CN102167505A - 切割脆性材料的方法 - Google Patents

Abstract

描述了一种划线和/或切割脆性材料的方法，该方法包括采用激光沿预定路线加热脆性材料的表面，然后采用喷嘴形成的冷却液体射流(如水)淬冷加热后的表面。与脆性材料表面碰撞的冷却射流部分基本上为柱状流。

Description

切割脆性材料的方法

要求美国申请优先权

本申请要求2009年11月18日提交的美国申请系列第12/621068号的权益。该文件的内容以及本文提及的出版物、专利和专利文件的完整内容均通过参考并入本文。

技术领域

本发明涉及一种对脆性材料(如玻璃或陶瓷材料)划线和/或分割的方法。

背景技术

一种切割脆性材料的方法包括在脆性材料表面形成机械划痕，划痕可以产生主要沿与材料表面垂直的方向延伸的小裂纹，其有时被称为开孔裂纹(vent crack)或简单地被称为开孔。向划痕线施加压力，则横穿划痕线产生拉应力(紧接着是开孔裂纹)，使得开孔增大以至于扩展到材料的整个厚度，从而将材料分割成若干块。例如该压力可以通过弯曲材料来施加，因此术语“划线和折断”常被用于表示该技术。

通过机械使用硬质刻划轮或划线器形成划痕的机械划线和折断方法在脆性材料表面以及一定深度内产生实质性的破坏，因此分割块的边缘由于划线过程中产生的小裂纹或碎片的存在而被削弱。

为了降低损坏，发展起一种使用激光束形成划痕线后再施加压力的激光划线技术。根据此技术，使用激光束加热脆性材料表面，然后冷却液体被施加到加热后的玻璃上，而附随的高应力可以在脆性材料的表面上产生破裂，并形成一个开孔裂纹。随后施加弯曲应力发生分割。此技术的变化包括一种称为通体分离的技术，其差异在于并不是先形成一个划痕线，而是进行加热和冷却并足以形成延伸到脆性材料整个厚度的开孔，而并不需要施加后续的弯曲应力。虽然已经证明激光划线优于机械划线，但激光划线技术仍存在不稳定的缺点，这主要是冷却阶段的结果。

发明概述

本发明公开了一种分割脆性材料(如玻璃片)的方法。本方法采用激光沿预定路线加热脆性材料，随后施加由喷嘴喷出的例如水的冷却液体流冷却加热后的预定路线。喷嘴可以产生至少约30mm、优选超过50mm的基本上呈柱状(即基本上圆柱状)的流束。流束柱状部分的长度称为流束的相干长度(coherence length)。已经发现，若流束相干部分沿加热后的预定路线与脆性材料接触，分割步骤的稳定性，如划痕或切口的直线性，开孔深度的一致性以及整个步骤的可重复性可以得到显著的提高。

在一个实施方式中，在脆性材料上形成开孔裂纹的方法包括采用激光沿预定路线加热脆性材料的表面，采用由喷嘴产生的冷却液体的相干射流冷却脆性材料加热后的表面，射流的相干长度等于或大于50mm，其直径范围在约70微米到约150微米之间，其中从喷嘴的喷口到脆性材料表面之间的工作距离小于射流的相干长度。

优选地，由具有圆形对称喷口的收敛形喷嘴形成冷却液体的相干射流。在其它的实施方式中，由具有圆形对称喷口并带有直壁(straight walled)喷孔的喷嘴形成冷却液体的相干射流。喷嘴的喷口与脆性材料表面之间的工作距离大于5mm，在有些情况下可以超过50mm。

脆性材料可以是玻璃，在有些实施方式中，是诸如熔融下拉法加工制作的连续玻璃带。

若脆性材料通过施加机械压力来分割，则开孔裂纹可以包括划痕(划痕线)，在此情况下，可以通过弯曲使得横穿划痕线产生拉应力，或者可以在材料上施加线性力以产生张力(例如，施加拉力)。

在其他情况下，开孔裂纹可以在冷却后扩展到脆性材料的整个厚度，最终将脆性材料切割。

本方法的一些应用包括切割玻璃带，其中玻璃带的温度超过300℃。玻璃带可以是非平面的，这时射流的长工作距离(例如长的相干长度)允许在不调整喷嘴与带状物表面之间相对位置的情况下进行切割和/或划线。更确切地说，喷嘴的喷口与脆性材料表面之间的距离沿预定路线发生改变，但对所形成的开孔裂纹性质影响却并不显著。

优选地，喷嘴里冷却液体的压力在约0.35kg/cm²至约0.70kg/cm²之间。

在另一个实施方式中，公开了一种分割玻璃带边缘的方法，包括形成连续的玻璃带，该连续玻璃带包括粘性区域和弹性区域，采用激光在弹性区域内沿预定路线加热连续玻璃带表面。然后利用由喷嘴喷洒的冷却液体相干射流冷却加热的预定路线，其中该射流的相干长度等于或大于50mm，直径在约70微米至约150微米之间，从而在连续玻璃带上分割出边缘部分。喷嘴的喷口与连续玻璃带表面之间的工作距离小于射流的相干长度。

在一些情况下，加热前连续玻璃带在弹性区域的温度要大于约300℃。优选地，喷嘴的喷口与连续玻璃带表面之间的工作距离大于约5mm。优选地，喷嘴里冷却液体的压力在约0.35kg/cm²至约0.70kg/cm²之间。优选喷嘴包含扩张的、圆形对称的喷孔，或直壁的、圆形对称的喷孔。

在一些实施方式中，连续玻璃带在弹性区域是非平面的。

参考以下结合附图所作的解释性而非限制性的描述，本发明将可以被更容易地理解，并且本发明的其他目标、特性、细节和优点也会变得更加清晰。其它所有这样的系统、方法、特征和优点都涵盖在本描述和本发明的范围之内，受所附权利要求的保护。

附图简要说明

图1是激光划线和/或切割设备的透视图。

图2是从直壁喷嘴喷出水流的侧视图，显示出相干部分和非相干部分。

图3A-3C显示了三种简易喷嘴，分别为扩张形喷嘴、直壁喷嘴和收敛形喷嘴。

图4是具有直壁圆柱形喷孔的喷嘴的相干长度与压力关系的图表。

图5是用于生产玻璃板的熔融下拉设备正视图，该设备包括激光发射器和冷却喷嘴用于将该设备生产出的连续玻璃带的边缘分割下来。

详细描述

在如下的详细描述中，为了解释而非限制的目的，列出了公开了具体细节的实施方式，以便能完全理解本发明。然而，得益于本申请公开内容的本领域普通技术人员应当清楚，本发明可以在偏离所述具体细节的其它实施方式中得以应用。另外，省略了公知装置、方法和材料的描述，以便不混淆本发明的描述。最后，只要适用，相同的附图标记表示相同的对象。

首先采用激光沿预定线路加热脆性材料，然后立即用冷却液体冷却所述加热区的激光划线技术已被本领域所公知。然而，激光划线虽然在最终边缘强度上优于机械划线技术，却可能由于形成开孔裂纹时的不稳定而造成开孔漂移(开孔扩展方向在脆性材料表面上不希望有的改变)以及在表面横截面方向上开孔扩展的改变，更简单地说，开孔裂纹的深度可能改变，从而造成最终分割出的单块材料的边缘表面性质存在差异。此种不稳定可最终追溯到冷却性能。

附图1显示了激光划线和/或切割设备10的示意图，其用于划线或切割(例如，通体切割)脆性材料板12，诸如一片玻璃、玻璃陶瓷或陶瓷，该设备包括激光发射器14，其产生一束电磁能(光)16沿预定路线18照射和加热板的部分区域。在一些实施方式中，预定路线起源于板边缘事先存在的裂痕20。板的加热部分随即被紧随的喷嘴24喷出的冷却液体射流22所冷却。加热以及随后立即进行的速冷在板上产生高应力并使裂缝26，例如由事先存在的裂纹所形成，深入板内并沿预定路线延伸。

由简易喷嘴喷口产生的液体射流22如图2所示经历了至少几个阶段。假设使用圆形喷孔，其射流开始基本上为柱状流28，在距离L内几乎没有扰动或表面退化(例如射流表面的破裂形成孤立的液滴、表面波纹等)，并具有最小限度的夹杂空隙或气泡。

简易喷嘴是指单独的、圆形对称喷孔。附图3A-3C显示了三个简易喷孔。附图3A显示了一个扩张形喷嘴24，其中离开喷嘴喷口30后的液体紧接着穿过迅速扩散成锥形的喷孔32。附图3B显示了一个直壁喷嘴24，其中喷孔32的壁基本上是平行的。最后，附图3C显示了一个收敛形喷嘴24，其中液体在离开喷嘴喷口30前，首先穿过喷孔32的锥形收敛部分。为消除混淆，本文所用喷嘴是指形成射流的元件的整体结构，喷孔表示紧邻喷口的喷嘴部分(由一个划虚线的环形32表示)，而喷口30是指出射孔的平面几何形状，液体从此处流出喷嘴，其常被选做喷孔的最狭窄部分，并由直径D显示。可以看出，附图3A-3C所示的各个喷嘴包含圆形喷口。附图3A和3C显示锥形喷孔，而附图3B描述了一个圆柱喷口，对于直壁喷嘴，喷口与喷孔相同。

回到附图2，在第二阶段，射流的圆柱形态退化成湍流、分离的液滴流—简而言之就是由数字34表示的非相干射流(例如喷雾)。若射流22的喷雾部分射向脆性材料表面，可能会产生不稳定的冷却，从而导致不能令人满意的划线效果，例如偏离预定划线和/或切割路线以及削弱最终分割块材的边缘。若干因素控制着射流22的柱状或相干部分28的特性和程度：喷口内缘的特性和射流柱状部分的长度。以下使用相干的或相干来描述从喷嘴喷射出的基本上呈柱状的液体射流，其没有明显的表面扰动和/或产生从射流表面分离的液滴(孤立的或伴随产生的)。更简单地说，相干射流就是一个基本呈圆柱状的液体射流，此区域的长度L将被称作相干长度。使用冷却液体的相干射流可以将常规的偏移现象减半，所生成的划线和/或切割路线偏移量小于约+/-11微米，与之相对的，常规激光划线/切割技术产生的偏移量则为+/-20微米。

附图4描述了由具有直壁圆柱喷孔的喷嘴喷出的水流的相干长度与压力关系的图表，该喷嘴喷口直径D约为200微米。由图表可见，此射流的相干长度可以超过50mm，这取决于驱动液体的压力。超过一定的压力，相干长度快速降低，同时降低了可用的工作距离。由附图4可见，对水加压(例如使用压缩空气)至0.35kg/cm²到0.70kg/cm²之间，从而产生约51mm至53mm之间的相干长度。在约0.70kg/cm²至约1kg/cm²之间的压力范围内仍能产生大于约30mm的可观的相干长度。

长的相干长度是有益的，例如，在划线和/或切割具有不平坦表面的脆性材料时。通过使用具有长相干长度的射流，可以实现喷嘴喷口与工作件(脆性材料)之间的较长工作距离，并且不需要根据材料表面结构的改变而移动喷嘴，同时加快了划线和/或切割的工作速度。例如，可能使用超过5mm的工作距离，诸如在10mm至50mm之间、20至50mm之间、30至50之间、以及40至50mm之间。

根据一个实施方式，采用激光发射器产生的激光沿预定路线照射和加热脆性材料的表面，然后迅速被喷嘴射出的液体射流冷却。该喷嘴可以是，例如，简易扩散形或直壁喷嘴，其具有圆形对称喷口和喷孔。射流相干长度等于或大于50mm，且喷嘴喷口与脆性材料表面之间的距离小于射流的相干长度。相干射流的直径在70微米与150微米之间。

使用冷却液体相干射流也可以促进高温下对脆性材料的精确划线和/或切割，例如从成形设备中拉出高温带状物时，从玻璃带上分割其边缘。玻璃带的下拉技术是本领域中已知的并且不会对此进行详细描述，但这些方法包括浮法、下拉法包括熔融下拉法和狭缝下引法、以及上拉法。

在附图5所示的示例性熔融下拉法中，熔融玻璃流过会聚成形面36，在成形主体底部的线38处相遇，其通常被称作根部，在此根部，从会聚成形面流过来的分离的熔融玻璃流结合或融合成单一玻璃带40。玻璃带40包括粘性区域、粘性—弹性区域和弹性区域。玻璃带40与不同的边缘棍42接触，边缘棍在粘性和/或粘性—弹性区域抓紧玻璃带的边缘44，按其具体功能引导或拉伸玻璃带。边缘棍42与边缘44之间的接触损坏了边缘，并使得玻璃不合乎出售的要求。因此，必须除掉带状物的边缘。虽然可以在从拉伸区域底部的带状物上分割出单块的玻璃板之后，再去除其边缘，但直接从带状物上去除边缘可以为生产提供更多方便。根据本实施例，通过使用如上所述带有冷却液体相干射流的激光切割方法可以使从带状物上切割带状物边缘的激光切割更容易。激光束16沿着预定路线18照射玻璃带，该路线通常在带状物弹性区域内与带状物40的边缘平行。接下来，把冷却液体(例如水)相干射流22射向预定路线以便于从带状物上分割边缘。射流相干长度等于或大于50mm，并且喷嘴喷口与带状物表面之间的距离小于射流的相干长度。相干射流的直径在70微米与200微米之间，优选在70微米与150微米之间。该技术已经在弹性区域内温度超过300℃、具有高达20mm的弯曲(偏离平面)的非平坦玻璃带上得到了成功的验证。

根据本发明，典型的、非限制性的实施方式包括：

C1.一种在脆性材料上形成开孔裂纹的方法包括：

沿预定路线用激光加热脆性材料的表面；

采用由喷嘴喷洒的冷却液体相干射流冷却脆性材料加热后的表面以形成开孔裂纹，该射流具有等于或大于50mm的相干长度以及约70微米至约200微米范围内的直径；并且

其中喷嘴的喷口与脆性材料表面之间的工作距离小于射流的相干长度。

C2.如C1所述的方法，其中冷却液体相干射流是由具有圆形对称喷口的扩散形喷嘴形成。

C3.如C1所述的方法，其中冷却液体相干射流是由具有直壁圆柱形喷孔的喷嘴形成。

C4.如C1-C3任意一项所述的方法，其中工作距离大于5mm。

C5.如C1-C4任意一项所述的方法，其中脆性材料为玻璃。

C6.如C5所述的方法，其中脆性材料为连续玻璃带。

C7.如C6所述的方法，其中所述玻璃带由熔融下拉方法制得。

C8.如C1-C7任意一项所述的方法，其中开孔裂纹包括划痕。

C9.如C1-C8任意一项所述的方法，其中开孔裂纹在冷却后延伸至脆性材料的整个厚度使得脆性材料分离开。

C10.如C6所述的方法，其中玻璃的温度超过300℃。

C11.如C6所述的方法，其中玻璃带是非平面的。

C12.如C1-C11任意一项所述的方法，其中喷嘴的喷口与脆性材料表面之间的距离沿预定路线发生改变。

C13.如C1-C12任意一项所述的方法，其中喷嘴里的液体压力在约0.35kg/cm²到约0.70kg/cm²之间。

C14.一种分割玻璃带边缘的方法包括：

形成连续的玻璃带，所述连续玻璃带包括粘性区域和弹性区域

采用激光沿预定路线在弹性区域内加热连续玻璃带表面；

采用喷嘴喷洒的冷却液体相干射流冷却连续玻璃带加热后的表面，该射流具有等于或大于50mm的相干长度以及约70微米至约150微米范围内的直径以便于从连续玻璃带上分离边缘；并且

所述喷嘴的喷口与脆性材料表面之间的工作距离小于射流的相干长度。

C15.如C14所述的方法，其中弹性区域内玻璃的温度在加热前大于约300℃。

C16.如C14或C15所述的方法，其中喷嘴的喷口与连续玻璃带表面之间的工作距离大于约5mm。

C17.如C14-C16任意一项所述的方法，其中喷嘴里的冷却液体的压力在约0.35kg/cm²至约0.70kg/cm²之间。

C18.如C14-C17任意一项所述的方法，其中连续玻璃带在弹性区域内是非平面的。

C19.如C14-C18任意一所述的方法，其中喷嘴包含扩散形、圆形对称喷孔。

C20.如C14-C19任意一所述的方法，其中喷嘴包含直壁、圆形对称喷孔。

应当强调，上面所述的本发明实施方式，尤其是任何“优选的”实施方式，都仅仅是可能的实施例，仅供清楚理解本发明的原理。在基本上不背离本发明的精神和原理的情况下，可对本发明上述实施方式作出许多变化和改进。所有这样的改进和变化形式都包括在本文和本发明的范围之内，受以下权利要求的保护。

Claims (10)

1.一种在脆性材料上形成开孔裂纹的方法，包括：

沿预定路线采用激光加热脆性材料的表面；

采用喷嘴喷洒的冷却液体相干射流冷却脆性材料加热后的表面以形成开孔裂纹，该射流具有等于或大于50mm的相干长度以及约70微米至约200微米范围内的直径；并且

所述喷嘴的喷口与脆性材料表面之间的工作距离小于射流的相干长度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷却液体相干射流是由具有圆形对称喷口的扩散形喷嘴形成。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷却液体相干射流是由具有直壁圆柱形喷孔的喷嘴形成。

4.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述工作距离大于5mm。

5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述脆性材料为连续玻璃带。

6.如权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述开孔裂纹在冷却后延伸至脆性材料的整个厚度使得脆性材料分离开。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述玻璃带在开孔裂纹处的温度超过300℃。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述玻璃带是非平面的。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述喷嘴的喷口与脆性材料表面之间的工作距离沿预定路线发生改变。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述喷嘴里的液体压力在约0.35kg/cm²到约0.70kg/cm²之间。

Images