雷射切割脆性材料基板的曲線路徑切割方法
2023-05-21 03:31:56 1
專利名稱：雷射切割脆性材料基板的曲線路徑切割方法
技術領域：
本發明屬於脆性材料基板的精密切割加工領域。
背景技術：
脆性材料，如矽片、石英晶體、工程陶瓷、液晶玻璃等，在現代工業及日常生活中有 著非常廣泛的應用。由於製造及工藝的緣故，以這些材料製造的元器件往往需要進行切割
等二次加工。對於脆性材料基板，傳統的切割加工是用鑽石、金剛石或硬金屬輪劃線，然後用機 械的方法折斷。採用這種方式切割，在加工過程中易產生碎屑，切口斷面比較粗糙，存在微 細裂紋，需要進行磨邊、清洗等後處理工序，加工過程的機械力還會對元器件造成內在破 壞，成為元器件失效的潛在因素。為克服傳統加工的不足，專利CN1454858A、CNlOl 121220A、CN101444875等提到一 種雷射切割法，基本原理如圖1所示。首先在基板上製造出一條初始裂紋(切口)，然後通 過雷射照射基板，再通過低溫源冷卻基板，基板上初始裂紋在這種激劇變化的溫度場作用 下擴展，從而實現切割。這種切割方法的工作溫度遠小於基板材料的熔點，具有熱影響區小、加工速度快、 切割面平整及殘餘應力低等優點。但是這種切割方式存在一個技術缺陷即當切割線1不 在基板的對稱位置或是當切割線1為曲線時，裂紋擴展的路徑將偏離雷射移動的軌跡，導 致不能沿預定的路線實現脆性材料基板的精密切割。
發明內容
為克服現有技術的在切割路徑不在基板的對稱位置或是當切割路徑為曲線時，裂 紋擴展路徑易偏離雷射移動的軌跡，切割精度低的缺點，本發明提供了一種能保證裂紋沿 預定的切割路徑擴展，切割精度高的雷射切割脆性材料基板的曲線路徑切割方法。雷射切割脆性材料基板的曲線路徑切割方法，包括以下步驟1、在基板上製作初始裂紋作為切割路徑，根據經驗在所述的切割路徑上設置採樣 點；分別獲取各採樣點處的開裂角θ，所述的開裂角θ為當前擴展方向與下一時刻擴展方 向之間所夾的銳角；2、獲取當前採樣點，由當前採樣點出的開裂角θ及基板的斷裂韌性Kre，計算當前 採樣點出的應力強度因子K i、K U ;計算公式如下 其中，K ,為I型裂紋的應力強度因子；K u為II型裂紋的應力強度因子；
3、由採樣點出的應力強度影子K ^K11求出溫度場分布，計算公式如下；
本式⑶其中，上標r、a分別表示參考載荷作用和待求載荷；H為材料常數；α為材料的傳 熱係數；Θ*為溫度；ν為梯度算子；g ...表示沿邊界積分；/ v...表示體積積分；u為位
移場$為裂紋前緣長度；^為熱權函數，對配置一定的構件，熱權函數隻與構件的形狀
da
有關，與溫度場分布及時間無關；4、根據獲取的溫度場分布，調整熱源和冷源參數，使當前採樣點產生的溫度場與 步驟3計算獲得的溫度場一致；5、判斷當前採樣點是否最後一個採樣點，若否，則獲取下一採樣點作為當前採樣 點，轉至步驟2。進一步，步驟1中當前擴展方向為切割路徑在當前採樣點處的切線方向；下一時 刻擴展方向為當前採樣點與下一採樣點所形成的直線方向。本發明的技術構思是在切割前，通過計算得到基板上的裂紋沿切割路徑1擴展 所必須滿足的溫度場分布規律，然後依照理論計算出的溫度場分布調整熱源和冷源的配置 參數，這樣裂紋將沿預定的切割線1擴展，從而實現脆性材料基板的精密切割。在裂紋擴展路徑已知的情況下，則公式錯誤！未找到引用源。左端的 Ki1rK κ ;Κ足嚴和4^已知，而公式錯誤！未找到引用源。式右端的溫度Θ*和熱權函數
^未知。這裡即是斷裂力學中「已知溫度場求應力強度因子」的反問題，即由應力強度因 da
子反求溫度場。對形如錯誤！未找到引用源。的變分型積分方程，可通過插值的方法，將其 變為線性方程組來求解。這樣求出的解有無窮多個，而工程上只需要一組解，此處採用優化 的方法獲得最佳解。本發明具有能保證裂紋沿預定的切割路徑擴展，切割精度高的優點。
圖1為開裂角的示意2為以圓弧切割路徑為例的示意圖
具體實施例方式實施例一參照圖1 雷射切割脆性材料基板的曲線路徑切割方法，包括以下步驟1、在基板上製作初始裂紋作為切割路徑，根據經驗在所述的切割路徑上設置採樣 點；分別獲取各採樣點處的開裂角θ，所述的開裂角θ為當前擴展方向與下一時刻擴展方 向之間所夾的銳角；2、獲取當前採樣點，由當前採樣點出的開裂角θ及基板的斷裂韌性Kre，計算當前採樣點出的應力強度因子K PK11 ；計算公式如下 其中，K ι為I型裂紋的應力強度因子；K u為II型裂紋的應力強度因子；3、由採樣點出的應力強度影子K ^K11求出溫度場分布，計算公式如下； 其中，上標r、a分別表示參考載荷作用和待求載荷；H為材料常數；α為材料的傳 熱係數；Θ*為溫度；ν為梯度算子；g ...表示沿邊界積分；/ v...表示體積積分；u為位
移場$為裂紋前緣長度；^為熱權函數，對配置一定的構件，熱權函數隻與構件的形狀
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有關，與溫度場分布及時間無關；4、根據獲取的溫度場分布，調整熱源和冷源參數，使當前採樣點產生的溫度場與 步驟3計算獲得的溫度場一致；5、判斷當前採樣點是否最後一個採樣點，若否，則獲取下一採樣點作為當前採樣 點，轉至步驟2。步驟1中當前擴展方向為切割路徑在當前採樣點處的切線方向；下一時刻擴展方 向為當前採樣點與下一採樣點所形成的直線方向。本發明的技術構思是在切割前，通過計算得到基板上的裂紋沿切割路徑1擴展 所必須滿足的溫度場分布規律，然後依照理論計算出的溫度場分布調整熱源和冷源的配置 參數，這樣裂紋將沿預定的切割線1擴展，從而實現脆性材料基板的精密切割。在裂紋擴展路徑已知的情況下，則公式錯誤！未找到引用源。左端的 Ki1rK κ ;Κ足嚴和4^已知，而公式錯誤！未找到引用源。式右端的溫度Θ*和熱權函數
^未知。這裡即是斷裂力學中「已知溫度場求應力強度因子」的反問題，即由應力強度因 da
子反求溫度場。對形如錯誤！未找到引用源。的變分型積分方程，可通過插值的方法，將其 變為線性方程組來求解。這樣求出的解有無窮多個，而工程上只需要一組解，此處採用優化 的方法獲得最佳解。實施例2結合圖2和實際例子，進一步說明本發明本實例通過在普通白玻璃的弧線切割來展示本發明的應用。液晶玻璃的尺寸為 IOOmmX IOOmmXl. 1mm，現在其上切制出一個半徑為80mm的圓弧，如圖2所示。計算的取 樣點1、2、3、4、5沿圓弧均勻分布，間隔15°，經實驗測定，此種液晶玻璃的斷裂韌性1^在 0. 7MPa · (mm)1/2 至Ij 0. 8MPa · (mm)1/2 之間。根據脆性材料的最大周向應力理論，曲線切割屬於I、II複合型斷裂模態，其斷裂判據及開裂角θ預測公式為 式中，θ為裂紋的開裂角，K1為I型裂紋的應力強度因子；K11為II型裂紋的應力 強度因子。現取θ = 15°，Kic = 0. 75MPa · (mm)1/2,由式錯誤！未找到引用源。、錯誤！未找 到引用源。計算得 K ι = 0. 81339622MPa · (mm)1/2, K π = 0. 11093104MPa 『 (mm)1/2，K ！/K π =7. 33。經分析，如圖2所示，雷射器的在0點處所需要功率為150W，1點處為250W，3點處 功率為500W，4點處功率為200W，5點處功率為130W，6點處功率為100W。採用功率為500W 的連續可調CO2雷射器沿軌跡0123456以10mm/S的速度移動，實現了對此弧線的切割。本說明書實施例所述的內容僅僅是對發明構思的實現形式的列舉，本發明的保護 範圍不應當被視為僅限於實施例所陳述的具體形式，本發明的保護範圍也及於本領域技術 人員根據本發明構思所能夠想到的等同技術手段。
權利要求
雷射切割脆性材料基板的曲線路徑切割方法，包括以下步驟1)、在基板上製作初始裂紋作為切割路徑，根據經驗在所述的切割路徑上設置採樣點；分別獲取各採樣點處的開裂角θ，所述的開裂角θ為當前擴展方向與下一時刻擴展方向之間所夾的銳角；2)、獲取當前採樣點，由當前採樣點出的開裂角θ及基板的斷裂韌性KIC，計算當前採樣點出的應力強度因子KⅠ、KⅡ；計算公式如下 cos 2[ K I cos 2 2- 3 K II 2sin]= K IC ……公式(1) = cos -1 ( 3 KII2 + K I 4+8 K I 2 K II 2 KI2 + 9 KII2 ) ……公式(2)其中，KⅠ為Ⅰ型裂紋的應力強度因子；KⅡ為Ⅱ型裂紋的應力強度因子；3)、由採樣點出的應力強度影子KⅠ、KⅡ求出溫度場分布，計算公式如下；公式(3)其中，上標r、a分別表示參考載荷作用和待求載荷；H為材料常數；α為材料的傳熱係數；Θ*為溫度；為梯度算子；...表示沿邊界積分；∫V...表示體積積分；u為位移場；a為裂紋前緣長度；為熱權函數，對配置一定的構件，熱權函數隻與構件的形狀有關，與溫度場分布及時間無關；4)、根據獲取的溫度場分布，調整熱源和冷源參數，使當前採樣點產生的溫度場與步驟3計算獲得的溫度場一致；5)、判斷當前採樣點是否最後一個採樣點，若否，則獲取下一採樣點作為當前採樣點，轉至步驟2。FDA0000022754440000013.tif,FDA0000022754440000014.tif,FDA0000022754440000015.tif,FDA0000022754440000016.tif
2.如權利要求1所述的雷射切割脆性材料基板的曲線路徑切割方法，其特徵在於步 驟1)中當前擴展方向為切割路徑在當前採樣點處的切線方向；下一時刻擴展方向為當前 採樣點與下一採樣點所形成的直線方向。
全文摘要
雷射切割脆性材料基板的曲線路徑切割方法，包括在基板上製作初始裂紋作為切割路徑，設置採樣點；分別獲取各採樣點處的開裂角θ；獲取當前採樣點，由當前採樣點出的開裂角θ及基板的斷裂韌性KIC，計算當前採樣點出的應力強度因子KⅠ、KⅡ；由採樣點出的應力強度影子KⅠ、KⅡ求出溫度場分布；根據獲取的溫度場分布，調整熱源和冷源參數，使當前採樣點產生的溫度場與計算獲得的溫度場一致；判斷當前採樣點是否最後一個採樣點，若否，則獲取下一採樣點作為當前採樣點，轉至步驟2。本發明具有能保證裂紋沿預定的切割路徑擴展，切割精度高的優點。
文檔編號B23K26/36GK101885114SQ20101021082
公開日2010年11月17日 申請日期2010年6月28日 優先權日2010年6月28日
發明者盧炎麟, 周國斌, 姚建華, 柴國鍾, 王晨 申請人:浙江工業大學