RU2478083C2 - Method of splitting crystalline quartz under effect of thermoelastic stress - Google Patents
Method of splitting crystalline quartz under effect of thermoelastic stress Download PDFInfo
- Publication number
- RU2478083C2 RU2478083C2 RU2011111426/03A RU2011111426A RU2478083C2 RU 2478083 C2 RU2478083 C2 RU 2478083C2 RU 2011111426/03 A RU2011111426/03 A RU 2011111426/03A RU 2011111426 A RU2011111426 A RU 2011111426A RU 2478083 C2 RU2478083 C2 RU 2478083C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- symmetry
- crystalline quartz
- axis
- order
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Processing Of Stones Or Stones Resemblance Materials (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Re-Forming, After-Treatment, Cutting And Transporting Of Glass Products (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способам резки анизотропных материалов под действием термоупругих напряжений, в частности к способам лазерного термораскалывания кристаллического кварца.The invention relates to methods for cutting anisotropic materials under the action of thermoelastic stresses, in particular to methods for laser thermal cracking of crystalline quartz.
Изобретение может быть использовано в электронной промышленности, а также в других областях техники и производства, где существует необходимость прецизионной обработки изделий из кристаллических материалов.The invention can be used in the electronic industry, as well as in other areas of technology and production, where there is a need for precision processing of products from crystalline materials.
Известен способ термораскалывания стекла и других хрупких неметаллических материалов под действием термоупругих напряжений, возникающих в результате лазерного нагрева материала и образования в нем разделяющей трещины [1].A known method of thermally cracking glass and other brittle non-metallic materials under the action of thermoelastic stresses resulting from laser heating of the material and the formation of a separating crack in it [1].
Сущность указанного способа заключается в следующем.The essence of this method is as follows.
При воздействии на поверхность материала лазерного пучка происходит образование разделяющей трещины, динамика развития которой определяется распределением термоупругих напряжений, сформированных в результате теплового расширения областей материала, подвергшихся локальному лазерному нагреву. При этом разделение материала происходит по всей толщине и характеризуется низкой скоростью термораскалывания.When a laser beam is exposed to the surface of the material, a separating crack is formed, the dynamics of which is determined by the distribution of thermoelastic stresses formed as a result of the thermal expansion of the regions of the material subjected to local laser heating. Moreover, the separation of the material occurs throughout the thickness and is characterized by a low rate of thermal cracking.
В рассматриваемом способе увеличение скорости термораскалывания возможно за счет увеличения мощности лазерного излучения. Однако чрезмерное увеличение мощности лазерного излучения приводит к перегреву материала и образованию поперечных трещин вдоль линии обработки, что не позволяет обеспечить высокую точность резки и делает описанный способ практически малопригодным и бесперспективным.In the considered method, an increase in the rate of thermal cracking is possible due to an increase in the power of laser radiation. However, an excessive increase in the laser radiation power leads to overheating of the material and the formation of transverse cracks along the processing line, which does not allow for high precision cutting and makes the described method practically unsuitable and unpromising.
Известен способ разделения хрупких неметаллических материалов под действием термоупругих напряжений, формируемых в результате лазерного нагрева материала вдоль линии реза до температуры, не превышающей температуры релаксации термоупругих напряжений за счет пластических деформаций, и локального охлаждения зоны нагрева при относительном перемещении обрабатываемой поверхности и зон нагрева и охлаждения [2].A known method of separating brittle non-metallic materials under the action of thermoelastic stresses generated as a result of laser heating of the material along the cut line to a temperature not exceeding the relaxation temperature of thermoelastic stresses due to plastic deformations, and local cooling of the heating zone with relative movement of the treated surface and the heating and cooling zones [ 2].
Известный способ обеспечивает высокую точность разделения, нулевую ширину реза, повышение механической прочности получаемых изделий, безотходность и низкую энергоемкость по сравнению с другими способами резки.The known method provides high accuracy of separation, zero cutting width, increased mechanical strength of the obtained products, waste-free and low energy consumption compared to other cutting methods.
Сущность указанного способа заключается в следующем.The essence of this method is as follows.
В месте воздействия лазерного излучения формируются зона значительных по величине сжимающих напряжений, которую окружает зона растягивающих напряжений. При подаче хладагента на обрабатываемую поверхность возникает дополнительная зона растягивающих напряжений, ограниченная зоной сжимающих напряжений, сформированных лазерным пучком. Инициирование разделяющей трещины происходит в поверхностных слоях материала от дефекта микроструктуры или искусственно нанесенного дефекта в зоне растягивающих напряжений, сформированных за счет подачи хладагента. Далее начальная микротрещина начинает свое движение и распространяется до зоны сжимающих напряжений, сформированных лазерным излучением. После этого нестационарный рост трещины прекращается, и ее дальнейшее движение определяется изменением пространственного распределения зон растягивающих и сжимающих напряжений, обусловленным взаимным перемещением обрабатываемого материала, лазерного пучка и хладагента.At the site of laser radiation, a zone of significant compressive stresses is formed, which is surrounded by a zone of tensile stresses. When refrigerant is supplied to the surface to be treated, an additional zone of tensile stresses arises, limited by the zone of compressive stresses generated by the laser beam. The initiation of a separating crack occurs in the surface layers of the material from a microstructure defect or an artificially applied defect in the zone of tensile stresses formed due to the supply of refrigerant. Further, the initial microcrack begins its movement and propagates to the zone of compressive stresses formed by laser radiation. After this, the unsteady growth of the crack stops, and its further movement is determined by a change in the spatial distribution of the zones of tensile and compressive stresses due to the mutual movement of the material being processed, the laser beam and the refrigerant.
Таким образом, при реализации известного способа распределение сжимающих напряжений в объеме материала определяет форму и глубину развития микротрещины, инициализация и развитие которой происходит в зоне растягивающих напряжений, сформированных в области подачи хладагента.Thus, when implementing the known method, the distribution of compressive stresses in the volume of the material determines the shape and depth of microcrack development, the initialization and development of which occurs in the zone of tensile stresses formed in the refrigerant supply area.
Этот способ обработки получил широкое распространение для резки различных изотропных хрупких неметаллических материалов (таких как различные типы стекол и керамики). Однако этот способ не позволяет осуществлять высококачественную резку монокристаллических материалов, для которых характерна анизотропия теплофизических и механических свойств.This processing method is widely used for cutting various isotropic brittle non-metallic materials (such as various types of glasses and ceramics). However, this method does not allow high-quality cutting of single-crystal materials, which are characterized by anisotropy of thermophysical and mechanical properties.
Наиболее близким к заявляемому является способ разделения кристаллического кварца под действием термоупругих напряжений, включающий выбор направления резки относительно кристаллографической ориентации кристаллического кварца, выбор интенсивности нагрева в каждом направлении резки пропорционально коэффициенту линейного термического расширения за счет изменения скорости относительного перемещения лазерного пучка и материала и/или изменения мощности лазерного излучения, нанесение надреза по линии реза, лазерный нагрев линии реза до температуры, не превышающей температуры релаксации термоупругих напряжений, и локальное охлаждение зоны нагрева в результате перемещения по обрабатываемой поверхности зон нагрева и охлаждения [3].Closest to the claimed is a method of separation of crystalline quartz under the action of thermoelastic stresses, including the choice of the cutting direction relative to the crystallographic orientation of crystalline quartz, the choice of heating intensity in each cutting direction is proportional to the coefficient of linear thermal expansion due to a change in the relative velocity of the laser beam and material and / or changes laser radiation power, cutting along the cutting line, laser heating of the cutting line to a temperature not exceeding the relaxation temperature of thermoelastic stresses, and local cooling of the heating zone as a result of movement of the heating and cooling zones along the treated surface [3].
Существенным недостатком данного способа является то, что учет влияния анизотропии термического расширения на технологические параметры обработки в известном способе осуществляют не корректно, что приводит к ошибочному выбору технологических параметров лазерного термораскалывания.A significant disadvantage of this method is that taking into account the influence of thermal expansion anisotropy on the processing parameters in the known method is not carried out correctly, which leads to an erroneous selection of technological parameters of laser thermal cracking.
Так, в известном способе рассмотрено два случая лазерного термораскалывания кристаллического кварца - вдоль оси симметрии третьего порядка и перпендикулярно ей, когда линия реза лежит в плоскости, параллельной оси симметрии третьего порядка. При этом в известном способе правильно обращают внимание на то, что в кристаллическом кварце вдоль оси симметрии третьего порядка линейный коэффициент термического расширения α меньше, чем в перпендикулярных к ней направлениях.So, in the known method, two cases of laser thermal cracking of crystalline quartz are considered — along the axis of symmetry of the third order and perpendicular to it when the cut line lies in a plane parallel to the axis of symmetry of the third order. Moreover, in the known method, attention is correctly paid to the fact that in the crystalline quartz along the axis of symmetry of the third order, the linear coefficient of thermal expansion α is less than in the directions perpendicular to it.
Далее в известном способе делают верный вывод о том, что учет существенной анизотропии α приводит к необходимости осуществлять дифференцированный нагрев материала, обеспечивающий создание разрушающих термических напряжений, вдоль линии реза в каждом случае выбора ее направления относительно кристаллографической ориентации образца. При этом ошибочно предлагают при резке перпендикулярно оси симметрии увеличивать скорость в 1,6-1,8 раза по сравнению со скоростью резки в направлении, параллельном оси симметрии (либо соответственно уменьшать мощность лазерного излучения).Further, in the known method, the correct conclusion is made that taking into account the substantial anisotropy of α leads to the need for differential heating of the material, which ensures the creation of destructive thermal stresses along the cut line in each case, choosing its direction relative to the crystallographic orientation of the sample. At the same time, it is erroneously suggested that when cutting perpendicular to the axis of symmetry, increase the speed by 1.6-1.8 times in comparison with the cutting speed in the direction parallel to the axis of symmetry (or reduce the laser power accordingly).
Дело в том, что в известном способе не обращают внимание на то, что при лазерном термораскалывании определяющее влияние на формирование лазерно-индуцированной трещины оказывают напряжения, действующие перпендикулярно плоскости разделения, величина которых пропорциональна линейному коэффициенту термического расширения в том же направлении (в направлении, перпендикулярном плоскости разделения).The fact is that in the known method they do not pay attention to the fact that during laser thermal cracking, the formation of a laser-induced crack is determined by stresses acting perpendicular to the separation plane, the magnitude of which is proportional to the linear coefficient of thermal expansion in the same direction (in the direction perpendicular to separation plane).
Еще одним недостатком известного способа является то, что в нем не учитывают влияние анизотропии коэффициента теплопроводности кристаллического кварца на процесс лазерного термораскалывания.Another disadvantage of this method is that it does not take into account the influence of the anisotropy of the thermal conductivity of crystalline quartz on the laser thermal cracking process.
Таким образом, применение известного способа на практике приводит к ошибочному выбору технологических параметров лазерного термораскалывания и не позволяет осуществлять высококачественную резку пластин из кристаллического кварца.Thus, the application of the known method in practice leads to an erroneous selection of technological parameters of laser thermal cracking and does not allow for high-quality cutting of wafers made of crystalline quartz.
Техническая задача, решаемая заявляемым изобретением, заключается в повышении качества резки пластин из кристаллического кварца за счет правильного определения технологических параметров лазерного термораскалывания в различных направлениях, обусловленного корректным учетом влияния анизотропии теплопроводности и термического расширения.The technical problem solved by the claimed invention is to improve the quality of cutting plates of crystalline quartz due to the correct determination of the technological parameters of laser thermal cracking in various directions, due to the correct consideration of the influence of anisotropy of thermal conductivity and thermal expansion.
Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, заключается в обеспечении формирования лазерно-индуцированных трещин с заданными одинаковыми геометрическими характеристиками при термораскалывании в различных кристаллографических направлениях пластин из кристаллического кварца.The technical result achieved by the claimed invention is to ensure the formation of laser-induced cracks with predetermined identical geometric characteristics when thermally cracked in various crystallographic directions of plates of crystalline quartz.
Технический результат достигается тем, что в способе разделения кристаллического кварца под действием термоупругих напряжений, включающем выбор направления резки относительно кристаллографической ориентации кристаллического кварца, выбор интенсивности нагрева в каждом направлении резки пропорционально коэффициенту линейного термического расширения за счет изменения скорости относительного перемещения лазерного пучка и материала и изменения мощности лазерного излучения, нанесение надреза по линии реза, лазерный нагрев линии реза до температуры, не превышающей температуры релаксации термоупругих напряжений, и локальное охлаждение зоны нагрева в результате перемещения по обрабатываемой поверхности зон нагрева и охлаждения, дополнительно определяют значение коэффициента теплопроводности в зависимости от направления резки относительно кристаллографической ориентации кристаллического кварца, интенсивность нагрева выбирают пропорционально коэффициенту линейного термического расширения в направлении, перпендикулярном плоскости разделения, и обратно пропорционально коэффициенту теплопроводности в направлении, перпендикулярном плоскости обработки, при этом соотношение скорости относительного перемещения лазерного пучка и материала и мощности лазерного излучения при лазерном разделении кристаллического кварца вдоль оси симметрии третьего порядка, когда линия реза лежит в плоскости, параллельной оси симметрии третьего порядка, выбирают из условияThe technical result is achieved by the fact that in the method for separating crystalline quartz under the influence of thermoelastic stresses, including selecting a cutting direction relative to the crystallographic orientation of crystalline quartz, the choice of heating intensity in each cutting direction is proportional to the coefficient of linear thermal expansion due to a change in the relative velocity of the laser beam and material and the change laser radiation power, cutting along the cut line, laser heating of the re line and to a temperature not exceeding the relaxation temperature of thermoelastic stresses and local cooling of the heating zone as a result of movement of the heating and cooling zones along the treated surface, the thermal conductivity coefficient is additionally determined depending on the direction of cutting relative to the crystallographic orientation of crystalline quartz, the heating intensity is selected proportionally to the linear thermal expansion in the direction perpendicular to the separation plane, and back prop is relative to the coefficient of thermal conductivity in the direction perpendicular to the processing plane, and the ratio of the relative velocity of the laser beam and the material and the laser radiation power during laser separation of crystalline quartz along the third-order symmetry axis, when the cut line lies in a plane parallel to the third-order symmetry axis, is chosen from conditions
или при лазерном разделении кристаллического кварца перпендикулярно оси симметрии третьего порядка, когда линия реза лежит в плоскости, параллельной оси симметрии третьего порядка, соотношение скорости относительного перемещения лазерного пучка и материала и мощности лазерного излучения выбирают из условияor when laser separation of crystalline quartz perpendicular to the axis of symmetry of the third order, when the cut line lies in a plane parallel to the axis of symmetry of the third order, the ratio of the relative velocity of the laser beam and the material and the laser radiation power is selected from the condition
или при лазерном разделении кристаллического кварца перпендикулярно оси симметрии третьего порядка, когда линия реза лежит в плоскости, перпендикулярной оси симметрии третьего порядка, соотношение скорости относительного перемещения лазерного пучка и материала и мощности лазерного излучения выбирают из условияor when laser separation of crystalline quartz is perpendicular to the axis of symmetry of the third order, when the cut line lies in a plane perpendicular to the axis of symmetry of the third order, the ratio of the relative velocity of the laser beam and the material and the laser radiation power is selected from the condition
гдеWhere
v - скорость относительного перемещения лазерного пучка и материала, м/с;v is the relative velocity of the laser beam and material, m / s;
Р - мощность лазерного излучения, Вт;P is the laser radiation power, W;
k - коэффициент пропорциональности, с-1;k is the coefficient of proportionality, s -1 ;
α||, α+ - коэффициенты линейного термического расширения в направлениях оси симметрии третьего порядка и перпендикулярных ей соответственно, K-1;α || , α + are the coefficients of linear thermal expansion in the directions of the axis of symmetry of the third order and perpendicular to it, respectively, K -1 ;
λ||, λ+ - коэффициенты теплопроводности в направлениях оси симметрии третьего порядка и перпендикулярных ей соответственно, Вт/мК.λ || , λ + are the thermal conductivity coefficients in the directions of the axis of symmetry of the third order and perpendicular to it, respectively, W / mK.
Сущность заявляемого способа разделения хрупких неметаллических материалов под действием термоупругих напряжений заключается в следующем.The essence of the proposed method for the separation of brittle non-metallic materials under the action of thermoelastic stresses is as follows.
Как известно, кристаллический кварц обладает сильно выраженной анизотропией тепловых и упругих свойств. Так, коэффициенты линейного термического расширения вдоль оси симметрии третьего порядка и в направлениях, перпендикулярных ей, отличаются в 1,6 раза. Аналогичное отношение коэффициентов теплопроводности равно 1,8. Поэтому при разделении кристаллического кварца методом лазерного термораскалывания необходимо определять технологические параметры резки в заданном направлении (в частности, интенсивность нагрева) с учетом изменения значений коэффициентов линейного термического расширения и теплопроводности, обусловленного анизотропией.As is known, crystalline quartz has a pronounced anisotropy of thermal and elastic properties. Thus, the coefficients of linear thermal expansion along the axis of symmetry of the third order and in the directions perpendicular to it differ 1.6 times. A similar ratio of thermal conductivity is 1.8. Therefore, when separating crystalline quartz by laser thermal cracking, it is necessary to determine the technological parameters of cutting in a given direction (in particular, the heating intensity), taking into account changes in the coefficients of linear thermal expansion and thermal conductivity due to anisotropy.
Так как при лазерном термораскалывании определяющее влияние на формирование лазерно-индуцированной трещины играют напряжения, действующие перпендикулярно плоскости разделения, а величина этих напряжений пропорциональна линейному коэффициенту термического расширения в том же направлении, то при формировании трещины в плоскости XZ необходимо рассматривать напряжения σy, при формировании трещины в плоскости XY необходимо рассматривать напряжения σz, при формировании трещины в плоскости ZY необходимо рассматривать напряжения σx (см. фиг.1). На фигуре 1 ось Z параллельна оси симметрии третьего порядка C.Since, during laser thermal cracking, stresses acting perpendicular to the separation plane play a decisive influence on the formation of a laser-induced crack, and the magnitude of these stresses is proportional to the linear coefficient of thermal expansion in the same direction, when forming a crack in the XZ plane, it is necessary to consider the stresses σ y for cracks in the XY plane, stresses σ z must be considered; when a crack is formed in the ZY plane, stresses x x must be considered (see d.1). In figure 1, the Z axis is parallel to the axis of symmetry of the third order C.
Величина термоупругих напряжений, возникающих при изменении температуры в твердом теле, прямо пропорциональна произведению соответствующего коэффициента линейного термического расширения на величину изменения температуры:The magnitude of thermoelastic stresses that occur when the temperature in a solid changes is directly proportional to the product of the corresponding coefficient of linear thermal expansion by the magnitude of the temperature change:
σx=k1αxΔT, σy=k1αyΔT, σz=k1αzΔT,σ x = k 1 α x ΔT, σ y = k 1 α y ΔT, σ z = k 1 α z ΔT,
гдеWhere
σx, σy, σz - напряжения, действующие в направлении осей X, Y, Z соответственно;σ x , σ y , σ z - stresses acting in the direction of the axes X, Y, Z, respectively;
k1 - коэффициент пропорциональности;k 1 - coefficient of proportionality;
αx, αy, αz - коэффициенты линейного термического расширения в направлении осей X, Y, Z;α x , α y , α z - linear thermal expansion coefficients in the direction of the X, Y, Z axes;
ΔT в данном случае равно разности между максимальной температурой в зоне лазерного нагрева Tmax и температурой в зоне воздействия хладагента Tmin.ΔT in this case is equal to the difference between the maximum temperature in the laser heating zone T max and the temperature in the zone of exposure to the refrigerant T min .
В свою очередь, как известно, Tmax обратно пропорциональна теплопроводности материала. При этом в случае реализации лазерного термораскалывания таких анизотропных материалов, как кристаллический кварц, наиболее существенный вклад в изменение Tmax оказывает величина коэффициента теплопроводности в направлении, перпендикулярном плоскости обработки. Таким образом, при формировании трещины, перпендикулярной плоскости YZ, необходимо учитывать коэффициент теплопроводности λx, при формировании трещины, перпендикулярной плоскости XY, необходимо учитывать коэффициент теплопроводности λz, при формировании трещины, перпендикулярной плоскости XZ, необходимо учитывать коэффициент теплопроводности λy (см. фиг.1).In turn, as is known, T max is inversely proportional to the thermal conductivity of the material. Moreover, in the case of laser thermal cracking of such anisotropic materials as crystalline quartz, the most significant contribution to the change in T max is exerted by the value of the thermal conductivity in the direction perpendicular to the processing plane. Thus, when a crack is formed perpendicular to the YZ plane, it is necessary to take into account the thermal conductivity coefficient λ x , when a crack is formed perpendicular to the XY plane, it is necessary to take into account the thermal conductivity λ z , when a crack is formed perpendicular to the XZ plane, the thermal conductivity λ y must be taken into account (see. figure 1).
Также известно, что Tmax обратно пропорциональна скорости относительного перемещения лазерного пучка и материала и прямо пропорциональна мощности лазерного излучения.It is also known that T max is inversely proportional to the relative velocity of the laser beam and the material and directly proportional to the power of the laser radiation.
Поэтому для соотношения скорости относительного перемещения лазерного пучка и материала и мощности лазерного излучения в зависимости от изменения значений коэффициента линейного термического расширения и коэффициента теплопроводности кристаллического кварца при трех возможных простейших вариантах резки справедливы следующие условия:Therefore, for the ratio of the relative velocity of the laser beam and the material to the laser radiation power depending on the change in the values of the linear thermal expansion coefficient and the thermal conductivity of crystalline quartz with the three possible simplest cutting options, the following conditions are true:
1) случай лазерного термораскалывания кристаллического кварца вдоль оси симметрии третьего порядка, при этом линия реза лежит в плоскости, параллельной оси симметрии третьего порядка1) the case of laser thermal cracking of crystalline quartz along the axis of symmetry of the third order, while the cut line lies in a plane parallel to the axis of symmetry of the third order
2) случай лазерного термораскалывания кристаллического кварца перпендикулярно оси симметрии третьего порядка, при этом линия реза лежит в плоскости, параллельной оси симметрии третьего порядка2) the case of laser thermal cracking of crystalline quartz perpendicular to the axis of symmetry of the third order, while the cut line lies in a plane parallel to the axis of symmetry of the third order
3) случай лазерного термораскалывания кристаллического кварца перпендикулярно оси симметрии третьего порядка, при этом линия реза лежит в плоскости, перпендикулярной оси симметрии третьего порядка3) the case of laser thermal cracking of crystalline quartz perpendicular to the axis of symmetry of the third order, while the cut line lies in a plane perpendicular to the axis of symmetry of the third order
гдеWhere
v - скорость относительного перемещения лазерного пучка и материала, м/с;v is the relative velocity of the laser beam and material, m / s;
Р - мощность лазерного излучения, Вт;P is the laser radiation power, W;
k - коэффициент пропорциональности, с-1;k is the coefficient of proportionality, s -1 ;
αx, αy, αz - коэффициенты линейного термического расширения в направлении осей X, Y, Z, K-1;α x , α y , α z - coefficients of linear thermal expansion in the direction of the axes X, Y, Z, K -1 ;
λx=λy, λz - коэффициенты теплопроводности в направлении осей X, Y и Z, совпадающие в рассматриваемых простейших случаях с соответствующими кристаллографическими осями, Вт/м·К;λ x = λ y , λ z are the thermal conductivity coefficients in the direction of the X, Y, and Z axes, which coincide in the simplest cases under consideration with the corresponding crystallographic axes, W / m · K;
α||, α+ - коэффициенты линейного термического расширения в направлениях оси симметрии третьего порядка и перпендикулярных ей соответственно, K-1;α || , α + are the coefficients of linear thermal expansion in the directions of the axis of symmetry of the third order and perpendicular to it, respectively, K -1 ;
λ||, λ+ - коэффициенты теплопроводности в направлениях оси симметрии третьего порядка и перпендикулярных ей соответственно, Вт/м·К.λ || , λ + are the thermal conductivity coefficients in the directions of the axis of symmetry of the third order and perpendicular to it, respectively, W / m · K.
Коэффициенты линейного термического расширения кристаллического кварца вдоль оси симметрии третьего порядка и перпендикулярно ей составляет соответственно α||=9·10-6 K-1, α+=14,8·10-6 K-1. Коэффициенты теплопроводности кристаллического кварца вдоль оси симметрии третьего порядка и перпендикулярно ей составляет соответственно λ||=12,3 Вт/м·К, λ+=6,8 Вт/м·К [4].The coefficients of linear thermal expansion of crystalline quartz along the axis of symmetry of the third order and perpendicular to it are respectively α || = 9 · 10 -6 K -1 , α + = 14.8 · 10 -6 K -1 . The thermal conductivity coefficients of crystalline quartz along the axis of symmetry of the third order and perpendicular to it are λ || = 12.3 W / m · K, λ + = 6.8 W / m · K [4].
С учетом существенного отличия вышеуказанных параметров в зависимости от ориентации кристалла кварца при резке в различных направлениях необходимо осуществлять дифференцированный нагрев, обеспечивающий формирование необходимых для создания лазерно-индуцированной трещины термоупругих напряжений в каждом направлении ориентации. Это может быть обеспечено либо за счет увеличения скорости резки вдоль оси симметрии третьего порядка в 1,6-1,8 раза по сравнению с вариантом резки перпендикулярно оси симметрии третьего порядка (как для случая, когда линия реза лежит в плоскости, перпендикулярной оси симметрии третьего порядка, так и для случая, когда линия реза лежит в плоскости, параллельной оси симметрии третьего порядка), либо соответствующим изменением мощности лазерного излучения.Given the significant difference between the above parameters depending on the orientation of the quartz crystal during cutting in various directions, it is necessary to carry out differentiated heating, which ensures the formation of thermoelastic stresses necessary for creating a laser-induced crack in each orientation direction. This can be achieved either by increasing the cutting speed along the axis of symmetry of the third order by 1.6-1.8 times compared with the option of cutting perpendicular to the axis of symmetry of the third order (as for the case when the cut line lies in a plane perpendicular to the axis of symmetry of the third order, and for the case when the cut line lies in a plane parallel to the axis of symmetry of the third order), or a corresponding change in the power of the laser radiation.
В частности, экспериментально было установлено, что скорость резки кварцевой пластины толщиной 1 мм при постоянной мощности лазерного излучения Р=30 Вт в направлении, параллельной оси симметрии третьего порядка, составляет 85 мм/с, а в направлениях, перпендикулярных оси симметрии третьего порядка, составляет 47 мм/с для варианта резки, когда линия реза лежит в плоскости, перпендикулярной оси симметрии третьего порядка, и 51 мм/с для варианта резки, когда линия реза лежит в плоскости, параллельной оси симметрии третьего порядка.In particular, it was experimentally established that the cutting speed of a quartz plate with a thickness of 1 mm at a constant laser power of P = 30 W in the direction parallel to the axis of symmetry of the third order is 85 mm / s, and in the directions perpendicular to the axis of symmetry of the third order 47 mm / s for the cutting option when the cutting line lies in a plane perpendicular to the third order symmetry axis, and 51 mm / s for the cutting option when the cutting line lies in a plane parallel to the third order symmetry axis.
Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного осуществлением нового действия и выбранным условием, при котором выполняют действия, характеризующие заявляемый способ, и не является частью уровня техники.A comparative analysis of the proposed solution with the prototype shows that the claimed method differs from the known implementation of a new action and the selected condition under which the actions characterizing the claimed method are performed, and is not part of the prior art.
Таким образом, заявляемый способ разделения хрупких неметаллических материалов под действием термоупругих напряжений является новым.Thus, the claimed method of separation of brittle non-metallic materials under the action of thermoelastic stresses is new.
Это позволяет сделать вывод, что заявляемый способ разделения хрупких неметаллических материалов под действием термоупругих напряжений имеет изобретательский уровень.This allows us to conclude that the inventive method for the separation of brittle non-metallic materials under the influence of thermoelastic stresses has an inventive step.
Заявляемый способ разделения хрупких неметаллических материалов под действием термоупругих напряжений является промышленно применимым, так как в случае его осуществления с помощью технических средств, известных в данной области техники, возможна реализация указанной области назначения.The inventive method for the separation of brittle non-metallic materials under the action of thermoelastic stresses is industrially applicable, since in the case of its implementation using technical means known in the art, it is possible to realize the specified destination.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема образования надреза с помощью лазерного пучка и хладагента в кристаллическом кварце при разных направлениях резки.The invention is illustrated by the drawing, which shows a diagram of the formation of an incision using a laser beam and refrigerant in crystalline quartz for different directions of cutting.
Заявляемый способ разделения кристаллического кварца под действием термоупругих напряжений осуществляют следующим образом.The inventive method for the separation of crystalline quartz under the action of thermoelastic stresses is as follows.
В начале осуществления способа определяют выбор направления резки относительно кристаллографической ориентации образца.At the beginning of the method, the choice of the cutting direction relative to the crystallographic orientation of the sample is determined.
Далее определяют соотношение скорости относительного перемещения лазерного пучка и материала, и мощности лазерного излучения выбираютNext, the ratio of the relative velocity of the laser beam and the material is determined, and the laser radiation power is selected
из условияfrom the condition
в случае термораскалывания кристаллического кварца вдоль оси симметрии третьего порядка, когда линия реза лежит в плоскости, параллельной оси симметрии третьего порядка;in the case of thermal cracking of crystalline quartz along the third-order symmetry axis, when the cut line lies in a plane parallel to the third-order symmetry axis;
из условияfrom the condition
в случае термораскалывания кристаллического кварца перпендикулярно оси симметрии третьего порядка, когда линия реза лежит в плоскости, параллельной оси симметрии третьего порядка;in the case of thermal cracking of crystalline quartz perpendicular to the axis of symmetry of the third order, when the cut line lies in a plane parallel to the axis of symmetry of the third order;
из условияfrom the condition
в случае термораскалывания кристаллического кварца перпендикулярно оси симметрии третьего порядка, когда линия реза лежит в плоскости, перпендикулярной оси симметрии третьего порядка.in the case of thermal cracking of crystalline quartz perpendicular to the axis of symmetry of the third order, when the cut line lies in a plane perpendicular to the axis of symmetry of the third order.
Далее наносят предварительный надрез на обрабатываемой поверхности в начале контура обработки. Нагревают пластину из кристаллического кварца 1 с помощью лазерного пучка 2 до температуры, не превышающей температуры релаксации термоупругих напряжений, и локально охлаждают зону нагрева хладагентом 3 в результате перемещения по обрабатываемой поверхности зон нагрева и охлаждения. При этом под действием формируемых термоупругих напряжений образуется трещина 4 глубиной δ (см. чертеж).Next, a preliminary cut is made on the surface to be treated at the beginning of the processing circuit. A plate of
Ниже приведены конкретные примеры.The following are specific examples.
В качестве материала использовались пластины кристаллического кварца толщиной 1 мм. В качестве средства перемещения был использован двухкоординатный стол с ходом перемещения 500×500 мм, обеспечивающий скорость перемещения в диапазоне от 0 до 100 мм/с. Для резки был использован CO2-лазер с длиной волны излучения 10,6 мкм и с регулируемой мощностью от 0 до 80 Вт. Лазерное излучение фокусировалось при помощи сферическо-цилиндрической оптики в пучок эллиптического сечения размерами 6×1 мм, вытянутый в направлении резки. Значение коэффициента k с учетом вышеперечисленных параметров составило 1,3·106 с-1.As a material, plates of
Экспериментально было установлено, что при постоянной мощности лазерного излучения Р=30 Вт в направлении, параллельном оси симметрии третьего порядка, скорость резки составляет 85 мм/с, а в направлениях, перпендикулярных оси симметрии третьего порядка, составляет 47 мм/с для варианта резки, когда линия реза лежит в плоскости, перпендикулярной оси симметрии третьего порядка, и 51 мм/с для варианта резки, когда линия реза лежит в плоскости, параллельной оси симметрии третьего порядка.It was experimentally established that at a constant laser power of P = 30 W in the direction parallel to the third-order symmetry axis, the cutting speed is 85 mm / s, and in the directions perpendicular to the third-order symmetry axis, it is 47 mm / s for the cutting option, when the cut line lies in a plane perpendicular to the third-order symmetry axis, and 51 mm / s for the cutting option, when the cut line lies in a plane parallel to the third-order symmetry axis.
Значение коэффициента k с учетом вышеперечисленных параметров составило 1,3·103 с-1. Величина, обратная коэффициенту k, определяет время, в течение которого устанавливается стационарный режим термораскалывания в заданном направлении при выбранных скорости резки и мощности излучения.The value of the coefficient k, taking into account the above parameters, was 1.3 · 10 3 s -1 . The reciprocal of the coefficient k determines the time during which the stationary thermal cracking mode is set in a given direction at the selected cutting speed and radiation power.
Для сравнения было осуществлено разделение аналогичных образцов по способу, изложенному в прототипе. В ходе экспериментов было определено, что реализация процесса по способу, изложенному в прототипе, на практике приводит к ошибочному выбору технологических параметров лазерного термораскалывания и не позволяет осуществлять высококачественную резку пластин из кристаллического кварца.For comparison, the separation of similar samples was carried out according to the method described in the prototype. During the experiments, it was determined that the implementation of the process according to the method described in the prototype, in practice leads to an erroneous choice of technological parameters of laser thermal cracking and does not allow for high-quality cutting of plates of crystalline quartz.
Анализируя результаты проведенных экспериментальных исследований, можно сделать вывод, что предлагаемый способ разделения пластин из кристаллического кварца под действием термоупругих напряжений обеспечивает возможность формирования лазерно-индуцированных трещин с заданными одинаковыми геометрическими характеристиками при термораскалывании в различных кристаллографических направлениях пластин из кристаллического кварца.Analyzing the results of the experimental studies, we can conclude that the proposed method for separating crystalline quartz plates under the influence of thermoelastic stresses makes it possible to form laser-induced cracks with predetermined identical geometric characteristics when thermally cracked in different crystallographic directions of crystalline quartz plates.
Источники информацииInformation sources
1. Мачулка Г.А. Лазерная обработка стекла. М.: Сов. Радио, 1979, с.48-67.1. Machulka G.A. Laser processing of glass. M .: Sov. Radio 1979, p. 48-67.
2. Патент РФ №2024441, МПК C03B 33/02, опубл. 1994.2. RF patent No. 2024441, IPC C03B 33/02, publ. 1994.
3. Патент РФ №2224648, МПК C03B 33/02, опубл. 2002 - прототип.3. RF patent No. 2224648, IPC C03B 33/02, publ. 2002 - prototype.
4. Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю.В.Корицкого и др. - Т 3. - Л.: Энергоатомиздат, 1988. - с 581-583.4. Handbook of electrical materials / Ed. Yu.V. Koritsky et al. -
Claims (1)
или при лазерном разделении кристаллического кварца перпендикулярно оси симметрии третьего порядка, когда линия реза лежит в плоскости параллельной оси симметрии третьего порядка, соотношение скорости относительного перемещения лазерного пучка и материала и мощности лазерного излучения выбирают из условия
или при лазерном разделении кристаллического кварца перпендикулярно оси симметрии третьего порядка, когда линия реза лежит в плоскости перпендикулярной оси симметрии третьего порядка соотношение скорости относительного перемещения лазерного пучка и материала и мощности лазерного излучения выбирают из условия
где v - скорость относительного перемещения лазерного пучка и материала, м/с;
Р - мощность лазерного излучения, Вт;
k - коэффициент пропорциональности, с-1;
α||, α+ - коэффициенты линейного термического расширения в направлениях оси симметрии третьего порядка и перпендикулярных ей соответственно, К-1;
λ||, λ+ - коэффициенты теплопроводности в направлениях оси симметрии третьего порядка и перпендикулярных ей соответственно, Вт/мК. A method for separating crystalline quartz under the influence of thermoelastic stresses, including selecting a cutting direction relative to the crystallographic orientation of crystalline quartz, selecting a heating intensity in each cutting direction in proportion to the coefficient of linear thermal expansion due to a change in the relative velocity of the laser beam and material and / or changing the laser radiation power, applying cut along the cut line, laser heating of the cut line to a temperature not exceeding the temperature relaxation of thermoelastic stresses, and local cooling of the heating zone as a result of movement of the heating and cooling zones along the machined surface, characterized in that they additionally determine the value of the thermal conductivity coefficient depending on the cutting direction relative to the crystallographic orientation of crystalline quartz, the heating intensity is selected in proportion to the linear thermal expansion coefficient in direction perpendicular to the separation plane and inversely proportional to the coefficient thermal conductivity in the direction perpendicular to the processing plane, and the ratio of the relative velocity of the laser beam and the material and the laser radiation power during laser separation of crystalline quartz along the third-order symmetry axis, when the cut line lies in the plane parallel to the third-order symmetry axis, is selected from the condition
or when laser separation of crystalline quartz is perpendicular to the axis of symmetry of the third order, when the cut line lies in a plane parallel to the axis of symmetry of the third order, the ratio of the relative velocity of the laser beam and the material and the laser radiation power is selected from the condition
or when laser separation of crystalline quartz perpendicular to the axis of symmetry of the third order, when the cut line lies in the plane perpendicular to the axis of symmetry of the third order, the ratio of the relative velocity of the laser beam and the material and the laser radiation power is selected from the condition
where v is the relative velocity of the laser beam and material, m / s;
P is the laser radiation power, W;
k is the coefficient of proportionality, s -1 ;
α || , α + are the coefficients of linear thermal expansion in the directions of the axis of symmetry of the third order and perpendicular to it, respectively, K -1 ;
λ || , λ + are the thermal conductivity coefficients in the directions of the axis of symmetry of the third order and perpendicular to it, respectively, W / mK.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011111426/03A RU2478083C2 (en) | 2011-03-25 | 2011-03-25 | Method of splitting crystalline quartz under effect of thermoelastic stress |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011111426/03A RU2478083C2 (en) | 2011-03-25 | 2011-03-25 | Method of splitting crystalline quartz under effect of thermoelastic stress |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2011111426A RU2011111426A (en) | 2012-09-27 |
| RU2478083C2 true RU2478083C2 (en) | 2013-03-27 |
Family
ID=47078190
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011111426/03A RU2478083C2 (en) | 2011-03-25 | 2011-03-25 | Method of splitting crystalline quartz under effect of thermoelastic stress |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2478083C2 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2024441C1 (en) * | 1992-04-02 | 1994-12-15 | Владимир Степанович Кондратенко | Process of cutting of nonmetal materials |
| RU2224648C1 (en) * | 2002-09-03 | 2004-02-27 | Кондратенко Владимир Степанович | Method for cutting of brittle non-metallic materials |
| RU2226183C2 (en) * | 2002-02-21 | 2004-03-27 | Алексеев Андрей Михайлович | Method for cutting of transparent non-metal materials |
| RU2404931C1 (en) * | 2009-08-28 | 2010-11-27 | Владимир Степанович Кондратенко | Method of cutting plates from fragile materials |
-
2011
- 2011-03-25 RU RU2011111426/03A patent/RU2478083C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2024441C1 (en) * | 1992-04-02 | 1994-12-15 | Владимир Степанович Кондратенко | Process of cutting of nonmetal materials |
| RU2226183C2 (en) * | 2002-02-21 | 2004-03-27 | Алексеев Андрей Михайлович | Method for cutting of transparent non-metal materials |
| RU2224648C1 (en) * | 2002-09-03 | 2004-02-27 | Кондратенко Владимир Степанович | Method for cutting of brittle non-metallic materials |
| RU2404931C1 (en) * | 2009-08-28 | 2010-11-27 | Владимир Степанович Кондратенко | Method of cutting plates from fragile materials |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2011111426A (en) | 2012-09-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Gvozdev et al. | Multiparametric optimization of laser cutting of steel sheets | |
| Nisar et al. | Laser glass cutting techniques—A review | |
| RU2354616C2 (en) | Method for scribing of brittle material and device for scribing | |
| US11309191B2 (en) | Method for modifying substrates based on crystal lattice dislocation density | |
| Zhao et al. | Dual laser beam revising the separation path technology of laser induced thermal-crack propagation for asymmetric linear cutting glass | |
| RU2543222C1 (en) | Dulling procedure for sharp edges of glassware | |
| Barnes et al. | Water-assisted laser thermal shock machining of alumina | |
| Saman et al. | A study on separating of a silicon wafer with moving laser beam by using thermal stress cleaving technique | |
| Sun et al. | Accurate numerical modeling of residual stress fields induced by laser shock peening | |
| Hatefi et al. | Review of non-conventional technologies for assisting ultra-precision single-point diamond turning | |
| Cheng et al. | Laser beam induced thermal-crack propagation for asymmetric linear cutting of silicon wafer | |
| Nisar et al. | The effect of material thickness, laser power and cutting speed on cut path deviation in high-power diode laser chip-free cutting of glass | |
| Jiang et al. | CW laser-assisted splitting of SiC wafer based on modified layer by picosecond laser | |
| RU2478083C2 (en) | Method of splitting crystalline quartz under effect of thermoelastic stress | |
| Iwatsuki et al. | Examination of internal stress by photoelasticity in laser cleaving of glass | |
| Nisar et al. | The effect of laser beam geometry on cut path deviation in diode laser chip-free cutting of glass | |
| Shalupaev et al. | Two-beam laser thermal cleavage of brittle nonmetallic materials | |
| RU2497643C2 (en) | Method of crystalline silicon separation by thermoelastic strains | |
| Yamamoto et al. | Thermal stress analysis on laser scribing of glass | |
| RU2479496C2 (en) | Method of separating fragile nonmetallic materials by thermo elastic strain | |
| Shalupaev et al. | Modeling of mechanical influence of double-beam laser on single-crystalline silicon | |
| Parry et al. | A Fiber‐Laser Process for Cutting Thick Yttria‐Stabilized Zirconia: Application and Modeling | |
| Nisar et al. | The effect of continuous and pulsed beam modes on cut path deviation in diode laser cutting of glass | |
| Zhang et al. | Effect of different temperatures on the metallographic structure and tensile property of 2024‐T4 alloy in integral heating single point incremental forming | |
| US20060145399A1 (en) | Method for separating flat ceramic workpieces with a calculated radiation spot length |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150326 |