Лазерное термораскалывание стеклянных труб

Лазерное термораскалывание стеклянных труб имеет много общего с управляемым термораскалыванием листового стекла, описанным в предыдущей главе. Однако одно принципиальное отличие вынуждает рассмотреть этот вопрос отдельно. При управляемом термораскалывании листового стекла начало трещины находится на краю стеклянной пластины, имеющем обычно много заметных дефектов, способствующих достаточно легкому образованию начала линии термораскалывания по заданному направлению разделения, которая далее относительно легко направляется лазерным лучом по заданной конфигурации разделяемого изделия.

Стеклянная труба имеет замкнутый периметр. Она также имеет достаточно большое количество дефектов, способных дать начало трещине. Однако эти дефекты в большинстве случаев не выражены явно и не могут иметь свободы для образования локального зазора. Поэтому при лазерном термораскалывании стеклянных труб место начала трещины неопределенно.

Принципиально возможны два пути лазерного термораскалывания стеклянных труб так же, как и труб из других хрупких материалов. Первый путь - преобразование формы лазерного луча в радиально сходящийся (или радиально расходящийся - при обработке изнутри) лучевой диск. При равенстве длины лазерно-лучевой ленты длине контура резки на обрабатываемом стекле образуется линия, вдоль которой возникает напряжение в материале и которая задает контур термораскалывания. На этой линии всегда найдется достаточно заметный дефект стекла, способный зародить трещину, которая в соответствии с приведенным в предыдущей главе соотношением между энергией лазерного излучения, выделяющейся в стекле в виде тепла, и энергией образования новой поверхности практически мгновенно распространится по описанному лазерным излучением контуру. Однако осуществить такую технологию не всегда возможно из-за сложности оптической системы, а также по некоторым другим причинам. Кроме того, неоднократно было показано, что надежность и повторяемость процесса термораскалывания стеклянных труб при однократном воздействии теплового источника невысока. Практически повсеместно используется комбинированный метод резки стекла нагрев- охлаждение или тепловое воздействие с механическим разрушением стекла.

Второй путь заключается в следующем. Экспериментальные работы по резке стеклянных труб лазерным излучением показали, что наиболее надежная и качественная резка обеспечивается при многократном воздействии лазерного излучения на стекло вдоль линии разрушения. Наиболее легко осуществить термораскалывание стеклянных труб можно их вращением относительно лазерного луча (или наоборот - в равной мере). Именно такой процесс лазерного термораскалывания и рассматривается в дальнейшем. Следует отметить, что просто отколоть стеклянную трубу несложно, в том числе и лазерным лучом. В настоящей работе идет речь о качественном разделении стеклянных труб, т. е. о разделении с высокой точностью и с получением ровной, чистой поверхности, не требующей в большинстве случаев дополнительной обработки.

Необходимо подчеркнуть, что все условия качественного термораскалывания, изложенные ранее в приложении к управляемому термораскалыванию листового стекла, являются общими и остаются в силе при направленном термораскалывании стеклянных труб.

Термораскалывание стеклянных труб лазерным излучением в общем виде выглядит следующим образом. При вращении стеклянной трубы относительно неподвижного лазерного луча (или наоборот), каждая точка поверхности трубы вдоль линии обработки нагревается. Благодаря относительно малому значению теплопроводности стекла, при уходе луча в процессе взаимного перемещения стекло достаточно медленно охлаждается, пока лазерный луч не приходит снова в рассматриваемую точку при следующем обороте. Нагрев поверхности стекла скачкообразно повторяется, пока градиент температуры вдоль всей линии обработки не превысит предел термостойкости стекла. В этот момент на одном из наиболее значительных дефектов стекла вдоль линии воздействия лазерного излучения возникает начало трещины, приводящее к одновременному раскалыванию трубы по намеченному контуру.

Результаты экспериментов по управляемому термораскалыванию хрупких материалов. Часть 5 Лазерная резка стекла Инженерный расчет режима лазерного термораскалывания стеклянных труб. Часть 1