The Analysis of Laser Thermosplitting of Fragile Materials by Using of Special Geometry Beams

Abstract

In this paper the numerical modeling of allocation of thermoelastic fields which are formed during controllable laser thermosplitting in fragile nonmetallic materials is executed within the limits of theory of elasticity. Modeling is executed for laser beams with a cross-section in the form of an ellipse, a circle, and the semi-ring and theirs combination. The classical circuit of realization of the given method consists of the superficial heating of a material by a laser beam and the aftercooling of this zone by means of a refrigerating medium. Thus the crack which is organized in the zone of refrigerating medium supply follows a laser beam along a treatment line. On the basis of thermoelastic fields allocation shown, that application of the classical circuit of the given method realization with the use of elliptic beams possesses a number of the disadvantages, one of which is the quick deflection of a crack from a line of influence of a laser beam and refrigerating fluid at treatment close to collateral border of the sample. Thus the crack is progressed in a direction to collateral border of the sample. It is displayed, that application of special geometry beams allows to diminish degree of effects of a treatment line closeness to boundary line of the sample on crack development. The positive effect is attained by forming a compression stress zone not only ahead and under field of a refrigerating medium effects where the crack is initialized and explicated, but also on each side of zone of a refrigerating medium effects, that in one's turn does not allow a crack to be deflected aside.Keywords: laser cutting, thermoelastic stresses, crescent beam, crack W pracy przedstawiono wyniki obliczeń numerycznych rozkładu pól termosprężystych, powstających w procesie kontrolowanego laserowego termicznego rozszczepienia kruchych materiałów niemetalicznych. Obliczenia, zgodnie z teorią sprężystości, wykonano dla wiązek laserowych o przekroju eliptycznym, pierścieniowym, pół-pierścieniowym oraz ich kombinacji. Klasyczna metoda praktycznej realizacji eksperymentu polega na powierzchniowym rozgrzaniu materiału wiązką laserową i następnie schłodzeniu rozgrzanego obszaru chłodziwem. Przy takim postępowaniu, w obszarze schładzanym powstaje mikropęknięcie. Wzrasta ono za wiązką laserową, wzdłuż linii obróbki materiału. Na podstawie analizy rozkładu pól termosprężystych wykazano, że klasyczny schemat realizacji eksperymentu, z wiązką o przekroju elipsy, cechuje wiele niedoskonałości. Jedną z nich jest duże odchylenie od linii oddziaływania wiązki laserowej, przy obróbce materiału w pobliżu krawędzi próbek. Dowiedziono, że zastosowanie wiązek laserowych o specjalnej geometrii, zmniejsza wpływ powierzchni granicznej próbki na generację mikropęknięcia. Poprawę jakości obróbki materiału uzyskać można w wyniku powstania naprężeń ściskających nie tylko w obszarze schładzanym, gdzie powstaje i rozwija się mikropęknięcie, ale także z obu bocznych stron wiązki laserowej. Wówczas nie jest możliwa propagacja mikropęknięcia w kierunku bocznym.

A novel method by microwave cutting ceramics based on thermal crack and trajectory control

“…The deviation mechanism of the trajectory is explained by analyzing the results of the stress field. In 2011, Shalupaev S et al [24] carried out modeling and simulation analysis on laser beams with ellipse, normal circle, semiring shape and their combined shape. They also utilized coolant to cool the heated area, and analyzed the influence of heat source shape on cutting trajectory and the change of stress area after cooling.…”