快速切割脆性材料製成的工件的方法和裝置的製作方法
2023-05-07 15:34:36 2
專利名稱：快速切割脆性材料製成的工件的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種通過雷射束沿著任何所需輪廓的切割線快速切割工件的方法和裝置，該工件由脆性材料製成，特別是由玻璃，玻璃陶瓷或陶瓷製成。優選的應用是快速切割平玻璃。
切割玻璃的傳統方法基於使用一金剛石或小的切割輪先在玻璃上產生刻痕，以便玻璃沿以此方式產生的該脆弱線通過施加外部機械力破裂。這種方法的缺點在於該刻痕造成從該表面上分離出顆粒(裂片)，這些顆粒可沉積在玻璃上，例如它們可造成劃傷。同樣在切口處可形成碎片，從而導致不均勻的玻璃邊緣。另外，在刻痕過程中形成的切口內的微小裂紋可導致機械承載能力下降，即增大了破碎的危險。
一種目的在於避免裂片和碎片和微小裂紋的方法是使用熱產生應力分離玻璃。在此情況下，指向玻璃的熱源以相對於玻璃的固定速率運動，以此方式產生高的熱應力使得玻璃形成裂紋。紅外輻射器、特種氣體噴嘴和特別是雷射能滿足局部定位熱能的熱源所需的特性，即與典型切割精度相對應，其精度優於1毫米。由於其好的聚焦性質、好的功率可控性、光束成形及強度分配的可能性，雷射已證實成功地並已實現廣泛地使用在玻璃上。
這種雷射束切割方法已由一些文件公開，其中包括通過聚焦雷射束與外部冷卻相結合的局部加熱產生高於該材料斷裂強度的熱機應力。
已知於WO 93/20015的方法使用一種具有一後冷卻點的橢圓形雷射束。這種方法對於非金屬板材直線刻痕可實現好的結果，但不能確保沿一曲線輪廓高質量和高精度的刻痕。另外，已知的方法不能在高輻射密度和高切割速率下實現非常穩定的切割剖面。
為優化該材料沿切割線的加熱條件，按照WO 96/20062，加熱可由一簇加熱光束實現，在其通過該簇中心的截面中輻射功率的密度分布成從周邊到中心遞減。使用橢圓形光束簇，導致溫度以橢圓環形式分布。
這些已知方法的缺點可由EP 0 872 303 A2描述的方法避免，其中提供一具有在切割方向上開放的U形和V形輪廓的焦點和一特有的強度分布。當實施直線切割時這種方法在實用上證明是成功的。可以乾淨地切透厚度大的工件。當實施任意切割時，即切割可能包括曲線輪廓的任何所需的輪廓時，需要產生一曲線的U形或V形強度分布，該分布與該切割線的輪廓相匹配並對於其軌跡形狀包括其後的冷卻。這特別需要將產生焦點的掃描裝置和行程控制單元連接，從而產生不可忽視的控制和調整費用。
DE 44 11 037 C2已公開一種用於切割中空玻璃的雷射束切割方法，其中採用固定不動的雷射束，該雷射束集中聚焦以形成一點並圍繞該轉動的中空玻璃產生一熱應力區。接著，採用一噴嘴中噴出的霧化水的水霧沿該應力區進行冷卻，該應力區已引入到該真空玻璃的整個外圍之上，使得當與一機械或熱產生的初始裂紋結合使用時切斷該中空玻璃邊緣。
DE 43 05 107 A1公開一種雷射束切割方法，其中該雷射束以下種方式成形，即該雷射束的截面在該工件的表面上是細長形狀，在該方法中，該切割光束截面的長和寬的比例可通過雷射束行程上的光圈來設置。
上述文件中公開的雷射束切割方法根本上不同於同樣已知於例如EP 0 062 482 A1或US 5,237,150的雷射束切割方法，其中熔化玻璃以形成切割縫，該切割縫由氣體連續吹淨。
另外，已知通過多個雷射束切割玻璃的方法。
GB專利1,433,463描述了使用兩個雷射束的方法，具有低能量的第一雷射束用來預熱，具有高能量的第二雷射束用來通過熔化玻璃實際切割。
在DE-B 1 244 346中描述的方法中，為產生成形的邊緣，在雷射切割中，多個雷射束施加在同一切口上，單一雷射束與該玻璃表面形成不同的角度。
出於範圍很廣的原因，上述第一雷射束切割方法證明是高明的方法並在實用中廣泛採用。本發明基於此方法。由上述第一方法實現的切割能力和該方法的可使用性特別取決於沿將要切割的工件內的切割線有效地引入熱機應力、該雷射束在的強度分布以及冷卻的類型。對於切割所需要的沿該切割線快速並同時有效地引入熱機應力在已知方法中只確保到一不充分的程度。由於熱機應力不能有效引入，對於要求更高的切割速度存在著限制。
本發明的目的在於通過雷射束沿著任何所需輪廓的預定切割線切割工件的方法和裝置，該工件由脆性材料製成，特別是由玻璃，玻璃陶瓷或陶瓷製成，使得高切割精度、嚴格按照輪廓及快速的切割成為可能而不形成細小裂紋、裂片或碎片。
此目的可通過專利權利要求1描述的方法實現。
按照權利要求1描述的方法，通過雷射束沿著任何所需輪廓的預定切割線快速切割工件是由以下事實實現的，即產生該雷射束，各雷射束以成對的方式聚焦在該切割線上，並特別平行地引導，而不熔化玻璃。各雷射束以下種方式成形，即在將要切割的工件表面上用作焦點的各雷射束截面與一預定形狀和強度分布相對應。在該雷射束和工件之間沿該切割線產生相對運動並引入熱機應力，通過噴射流體冷卻介質以便對加熱後的切割線部分隨後冷卻，使該熱機應力增加到高於該材料的斷裂強度。
可實現乾淨的切邊而沒有細小裂紋，裂片或碎片。
本發明的方法使得熱機應力沿任何所需輪廓的切割線快速和有效地引入。令人驚奇的是，已發現將高雷射能引入到將要切割的工件上而不使工件熔化。同時，與先前方法相比可以將切割速度增加100％。
以此方式，容易實現高達200米/分鐘的切割速度。
本發明的方法允許沿任何所需輪廓的切割線進行切割。不局限於直線切口，而同樣適合沿曲線特別是沿圓形切割線切割。
特別地為將高雷射能引入工件而同時不使工件熔化，對於以成對方式並特別是平行地連續引導在該切割線上的雷射束是有利的。在這種情況下，該雷射束可以快速連續逐次引導在該切割線上或該雷射束可以以完全或部分疊加的方式引導在該切割線上。
各雷射束在這種情況下最好以下種方式成形，即在每種情況下在將要切割的工件表面上用作焦點的該光束的截面對應於同樣的形狀和同樣的強度分布。
另外，該雷射束最好相互平行地引導在該切割線上，與該工件表面垂直或至少成同樣角度。
當切割玻璃時，應特別確保不超過各玻璃的轉變溫度TG。
如果細小裂紋形成在該切割線的初始處，該裂紋非常精確沿著該切割線。
各雷射束最好是一個或多個CO或CO2雷射束，雷射波長特別最好是可調的，使其可以與將要切割的材料的相應吸收最大值相匹配。該雷射波長越成功地與將要切割的材料的相應吸收最大值相匹配，熱機應力的引入越有效，同樣可選擇的切割速度越高。
流體冷卻介質最好從頂部向下噴射到該工件上。
優選的流體冷卻介質是冷卻氣體，最好是冷空氣，或水/空氣混合物。
在本發明的優選實施例中，流體冷卻介質的溫度是被設定和控制的。在這種情況下，特別優選的是該流體冷卻介質是另外冷卻的。這可例如通過珀爾貼元件實現。使得重複過程的管理在可控制和監控的條件下進行。
本發明的另一構形中，氣體噴嘴由一個或多個同心和/或橢圓噴嘴成形。
可以使用所有氣體噴嘴形狀和噴嘴布置以便有效地冷卻。
通常，所有預定雷射束形狀和其相關的強度分布可施加在將要切割的工件上。
如EP 0 872 303 A2所述的雷射束的U形或V形輪廓和其相關的強度分布是特別優選的。
另外，如同可由該材料充分吸收的任何其他雷射，CO或CO2雷射適用於斷裂為銳利邊緣的邊緣隨後的熔合和成圓。
本發明的方法對於切割包括玻璃、玻璃陶瓷或陶瓷的脆性材料特別適用；可以有利地切割甚至相對厚的材料，例如厚度30毫米的平玻璃。
本發明的方法對於切割任何所需輪廓的平玻璃工件特別是切割圓盤或環形盤特別適用。此類環形玻璃盤最好用作磁性和光存儲介質的基體玻璃。
對於通過雷射束沿著任何所需輪廓的切割線快速切割由脆性材料製成的工件的裝置，包括-產生雷射束的一個或多個雷射源，-用於成對引導該雷射束聚焦到該切割線上而不熔化該材料的光學裝置，-用於以下種方式成形各雷射束的裝置，即在將要切割工件的表面上用作焦點的該光束截面與一預定形狀和強度分布相對應，-用於在該雷射束和該工件之間沿該切割線產生相對運動的至少一驅動裝置，並引入熱機應力，以及-用於噴射流體冷卻介質以便隨後冷卻加熱的切割線部分的裝置，使得熱機應力增加到高於該材料的破裂強度。
按照一第一實施例，用於該雷射束成對和特別平行引導的光學裝置允許以聚焦方式並相繼地將該雷射束成對引導到在該切割線上。在這種情況下，用於成對引導該雷射束的光學裝置允許以下種方式成對引導該雷射束，即以聚焦方式並相互獨立地，或作為選擇完全或部分重疊地將該雷射束成對引導到在該切割線上。
另外，最好在該切割線的初始處提供形成一細小裂紋的裝置。
該雷射最好是CO2雷射，其波長與將要切割的材料的光譜吸收最大值相對應。該CO2雷射釋放波長為10.6微米遠紅外線區域內的光線。當作用在材料上時，此熱輻射具有非常重要的特別特性。例如，其可由在可見光下透明的大多數材料高度吸收。
玻璃中的高吸收性的事實可用於切割玻璃。吸收係數為103釐米-1時，95％的能量吸收在30微米厚的層中。
如果要切割的材料其吸收最大值位於大約5微米的波長處，推薦使用CO雷射作為光源。
通常，可以使用所有預定裝置，以便產生、成形和引導一雷射束，該雷射束適合引入低於將要切割的工件的熔化溫度的熱機應力。
按照另一實施例，用於噴淨工件表面上該雷射束切割的部分的氣體噴嘴是空氣噴嘴。
參考附圖更詳細解釋本發明示例性實施例，其中
圖1表示三個雷射束，每個設有成對引導並聚焦在一預定切割線上，以及隨後冷卻(冷卻點)；圖2與圖1相對應，除了在每種情況下用作焦點的該光束截面具有不同的形狀和強度分布。
如圖1和圖2所示，本發明涉及一種通過雷射束沿著任何所需輪廓(由交替的點劃線表示)的切割線快速切割由脆性材料製成工件，在每種情況下產生三個雷射束，其成對引導聚焦在該切割線上，而不使材料熔化。該雷射束最好垂直於該材料的表面引導。該雷射束以下述方式成形，即在將要切割的工件表面上用作焦點的各光束截面與一預定形狀和強度分布相對應。按照圖1，各雷射束截面具有V形輪廓及其相關強度分布。相反按照圖2用作焦點的各光束截面具有線性輪廓。
通過在該三個成對雷射束和該工件之間沿著該切割線(在該箭頭方向)產生一相對運動，熱機應力引入該工件。實質上，該平行成對的雷射束儘可能精確地沿著該預定切割線。在該雷射束之後，由於噴射流體冷卻介質以便隨後冷卻(冷卻點)該加熱的切割線部分，該熱機應力增加高於該材料的破裂強度。
該三個平行雷射束同時最好是相繼引導到該切割線上。
權利要求
1.一種通過雷射束沿著任何所需輪廓的切割線快速切割由脆性材料製成的工件的方法，包括以下步驟-產生雷射束，-成對引導該雷射束聚焦到該切割線上而不熔化該材料，-以下種方式成形各雷射束，即在將要切割工件的表面上用作焦點的該光束截面與一預定形狀和強度分布相對應，-在該雷射束和該工件之間沿該切割線產生相對運動，並引入熱機應力，-噴射流體冷卻介質以便隨後冷卻加熱的切割線部分，使得熱機應力增加到高於該材料的破裂強度。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，將該成對引導的雷射束設置成相繼引導在該切割線上。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，將該成對引導的雷射束設置成以完全或部分重疊方式引導在該切割線上。
4.如權利要求1到3至少之一所述的方法，其特徵在於，一細小裂紋形成在該切割線的初始處。
5.如權利要求1到4至少之一所述的方法，其特徵在於，一CO或CO2雷射光束用作該各自雷射束。
6.如權利要求1到5至少之一所述的方法，其特徵在於，一可調雷射光束用作該各自雷射束。
7.如權利要求1到6至少之一所述的方法，其特徵在於，該流體冷卻介質從頂部向下噴射到該工件上。
8.如權利要求1到7至少之一所述的方法，其特徵在於，由噴射一最好是冷空氣的冷卻氣體實施冷卻。
9.如權利要求1到7至少之一所述的方法，其特徵在於，由噴射一空氣/水混合物實施冷卻。
10.如權利要求1到9至少之一所述的方法，其特徵在於，該流體冷卻介質的溫度是被設定和控制的。
11.如權利要求1到10至少之一所述的方法，其特徵在於，該流體冷卻介質是冷卻後的。
12.如權利要求1到11至少之一所述的方法，其特徵在於，該流體冷卻介質至少通過一珀爾帖元件冷卻。
13.一種通過雷射束沿著任何所需輪廓的切割線快速切割由脆性材料製成的工件的裝置，具有-產生雷射束的一個或多個雷射源，-用於成對引導該雷射束聚焦到該切割線上而不熔化該材料的光學裝置，-用於以下種方式成形各雷射束的裝置，即在將要切割工件的表面上用作焦點的該光束截面與一預定形狀和強度分布相對應，-用於在該雷射束和該工件之間沿該切割線產生相對運動的一驅動裝置，並引入熱機應力，-用於噴射流體冷卻介質以便隨後冷卻加熱的切割線部分的裝置，使得熱機應力增加到高於該材料的破裂強度。
14.如權利要求13所述的裝置，其特徵在於，該用於成對引導該雷射束的光學裝置允許以聚焦的方式並相繼地將該雷射束成對引導到在該切割線上。
15.如權利要求13所述的裝置，其特徵在於，該用於對引導該雷射束的光學裝置允許以聚焦方式並完全或部分重疊地將該雷射束成對引導到在該切割線上。
16.如權利要求13到15至少之一所述的方法，其特徵在於，用於在該切割線的初始處形成細小裂紋的裝置。
17.如權利要求13到16至少之一所述的方法，其特徵在於，一個或多個雷射源是CO或CO2雷射。
18.如權利要求13到17至少之一所述的方法，其特徵在於，一個或多個雷射源是可調的。
19.如權利要求13到18至少之一所述的方法，其特徵在於，該用於噴射流體冷卻介質的裝置允許該介質從頂部向下噴射。
20.如權利要求13到19至少之一所述的方法，其特徵在於，該用於噴射流體冷卻介質的裝置允許噴射一最好是冷空氣的冷卻氣體。
21.如權利要求13到20至少之一所述的方法，其特徵在於，該用於噴射流體冷卻介質的裝置允許噴射一空氣/水混合物。
22.如權利要求13到21至少之一所述的方法，其特徵在於，該流體冷卻介質的溫度是可設定和控制的。
23.如權利要求13到22至少之一所述的方法，其特徵在於，用於冷卻該流體冷卻介質的裝置。
24.如權利要求23所述的方法，其特徵在於，該用於冷卻流體冷卻介質的裝置包括至少一珀爾帖元件。
全文摘要
本發明涉及一種通過雷射束沿著任何所需輪廓的切割線快速切割由脆性材料製成的工件的方法和裝置。該方法包括以下步驟產生雷射束；成對引導該雷射束聚焦到該切割線上而不熔化該材料；以下種方式成形各雷射束，即在將要切割工件的表面上用作焦點的該光束截面與一預定形狀和強度分布相對應；在該雷射束和該工件之間沿該切割線產生相對運動，並引入熱機應力；在加熱的切割線部分上噴射流體冷卻介質以便其隨後冷卻並增加熱機應張力到高於該材料的破裂強度的一點。
文檔編號C04B41/80GK1414893SQ00817988
公開日2003年4月30日 申請日期2000年10月27日 優先權日1999年10月29日
發明者B·赫策爾 申請人:肖特玻璃廠