專利名稱：切割脆性材料的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種對脆性材料(如玻璃或陶瓷材料)劃線和/或分割的方法。
背景技術：
一種切割脆性材料的方法包括在脆性材料表面形成機械劃痕，劃痕可以產(chǎn)生主要沿與材料表面垂直的方向延伸的小裂紋，其有時被稱為開孔裂紋(vent crack)或簡單地被稱為開孔。向劃痕線施加壓力，則橫穿劃痕線產(chǎn)生拉應力(緊接著是開孔裂紋)，使得開孔增大以至于擴展到材料的整個厚度，從而將材料分割成若干塊。例如該壓力可以通過彎曲材料來施加，因此術語“劃線和折斷”常被用于表示該技術。通過機械使用硬質刻劃輪或劃線器形成劃痕的機械劃線和折斷方法在脆性材料表面以及一定深度內產(chǎn)生實質性的破壞，因此分割塊的邊緣由于劃線過程中產(chǎn)生的小裂紋或碎片的存在而被削弱。為了降低損壞，發(fā)展起一種使用激光束形成劃痕線后再施加壓力的激光劃線技術。根據(jù)此技術，使用激光束加熱脆性材料表面，然后冷卻液體被施加到加熱后的玻璃上， 而附隨的高應力可以在脆性材料的表面上產(chǎn)生破裂，并形成一個開孔裂紋。隨后施加彎曲應力發(fā)生分割。此技術的變化包括一種稱為通體分離的技術，其差異在于并不是先形成一個劃痕線，而是進行加熱和冷卻并足以形成延伸到脆性材料整個厚度的開孔，而并不需要施加后續(xù)的彎曲應力。雖然已經(jīng)證明激光劃線優(yōu)于機械劃線，但激光劃線技術仍存在不穩(wěn)定的缺點，這主要是冷卻階段的結果。發(fā)明概述本發(fā)明公開了一種分割脆性材料(如玻璃片)的方法。本方法采用激光沿預定路線加熱脆性材料，隨后施加由噴嘴噴出的例如水的冷卻液體流冷卻加熱后的預定路線。噴嘴可以產(chǎn)生至少約30mm、優(yōu)選超過50mm的基本上呈柱狀(即基本上圓柱狀)的流束。流束柱狀部分的長度稱為流束的相干長度(coherence length)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，若流束相干部分沿加熱后的預定路線與脆性材料接觸，分割步驟的穩(wěn)定性，如劃痕或切口的直線性，開孔深度的一致性以及整個步驟的可重復性可以得到顯著的提高。在一個實施方式中，在脆性材料上形成開孔裂紋的方法包括采用激光沿預定路線加熱脆性材料的表面，采用由噴嘴產(chǎn)生的冷卻液體的相干射流冷卻脆性材料加熱后的表面，射流的相干長度等于或大于50mm，其直徑范圍在約70微米到約150微米之間，其中從噴嘴的噴口到脆性材料表面之間的工作距離小于射流的相干長度。優(yōu)選地，由具有圓形對稱噴口的收斂形噴嘴形成冷卻液體的相干射流。在其它的實施方式中，由具有圓形對稱噴口并帶有直壁(Straight walled)噴孔的噴嘴形成冷卻液體的相干射流。噴嘴的噴口與脆性材料表面之間的工作距離大于5mm，在有些情況下可以超過 50mmo脆性材料可以是玻璃，在有些實施方式中，是諸如熔融下拉法加工制作的連續(xù)玻璃帶。若脆性材料通過施加機械壓力來分割，則開孔裂紋可以包括劃痕(劃痕線)，在此情況下，可以通過彎曲使得橫穿劃痕線產(chǎn)生拉應力，或者可以在材料上施加線性力以產(chǎn)生張力(例如，施加拉力)。在其他情況下，開孔裂紋可以在冷卻后擴展到脆性材料的整個厚度，最終將脆性材料切割。本方法的一些應用包括切割玻璃帶，其中玻璃帶的溫度超過300°C。玻璃帶可以是非平面的，這時射流的長工作距離(例如長的相干長度)允許在不調整噴嘴與帶狀物表面之間相對位置的情況下進行切割和/或劃線。更確切地說，噴嘴的噴口與脆性材料表面之間的距離沿預定路線發(fā)生改變，但對所形成的開孔裂紋性質影響卻并不顯著。優(yōu)選地，噴嘴里冷卻液體的壓力在約0. 35kg/cm2至約0. 70kg/cm2之間。在另一個實施方式中，公開了一種分割玻璃帶邊緣的方法，包括形成連續(xù)的玻璃帶，該連續(xù)玻璃帶包括粘性區(qū)域和彈性區(qū)域，采用激光在彈性區(qū)域內沿預定路線加熱連續(xù)玻璃帶表面。然后利用由噴嘴噴灑的冷卻液體相干射流冷卻加熱的預定路線，其中該射流的相干長度等于或大于50mm，直徑在約70微米至約150微米之間，從而在連續(xù)玻璃帶上分割出邊緣部分。噴嘴的噴口與連續(xù)玻璃帶表面之間的工作距離小于射流的相干長度。在一些情況下，加熱前連續(xù)玻璃帶在彈性區(qū)域的溫度要大于約300°C。優(yōu)選地，噴嘴的噴口與連續(xù)玻璃帶表面之間的工作距離大于約5mm。優(yōu)選地，噴嘴里冷卻液體的壓力在約0. 35kg/cm2至約0. 70kg/cm2之間。優(yōu)選噴嘴包含擴張的、圓形對稱的噴孔，或直壁的、圓形對稱的噴孔。在一些實施方式中，連續(xù)玻璃帶在彈性區(qū)域是非平面的。參考以下結合附圖所作的解釋性而非限制性的描述，本發(fā)明將可以被更容易地理解，并且本發(fā)明的其他目標、特性、細節(jié)和優(yōu)點也會變得更加清晰。其它所有這樣的系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點都涵蓋在本描述和本發(fā)明的范圍之內，受所附權利要求的保護。附圖簡要說明

圖1是激光劃線和/或切割設備的透視圖。圖2是從直壁噴嘴噴出水流的側視圖，顯示出相干部分和非相干部分。圖3A-3C顯示了三種簡易噴嘴，分別為擴張形噴嘴、直壁噴嘴和收斂形噴嘴。圖4是具有直壁圓柱形噴孔的噴嘴的相干長度與壓力關系的圖表。圖5是用于生產(chǎn)玻璃板的熔融下拉設備正視圖，該設備包括激光發(fā)射器和冷卻噴嘴用于將該設備生產(chǎn)出的連續(xù)玻璃帶的邊緣分割下來。詳細描述在如下的詳細描述中，為了解釋而非限制的目的，列出了公開了具體細節(jié)的實施方式，以便能完全理解本發(fā)明。然而，得益于本申請公開內容的本領域普通技術人員應當清楚，本發(fā)明可以在偏離所述具體細節(jié)的其它實施方式中得以應用。另外，省略了公知裝置、 方法和材料的描述，以便不混淆本發(fā)明的描述。最后，只要適用，相同的附圖標記表示相同的對象。首先采用激光沿預定線路加熱脆性材料，然后立即用冷卻液體冷卻所述加熱區(qū)的激光劃線技術已被本領域所公知。然而，激光劃線雖然在最終邊緣強度上優(yōu)于機械劃線技術，卻可能由于形成開孔裂紋時的不穩(wěn)定而造成開孔漂移(開孔擴展方向在脆性材料表面上不希望有的改變)以及在表面橫截面方向上開孔擴展的改變，更簡單地說，開孔裂紋的深度可能改變，從而造成最終分割出的單塊材料的邊緣表面性質存在差異。此種不穩(wěn)定可最終追溯到冷卻性能。附圖1顯示了激光劃線和/或切割設備10的示意圖，其用于劃線或切割(例如， 通體切割)脆性材料板12，諸如一片玻璃、玻璃陶瓷或陶瓷，該設備包括激光發(fā)射器14，其產(chǎn)生一束電磁能(光)16沿預定路線18照射和加熱板的部分區(qū)域。在一些實施方式中，預定路線起源于板邊緣事先存在的裂痕20。板的加熱部分隨即被緊隨的噴嘴M噴出的冷卻液體射流22所冷卻。加熱以及隨后立即進行的速冷在板上產(chǎn)生高應力并使裂縫沈，例如由事先存在的裂紋所形成，深入板內并沿預定路線延伸。由簡易噴嘴噴口產(chǎn)生的液體射流22如圖2所示經(jīng)歷了至少幾個階段。假設使用圓形噴孔，其射流開始基本上為柱狀流觀，在距離L內幾乎沒有擾動或表面退化(例如射流表面的破裂形成孤立的液滴、表面波紋等)，并具有最小限度的夾雜空隙或氣泡。簡易噴嘴是指單獨的、圓形對稱噴孔。附圖3A-3C顯示了三個簡易噴孔。附圖3A 顯示了一個擴張形噴嘴M，其中離開噴嘴噴口 30后的液體緊接著穿過迅速擴散成錐形的噴孔32。附圖:3B顯示了一個直壁噴嘴M，其中噴孔32的壁基本上是平行的。最后，附圖 3C顯示了一個收斂形噴嘴對，其中液體在離開噴嘴噴口 30前，首先穿過噴孔32的錐形收斂部分。為消除混淆，本文所用噴嘴是指形成射流的元件的整體結構，噴孔表示緊鄰噴口的噴嘴部分(由一個劃虛線的環(huán)形32表示)，而噴口 30是指出射孔的平面幾何形狀，液體從此處流出噴嘴，其常被選做噴孔的最狹窄部分，并由直徑D顯示。可以看出，附圖3A-3C所示的各個噴嘴包含圓形噴口。附圖3A和3C顯示錐形噴孔，而附圖:3B描述了一個圓柱噴口， 對于直壁噴嘴，噴口與噴孔相同?；氐礁綀D2，在第二階段，射流的圓柱形態(tài)退化成湍流、分離的液滴流一簡而言之就是由數(shù)字34表示的非相干射流(例如噴霧)。若射流22的噴霧部分射向脆性材料表面， 可能會產(chǎn)生不穩(wěn)定的冷卻，從而導致不能令人滿意的劃線效果，例如偏離預定劃線和/或切割路線以及削弱最終分割塊材的邊緣。若干因素控制著射流22的柱狀或相干部分觀的特性和程度噴口內緣的特性和射流柱狀部分的長度。以下使用相干的或相干來描述從噴嘴噴射出的基本上呈柱狀的液體射流，其沒有明顯的表面擾動和/或產(chǎn)生從射流表面分離的液滴(孤立的或伴隨產(chǎn)生的)。更簡單地說，相干射流就是一個基本呈圓柱狀的液體射流，此區(qū)域的長度L將被稱作相干長度。使用冷卻液體的相干射流可以將常規(guī)的偏移現(xiàn)象減半，所生成的劃線和/或切割路線偏移量小于約+/-11微米，與之相對的，常規(guī)激光劃線 /切割技術產(chǎn)生的偏移量則為+/-20微米。附圖4描述了由具有直壁圓柱噴孔的噴嘴噴出的水流的相干長度與壓力關系的圖表，該噴嘴噴口直徑D約為200微米。由圖表可見，此射流的相干長度可以超過50mm，這取決于驅動液體的壓力。超過一定的壓力，相干長度快速降低，同時降低了可用的工作距離。由附圖4可見，對水加壓(例如使用壓縮空氣)至0. 35kg/cm2到0. 70kg/cm2之間，從而產(chǎn)生約51mm至53mm之間的相干長度。在約0. 70kg/cm2至約lkg/cm2之間的壓力范圍內仍能產(chǎn)生大于約30mm的可觀的相干長度。長的相干長度是有益的，例如，在劃線和/或切割具有不平坦表面的脆性材料時。 通過使用具有長相干長度的射流，可以實現(xiàn)噴嘴噴口與工作件(脆性材料)之間的較長工作距離，并且不需要根據(jù)材料表面結構的改變而移動噴嘴，同時加快了劃線和/或切割的工作速度。例如，可能使用超過5mm的工作距離，諸如在IOmm至50mm之間、20至50mm之間、30至50之間、以及40至50mm之間。根據(jù)一個實施方式，采用激光發(fā)射器產(chǎn)生的激光沿預定路線照射和加熱脆性材料的表面，然后迅速被噴嘴射出的液體射流冷卻。該噴嘴可以是，例如，簡易擴散形或直壁噴嘴，其具有圓形對稱噴口和噴孔。射流相干長度等于或大于50mm，且噴嘴噴口與脆性材料表面之間的距離小于射流的相干長度。相干射流的直徑在70微米與150微米之間。使用冷卻液體相干射流也可以促進高溫下對脆性材料的精確劃線和/或切割，例如從成形設備中拉出高溫帶狀物時，從玻璃帶上分割其邊緣。玻璃帶的下拉技術是本領域中已知的并且不會對此進行詳細描述，但這些方法包括浮法、下拉法包括熔融下拉法和狹縫下引法、以及上拉法。在附圖5所示的示例性熔融下拉法中，熔融玻璃流過會聚成形面36，在成形主體底部的線38處相遇，其通常被稱作根部，在此根部，從會聚成形面流過來的分離的熔融玻璃流結合或融合成單一玻璃帶40。玻璃帶40包括粘性區(qū)域、粘性一彈性區(qū)域和彈性區(qū)域。 玻璃帶40與不同的邊緣棍42接觸，邊緣棍在粘性和/或粘性一彈性區(qū)域抓緊玻璃帶的邊緣44，按其具體功能引導或拉伸玻璃帶。邊緣棍42與邊緣44之間的接觸損壞了邊緣，并使得玻璃不合乎出售的要求。因此，必須除掉帶狀物的邊緣。雖然可以在從拉伸區(qū)域底部的帶狀物上分割出單塊的玻璃板之后，再去除其邊緣，但直接從帶狀物上去除邊緣可以為生產(chǎn)提供更多方便。根據(jù)本實施例，通過使用如上所述帶有冷卻液體相干射流的激光切割方法可以使從帶狀物上切割帶狀物邊緣的激光切割更容易。激光束16沿著預定路線18照射玻璃帶，該路線通常在帶狀物彈性區(qū)域內與帶狀物40的邊緣平行。接下來，把冷卻液體 (例如水)相干射流22射向預定路線以便于從帶狀物上分割邊緣。射流相干長度等于或大于50mm，并且噴嘴噴口與帶狀物表面之間的距離小于射流的相干長度。相干射流的直徑在70微米與200微米之間，優(yōu)選在70微米與150微米之間。該技術已經(jīng)在彈性區(qū)域內溫度超過300°C、具有高達20mm的彎曲(偏離平面)的非平坦玻璃帶上得到了成功的驗證。根據(jù)本發(fā)明，典型的、非限制性的實施方式包括Cl. 一種在脆性材料上形成開孔裂紋的方法包括沿預定路線用激光加熱脆性材料的表面；采用由噴嘴噴灑的冷卻液體相干射流冷卻脆性材料加熱后的表面以形成開孔裂紋，該射流具有等于或大于50mm的相干長度以及約70微米至約200微米范圍內的直徑；并且其中噴嘴的噴口與脆性材料表面之間的工作距離小于射流的相干長度。C2.如Cl所述的方法，其中冷卻液體相干射流是由具有圓形對稱噴口的擴散形噴嘴形成。C3.如Cl所述的方法，其中冷卻液體相干射流是由具有直壁圓柱形噴孔的噴嘴形成。C4.如C1-C3任意一項所述的方法，其中工作距離大于5mm。C5.如C1-C4任意一項所述的方法，其中脆性材料為玻璃。C6.如C5所述的方法，其中脆性材料為連續(xù)玻璃帶。C7.如C6所述的方法，其中所述玻璃帶由熔融下拉方法制得。C8.如C1-C7任意一項所述的方法，其中開孔裂紋包括劃痕。C9.如C1-C8任意一項所述的方法，其中開孔裂紋在冷卻后延伸至脆性材料的整個厚度使得脆性材料分離開。C10.如C6所述的方法，其中玻璃的溫度超過300°C。Cll.如C6所述的方法，其中玻璃帶是非平面的。C12.如Cl-Cll任意一項所述的方法，其中噴嘴的噴口與脆性材料表面之間的距離沿預定路線發(fā)生改變。C13.如C1-C12任意一項所述的方法，其中噴嘴里的液體壓力在約0. 35kg/cm2到約 0. 70kg/cm2 之間。C14. 一種分割玻璃帶邊緣的方法包括形成連續(xù)的玻璃帶，所述連續(xù)玻璃帶包括粘性區(qū)域和彈性區(qū)域采用激光沿預定路線在彈性區(qū)域內加熱連續(xù)玻璃帶表面；采用噴嘴噴灑的冷卻液體相干射流冷卻連續(xù)玻璃帶加熱后的表面，該射流具有等于或大于50mm的相干長度以及約70微米至約150微米范圍內的直徑以便于從連續(xù)玻璃帶上分離邊緣；并且所述噴嘴的噴口與脆性材料表面之間的工作距離小于射流的相干長度。C15.如C14所述的方法，其中彈性區(qū)域內玻璃的溫度在加熱前大于約300°C。C16.如C14或C15所述的方法，其中噴嘴的噴口與連續(xù)玻璃帶表面之間的工作距離大于約5mm。C17.如C14-C16任意一項所述的方法，其中噴嘴里的冷卻液體的壓力在約 0. 35kg/cm2 至約 0. 70kg/cm2 之間。C18.如C14-C17任意一項所述的方法，其中連續(xù)玻璃帶在彈性區(qū)域內是非平面的。C19.如C14-C18任意一所述的方法，其中噴嘴包含擴散形、圓形對稱噴孔。C20.如C14-C19任意一所述的方法，其中噴嘴包含直壁、圓形對稱噴孔。應當強調，上面所述的本發(fā)明實施方式，尤其是任何“優(yōu)選的”實施方式，都僅僅是可能的實施例，僅供清楚理解本發(fā)明的原理。在基本上不背離本發(fā)明的精神和原理的情況下，可對本發(fā)明上述實施方式作出許多變化和改進。所有這樣的改進和變化形式都包括在本文和本發(fā)明的范圍之內，受以下權利要求的保護。
權利要求
1.一種在脆性材料上形成開孔裂紋的方法，包括沿預定路線采用激光加熱脆性材料的表面；采用噴嘴噴灑的冷卻液體相干射流冷卻脆性材料加熱后的表面以形成開孔裂紋，該射流具有等于或大于50mm的相干長度以及約70微米至約200微米范圍內的直徑；并且所述噴嘴的噴口與脆性材料表面之間的工作距離小于射流的相干長度。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷卻液體相干射流是由具有圓形對稱噴口的擴散形噴嘴形成。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷卻液體相干射流是由具有直壁圓柱形噴孔的噴嘴形成。
4.如權利要求1-3任一項所述的方法，其特征在于，所述工作距離大于5mm。
5.如權利要求1-4任一項所述的方法，其特征在于，所述脆性材料為連續(xù)玻璃帶。
6.如權利要求1-5任一項所述的方法，其特征在于，所述開孔裂紋在冷卻后延伸至脆性材料的整個厚度使得脆性材料分離開。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述玻璃帶在開孔裂紋處的溫度超過 300 "C。
8.如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述玻璃帶是非平面的。
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述噴嘴的噴口與脆性材料表面之間的工作距離沿預定路線發(fā)生改變。
10.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述噴嘴里的液體壓力在約0.35kg/cm2到約 0. 70kg/cm2 之間。
全文摘要
描述了一種劃線和/或切割脆性材料的方法，該方法包括采用激光沿預定路線加熱脆性材料的表面，然后采用噴嘴形成的冷卻液體射流(如水)淬冷加熱后的表面。與脆性材料表面碰撞的冷卻射流部分基本上為柱狀流。
文檔編號C03B33/08GK102167505SQ20101062386
公開日2011年8月31日 申請日期2010年11月17日 優(yōu)先權日2009年11月18日
發(fā)明者A·A·阿布拉莫夫, 羅偉煒 申請人:康寧股份有限公司