Теоретическое введение. Процесс лазерного управляемого термораскалывания заключается в сле­дующем

Процесс лазерного управляемого термораскалывания заключается в сле­дующем. Если изделие из стекла перемещать относительно лазерного луча дос­таточной мощности, нагревающего поверхность стекла до темпера­туры, пре­вышающей предел термостойкости, но не больше температуры стеклования, то при определенных условиях на некотором расстоянии от луча в стекле возника­ет трещина, которая следует за лучом лазера. Лазерный луч как бы ведет за со­бой трещину, обеспечивая возможность вырезания из­делий из стекла теорети­чески любой формы, хотя практически имеются ог­раничения. В процессе облучения стекла лазерным лучом прогревается очень тонкий поверхностный слой. В результате чего в поверхностном слое наво­дится большой градиент темпера­туры, вызывающий значительные напряже­ния, превышающие предел прочно­сти стекла. Слабая теплопроводность стекла обуславливает небольшую скоро­сть распространения действия термо­напряжений по сравнению с возможными скоростями перемещения лазер­ного луча вдоль поверхности стекла, и разруше­ния стекла происходит с не­которым запаздыванием. Появление трещины в стекле под воздействием ла­зерного излучения должно наступить в тот момент, когда температурный пе­репад в е раз устанавливается по всей толщине стекла, т.е.

(1)

Это значит, что через время t и при выполнении условия (1) практиче­ски по всей толщине стекло будет разогрето до температуры, превышающей предел термостойкости.

Пока стекло прогревается до такой степени, чтобы обеспечить условие (1), лазерный луч успевает уйти вперед на расстояние

. Подставляя значе­ние t из (1), получаем выражение для длины запаздывания начала трещины от неподвижной точки облучения по­верхности стекла:

(2)

Решая (2) относительно , получим выражение для скорости управ­ляе­мого термораскалывания стекла:

(3)

Как следует из (3), скорость термораскалывания прямо пропорционально температуропроводности материала и обратно

пропорционально квадрату его толщины.

С другой стороны, скорость определяется плотностью мощности лазерного излучения. Выражение для мощности лазерного излучения, необходимой для обеспечения управляемого термораскалывания стекла с заданной скоростью:

(4)

где Т_с - температура стеклования, h - толщина материала, - коэффициент теплопроводности материала, - плотность материала - скорость термораскалывания, с - удельная теплоемкость.

Таким образом, зная размеры и характеристики подлежащего обра­ботке стекла, можно используя (3) и (4) рассчитать режим управляемого тер­мораскалывания.

Большое значение при осуществлении управляемого термораскалыва­ния имеет форма лазерного луча. Экспериментально установлено, что для качественного термораскалывания, кроме описанных ранее условий, необ­ходимо также, чтобы форма лазерного луча на поверхности стекла имела вид эллипса, вытянутого в направлении разделения. Диаметр лазерного луча должен пример­но равняться толщине стекла.

Исследование процесса лазерного управляемого термораскалывания вы­полняют на установке (рис. 1).

На рис. 2 показана форма лазерного пучка 1 на поверхности стекла, а так­же зона воздействия хладагента 2, следующего за лазерным пятном.

Рис.1 Установка лазерного термораскалывания стекла.

1 – СО₂-лазер с блоком питания; 2 - формирующая оптическая система; 3 - координатный стол с плавной регулировкой скорости пе­ремещения относительно лазерного луча; 4 - форсунка для по­дачи хладагента в зону обработки стекла; 5 - образец из стекла для проведе­ния исследований.

Рис.2 Форма лазерного пучка на поверхности стекла.

Дата добавления: 2014-12-26