лазерной технологии для резки стеклоизделий / В.В. Бучанов [и др.] // Стекло и керамика. – 2014. – № 9. – С. 6–9.

12. Buchanov, V.V. Light–indused glass cutting / V.V. Buchanov [et al.] // Bulletin of the Lebedev Physics Institute. – 2017. – Vol. 44. – No. 9. – P. 263–265.

13. Белкин, А.М. Лазерная резка тугоплавких стекол лучом ОКГ / А.М. Белкин // Электронная техника. Сер. 3. Газоразрядные приборы. – 1969. – Вып. 4. – C. 37.

14. Белкин, А.М. Обрезка кварцевых изделий лучом лазера / А.М. Белкин // Электронная техника. Сер. 4. Электровакуумные и газоразрядные приборы. – 1977. – Вып. 5. – C. 103.

15. Мачулка, Г.А. Резка стекла лазерным лучом / Г.А. Мачулка, В.М. Гурьянов, Л.П. Муратова // Стекло и керамика. – 1972. – № 10. – C. 10.

16. Webster, J.M. Laser in the glass industry / J.M. Webster // Glass. –1974. – Vol. 51. – No. 10. – P. 337.

17. A Guide to the Laser / ed. D. Fishlock. – McDonald, London. – 1967. – 163 p.

18. Бабенко, В.П. Газолазерная резка материалов / В.П. Бабенко // Квантовая электроника. – 1972. – № 5. – С. 3–21.

19. Рыкалин, Н.Н. Лазерная обработка материалов / Н.Н. Рыкалин, А.А. Углов, А.Н. Кокора. – М.: Машиностроение. – 1975. – 295 с.

20. Реди, Д. Действие мощного лазерного излучения / Д. Реди. – М.: Мир. – 1974. – 468 с.

21. Борода, В.И. Термораскалывание стеклянных трубок лазерным излучением / В.И. Борода, А.Ц. Вартаньянц, H.H. Карпов // Электронная промышленность. – 1976. – № 1. – С. 59–63.

22. Большов, В.Ф. Лазерная технологическая установка для резки профильного стекла / В.Ф.Большов [и др.] // Квантовая электроника. – 1971. – № 6. – С. 84.

23. Парфенов, Б.А. Лазерная установка «Квант20» для резки стекла / Б.А.Парфенов [и др.] // Электронная техника. Сер. 11. Лазерная техника и оптоэлектроника. – 1979. – Вып. 1(7). – С. 11.

24. Белоусов, Е.К. Управляемое термораскалывание стекла с помощью лазерного излучения/ Е.К. Белоусов [и др.] // Электронная промышленность. – 1978. – № 9. – С. 65.

25. Higuchi, T. Application of laser to drilling and cutting. Mitsubishi Denki / T. Higuchi, T. Miyazama, H. Joshida // Mitsubishi Denki. – 1971. – Vol. 45. – No. 10. – P. 1298.

26. Солинов, В.Ф. Раскрой листового силикатного стекла методом термораскалывания / В.Ф. Солинов, В.С. Кондратенко, В.М. Брауде // Техника, экономика, информация. Сер. Техника. – 1982. – Вып. 6–7. – С. 47.

27. Кондратенко, В.С. Исследование и разработка процесса резки стекла методом лазерного управляемого термораскалывания: Автореф. канд. дис. тех. наук. – М., 1983. – 26 с.

28. Коваленко, А.Д. Основы термоупругости / А.Д. Коваленко. – Киев: Наукова думка, 1970. – 306 с.

29. Малов, И.Е. Разработка технологии управляемого термораскалывния листового стекла излучением твердотельного лазера: Дис. канд. тех. наук. – М., 2000.

30. Самарский, А.А. Экономичные разностные схемы для гиперболической системы уравнений со смешаннными производными и их применение для уравнений теории упругости / А.А. Самарский // Журнал вычислительной математики и математической физики. – 1965. – Т. 5. – № 1. – С. 34.