Развитие теории и разработка комплекса технологий и оборудования для лазерной обработки кварцевого стекла тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.14, доктор технических наук Борисовский, Владимир Евгеньевич

• Борисовский, Владимир Евгеньевич
• доктор технических наук
• 2011

Оглавление диссертации доктор технических наук Борисовский, Владимир Евгеньевич

Введение.

Раздел I ЛАЗЕРНАЯ РЕЗКА КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА.

1. Ведение.

1.1. Лазерная и газолазерная резка стекла.

1.2. Лазерное скрайбирование.

1.3. Лазерное сквозное термораскалывание.

1.4 Лазерное управляемое термораскалывание (ЛУТ).

2. Математическая модель ЛУТ кварцевого стекла

2.1. Задача термоупругости ЛУТ пластины

2.2 Термоупругие напряжения в процессе лазерного управляемого термораскалывания (ЗБ задача).

2.3. Модель лазерной обработки кромки пластины.

3. Разработка технологии ЛУТ кварцевого стекла

3.1. Процесс лазерного управляемого термораскалывания кварцевого стекла с подачей хладагента

3.2. Исследование режима лазерного управляемого термораскалывания кварцевого стекла без подачи хладагента.

3.3. Универсальная установка для лазерной резки методом ЛУТ.

3.4. Измерение термонапряжений в процессе ЛУТ поляризационно-оптическим методом.

Раздел II ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА.

1. Ведение.

1.1. Сварка в режиме поверхностного нагрева

1.2. Лазерная сварка кварцевого стекла в режиме глубокого проплавлення.

1.3. Особенности лазерной сварки стекла.

1.4. Гидродинамические процессы при глубоком проплавлений

2. Математическая модель процесса лазерной сварки в режиме глубокого проплавлення

3. Исследование и определение оптимальных технологических режимов лазерной сварки кварцевого стекла с глубоким проплавлением.

3.1. Зависимость глубины проникновения канала сварки от скорости перемещения

3.2. Зависимость глубины проникновения канала сварки от положения фокуса лазерного луча

4. Разработка основных принципов конструирования установок лазерной сварки.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Развитие теории и разработка комплекса технологий и оборудования для лазерной обработки кварцевого стекла»

Работа посвящена решению важной проблемы в области производства современных приборов микро - и оптоэлектроники — разработке лазерных технологий прецизионной обработки изделий из кварцевого стекла.

Лазерная технология получила широкое распространение в производстве различных оптических и электронных приборов. Уникальные свойства лазерного излучения позволяют эффективно использовать его для высокоточной размерной резки, прошивки микроотверстий, маркировки, сварки и других технологических процессов.

В работе рассмотрены основы обработки изделий из кварцевого стекла с использованием непрерывного лазерного излучения, особенности размерной обработки методом лазерного управляемого термораскалывания (ЛУТ) и лазерной сварки в режиме глубокого проплавления.

Традиционные методы обработки кварцевого стекла основываются на применении для сварки газовой горелки, для резки на применении алмазного инструмента, гидроабразивной струи или применении лазерного излучения в режиме испарения материала.

К основным недостаткам таких технологий следует отнести:

- сложность, а зачастую невозможность изготовления высокоточных сложных изделий из кварцевого стекла из-за того, что традиционные технологии в ряде случаев достигли пределов своих технологических возможностей;

- трудность получения высокой точности изделий сложной формы;

- необходимость проведения дополнительных операций обработки изготовленного изделия с целью снятия остаточных напряжений или доводки формы;

- низкая производительность процесса, связанная с применением на многих операциях ручного труда;

- низкая культура производства, характеризуемая малой степенью автоматизации процессов;

- большой расход материала при обработке кварцевого стекла, а также 1 используемых при обработке материалов.

Актуальность настоящей работы основана на возросшем в настоящее время требовании к точности и качеству изделий из кварцевого стекла, необходимости комплексной разработки новых методов прецизионного изготовления деталей из кварцевого стекла и их соединении 1 в монолитные изделия лазерной сваркой с глубоким проплавлением.

Целью работы является разработка комплекса технологий управляемого лазерного термораскалывания, обработки кромки изделий и сварки в режиме глубокого проплавления.

Решение поставленной цели включает следующие основные задачи:

- создание новых математических моделей, более подробно описывающих физические процессы технологий лазерной обработки кварцевого стекла;

- экспериментальное исследование и выбор оптимальных режимов лазерной обработки кварцевого стекла;

- разработка концепции создания специализированного оборудования для основных технологических процессов лазерной обработки кварцевого стекла;

Научная новизна работы состоит в том, что разработаны новые 1 направления лазерной технологии обработки кварцевого стекла: управляемое лазерное термораскалывание, лазерная обработка кромки изделий и сварка в режиме глубокого проплавления.

В диссертационной работе исследованы и проанализированы результаты различных методов и технологий обработки изделий из кварцевого стекла.

Экспериментально установлена взаимосвязь между основными параметрами процесса лазерной сварки кварцевого стекла в режиме глубокого проплавления.

Определены оптимальные режимы прецизионной размерной' резки изделий из кварцевого стекла методом ЛУТ.

Разработаны новые математические модели, подробно описывающие физические процессы технологий лазерной обработки кварцевого стекла.

Получены и обоснованы основные механизмы, определяющие технологический диапазон параметров лазерной обработки кварцевого стекла.

Разработаны основные принципы конструирования специализированного оборудования для лазерной обработки изделий из кварцевого стекла. Для технологического СОг лазера предложен и реализован асферический резонатор. Лазер с таким резонатором обеспечивает параметры излучения, требуемые в лазерных технологиях обработки кварцевого стекла.

Практическая значимость.

Исследования по теме диссертации связаны с решением практических задач в приборостроении и в ряде других областей промышленности и техники. Практическая ценность данной работы подтверждена актами внедрения результатов работы на отечественных и зарубежных предприятиях.

4 >

Результаты проведенных исследований показали, что применение лазерных технологий обработки изделий из кварцевого стекла позволяет по технико-экономическим показателям заметно повысить уровень разрабатываемых устройств.

На защиту выносятся следующие положения: новые принципы в подходе к созданию комплексной высокоэффективной технологии высокоточной обработки изделий из кварцевого стекла, базирующиеся на технологии прецизионной резки методом лазерного управляемого термораскалывания, лазерного притупления кромок изделий и лазерной сварки в режиме глубокого проплавлення;

- математические модели процессов обработки кварцевого стекла: лазерной сварки в режиме глубокого проплавлення, управляемого лазерного термораскалывания и лазерной обработки кромки изделий;

- результаты исследований влияния основных параметров лазерного излучения на-скорость сварки и глубину проплавлення кварцевого стекла;

- оптимальные технологические режимы и технология лазерной сварки кварцевого стекла в режиме глубокого проплавлення;

- результаты анализа и исследований особенностей процесса лазерного управляемого термораскалывания кварцевого стекла с подачей хладагента и без подачи хладагента;

- технология лазерного управляемого термораскалывания кварцевого стекла и технология лазерной обработки кромки изделий из кварцевого стекла;

- специальное технологическое оборудование для новых направлений лазерной обработки изделий из кварцевого стекла.

Заключение диссертации по теме «Технология приборостроения», Борисовский, Владимир Евгеньевич

Заключение

В процессе исследований получены следующие основные результаты:

1. Впервые разработан комплекс высокоэффективных технологий и оборудования для лазерной обработки деталей из кварцевого стекла.

2. Разработана математическая модель процесса лазерного управляемого термораскалывания и лазерной сварки в режиме глубокого проплавления изделий из кварцевого стекла, позволяющая производить расчеты температурных полей и термонапряжений.

3. Установлена взаимосвязь между основными параметрами процесса ЛУТ и лазерной сварки в режиме глубокого проплавления деталей из кварцевого стекла, используемых в производстве изделий приборостроения и микро- и оптоэлектроники, позволившая определить оптимальные технологические режимы.

4. Получены новые научные данные, позволившие разработать технологический процесс лазерного управляемого термораскалывания и лазерной сварки в режиме глубокого проплавления изделий из кварцевого стекла .

5. Разработана общая концепция построения специализированного технологического оборудования для прецизионной лазерной обработки изделий из кварцевого стекла.

6. Разработаны и обоснованы критерии и требования к основным функциональным узлам и механизмам технологического оборудования лазерной обработки изделий из кварцевого стекла.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Борисовский, Владимир Евгеньевич, 2011 год

1. http://www.gequartz.com/en/properties.htm

2. Глаголев С.П., Кварцевое стекло, его свойства, производство и применение, М., ОНТИ, 1934, 214с.

3. Handbook of Glass Properties Academic Press, N.Y., 1986

4. Handbook of Chemistry and Physics" CRC Press, Ohio, 1978

5. Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. акад. И.К. Кикоина, М., Атомиздат, 1976, 1008 с.

6. Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок /под ред. В.Я. Панченко, М., Физматлит, 2009, 664с.

7. Мачулка Г.А., Гурьянов В.М., Муратова Л.П., Резка стекла лазерным лучем, Стекло и керамика, 1972, № 10, с. 10

8. Мачулка Г.А. Лазерная обработка,стекла, М., Сов. Радио, 1979, 136 с.

9. Реди Д., Промышленные применения лазеров, М., Мир, 1981

10. Иманака О., Способы точной обработки неорганических материалов, Кикай-но кэнкю, 1971, т. 23. № 3, с. 515. ВЦП № Ц 84827, с. 18

11. Бабенко В.П., Тычинский В.П., Газолазерная резка материалов, Квантовая электроника, 1972, № 5, с'.З

12. Рэди Д., Действие мощного лазерного излучения, М., Мир, 1974, 468 с.

13. Патент Англия 1228513 МКИ С 1М Резка стеклянной ленты лучом лазера

14. Болыпов В.Ф., Гурьянов В.М., Мачулка Г.А., Лазерная технологическая установка для резки профильного стекла, Квантовая электроника, 1971, № 6, С.84

15. Saifi M.F., Pack U.E., Scribing glass with pulsed and Q-switched C02 laser J. Amer. Cer. Sos., 1973, v. 56, N 9, p.850

16. Lumley R. M., Controlled separation of brittle materials used a laser, J.I

17. Amer. Cer. Soc., 1969, v.48, N 9, p.850

18. Патент США 3932726 МКИ С 03 В 33/00, Способ резки стекла,

19. Патент США 3935419 МКИ С 03 В 33/00, Способ резки стеклянных и стеклокерамических изделий

20. Патент Англия 1441650 МКИ С 03 В 33/02, Способ резки листового стекла и устройство для его осуществления

21. Парфенов Б.А., Выдрина B.C., Захаров В.Г. и др., Лазерная установка "Квант-20" для резки стекла, Электронная техника. Сер. 11. Лазерная техника и оптоэлектроника. 1979, в. 1(7), с. 11.

22. Белоусов Е.К., Кондратенко B.C., Мачулка Г.А., Чуйко В.В., Управляемое термораскалывание стекла с помощью лазерного излучения, Электронная промышленность, 1978, № 9, с. 65-68.

23. Chabbert D., Sondage: electrons or photons? Mach, mod., 1984, N 882, p. ; 35-411

24. Бубякин Г.В., Новик A.E., Сасоров В.П. и др. Светолучевая резка и сварка стекла в производстве электровакуумных приборов, Электронная промышленность, 1973, в. 1(15), с. 74-76.

25. Кондратенко B.C., Способ резки листового стекла, Авторское свидетельство СССР № 776002 МКИ С 03 В 33/02, 1979

26. Кондратенко B.C. Исследование и разработка процесса резки стекла методом лазерного управляемого термораскалывания, дисертация канд. техн. наук., М., 1983.

27. Кондратенко B.C., Танасейчук A.C., Шершнев Е.Б. Новые эффективные способы лазерной обработки листового стекла, Электронная техника, Сер. 11, Лазерная техника и оптоэлектроника, 1986, №4(40), с. 38.

28. Кондратенко В. С., Способ резки хрупких материалов, Патент РФ № 2024441, МКИ СОЗ В 33/0, 1991.

29. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел A.C., Теплопередача М.,"Энергоиздат", 1981, 416 с.

30. Анохина Е.В. Исследование процессов испарения и кипения жидкостей, ЖТФ, 2010. т.80, в.8, с. 32-37.

31. Сапожников С.З., Китанин Э.Л. Технческая термодинамика и теплопередача, СПб, Изд. СПб ГТУ, 1999, 319 с.

32. Толуинский В.И., Теплообмен при кипении, Киев, Наукова думка, 1979,313 с.

33. Харри Уонг, Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров, Справочник, М., Атомиздат, 1979, 216 с.

34. Борисовский В.Е., Кондратенко B.C., Гиндин П.Д., Сек-Джун Ли, Наумов A.C., Разработка технологии лазерного управляемого термораскалывания плоских дисплейных панелей, Приборы. 2005. № 4 (58), с.35-38.

35. Кондратенко B.C., Танасейчук A.C. Применение лазерной технологии в производстве изделий из кварца. — В кн.: Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического семинара «Лазерная технология в приборостроении». Москва, Рига, 1985, с.48-49.

36. Емельянов В.А., Кондратенко B.C., Танасейчук A.C., Шалупаев C.B., Шершнев Е.Б., Анализ особенностей лазерного термораскалывания кварцевого стекла, Электронная техника, сер. Лазерная техника и оптоэлектроника, в. 3 (59), 1991, с. 90- 92

37. Рыкалин H.H., Углов A.A., Кокора А.Н. Лазерная обработка материалов. М.: Машиностроение, 1975. - 296 с.

38. Дьюли У., Лазерная технология и анализ материалов: Пер. с англ. М., Мир, 1986.-504 с.

39. Новацкий В. -Теория упругости, М., Мир, 1975

40. Кондратенко B.C., Борисовский В.Е., Гиндин П.Д., Ежов В.П.,I

41. КолесникВ.Д., Жималов А.Б. и др. Лазерная резка стекла в процессе выработки , Приборы. 2006, № 8 (74), с. 52-56.

42. Кондратенко B.C., Борисовский В.Е., Гиндин П.Д. Разработка и внедрение технологии резки флоат-стекла, Вестник МГУПИ, 2007, № 7, с. 73.80.

43. Кондратенко B.C., Гиндин П.Д., Борисовский В.Е., Колесник В.Д.,I

44. Сорокин A.B. Российские высокие технологии в производстве приборов микро и оптоэлектроники, Интеграл, 2008, № 6 (44), с. 8-9.

45. Борисовский В.Е., Бычков В.А., Метельская И.В., Уколов В.В. Асферический резонатор СО2 — лазера, Сб. Вопросы специальной радиоэлектроники, сер. Общие вопросы радиоэлектроники, 1989, в. 14, с. 45.54.

46. Борисовский В.Е., Бычков В.А., Герасимов А.Н., Уколов В.В. Стабильность мощности излучения технологического лазера с тороидальным резонатором, Квантовая электроника, 1990, т.17, № 6, С.704.707.

47. Борисовский В.Е., Бычков В.А., Боев В.В., Гаврюшенко Б.С. Применение асферической оптики для повышения качества излучения, Всесоюзная конференция "Применение лазеров в народном хозяйстве", г. Звенигород, М. Наука, 1985, с.28.

48. Борисовский В.Е., Бычков В.А., Уколов В.В. Асферический резонатор технологического лазера, Всесоюзная конференция "Применение лазеров в народном хозяйстве", г. Шатура, НИЦТЛАН, 1989, С.72.73.

49. Борисовский В.Е., Бычков В.А., Уколов В.В., Юдин С.И., Лазерная технологическая установка с тороидальным резонатором, Всесоюзная конференция "Применение лазеров в народном хозяйстве", г. Шатура, НИЦТЛАН, 1989, с.73-74.

50. Борисовский В.Е., Бычков В.А., Гаврюшенко Б.С., Глаголев В.В., Уколов В.В. Авторское свидетельство СССР № 214942, МКИ H01S 3/08, от 16.04.84.

51. Борисовский В.Е., Бычков В.А., Уколов В.В. Авторское свидетельство СССР № 315866, МКИ НО 1S 3/08, от 15.03.89.

52. Борисовский B.E. Современные методы лазерной обработки кварцевого стекла. 2, Лазерное управляемое термораскалывание //

53. Приборы, №5 (119), 2010, с. 45 47

54. Панасюк В.В., Андрейкив А.Е., Партон В.З. Основы механики разрушения материалов, т. 1 Справочного пособия в четырех томах «Механика разрушения и прочность материалов» под ред. Панасюка В.В., Киев, Наукова Думка, 1988, с. 488

55. Саврук М.П. Коэффициенты интенсивности напряжений в телах с трещинами, т.2 Справочного пособия в четырех томах «Механика1.(разрушения и прочность материалов» под ред. Панасюка В.В., Киев, Наукова Думка, 1988, с. 620

56. Корн Г., Корн Т., Справочник по математике, М., Наука, 1977

57. Кондратенко В. С. Патент РФ №2163226, МКИ С 03 В 33/02, Способ притупления острых кромок изделий (Варианты), 2000.

58. Кондратенко B.C., Борисовский В.Е., Гиндин П.Д., Наумов A.C., Седаева Н.Р. Лазерное притупление острых кромок изделий, Приборы, №12(66), 2005,с. 37-41

59. Кондратенко B.C.,' Борисовский В;Е., Гиндин П.Д., Наумов A.C., Сюй Тунг Минг, Сюй Чи Вай Пери Новая технология лазерного притупления острых кромок изделий из стекла, //Сб. трудов МНТК Стеклопрогресс XXI, г. Саратов, 27-30 мая 2008 г.

60. Борисовский В.Е., Кондратенко B.C. Laser processing of a quartz glass, //Сб. трудов МНТК «Информационные технологии в науке, технике иобразовании», г. Хаммамет (Тунис), 12.19 октября 2008 г., М.,000 «Мирея», 2009, т.1, с. 12.18,

61. Кондратенко B.C., Борисовский В.Е., Гиндин П.Д., Сорокин А.В., Наумов А.С., Колесник В.Д., Черных С.П.Установка для лазерной резки приборных пластин // Приборы, 2006, № 4 (70), с. 38-43.

62. Борисовский В.Е., Гиндин П.Д., Кондратенко B.C., Наумов А.С., Лазерное технологическое оборудование для резки приборных пластин из различных материалов, Вестник МГУПИ,' 2007, № 7, с. 64-72

63. Александров А. Я., Ахметзянов.М. X. Поляризационно-оптические методы механики деформируемого тела; М., 1973.71. http://www.elektrosteklo.ru/FS visible rus.htm

64. Anderson J.E., Jackson J.E. An Evaluation of pulsed Laser Welding: In «Laser Welding and Machining» (Seminar on new industrial technologies at the Pennsylvania-State University, June 27 to July 2, 1965), 1966, p. 4-25.

65. Locke E., Hoag E., Hella R. Deep Penetration Welding with, High Power C02 Lasers. Weld: J., 1972, v. 51, № 5, p. 245

66. Swift-Hook D.T., Gick A.E.F. Penetration Welding with Laser. -Marchwood Engineering Lab., R/M/№ 637, June 1972, pi 1-11

67. Сысоев В.К. Многопрофильная лазерная обработка кварцевого стекла, Электронный журнал «Исследовано в России» http://2hurnal.ape.relarn.ru/articles/2003/053.pdf

68. Миткевич Е.А., Лопота В.А.,, Горный С.Г. Динамика формирования шва при сварке С02-лазером. Автоматическая сварка, 1982, № 2 (347), с. 22-25.

69. Григорьянц А.Г., Иванов Ю.Н., Кваша Ю.Н. и др. Расчет тепловых процессов при лазерной сварке. — Известия ВУЗов. Машиностроение,I1981, № 11, с. 135-138.

70. Кондратенко B.C., Алейник И.И., Гукетлев Ю.Х., Танасейчук А.С. Новый технологический процесс лазерной сварки кварцевого стекла -Электронная промышленность. — 1989, №4.

71. Стекло. Справочник под ред. Н.М.Павлушкина. М.: Стройиздат, 1973. -487 с.

72. Леко В.К., Мазурин О.В. Свойства кварцевого стекла. Л.: Наука, 1985.- 166 с.

73. Ходкевич Л.П., Леко В.К. Кварцевой стекло в производстве электровакуумных изделий / Под общ. Ред. Р.А.Нилендера. М.: Энергоиздат, 1981. - 88 с.

74. Филлипс К. Дж. Разрушение стекла, гл.1 в т.7 «Разрушение неметаллов и композитных материалов» в сб. «Разрушение» в 7 томах под. ред. Г. Либовиц, М. Мир, 1976

75. Бутт Л.М., Поллак В.В. Технология стекла, М., Стройиздат, 1971, 368 с.

76. Мазурин О.В., Стрельцина Н.В., Швайко-Швайковская Т.П. Свойства стекол и стеклообразующих расплавов. Справочник т. 1. Стеклообразный кремнезем и двухкомпонентные силикатные системы. -Л.: Наука, 1973, с. 17-157.

77. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики, М., ' Наука, 2006

78. Борисовский В.Е., Кондратенко B.C., Гиндин П.Д. Лазерная сварка кварцевого стекла с глубоким проплавлением, Вестник МГУПИ, 2006, №5, с. 13.22

79. Борисовский В.Е. Современные методы лазерной обработки кварцевого стекла. 1. Лазерная сварка с глубоким проплавление // Приборы, №3 (117), 2010, с. 47 49

80. Борисовский В.Е., Кондратенко B.C. Математическая модель процесса лазерной сварки в режиме глубокого проплавления и сравнение с экспериментальными исследованиями, Сб. трудов МНТК Стеклопрогресс XXI, г. Саратов, 25-28 мая 2010 г., с.

81. Кондратенко B.C., Борисовский В.Е., Гиндин П.Д. Сварка кварцевого стекла// Монография. -М., ИРВИ-Водолей, 2006, с. 114

82. Кондратенко B.C., Борисовский В.Е. Лазерная обработка кварцевого стекла// Монография. -М., изд. МГУПИ, 2011, с. 157

83. Кондратенко B.C., Лазерная обработка материалов. Сб. статей- М. наука и технолоии. 2011,390 с.

84. Borissovskii V., Nikitin D., Michel T., Schultz P. Method and apparatus for creating a refractive gradient in glass using laser energy, Patent US 2002050153 Al, 02.05.2002, MKH C03B 37/01

85. Borissovskii V., Nikitin D., Michel T. Method and apparatus for thermally processing quartz using a plurality of laser beams, Patent US 2002050488 Al, 02.05.2002, MKH B23K 26/32.

86. Borissovskii V., Nikitin D., Michel T. Method and apparatus for fusion welding quartz using laser energy, Patent US 2002053559 Al, 09.05.2002, MKH B23K 26/32/

87. Borissovskii V., Nikitin D., Michel T., Schultz P. Method and apparatus for concentrically forming an optical perform using laser energy, Patent US 2002056291 Al, 16.05.2002, MKH C03B 37/018.

88. Borissovskii V., Nikitin D., Michel T., Schultz P. Method and apparatus forpiercing and thermally processing quartz using laser energy, Patent US 2002096501 Al, 25.07.2002, MKH B23K 26/38.

89. Borissovskii V., Nikitin D., Michel T., Nemera V., Vlassov V., Bykov A.

90. Method, apparatus, and article of manufacture for determining an amount ofenergy needed to bring a quartz workpiece to a fusion weldable condition,

91. Patent US 2003196994 Al, 23. 10.2003, MKH B23K 26/32.j i

92. Borissovskii V., Nikitin D., Michel T., Schultz P. Method and apparatus for concentrically forming an optical perform using laser energy, Patent US 2004045323 Al, 11. 03.2004, MKH C03B 37/012.