CN101506112A - 具有减小的残余应力的对玻璃片进行热边缘精整的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种热边缘精整方法，其包括对玻璃片的边缘进行预热，对边缘内侧会聚加热，引起热拉张，对边缘进行激光精整，对边缘进行局部退火。通过应力消除，由激光边缘精整操作施加的热能不会导致那么多的残余应力。通过本发明的方法，在沿处理过的边缘的最初1毫米内，残余应力减小到低于3000psi，更优选约为1000psi，最低达600psi。

Description

具有减小的残余应力的对玻璃片进行热边缘精整的方法和设备

技术领域

本发明涉及对玻璃片的热边缘精整，更具体来说涉及：首先对玻璃片的边缘进行加热拉张，然后对边缘进行激光精整，然后在激光精整操作之后对边缘进行退火，激光精整之前和之后的操作结合起来用于减少沿所述边缘的残余拉伸应力。

背景技术

至少一种现有的对用于液晶显示器(LCD)的玻璃片进行精整的方法需要施涂用于表面保护的涂层，机械切割工艺，例如刻划轮进行机械刻划，以及精整工艺，例如磨光。在历史上，这些工艺都是湿法工艺，需要对玻璃片进行清洗以除去在机械刻划和磨光过程中产生的玻璃碎屑造成的污染。人们需要能够在边缘精整过程中略去对玻璃片的清洗，在成形过程之后，在精整过程中略去相关的步骤。

人们已知能够清洁地切割玻璃片的方法，例如使用激光进行玻璃刻划和分离，以及/或者使用激光切割玻璃。例如，参见美国专利第U.S.6,713,730；U.S.6,204,472；U.S.6,327,875；U.S.6,407,360；U.S.6,420,678；U.S.6,541,730和U.S.6,112,967号。但是，热工艺(包括使用激光束进行玻璃刻划或玻璃切割的工艺)会在玻璃中产生很高的残余应力，这是因为在此过程中，玻璃被局部加热至高于其应变点的温度。人们不希望存在这些应力，因为它们会导致玻璃在随后的加工、运输和使用过程中发生破坏。另外，这些应力会阻碍随后的将玻璃切割成较小尺寸的操作。人们可以使用辐射加热器，通过局部加热处理(退火)工艺减少残余应力。但是，玻璃的光学性质限制了通过辐射加热器可以达到的应力释放。

已知可以使用激光器对已经用机械精整技术倒角的玻璃片的边缘进行烧制抛光。例如，美国专利第6,521,862号揭示了使用激光使得表面划痕平整化。但是，美国专利第6,521,862号中优选的激光束使用9.25微米的辐射，以尽可能减小激光束的透入深度，因为仅需要表面精整。需要注意的是，美国专利第6,521,862号没有揭示使用激光为玻璃的切割表面提供圆化的(倒角的)边缘，也没有揭示如何或者是否释放了残余应力。另外，激光束会聚到边缘，激光束经过数次，因此该方法无法用于连续的玻璃成形工艺。

WO 03015976描述了使用椭圆形激光点对玻璃边缘进行倒角。但是，该激光点以一定的角度施加于边缘的角上，而不是垂直于边缘，另外，所述激光点的峰值功率直接置于角上，因此激光必须通过每个角(即需要至少通过两次)。WO 03015976还揭示了可以使用第二激光束进行边缘退火，但是并未报道应力减小的程度。其中仅仅报道了边缘不会因为倒角操作发生裂纹。需要注意的是，所述倒角法仅仅使得边缘的角圆化，没有使得边缘形成单独的满半径。

美国专利第4,682,003号描述了使用激光使得激光切割的玻璃的边缘圆化。但是，其没有揭示任何用来释放残余应力的方法。另外，边缘没有完全圆化，而是仅仅对角进行倒角。

因此，人们需要用于玻璃的清洁的边缘精整的方法和设备，其中沿精整的玻璃边缘的残余拉伸应力减小。

发明内容

本发明涉及对玻璃片或陶瓷片之类的脆性片材的切割边缘进行的清洁的精整，该精整工艺包括激光前操作和激光后操作，这些操作结合起来用来减小沿边缘的残余拉伸应力。这通过较少的边缘精整步骤完成，无需在边缘精整工艺中采用特别的工艺或步骤。本发明体系还提供了能够与玻璃片连续制造工艺(例如用于LCD的连续制造工艺)相容的可重复的均一的工艺。

在本发明的一个方面，用来对包括至少一个边缘的脆性片材(例如玻璃片和陶瓷片)进行热边缘精整的方法包括以下步骤：对包括一条材料的片材的至少一个边缘进行加热，所述材料条沿着边缘延伸，但是位于所述边缘之内侧。所述方法还包括相对于边缘处的温度升高所述条的温度，用激光束之类的热学加热源处理所述边缘以对边缘进行圆化和精整，然后对所述边缘和材料条进行退火，以减小边缘精整过程中产生的应力。

在本发明的另一个方面，一种用来对玻璃片和陶瓷片之类的片材的边缘进行热边缘精整的方法包括以下步骤：通过对边缘进行预热，同时使得位于片内的离开边缘的一个区域的温度高于所述边缘的温度，沿所述边缘对片材进行加热拉张。所述方法还包括将所述边缘激光精整成不尖锐的形状。

在本发明的另一个方面，对具有边缘的玻璃片和陶瓷片之类的片材进行热精整的设备包括：第一热源，其用来加热所述片材的边缘，包括加热沿所述边缘延伸但是位于片内的材料条。所述设备还包括第二热源，其用来使得所述条的温度相对于边缘处的温度升高；热学加热源，例如激光器装置，其用来产生适于对边缘进行圆化和精整的激光束；第三热源，其用来对边缘和材料条进行退火，以减少用热学加热源对边缘进行精整的过程中产生的应力。

在以下的详细描述中提出了本发明的附加特征和优点，其中的部分特性和优点对本领域的技术人员而言由所述内容而容易理解，或通过按照本文所述实施本发明而被认可。出于说明的目的，以下讨论用于描述玻璃制造。但是应当理解，由所附权利要求书限定的本发明的范围不限于这些具体说明，将脆性材料限定为玻璃的权利要求除外。

应理解前面的一般性描述和以下的详细描述都只是对本发明的示例，用来提供理解下文要求的本发明的性质和特性的总体评述或框架。同样，以上列出的本发明的方面以及下文讨论和要求的本发明的优选实施方式和其它实施方式，可以独立地采用或以任意或全体的组合的形式采用。

包括的附图提供了对本发明的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图图示说明了本发明的一些实施方式，并与说明书一起用来说明本发明的原理和操作。应当注意的是，附图中所示的各种特征不一定是按比例绘制的。实际上，为了能够清楚地进行讨论，尺寸可以任意放大或缩小。

附图说明

图1是使用加热拉张的边缘精整法的流程图。

图2是预热工艺的示意图，图2A显示了预热工艺中玻璃内的加热拉张，实线表示从边缘表面向内间隔的位置处的温度曲线。

图3是会聚预热法的示意图，该方法用来在即将进行激光边缘精整处理之前，使边缘产生会聚的热拉张，图3A显示了即将进行激光边缘精整处理之前，玻璃内产生的热拉张，实线表示离开边缘表面向内的间隔位置处的温度曲线。

图4，4A和4B为边缘透视图，玻璃片的截面图，以及用于边缘精整的激光束形状和标记图。

图5是用于局部热处理的加热器和燃烧器结构的示意图，图5A是所得的离开边缘表面向内的间隔位置处的局部热处理温度图。

图6和6A是使用本发明方法和设备边缘精整的玻璃片的俯视图和截面图。

具体实施方式

在以下的详述中，为了说明而非限制，给出了说明具体细节的示例性实施方式，以提供对本发明的充分理解。但是，对于本领域普通技术人员显而易见的是，在从本说明书获益后，可以以不同于本文详述的其它实施方式实施本发明。另外，本文会省去对于众所周知的装置、方法和材料的描述，以不使本发明的描述难以理解。

所示的关于热边缘精整的工艺(图1)包括四个主要步骤：预热(步骤20)，沿玻璃边缘的热拉张(步骤21)，激光边缘精整(步骤22)，以及激光后局部热处理/退火(步骤23)。通过升高玻璃边缘以内的玻璃的温度，使得沿边缘的玻璃材料热拉张。结果，通过激光边缘精整操作施加的热量不会引起如下文讨论那么多的沿精整过的玻璃片边缘的残余应力。这是很重要的，因为在保持形状和光学性质之类的性质的同时，能够对玻璃片施加的退火的程度是受到限制的。通过使用该方法，沿边缘进行热拉张，最终的玻璃片具有较低的边缘应力，例如沿处理过的边缘的最初1毫米内的残余应力小于1000psi，相比之下，对于不使用本发明的应力减小方法的处理过的边缘，最初1毫米内的残余应力约为8000psi。从而可以减少或消除在处理过程中和之后不希望出现的边缘破裂。另外，较低的边缘应力使得能够在之后对玻璃片进行进一步切割，同时使得出现边缘破裂、产生碎屑、以及不希望存在的玻璃裂纹和断裂的风险降低。低的边缘应力还最大程度地减小了面内挠曲，这对于例如消费者组装工艺来说可能是很重要的。

如图2所示，预热步骤20使用相对的辐射加热器24(图2)升高边缘26附近的玻璃片25的温度，以产生所需的短暂的拉张和压缩图案，由此减少沿冷却的片材边缘的残余应力。注意相对于所述玻璃和边缘，加热器24不一定处于相同的相对位置。热拉张步骤21包括使得成角度的燃烧器27(图3)(或者辐射加热器)会聚，对离开边缘26向内间隔的材料条28进行加热，使得在即将施加激光束29之前，所述材料条28的温度高于边缘26，从而导致材料沿边缘的热拉张。所述激光边缘精整步骤22(图4)包括将激光29施加到边缘26以对边缘26进行圆化和精整(图6)。所述激光后热处理/退火步骤23(图5)包括使用辐射加热器30，同时还使用局部取向可变的燃烧器31对边缘26和条28进行局部热处理，以减少玻璃片25中的残余应力。图中显示的步骤23包括：第一步23A(图1)，将具有激光处理的边缘26的玻璃片25移动到局部热处理区域；第二步23B，将边缘温度保持在高于沿着边缘的材料的退火温度；第三步23C，从高于退火温度的温度控制冷却到低于应变点的温度。

下面将描述一个具体的例子。所示的玻璃片25的厚度约为0.65毫米。(预期所述玻璃片可以具有任意的厚度。但是，本发明方法非常适用于薄玻璃，例如厚度约为例如0.03-2.0毫米的玻璃片。)所述玻璃片25具有至少一条切割边26，该切割边26具有较尖锐的角26A和26B(图2A)(即“边缘的末端”)。本发明的附图显示了单独的不连续尺寸的玻璃片，似乎其在处理过程中保持静止，但是预期所述玻璃片在处理过程中可以移动，只要所述玻璃片精确地保持在已知的位置即可。或者，预期本发明的方法可以与用来形成玻璃片的连续法结合应用，例如沿玻璃片前端(或后端)上的相对的修整边缘或一条修整边缘应用。例如，所述连续法可以以大约100毫米/秒的线速度操作。

在步骤20中，LCD玻璃片25(图2和2A)在相对的辐射加热器24之间进行加热，所述相对的辐射加热器24在玻璃的相反侧面上沿玻璃片25的边缘26设置。随着边缘26和条28的温度升高，沿着图2A的温度线，通常会在A1处产生瞬时的拉张应力，通常会在内部位置A2产生瞬时的压缩应力。需要注意的是，拉张应力和压缩应力可能会根据玻璃的热力学性质和物理性质、以及根据具体的工艺参数，沿边缘26和沿条28变化。所述辐射加热器24在边缘26和沿着条28升高玻璃片25的温度。在图2A中，位置A1(位于边缘表面26上)的温度T1大约比温度T4高400-440℃，而位置A2(位于内部玻璃片上，条28中心附近，例如与边缘26近距离相隔，例如相距约10毫米)的温度T2略高于温度T1(例如高25-40℃)。所述位置A3(位于位置A2以内，例如又靠里10毫米，位于内部残余应力在条28的内向侧上平衡的位置)的温度T3与温度T1接近，但是略低于温度T1。位置A4(位于条28的更内侧，位于位置A3内侧)具有温度T4。如图所示，辐射加热器24在位置A4至A2之间引起温度梯度，所述温度以较平稳但是以很迅速的升温速率从T4升高到T2。但是，温度在位置T2达到峰值，然后从位置A2(即温度T2)朝着位置A1略微降低(即在边缘26具有温度T1)。

T1和T4之差最优选约为400℃，但是需要注意，该最优温度可能会根据材料性质和工艺参数非常显著地变化。T1和T2之间的温差可以变化，但是在本实施例中，预期其温差约为25-40℃。在内向位置A4处，残余应力(图2A的灰色区域表示)是压缩应力，该压缩应力会减小，直至在位置A3(在条28的内向侧)减小到基本为零或“平衡”。在位置A3，所述内部残余应力反向，在条28的中心之上的位置A2变成拉张应力。在边缘26处的位置A，所述残余应力又一次基本为零或平衡。值得注意的是，位置A4不可能经受压缩应力，这是因为玻璃片中会有一定程度的翘曲。本发明的关键特征是在瞬时加热过程中，通过边缘下面的热压缩，沿着所述边缘产生热拉张。其他的瞬时应力仅仅是根据玻璃尺寸和形状产生的“平衡”应力。

在步骤21中，使用会聚的第二热源(例如燃烧器27)对边缘26内侧的条28进行加热，沿边缘26提供增大的热拉张。在即将进行边缘精整之前，所述燃烧器27在边缘下面产生较大的热梯度。该梯度将造成边缘处的温度低于紧邻地位于该边缘下方的所述狭窄区域内的温度。所述燃烧器27以一定的入射角对玻璃加热。使得所述入射角以及燃烧器和玻璃之间的距离发生变化，以改变沿边缘产生的局部热点的面积以及温度。该方法迫使边缘相对于其下方的热点发生瞬时拉张。通过(燃烧器控制)控制温度大小和位置还有助于在施加激光束的过程中保持玻璃对齐，例如通过帮助将玻璃片保持在平面内。

具体来说，通过使用成角度的/会聚的燃烧器27对条28上的特定位置A2进行加热，同时对所述相对的辐射加热器24之间的LCD玻璃片25的边缘26和条28继续加热，完成了所述热拉张(图3和3A)。如图所示，通过控制器可变地控制所述会聚的燃烧器27，使得位置A2周围的玻璃片25的温度升高，在峰值处(即位置A2)的温度升高约为另外的25-85℃。因此，所示的边缘位置A1和条位置A2之间的温差约为50-125℃，优选约为100℃，导致沿边缘的热张力显著增大。位置A2位于玻璃片上内侧的条28的中心附近，与边缘26相隔短距离，例如相距约10毫米。该范围的温差能够在激光操作之前产生最优的热拉张。所述位置A3(位于位置A2以内，例如又靠里10毫米，位于内部残余应力在条28的内向侧上平衡的位置)的温度T3与温度T1接近，但是略低于温度T1。需要注意的是，图3A所示的温度T3可能会由于玻璃片25在加热器24、后燃烧器27之间移动的时候、以及移动到激光处理位点的时候在玻璃片25内和周围发生的热力学影响和传热，从图2A所示的温度略微升高。瞬时应力(见图3A)类似于图2A中在位置A2变大的应力。

步骤22(图4，4A和4B)包括使用具有“帽形”光束轮廓的椭圆形激光束29对玻璃25的边缘26进行精整。需要注意的是，所述激光束的“帽”略大于玻璃25的厚度，允许激光束29的相对位置发生一些变化，但是不会使得激光束29错过玻璃片25的边缘26a和26b。所述边缘26是切割边缘，包括较尖锐的顶角26A和底角26B。激光束29是细长的，以垂直于玻璃片边缘的方式定位。优选激光束为椭圆形的，因为这样可以提供较高的加工速度。使用市售的反射和折射光学元件获得了激光束的形状，例如所述光学元件可以购自II-IV公司，或者激光研究光学元件公司(Laser Research Opticscompany)。对“D”模式轮廓进行改良，以提供大礼帽结构(图4)。所述轮廓在激光束宽度上使用近乎恒定的峰值功率，从而减少了边缘圆化随玻璃与激光束对齐情况的变化而发生的变动。这会得到均一的边缘圆化，减少瞬时变化中导致的破裂。

玻璃在激光束下方移动，当对边缘施加足够的流量的时候，会产生圆的边缘。最大程度地减少了玻璃片“成蘑菇状”偏离玻璃片平面的现象(即小于0.5微米)。可以通过改变工艺参数，例如施加的激光功率、激光停留时间，来调节曲率半径。由于采用了激光边缘精整处理，可以在沿玻璃边缘的最初1毫米内产生高的局域化应力(例如大于8000psi)。这是不希望出现的，因为这会导致在加工过程中或加工后产生断裂，还会阻碍将基片切割成所需尺寸的操作。但是，通过使用本发明的热拉张，如下文所述，可以将边缘应力减小到大约1000psi。需要注意，可以通过改变激光工艺参数，例如施加的激光功率、激光停留时间，来调节曲率半径。

退火步骤23(图5和5A)包括用天然气和氢气作为燃料提供能量的燃烧器31。在局部热处理工艺中使用氧气和/或空气作为氧化源。用燃烧器31对边缘26施加处理，使得边缘26的温度高于玻璃的退火温度。在该施加热处理的过程中，燃烧器31沿玻璃片25的长度移动，以尽可能减小横跨火焰前缘的温度变化，并在该热处理工艺过程中为玻璃片25提供加热和冷却(松弛)的机会。通过控制燃烧器31通过边缘26的次数，以及控制气体和空气的质量流速随时间的变化关系，将玻璃片25的温度保持在高于退火温度。燃烧器31以一定的入射角对玻璃片25进行局部加热，同时消除掉对火焰前缘的浮力驱动的流动影响。所述燃烧器31能够沿着玻璃片25的移动方向可调节地移动，还能够沿着垂直于玻璃片25的移动方向可调节地移动。另外，可以使得气体和空气输入发生变化，以便可调节地控制输出能量/玻璃温度。通过该过程使得能够得到具有以下性能的边缘：其残余拉张应力低于3000psi，更优选低于1000psi，甚至最低达600psi，所述残余应力是使用购自应力光学元件有限公司(StrainOptics Inc)的DIAS-1600之类的装置，用标准操作步骤测得的读数。需要注意的是，边缘冲击测试和沿边缘进行的弯曲测试得到了与上述低残余边缘应力读数相符的改进的结果。需要注意残余边缘应力低于3000psi可能是很重要的，因为由此可以进行进一步的玻璃切割和加工，同时不造成无法接受的缺陷和玻璃破坏。

如图6和6A所示，玻璃片的边缘(使用本发明所述的热拉张工艺精整过)具有清洁圆化的边缘。需要注意的是，所述制得的边缘可以具有从玻璃的前表面延伸到后表面的连续的弓形(半圆柱形)形状(如图所示)。但是，预期玻璃片的边缘(使用本文所述的热拉张法进行过精整)也可制成具有被平面相连的两个弓形角的形式，用激光束对角进行处理，而两个角之间的平面不进行处理(或者略微处理)。还考虑可以对边缘进行处理，使其变成不对称的形状、抛物线形状或其它形状。

注意本发明的热拉张工艺会导致“应力消除”。术语“应力消除”无需在本说明书中详细定义，在本文中用来帮助本领域技术人员理解该边缘精整工艺的动力学机理。

尽管上文已经结合本发明的具体示例性实施方式进行了描述，但是很明显，本领域技术人员可以通过从上述内容受益而进行许多的替代、改良和变化。因此，本发明应包括落入所附权利要求书的宽泛的精神和范围之内的所有这些替代、改良和变化。

Claims (26)

1.一种用来对具有至少一个边缘的脆性片材如玻璃片和陶瓷片进行精整的热边缘精整方法，所述方法包括以下步骤：

对片材的至少一个边缘进行加热，所述片材包括材料条，所述条沿着所述边缘延伸，但是位于边缘之内；

使得所述条的温度相对于边缘处的温度升高；

用热学加热源如激光束对边缘进行处理，从而对边缘进行圆化和精整；以及

对所述边缘和材料条进行退火，以减小边缘精整过程中产生的应力。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，升高温度的步骤包括提供取向的会聚热源，用来将所述条加热至高于边缘温度的温度。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，升高温度的步骤包括提供会聚热源，该会聚热源包括燃烧器，所述燃烧器具有会聚到条上、并与边缘相隔开的火焰。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，升高温度的步骤包括提供包括可变热源的燃烧器。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，升高温度的步骤包括使会聚热源与片材限定的平面成一定角度取向。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加热步骤包括提供在相对侧设置的加热器，以对至少一个边缘和所述条进行加热。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述加热步骤包括提供包括辐射加热器的侧面加热器。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述退火步骤包括提供包括多程燃烧器的退火热源。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述退火步骤包括基于时间控制所述燃烧器的流动以及控制燃烧器相对于片材的相对位置。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括提供用于加热的控制器，所述控制是程序化的，用来在退火步骤过程中控制所述条的温度。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括提供一种装置，所述装置适于产生具有图案的激光束，所述图案在平行于片材边缘的方向上是细长的，并且所述处理边缘的步骤包括使激光束定向到边缘上。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述退火步骤包括通过随时间改变热源的气体和空气的质量流速，从而控制边缘的冷却时间。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述退火步骤包括通过随时间改变热源与边缘的距离，从而控制边缘的冷却时间。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加热、升温、处理边缘和退火步骤将沿至少一个边缘的应力减小到约低于3000psi。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述至少一个边缘的残余应力减小到约低于1000psi。

16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述退火步骤包括在足够的温度下，对片材的边缘中的多个边缘进行退火足够的时间，从而使所述多个边缘同时退火。

17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述用热学加热源处理边缘的步骤包括用激光束对边缘进行处理。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述片材限定出一个平面，并且所述处理边缘的步骤包括在片材的50％厚度内将边缘保持在面内。

19.一种用来对脆性片材如玻璃片和陶瓷片的边缘进行精整的热边缘精整方法，所述方法包括以下步骤：

通过对边缘进行预热，同时使得边缘内侧的一个区域的温度高于边缘的温度，从而沿边缘对片材进行热拉张；以及

将边缘激光精整成不尖锐的形状。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法包括在对边缘进行激光精整之后，控制内侧区域和边缘的温度，以减小边缘精整引发的应力。

21.一种用来对包括边缘的片材如玻璃片和陶瓷片进行热精整的设备，所述设备包括：

第一热源，其用来对片材的边缘进行加热，包括加热材料条，所述条沿着所述边缘延伸，但是位于边缘之内；

第二热源，其用来使得所述条的温度相对于边缘处的温度升高；

热学加热源如激光装置，其设计用来提供适于对边缘进行圆化和精整的激光束；以及

第三热源，其用来对边缘和材料条进行退火，以减少用热学加热源进行边缘精整的过程中产生的应力。

22.如权利要求21所述的设备，其特征在于，所述设备包括用于支承片材的支架，所述支架和第三热源中的至少一个可朝着使它们互相靠近和互相远离的方向进行调节。

23.如权利要求21所述的设备，其特征在于，所述设备包括控制器，所述控制器与所述激光装置和第三热源可操控地连接，用来控制所述激光装置和第三热源。

24.如权利要求23所述的设备，其特征在于，所述第三热源是可调节的，用来改变与所述玻璃之间的距离，并且所述控制器控制该距离。

25.如权利要求23所述的设备，其特征在于，所述第三热源是可调节的，用来改变所提供的热量，并且所述控制器控制该热量。

26.如权利要求23所述的设备，其特征在于，所述热学加热源包括激光装置。

Images