CN101468875A - 脆性非金属基材及其切割方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种脆性非金属基材的切割方法，其主要包括以下步骤：先将激光束聚焦于脆性非金属基材上，以形成一个椭圆形光斑，接着使该椭圆形光斑在沿脆性非金属基材的预定切割曲线运动的同时绕其中心旋转，从而使椭圆形光斑的长轴延伸方向始终与椭圆形光斑所在处的预定切割曲线的切线方向基本保持一致，然后使一冷却流体跟随椭圆形光斑运动，以沿该预定切割曲线形成裂痕，接着沿该裂痕使脆性非金属基材分裂。本发明还公开一种由上述脆性非金属基材的切割方法制得的脆性非金属基材。

Description

脆性非金属基材及其切割方法
技术领域
本发明涉及一种脆性非金属基材及其切割方法。
背景技术
玻璃作为光学元器件的主要制成材料，在现代工业中得到广泛应用。然而采用传统的机械切割玻璃方法制成的光学元器件的断口粗糙，导致制成的光学元器件的光学性能及强度较差。因此，为获得较佳质量的光学元器件，激光切割技术得以开发并迅速发展。与传统机械切割方法相比，激光切割技术具有加工精度高、产品一致性好、切割面光滑等优点。
请参见图1，所示为一种现有脆性非金属基板10的切割方法：通过钻石刀(图未示)于脆性非金属基板10的一侧形成一个初始划痕101，该初始划痕101位于该脆性非金属基板10的预定切割直线L1上；接着将激光束聚焦于该脆性非金属基板10上，以形成一个椭圆形光斑111；从初始划痕101处开始，使椭圆形光斑111沿着预定切割直线L1移动，并使该椭圆形光斑111的长轴b的延伸方向与预定切割直线L1的延伸方向始终保持一致；使一冷却液体流12跟随该椭圆形光斑111运动，以对椭圆形光斑111加热过的区域进行及时冷却，从而按预定切割直线L1于脆性非金属基板10上形成一条裂痕；于该脆性非金属基板10上施加机械力，即可使其沿所述裂痕断裂。但该种切割方法需使椭圆形光斑111的长轴b的延伸方向与预定切割直线L1的延伸方向保持一致，以使椭圆形光斑111的能量平均分配于预定切割直线L1的两侧，从而使裂痕沿预定切割直线L1形成。然而，当需对脆性非金属基板10沿一预定曲线切割时，由于该椭圆形光斑111于脆性非金属基板10表面按预定曲线移动时，其长轴b的延伸方向始终保持不变，故在切割过程中，该椭圆形光斑111的长轴b的延伸方向偏离预定曲线的延伸方向，从而不能沿预定曲线于脆性非金属基板上形成裂痕。
请参阅图2及图3，为使激光可对脆性非金属基板进行弧线切割，现有技术提供一种弧线切割方法：先通过激光扫描装置24对激光束21进行扫描，于脆性非金属基板20表面形成一个线形光斑211。该激光扫描装置24包括一个第一反射镜241、一个第二反射镜242及一个控制器243。该第一反射镜241与第二反射镜242相对设置，且第一反射镜241可绕第一扫描轴K1旋转，第二反射镜242可绕第二扫描轴K2旋转，该第一扫描轴K1与第二扫描轴K2相互垂直。控制器243可控制第一反射镜241及第二反射镜242的旋转。通过第一反射镜241的旋转，可使投射于脆性非金属基板20上的激光束21沿X轴方向移动，通过第二反射镜242的旋转，可使投射于脆性非金属基板20上的激光束21沿Y轴方向移动，从而通过第一反射镜241及第二反射镜242的旋转，可于脆性非金属基板20上扫描出一个线形光斑211的轮廓。当第一反射镜241及第二反射镜242的旋转速度较大，即扫描频率较大时，可近似看作于脆性非金属基板20形成有一个线形光斑211。
然后根据脆性非金属基板20的预定切割曲线L2的形状调整该线形光斑211的形状，使该线形光斑211的延伸方向始终与预定切割曲线L2的方向保持一致；接着使一冷却液体流22跟随该线形光斑211运动，以对线形光斑211加热过的区域进行冷却，从而按预定切割曲线L2于脆性非金属基板20上形成一条裂痕；再施加机械力于该脆性非金属基板20上，以使其沿裂痕断裂。
然而，该种切割方法需在切割过程中对线形光斑211的形状不断调整，即需使第一反射镜241及第二反射镜242的位置根据预定切割线L2的形状不断发生变化，其控制难度较大。另外，该种曲线切割的方法在控制第一反射镜241及第二反射镜242的扫描位置的同时，还需使第一反射镜241及第二反射镜242沿预定切割曲线L2移动，故在切割的过程中容易产生误差，切割精度较低。
发明内容
鉴于上述状况，有必要提供一种可进行高精度曲线切割的切割方法及由该方法制成的脆性非金属基材。
一种于脆性非金属基材的切割方法，其包括以下步骤：(1)提供一种激光切割装置及一脆性非金属基材，该激光切割装置包括一激光源、一个聚焦元件、一个工作台及一个控制器，该聚焦元件用于对激光源发出的激光束进行聚集，该控制器控制聚焦元件及工作台的运动；(2)于控制器内预设一个与脆性非金属基材的预定切割曲线相对应的第一函数，以及一个与激光束或脆性非金属基材的旋转运动相对应的第二函数；(3)将脆性非金属基材置放于工作台上，并通过聚焦元件将激光源发出的激光束聚焦于脆性非金属基材上，以形成一个椭圆形光斑；(4)控制器根据第一函数驱动激光束与脆性非金属基材相对运动，并同时根据第二函数使该激光束或脆性非金属基材旋转，从而使椭圆形光斑的长轴延伸方向始终与椭圆形光斑所在处的预定切割曲线的切线方向基本保持一致，同时使一冷却流体跟随椭圆形光斑运动，以沿预定切割曲线形成裂痕；(5)沿该裂痕使脆性非金属基材分裂。
一种玻璃基材，通过激光切割形成，其切割面为光亮曲面。
相较于现有技术，本发明脆性非金属基材的切割方法是采用一椭圆形光斑进行切割，其无需根据预定切割曲线的形状不断变化光斑的形状，而仅需根据控制器内的第一函数驱动脆性非金属基材沿着预定切割曲线运动，以及根据控制器内的第二函数驱动激光束或脆性非金属基材旋转即可，控制难度较低。另外，该椭圆形光斑长轴的延伸方向在切割过程中始终与椭圆形光斑所在处的预定切割曲线的切线方向基本保持一致，故可使激光束的能量始终在预定切割曲线的两侧对称分布以进行加热，当使用冷却流体冷却该加热区域时，脆性非金属基材将沿应力最大的方向发生断裂，即沿椭圆形光斑的长轴的延伸方向发生断裂，所以裂痕的形状可与预定切割曲线的形状保持一致，沿该裂痕使脆性非金属基材分裂后可制得预定形状的产品，因此，通过本发明的切割方法制得的产品具有较高的切割精度。
附图说明
图1是一种采用现有脆性非金属基材的切割方法对玻璃基板进行切割的示意图。
图2是一种采用现有激光切割装置形成切割光斑的示意图。
图3是采用图2所示的激光切割装置形成的切割光斑对玻璃基板进行切割的示意图。
图4是本发明较佳实施例一的脆性非金属基材的切割方法采用的激光切割装置的立体示意图。
图5是图4所示的激光切割装置形成的椭圆形光斑于脆性非金属基材上沿预定切割曲线形成裂痕的示意图。
图6是图5所示的VI区放大图。
图7是本发明较佳实施例二的脆性非金属基材的切割方法采用椭圆形光斑对玻璃基板沿裂痕进行切割的示意图。
图8是图7所示的VIII区放大图。
图9是本发明较佳实施例三的玻璃基板立体示意图。
图10是分别对图9所示的玻璃基板及现有通过机械切割及研磨工艺制得的玻璃基板进行强度试验的数据比较图。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明的脆性非金属基材及其切割方法作进一步的详细说明。
本发明较佳实施例一提供一种玻璃基板的切割方法，其采用图4所示的激光切割装置40实施。该激光切割装置40包括一个激光源41、一个聚焦镜头42、一个工作台43及一个控制器44，该聚焦镜头42用于对激光源41发出的激光束31进行会聚，且该聚焦镜头42可绕其中心旋转。该控制器44控制聚焦镜头42及工作台43的运动。
请同时参阅图4至图6，使用该激光切割装置40对玻璃基板30进行切割的步骤如下：
(1)于控制器44内预设一个与玻璃基板30的预定切割曲线P1相对应的第一函数，以及一个与聚焦镜头42的旋转运动相对应的第二函数；
(2)将玻璃基板30置放于工作台43上，然后用钻石刀(图未示)在玻璃基板30的表面刻出一个初始划痕301，该初始划痕301位于脆性非金属基板30的预定切割曲线P1上；
(3)接着通过聚焦镜头42将激光源41发出的激光束31聚焦于该玻璃基板30上，以形成一个椭圆形光斑311；
(4)控制器根据第一函数驱动工作台沿着预定切割曲线P1运动，并同时根据第二函数驱动聚焦镜头42旋转，以使该激光束31投射于玻璃基板30上的椭圆形光斑311在沿预定切割线P1运动的同时绕其中心旋转，从而使椭圆形光斑311的长轴B1的延伸方向始终与椭圆形光斑311所在处的预定切割曲线P1的切线方向基本保持一致，较佳为椭圆形光斑311的中心位于预定切割曲线P1上，且该预定切割线P1于椭圆形光斑311的中心处的切线T1的方向与椭圆形光斑311的长轴B1的延伸方向相一致，同时使一冷却液体流32跟随该椭圆形光斑311运动，以对椭圆形光斑311加热过的区域进行冷却，从而于玻璃基板30上按预定切割曲线P1形成一条裂痕。
(5)施加压力于该玻璃基板30的裂痕两侧，以使其沿裂痕断裂，从而完成对脆性非金属基板30的切割。
本切割方法是采用一椭圆形光斑311进行切割，其无需根据玻璃基板30的预定切割曲线P1的形状不断变化该椭圆形光斑311的形状，而仅需根据控制器44内的第一函数驱动工作台43沿着预定切割曲线P1运动，并根据控制器44内的第二函数驱动聚焦镜头42旋转即可，控制难度较低。另外，由于本切割方法中的椭圆形光斑311的长轴B1的延伸方向始终与椭圆形光斑311所在处的预定切割线P1的切线方向基本保持一致，故可使激光束31的能量始终在预定切割曲线P1的两侧对称分布以进行加热，当使用冷却液体流32冷却加热区域时，玻璃基板30将沿应力最大的方向发生断裂，即沿椭圆形光斑311的长轴B1的延伸方向发生断裂，所以裂痕的形状可与预定切割曲线P1的形状保持一致，再通过机械力使玻璃基板30沿裂痕分裂后可制得预定形状的玻璃制品，因此，通过上述切割方法制得的玻璃基板具有较高的切割精度。
可以理解，在上述玻璃基板30的切割过程中，也可不旋转聚焦镜头42，而是根据第二函数驱动工作台43进行旋转，以带动玻璃基板30在沿着预定切割曲线P1移动的同时进行旋转，从而使椭圆形光斑311的长轴B1的延伸方向始终与椭圆形光斑311所在处的预定切割曲线P1的切线方向基本保持一致，以于该玻璃基板30上形成与预定切割曲线P1相对应的裂痕。初始划痕301也可由其它具有高硬度的物体刻划，如金刚石砂轮。另外，本发明的切割方法也可不采用高硬度物体于玻璃基板30的表面刻出一个初始划痕301，而直接采用激光束31对玻璃基板30进行切割，但由于没有初始划痕301，故在玻璃基板30上形成裂痕的时间会延长，即在切割过程中需降低激光束31相对玻璃基板30的运动速度，以提高激光束31对玻璃基板30同一部位的加热时间。
本发明较佳实施例二提供的玻璃基板的切割方法具有与较佳实施例一中的玻璃基板的切割方法相似的步骤，其不同在于形成裂痕后，采用不同的方式使玻璃基板沿裂痕分裂。请同时参阅图7及图8，于玻璃基板50上形成裂痕502后，擦去残留于玻璃基板30上的冷却液体，并将激光束31重新聚焦于玻璃基板50上以形成一个椭圆形光斑511。接着控制器44根据第一函数驱动工作台43沿着裂痕502运动，并同时根据第二函数驱动聚焦镜头42旋转，以使该激光束31投射于玻璃基板50上的椭圆形光斑511在沿裂痕502运动的同时绕其中心旋转，从而使椭圆形光斑511的长轴B3的延伸方向始终与椭圆形光斑511所在处的裂痕502的切线方向基本保持一致，较佳为椭圆形光斑511的中心位于预定切割曲线P3上，且该预定切割线P3于椭圆形光斑511的中心处的切线T3的方向与椭圆形光斑311的长轴B3的延伸方向相一致，以使玻璃基板50沿裂痕502断裂。由于本实施例中的椭圆形光斑511的长轴B3的延伸方向始终与椭圆形光斑511中心所在处的裂痕502的切线方向基本保持一致，故玻璃基板50可精确地按照裂痕502分裂。
可以理解，于玻璃基板上形成裂痕502后，也可采用高频波源，如超声波源，向玻璃基板发出高频波，以使该裂痕502向下生长，从而使该玻璃基板沿裂痕502断裂。
可以理解，上述实施例中的切割方法不仅可应用于玻璃基板的切割，也可应用于其它脆性非金属基材的切割，如蓝宝石、水晶等。另外，上述实施例中的激光源较佳为二氧化碳激光器，且该该激光源的平均输出功率较佳在100瓦特以下。
请参阅图9，本发明较佳实施例三提供一种由上述较佳实施例一或二的切割方法制得的玻璃基板70，该玻璃基板70为钠、钾及二氧化硅制成的钠玻璃，其热膨胀在3.2×10-6/摄氏度以上，且其厚度D可为0.2毫米至6毫米。而且，由于激光切割玻璃的分裂机制，该玻璃基板的切割侧面701为光亮曲面。
下面对激光切割玻璃的分裂机制进行详细说明：由于玻璃属于脆性非金属材料范畴，其断裂形式为低塑性断裂，其材料断裂时需满足KI＝KIC。其中，KI为应力场强度因子，其值与材料中存在的裂痕的深度及外加应力大小有关，与材料本身性质无关，KIC为材料断裂韧性，其值与材料本身的组织状态有关。当使用本发明较佳实施例一或二中的切割方法对玻璃基板进行切割时，玻璃基材上的待切割部位先受热后受冷可形成一个应力区。该应力区内的的应力大小与外加的温度变化值及玻璃材料自身的膨胀系数、收缩率有关。由于应力增大时，应力场强度因子KI也随之增大，因此，当与该应力区内的最大应力值对应的场强度因子KImax增加到临界值KIC时，该玻璃基材表面将沿着最大应力方向被拉裂开。由于本发明是采用椭圆形光斑进行切割，且该椭圆形光斑对玻璃基材加热时，该玻璃基材与椭圆形光斑长轴对应的部位温度升高较快，故冷却后，该玻璃基材与椭圆形光斑长轴对应的部位温度变化最大，因此与椭圆形光斑长轴方向对应的应力值为上述应力区内的最大应力值。所以采用本发明的切割方法可按玻璃基材的预定切割曲线准确形成裂痕，接着采用激光束沿裂痕对玻璃基材进行劈裂或将压力作用于该裂痕两侧以使玻璃基板分裂，即可制得上述玻璃基板70。由于该玻璃基板70是通过应力在玻璃基材上产生裂痕后，再使用激光束或外界压力使该玻璃基材分裂，在切割过程中玻璃基材无须与高硬度物体接触并相互挤压，因此该玻璃基板70的切割曲面701上不会形成毛刺与微裂痕，为一光亮曲面。
该玻璃基板70相对于现有通过钻石刀刻划形成裂痕并通过机械力分裂，然后对其切割侧面进行研磨制成的玻璃基板，具有强度高的优点，其可通过以下实验验证：准备一块厚度为1.6毫米的玻璃基板70及一块厚度为1.6毫米的通过现有机械切割及研磨工艺制得的玻璃基板，然后将其分别置于两个相同的支撑体上，再于该两块玻璃基板上分别施加压力直至其破裂，接着分别记下该两块玻璃基板破裂时对应的负载强度值。重复进行上述试验步骤，可得到如图10所示的两条曲线C1、C2，其中曲线C1是由二十个厚度为1.6毫米的玻璃基板70破裂时相对应的负载强度值连接而成，曲线C2是由二十个与厚度为1.6毫米的现有机械切割及研磨工艺制得的玻璃基板破裂时相对应的负载强度值连接而成。由图10可知，该厚度为1.6毫米的玻璃基板70的负载强度为65千克至80千克，该厚度为1.6毫米的通过现有机械切割及研磨工艺制得的玻璃基板的负载强度为15千克至30千克。该两块玻璃基板产生负载强度差异的原因在于：现有机械切割的玻璃基板虽然经过研磨处理，但其切割面经研磨处理仅能形成一个雾面，该切割面上仍然会存在微裂痕，当该种玻璃基板承受到较小压力时，该玻璃基板即会沿着微裂痕破裂，而玻璃基板70的切割侧面701为一光亮曲面，其上无微裂痕，故其可承受较大的压力时才发生破裂，即该玻璃基板70具有较高的负载强度。

Claims (15)

  1. 【权利要求1】一种脆性非金属基材，通过激光切割形成，其特征在于：该脆性非金属基材的切割面为光亮曲面。
  2. 【权利要求2】如权利要求1所述的脆性非金属基材，其特征在于：该脆性非金属基材为玻璃基材。
  3. 【权利要求3】如权利要求2所述的脆性非金属基材，其特征在于：该玻璃基材的厚度为0.2毫米至6毫米。
  4. 【权利要求4】如权利要求3所述的脆性非金属基材，其特征在于：该玻璃基材的负载强度为65千克至80千克。
  5. 【权利要求5】如权利要求2所述的脆性非金属基材，其特征在于：该玻璃基材的热膨胀系数为3.2×10-6/摄氏度以上。
  6. 【权利要求6】一种于脆性非金属基材的切割方法，其包括以下步骤：
    (1)提供一种激光切割装置及一脆性非金属基材，该激光切割装置包括一激光源、一个聚焦元件、一个工作台及一个控制器，该聚焦元件用于对激光源发出的激光束进行会聚，该控制器控制聚焦元件及工作台的运动；
    (2)于控制器内预设一个与脆性非金属基材的预定切割曲线相对应的第一函数，以及一个与激光束或脆性非金属基材的旋转运动相对应的第二函数；
    (3)将脆性非金属基材置放于工作台上，并通过聚焦元件将激光源发出的激光束聚焦于脆性非金属基材上，以形成一个椭圆形光斑；
    (4)控制器根据第一函数驱动激光束与脆性非金属基材相对运动，并同时根据第二函数使该激光束或脆性非金属基材旋转，从而使椭圆形光斑的长轴延伸方向始终与椭圆形光斑所在处的预定切割曲线的切线方向基本保持一致，同时使一冷却流体跟随该椭圆形光斑运动，以沿预定切割曲线形成裂痕；
    (5)沿该裂痕使脆性非金属基材分裂。
  7. 【权利要求7】如权利要求6所述的脆性非金属基材的切割方法，其特征在于：控制器根据第一函数驱动工作台沿着预定切割曲线运动，并同时根据第二函数驱动聚焦元件旋转，从而使椭圆形光斑的长轴延伸方向始终与椭圆形光斑所在处的预定切割曲线的切线方向基本保持一致。
  8. 【权利要求8】如权利要求6所述的脆性非金属基材的切割方法，其特征在于：控制器根据第一函数驱动工作台沿着预定切割曲线运动，并同时根据第二函数驱动工作台旋转，从而使椭圆形光斑的长轴延伸方向始终与椭圆形光斑所在处的预定切割曲线的切线方向基本保持一致。
  9. 【权利要求9】如权利要求6所述的脆性非金属基材的切割方法，其特征在于：在激光束与脆性非金属基材相对运动前，先使用高硬度物体于脆性非金属基材表面形成一个初始划痕，该初始划痕位于预定切割曲线上，然后使椭圆形光斑自该初始划痕处开始加热。
  10. 【权利要求10】如权利要求6所述的脆性非金属基材的切割方法，其特征在于：该椭圆形光斑的中心位于预定切割曲线上，且该预定切割曲线于椭圆形光斑的中心处的切线方向与椭圆形光斑的长轴的延伸方向一致。
  11. 【权利要求11】如权利要求6所述的脆性非金属基材的切割方法，其特征在于：于脆性非金属基材上形成裂痕后，将激光束重新聚焦于脆性非金属基材上，以形成一个椭圆形光斑；接着控制器根据第一函数驱动激光束与脆性非金属基材相对运动，并同时根据第二函数使该激光束或脆性非金属基材旋转，以使该椭圆形光斑在沿该裂痕运动的同时绕其中心旋转，从而使椭圆形光斑的长轴延伸方向始终与椭圆形光斑所在处的裂痕的切线方向基本保持一致，以使该脆性非金属基材沿裂痕分裂。
  12. 【权利要求12】如权利要求6所述的脆性非金属基材的切割方法，其特征在于：于脆性非金属基材上形成裂痕后，用高频波源产生高频波使该脆性非金属基材沿裂痕分裂。
  13. 【权利要求13】如权利要求12所述的脆性非金属基材的切割方法，其特征在于：该高频波源为超声波源。
  14. 【权利要求14】如权利要求6所述的脆性非金属基材的切割方法：所述激光源为二氧化碳激光器。
  15. 【权利要求15】如权利要求14所述的脆性非金属基材的切割方法：该激光源的平均输出功率为100瓦特以下。
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