CN101885114A - 激光切割脆性材料基板的曲线路径切割方法 - Google Patents

Abstract

激光切割脆性材料基板的曲线路径切割方法，包括：在基板上制作初始裂纹作为切割路径，设置采样点；分别获取各采样点处的开裂角θ；获取当前采样点，由当前采样点出的开裂角θ及基板的断裂韧性K_IC，计算当前采样点出的应力强度因子K_Ⅰ、K_Ⅱ；由采样点出的应力强度影子K_Ⅰ、K_Ⅱ求出温度场分布；根据获取的温度场分布，调整热源和冷源参数，使当前采样点产生的温度场与计算获得的温度场一致；判断当前采样点是否最后一个采样点，若否，则获取下一采样点作为当前采样点，转至步骤2。本发明具有能保证裂纹沿预定的切割路径扩展，切割精度高的优点。

Description

激光切割脆性材料基板的曲线路径切割方法

技术领域

本发明属于脆性材料基板的精密切割加工领域。

技术背景

脆性材料，如硅片、石英晶体、工程陶瓷、液晶玻璃等，在现代工业及日常生活中有着非常广泛的应用。由于制造及工艺的缘故，以这些材料制造的元器件往往需要进行切割等二次加工。

对于脆性材料基板，传统的切割加工是用钻石、金刚石或硬金属轮划线，然后用机械的方法折断。采用这种方式切割，在加工过程中易产生碎屑，切口断面比较粗糙，存在微细裂纹，需要进行磨边、清洗等后处理工序，加工过程的机械力还会对元器件造成内在破坏，成为元器件失效的潜在因素。

为克服传统加工的不足，专利CN1454858A、CN101121220A、CN101444875等提到一种激光切割法，基本原理如图1所示。首先在基板上制造出一条初始裂纹(切口)，然后通过激光照射基板，再通过低温源冷却基板，基板上初始裂纹在这种激剧变化的温度场作用下扩展，从而实现切割。

这种切割方法的工作温度远小于基板材料的熔点，具有热影响区小、加工速度快、切割面平整及残余应力低等优点。但是这种切割方式存在一个技术缺陷：即当切割线l不在基板的对称位置或是当切割线l为曲线时，裂纹扩展的路径将偏离激光移动的轨迹，导致不能沿预定的路线实现脆性材料基板的精密切割。

发明内容

为克服现有技术的在切割路径不在基板的对称位置或是当切割路径为曲线时，裂纹扩展路径易偏离激光移动的轨迹，切割精度低的缺点，本发明提供了一种能保证裂纹沿预定的切割路径扩展，切割精度高的激光切割脆性材料基板的曲线路径切割方法。

激光切割脆性材料基板的曲线路径切割方法，包括以下步骤：

1、在基板上制作初始裂纹作为切割路径，根据经验在所述的切割路径上设置采样点；分别获取各采样点处的开裂角θ，所述的开裂角θ为当前扩展方向与下一时刻扩展方向之间所夹的锐角；

2、获取当前采样点，由当前采样点出的开裂角θ及基板的断裂韧性K_IC，计算当前采样点出的应力强度因子K_Ⅰ、K_Ⅱ；计算公式如下：

$\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2}[K_I{\cos }^2\frac{\mathrm{\θ}}{2}-\frac{3K_{\mathrm{II}}}{2}\sin \mathrm{\θ}]=K_{\mathrm{IC}}$ ……公式(1)

$\mathrm{\θ}={\cos }^{-1}\left(\frac{3K_{\mathrm{II}}^2+\sqrt{K_I^4+8K_I^2{K}_{\mathrm{II}}^2}}{K_I^2+9K_{\mathrm{II}}^2}\right)$ ……公式(2)

其中，K_Ⅰ为Ⅰ型裂纹的应力强度因子；

K_Ⅱ为Ⅱ型裂纹的应力强度因子；

3、由采样点出的应力强度影子K_Ⅰ、K_Ⅱ求出温度场分布，计算公式如下；

公式(3)

其中，上标r、a分别表示参考载荷作用和待求载荷；H为材料常数；α为材料的传热系数；Θ^*为温度；为梯度算子；

...表示沿边界积分；∫_V...表示体积积分；u为位移场；a为裂纹前缘长度；

为热权函数，对配置一定的构件，热权函数只与构件的形状有关，与温度场分布及时间无关；

4、根据获取的温度场分布，调整热源和冷源参数，使当前采样点产生的温度场与步骤3计算获得的温度场一致；

5、判断当前采样点是否最后一个采样点，若否，则获取下一采样点作为当前采样点，转至步骤2。

进一步，步骤1中当前扩展方向为切割路径在当前采样点处的切线方向；下一时刻扩展方向为当前采样点与下一采样点所形成的直线方向。

本发明的技术构思是：在切割前，通过计算得到基板上的裂纹沿切割路径l扩展所必须满足的温度场分布规律，然后依照理论计算出的温度场分布调整热源和冷源的配置参数，这样裂纹将沿预定的切割线l扩展，从而实现脆性材料基板的精密切割。

在裂纹扩展路径已知的情况下，则公式错误！未找到引用源。左端的

和已知，而公式错误！未找到引用源。式右端的温度Θ^*和热权函数

未知。这里即是断裂力学中“已知温度场求应力强度因子”的反问题，即由应力强度因子反求温度场。对形如错误！未找到引用源。的变分型积分方程，可通过插值的方法，将其变为线性方程组来求解。这样求出的解有无穷多个，而工程上只需要一组解，此处采用优化的方法获得最佳解。

本发明具有能保证裂纹沿预定的切割路径扩展，切割精度高的优点。

附图说明

图1为开裂角的示意图

图2为以圆弧切割路径为例的示意图

具体实施方式

实施例一

参照图1：

激光切割脆性材料基板的曲线路径切割方法，包括以下步骤：

1、在基板上制作初始裂纹作为切割路径，根据经验在所述的切割路径上设置采样点；分别获取各采样点处的开裂角θ，所述的开裂角θ为当前扩展方向与下一时刻扩展方向之间所夹的锐角；

2、获取当前采样点，由当前采样点出的开裂角θ及基板的断裂韧性K_IC，计算当前采样点出的应力强度因子K_Ⅰ、K_Ⅱ；计算公式如下：

$\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2}[K_I{\cos }^2\frac{\mathrm{\θ}}{2}-\frac{3K_{\mathrm{II}}}{2}\sin \mathrm{\θ}]=K_{\mathrm{IC}}$ ……公式(1)

$\mathrm{\θ}={\cos }^{-1}\left(\frac{3K_{\mathrm{II}}^2+\sqrt{K_I^4+8K_I^2{K}_{\mathrm{II}}^2}}{K_I^2+9K_{\mathrm{II}}^2}\right)$ ……公式(2)

其中，K_Ⅰ为Ⅰ型裂纹的应力强度因子；

K_Ⅱ为Ⅱ型裂纹的应力强度因子；

3、由采样点出的应力强度影子K_Ⅰ、K_Ⅱ求出温度场分布，计算公式如下；

公式(3)

其中，上标r、a分别表示参考载荷作用和待求载荷；H为材料常数；α为材料的传热系数；Θ^*为温度；

为梯度算子；

...表示沿边界积分；∫_V...表示体积积分；u为位移场；a为裂纹前缘长度；

为热权函数，对配置一定的构件，热权函数只与构件的形状有关，与温度场分布及时间无关；

4、根据获取的温度场分布，调整热源和冷源参数，使当前采样点产生的温度场与步骤3计算获得的温度场一致；

5、判断当前采样点是否最后一个采样点，若否，则获取下一采样点作为当前采样点，转至步骤2。

步骤1中当前扩展方向为切割路径在当前采样点处的切线方向；下一时刻扩展方向为当前采样点与下一采样点所形成的直线方向。

本发明的技术构思是：在切割前，通过计算得到基板上的裂纹沿切割路径l扩展所必须满足的温度场分布规律，然后依照理论计算出的温度场分布调整热源和冷源的配置参数，这样裂纹将沿预定的切割线l扩展，从而实现脆性材料基板的精密切割。

在裂纹扩展路径已知的情况下，则公式错误！未找到引用源。左端的

和

已知，而公式错误！未找到引用源。式右端的温度Θ^*和热权函数

未知。这里即是断裂力学中“已知温度场求应力强度因子”的反问题，即由应力强度因子反求温度场。对形如错误！未找到引用源。的变分型积分方程，可通过插值的方法，将其变为线性方程组来求解。这样求出的解有无穷多个，而工程上只需要一组解，此处采用优化的方法获得最佳解。

实施例2

结合图2和实际例子，进一步说明本发明：

本实例通过在普通白玻璃的弧线切割来展示本发明的应用。液晶玻璃的尺寸为100mm×100mm×1.1mm，现在其上切制出一个半径为80mm的圆弧，如图2所示。计算的取样点1、2、3、4、5沿圆弧均匀分布，间隔15°，经实验测定，此种液晶玻璃的断裂韧性K_IC在0.7MPa·(mm)^1/2到0.8MPa·(mm)^1/2之间。

根据脆性材料的最大周向应力理论，曲线切割属于Ⅰ、Ⅱ复合型断裂模态，其断裂判据及开裂角θ预测公式为

$\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2}[K_I{\cos }^2\frac{\mathrm{\θ}}{2}-\frac{3K_{\mathrm{II}}}{2}\sin \mathrm{\θ}]=K_{\mathrm{IC}}$

$\mathrm{\θ}={\cos }^{-1}\left(\frac{3K_{\mathrm{II}}^2+\sqrt{K_I^4+8K_I^2{K}_{\mathrm{II}}^2}}{K_I^2+9K_{\mathrm{II}}^2}\right)$

式中，θ为裂纹的开裂角，K_I为Ⅰ型裂纹的应力强度因子；K_Ⅱ为Ⅱ型裂纹的应力强度因子。

现取θ＝15°，K_IC＝0.75MPa·(mm)^1/2，由式错误！未找到引用源。、错误！未找到引用源。计算得K_Ⅰ＝0.81339622MPa·(mm)^1/2，K_Ⅱ＝0.11093104MPa·(mm)^1/2，K_Ⅰ/K_Ⅱ＝7.33。经分析，如图2所示，激光器的在0点处所需要功率为150W，1点处为250W，3点处功率为500W，4点处功率为200W，5点处功率为130W，6点处功率为100W。采用功率为500W的连续可调CO₂激光器沿轨迹0123456以10mm/s的速度移动，实现了对此弧线的切割。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (2)

1.激光切割脆性材料基板的曲线路径切割方法，包括以下步骤：

1)、在基板上制作初始裂纹作为切割路径，根据经验在所述的切割路径上设置采样点；分别获取各采样点处的开裂角θ，所述的开裂角θ为当前扩展方向与下一时刻扩展方向之间所夹的锐角；

2)、获取当前采样点，由当前采样点出的开裂角θ及基板的断裂韧性K_IC，计算当前采样点出的应力强度因子K_Ⅰ、K_Ⅱ；计算公式如下：

$\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2}[K_I{\cos }^2\frac{\mathrm{\θ}}{2}-\frac{3K_{\mathrm{II}}}{2}\sin \mathrm{\θ}]=K_{\mathrm{IC}}$ ……公式(1)

$\mathrm{\θ}={\cos }^{-1}\left(\frac{3K_{\mathrm{II}}^2+\sqrt{K_I^4+8K_I^2{K}_{\mathrm{II}}^2}}{K_I^2+9K_{\mathrm{II}}^2}\right)$ ……公式(2)

其中，K_Ⅰ为Ⅰ型裂纹的应力强度因子；

K_Ⅱ为Ⅱ型裂纹的应力强度因子；

3)、由采样点出的应力强度影子K_Ⅰ、K_Ⅱ求出温度场分布，计算公式如下；

公式(3)

其中，上标r、a分别表示参考载荷作用和待求载荷；H为材料常数；α为材料的传热系数；Θ^*为温度；

为梯度算子；

...表示沿边界积分；∫_V...表示体积积分；u为位移场；a为裂纹前缘长度；

为热权函数，对配置一定的构件，热权函数只与构件的形状有关，与温度场分布及时间无关；

4)、根据获取的温度场分布，调整热源和冷源参数，使当前采样点产生的温度场与步骤3计算获得的温度场一致；

5)、判断当前采样点是否最后一个采样点，若否，则获取下一采样点作为当前采样点，转至步骤2。

2.如权利要求1所述的激光切割脆性材料基板的曲线路径切割方法，其特征在于：步骤1)中当前扩展方向为切割路径在当前采样点处的切线方向；下一时刻扩展方向为当前采样点与下一采样点所形成的直线方向。

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