熱応力によるぜい性材料の曲線割断の研究

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13650095
• Research Institution: Nagasaki University
• Principal Investigator: 今井 康文 長崎大学, 工学部, 教授 (50039682)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 本村 文孝 長崎大学, 工学部, 助手 (40274625) ; 才本 明秀 長崎大学, 生産科学研究科, 助教授 (00253633)
• Keywords: 非定常熱応力 / き裂進展 / ぜい性材料 / 熱応力割断 / き裂分岐 / き裂面の倒れ

Research Abstract

自由縁の影響を受けない広い板の中央部分では,熱源を緩やかな曲線に沿って移動させれぱ直線的な熱応力割断の場合と同じように割断が可能であることが昨年度の研究から確認できた.自由縁近傍でも同様な加工ができれば,円板状シリコンウエハの縁落し加工法として応用することができ,現状の研削加工に比べ省資源化につながる.そこで,実用技術として確立する目的で,まず,ガラスを用いて実験的,解析的に検討した.直径200mm,厚さ1mmのガラス円板の外周から予き裂を導入し,縁から10mm,5mm,3mmの円周上に炭酸ガスレーザを照射し,加熱により熱応力を発生させた.き裂はき裂先端の角度位置に依存せず,同じように全周に進展した.ただ,初期き裂導入時にき裂が分岐する現象,き裂進展経路が熱源移動軌跡より外周側になる現象,及び円弧状に進展するき裂面が板厚方向で倒れる現象が見られた.これらの問題点を理解し対策を立てるため,非定常熱応力場の解析を行った.
外周部からの予き裂導入では,板の縁近傍で過大な熱応力場が形成されると,き裂進展に伴うひずみエネルギの解放が過剰になり,き裂面積を増加させるべくき裂が分岐していると予想される.このことから,予き裂導入に対して最適な大きさの熱応力場が存在することがわかった.
進展経路の自由縁側へのずれは直線割断加工時にも現れる現象で,熱源移動軌跡上を進展するき裂先端の熱応力拡大係数を評価したところ,モードIIの特異性が現れた.これに対する対策は直線割断加工の場合と同様である.
き裂面の倒れ現象も直線割断加工時に見られる.その原因が不明であったので,板厚方向にも要素を分割した3次元非定常熱弾性有限要素解析を通して,板厚内での熱応力分布を検討した.熱源進行方向に垂直な面内に,引張りの第1主応力が熱源直下の狭い領域を取り囲むように円周方向に発生している.モードHの応力特異性のためき裂進展経路が自由縁側にずれると,その箇所では主応力が板の面に対して傾いて作用しているためき裂面も傾くと予想される.
今後割断加工経路のずれや加工面の倒れに対する対策について研究を進める予定である.

Research Products

• [Publications] 才本明秀, 今井康文, 本村文孝: "熱応力割断における予き裂導入時の不安定現象"日本機械学会平成14年度材料力学講演会講演論文集. 02-05. 653-654 (2002)
• [Publications] 才本明秀, 今井康文, 本村文孝: "熱応力割断における円弧き裂の応力拡大係数"日本機械学会第15回計算力学講演会講演論文集. 02-02. 663-664 (2002)
• [Publications] 本村文孝, 今井康文, 才本明秀: "レーザー割断による円盤の縁落し加工"2002年度精密工学会秋期大会学術講演会論文集. J80. 442-442 (2002)