CN102448661B - 在升高温度下的玻璃的激光刻痕 - Google Patents

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Abstract

披露了在升高温度下对各玻璃板(45、112)和玻璃样条(27)的激光刻痕。可通过用激光束(113)加热玻璃表面(114)高至某一范围内的温度而沿意图的刻痕线(31、115)形成均一的通风槽，该温度范围的上限(11)是由维持原始裂纹(111)的传播以形成通风槽所需的应力限定的，而其下限(13)等于或小于玻璃的应变点。在某些实施例中，通过使用由控制器(35)提供的灵活激光功率控制而使激光束(113)作用下的玻璃温度保持在这些界限内，不管玻璃的背景温度为何，所述控制器(35)使激光器(37)产生与玻璃温度梯度相反变化的沿刻痕线(31、115)的激光功率分布。该玻璃温度梯度可例如使用例如红外摄像机的检测器(33)实时地检测到。通过如此地控制激光束功率，可在对表现出显著玻璃温度变化的各玻璃板(45、112)和玻璃样条(27)的刻痕过程中显著增大工艺余量。

Description

在升高温度下的玻璃的激光刻痕
本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求2009年5月27日提交的美国临时申请S/N 61/181,473的优先权益。
技术领域
本公开涉及玻璃板和样条的激光刻痕，尤其涉及其中一部分或全部刻痕线透过处于升高的温度(即高于室温的温度)的玻璃的激光刻痕。
定义
为了易于说明，在后面的说明书和权利要求书中，除了专门指出外，术语“玻璃板”一般用来指示单块玻璃板和玻璃样条两者。
背景技术
玻璃的刻痕通常使用机械刀具来完成。然而，存在使用激光器辐射的替代方案，例如在10.6μm波长下的CO2激光器辐射以加热玻璃并经由温度梯度形成抗拉应力。将激光器用于玻璃刻痕在题为“Method and apparatusfor breaking brittle materials(击碎脆性材料的方法和装置)”的共同转让美国专利No.5,776,220以及题为“Control of median crack depth inlaser scoring(激光刻痕中的中间裂缝深度的控制)”的美国专利No.6,327,875中有记载，这两篇文献全篇地援引包含于此。
如图9所示，在激光刻痕期间，中间裂缝(也称部分通风槽或简称为通风槽)形成在玻璃板112沿刻痕线115的主表面114上。为了形成该通风槽，小型原始裂纹111在玻璃表面的一个边附近形成在该玻璃表面上，该原始裂纹111随后通过跨玻璃表面传播形成为光束113的激光121并随后冷却通过冷却喷嘴119产生的区域而转换成通风孔。用激光束对玻璃加热并在这之后立刻用冷却液急冷形成热梯度和相应的应力场，这是原始裂纹传播以形成通风孔的原因。
激光束113和冷却面积(急冷区)之间的关系更详细地示出于图10，其中光束的传播方向和相对于玻璃表面的冷却面积由附图标记17表示。在该附图中，激光束在玻璃表面上的长度是“b”而激光束的尾边缘和冷却面积15的前缘之间的间隔为“L”。
与激光刻痕关联的挑战之一是玻璃板内残留应力的问题。该应力在玻璃板拟用作显示设备的基板的情形下具有尤为明显的问题。许多显示设备，例如TFT-LCD面板和有机发光二极管(OLED)面板，是直接制造在玻璃基板上的。为了提高产率和降低成本，典型的面板制造工艺同时在单个基板或基板的子零件上形成多个面板。在这些工艺的各个阶段，基板沿切割线被机械分割成多个部分。
当玻璃是真空平坦的板时，这种机械分割改变了玻璃内的应力分布，尤其是面内应力分布。更尤其地，由于切割边表现为无推移(traction free)的，因此分割释放了在切割线处的板内残留应力。该应力释放一般导致真空平板形的玻璃子零件中变化，也就是被显示器制造者称为“形变”的现象。
尽管作为应力释放结果的形状变化量一般非常小，然而鉴于现代显示器中使用的像素结构，起因于从较大玻璃板机械分割各面板的形变大到足以导致可观数量的带缺陷(不合格)显示器。因此，形变问题是显示器制造者的重大利害因素，并且关于允许形变的标准可低至2微米或更小。
当执行该机械分割时产生的形变量依赖于玻璃板中的残留应力，较低程度的残留应力产生较小的形变。由于激光刻痕依靠加热玻璃来产生应力场，因此在施加足够热以产生足够应力以取得可再生通风槽和施加尚不那么多的热以大量增加正被刻痕的玻璃板内的残留应力之间存在与生俱来的矛盾。
除了形变问题，残留应力对于当将激光刻痕的玻璃板分割成两个子零件时产生的边缘的质量也是重要的。高程度的残留应力已关联于具有相对低强度和糟糕质量的边缘，例如裂片和微观裂缝。也已发现，在玻璃边缘附近的高残留应力可造成边缘质量的逐步恶化，也就是剥蚀或脱层，该逐步恶化在刻痕后的一段时间出现或可由外部冲击引起。
尽管玻璃的激光刻痕已经是大量研究和研发努力的课题，然而时至今日这些努力仍然局限于在玻璃板处于室温的情形下对单个玻璃板刻痕。此外，玻璃板内的温度分布已变得均一。因此，业内对于具有升高温度和/或不均匀温度分布的玻璃板是否能使用激光器成功刻痕仍然没有答案。事实上，甚至对于当在升高温度下执行刻痕时是应当提高、降低还是保持激光束功率的基本问题，也没有给出答案。
撇开该定性的问题不说，关于当在升高温度下对玻璃板刻痕时应当对室温激光刻痕作出修正的定量信息也不存在。由于升高温度下的激光刻痕在例如从玻璃样条分离单块玻璃板和/或修整分离的各板的边缘(卷边)的场合下是重要的，因此定量信息的缺乏已限制了激光刻痕在例如玻璃板用作显示器领域的基板的玻璃板制造中的使用。
本公开弥补了业内的不足并尤其提供一些易于使用的定量技术以针对任何特定的刻痕速度、刻痕设备(例如激光器波长、激光束尺寸、激光束形状、冷却面积尺寸、冷却面积形状、冷却面积温度、激光束-冷却面积间距等)、玻璃属性(例如厚度、CTE、杨氏模量、化学组成等)以及玻璃温度和温度分布(例如均一、线性、非线性及其组合)的组合选择激光束功率级。
发明内容
披露一种使用激光束(113)沿刻痕线(31、115)对玻璃板(27、45、112)刻痕的方法，其中对于刻痕线(31、115)的至少一部分，玻璃在施加激光束(113)之前处于高于室温的温度下，该方法包括：
(a)沿刻痕线(31、115)平移激光束(113)；以及
(b)与激光束(113)一前一后地在刻痕线(31、115)上平移冷却面积(15)；
其中激光束(113)的加热对玻璃板(27、45、112)中的通风槽的形成作出贡献，并选择激光束(113)的功率以使：
(i)玻璃表面(114)在激光束(113)下的温度低于或等于玻璃的应变点；以及
(ii)激光束的功率满足下列关系：
0.85(α-βTprior(x))≤P(x)≤1.10(α-βTprior(x))
其中x代表沿刻痕线(31、115)的距离，P(x)是沿刻痕线(31、115)的激光束的功率，Tprior(x)是在施加激光束(113)之前沿刻痕线(31、115)以摄氏度表示的玻璃温度，对于x的至少一个值，Tprior(x)＞25℃(例如对于x的至少一个值，Tprior(x)≥60℃)，并且α和β是正的常数。
另外，披露一种沿刻痕线(31、115)对玻璃板(27、45、112)刻痕的装置，该装置包括：
(a)产生激光束(113)的激光器(37)；
(b)检测器(33)，该检测器(33)检测玻璃板(27、45、112)的表面(114)在至少一个位置的温度；以及
(c)操作地连接(39、41)于激光器(37)和检测器(33)的控制器(35)，该控制器(35)基于由检测器(33)测得的玻璃板(27、45、112)的表面(114)在至少一个位置的温度来调整激光束(113)的功率P。
此外，披露一种沿刻痕线(31、115)对玻璃板(27、45、112)刻痕的装置，该装置包括：
(a)产生激光束(113)的激光器(37)；以及
(b)操作地(41)连接于激光器(37)的控制器(35)；
其中：
(i)控制器(35)将刻痕线(31、115)分割成多个区段；以及
(ii)控制器(35)调整激光束(113)的目标(规定)功率以使目标功率对于每个区段是恒定的。
在以上本公开的各方面的概要中使用的附图标记仅仅用于方便读者，而不打算且不应该解释为限制本发明的范围。更一般而言，可以理解，以上的一般描述和以下的详细描述两者仅仅是对本发明的示例性说明，并且它们旨在提供用于理解本发明的本质和特性的概观或框架。
在之后的详细描述中阐述本发明的其它特征和优点，且本领域的技术人员根据该描述将容易地理解部分特征和优点，或者通过实施本文所述的发明而意识到部分特征和优点。所包括的附图用于提供对本发明的进一步理解，且被结合到本说明书中并构成其一部分。要理解，在说明书和附图中揭示的本发明的各个特征可以任何和全部组合形式使用。
借助非限定示例，这些实施例的各个特征可如下面各个方面中描述的那样被组合。
根据第一方面，这里提供一种使用激光束沿刻痕线对玻璃板刻痕的方法，其中对于刻痕线的至少一部分，玻璃在施加激光束之前处于高于室温的温度，该方法包括：
(a)沿刻痕线平移激光束；以及
(b)与激光束一前一后地在刻痕线上平移冷却面积；
其中激光束的加热对玻璃板中的通风槽的形成作出贡献，并选择激光束的功率以使：
(i)在激光束下的玻璃表面的温度低于或等于玻璃的应变点；以及
(ii)该激光束的功率满足下列关系：
0.85(α-βTprior(x))≤P(x)≤1.10(α-βTprior(x))
其中x代表沿刻痕线的距离，P(x)是沿刻痕线的激光束的功率，Tprior(x)是在施加激光束之前沿刻痕线以摄氏度表示的玻璃温度，对于x的至少一个值，Tprior(x)＞25℃，并且α和β是正的常数。
根据第二方面，这里提供方面1的方法，其中激光束的功率满足下列关系：
0.90(α-βTprior(x))≤P(x)≤1.05(α-βTprior(x)).
根据第三方面，这里提供方面1的方法，其中α和β是通过在多个玻璃温度下测量产生可重复刻痕的最低激光功率并将这些测得的激光功率拟合到线性函数而确定的。
根据第四方面，这里提供方面3的方法，其中多个玻璃温度包括室温和高于室温的至少两个温度。
根据第五方面，这里提供方面1的方法，其中Tprior(x)是常数。
根据第六方面，这里提供方面1的方法，其中Tprior(x)是x的线性函数。
根据第七方面，这里提供方面1的方法，其中Tprior(x)是x的非线性函数。
根据第八方面，这里提供方面1的方法，其中：
(i)Tprior(x)是非常数；以及
(ii)玻璃表面在激光束下的温度是基本恒定的。
根据第九方面，这里提供方面1的方法，其中对于所有x，Tprior(x)满足下列关系：
Tstrain-Tprior(x)≥100℃，
其中Tstrain是以摄氏度表示的玻璃应变点。
根据第十方面，这里提供方面1的方法，其中，对于所有x，玻璃表面在激光束下的温度Tbeam(x)满足下列关系：
Tbeam(x)-Tprior(x)≥80℃，
其中Tbeam(x)以摄氏度表示。
根据第十一方面，这里提供方面1的方法，其中：
(i)刻痕线被分成多个区段；
(ii)将平均温度值赋予每个区段；以及
(iii)P(x)在每个区段上被目标化为常数。
根据第十二方面，这里提供方面1的方法，其中：
(i)Tprior(x)是针对x的至少一个值随时间变化而监测的；以及
(ii)对于x的至少一个值的P(x)值是基于Tprior(x)的监测值受到控制的。
根据第十三方面，这里提供一种沿刻痕线对玻璃板刻痕的装置，该装置包括：
(a)产生激光束的激光器；
(b)检测器，该检测器检测玻璃板的表面在至少一个位置的温度；以及
(c)操作地连接于激光器和检测器的控制器，该控制器基于由检测器测得的玻璃板的表面在至少一个位置的温度来调整激光束的功率P。
根据第十四方面，这里提供方面13的装置，其中控制器调整激光束的功率以使其满足下列关系：
0.85(α-βTprior)≤P≤1.10(α-βTprior)
其中Tprior是由检测器在至少一个位置检测到的以摄氏度表示的玻璃温度，而α和β是正的常数。
根据第十五方面，这里提供方面14的装置，其中α和β是通过在多个玻璃温度下测量产生可重复刻痕的最低激光功率并将这些测得的激光功率拟合到线性函数而确定的。
根据第十六方面，这里提供方面15的装置，其中多个玻璃温度包括室温和高于室温的至少两个温度。
根据第十七方面，这里提供方面13的装置，其中：
(i)控制器将刻痕线分成多个区段，
(ii)检测器检测每个区段的至少一个温度；以及
(iii)控制器基于由检测器检测的区段的至少一个温度而针对每个区段调整激光束的目标功率，该目标激光束功率在该区段上是恒定的。
根据第十八方面，这里提供方面17的装置，其中这些区段是等长的。
根据第十九方面，这里提供一种沿刻痕线对玻璃板刻痕的装置，该装置包括：
(a)产生激光束的激光器；以及
(b)操作地连接于激光器的控制器；
其中：
(i)控制器将刻痕线分成多个区段，以及
(ii)控制器调整激光束的目标功率以使目标功率对于每个区段是恒定的。
根据第二十方面，这里提供方面19的装置，其中这些区段是等长的。
根据第二十一方面，这里提供一种生产玻璃板的方法，该方法包括生产玻璃样条，并根据方面1的方法对玻璃样条刻痕。
附图说明
图1是平均激光束功率(垂直轴，瓦特)相对于Tprior值(水平轴，℃)的标绘图。方形数据点是离线试验值并且●数据点是使用熔拉机(FDM)在线获得的。
图2是最大Tbeam值(垂直轴，℃)相对于激光束功率(水平轴，瓦特)的标绘图。这些数据点是建模的值。
图3是最大Tbeam值(垂直轴，℃)相对于Tprior值(水平轴，℃)的标绘图。这些数据点是建模的值。
图4是示出对于均一的背景玻璃温度(亮阴影柱)在激光刻痕过程中玻璃表面温度(垂直轴，任意单位)相对于沿刻痕线的距离(水平轴，任意单位)的图。激光束对玻璃表面温度的作用通过暗阴影柱来表示。在该附图中，激光束作用是恒定的。
图5是示出对于有梯度的背景玻璃温度(亮阴影柱)在激光刻痕过程中玻璃表面温度(垂直轴，任意单位)相对于沿刻痕线的距离(水平轴，任意单位)的图。激光束对玻璃表面温度的作用通过暗阴影柱来表示。在该附图中，激光束作用是恒定的。
图6是示出对于有梯度的背景玻璃温度(亮阴影柱)在激光刻痕过程中玻璃表面温度(垂直轴，任意单位)相对于沿刻痕线的距离(水平轴，任意单位)的图。激光束对玻璃表面温度的作用通过暗阴影柱来表示。在该附图中，激光束作用是基于背景玻璃温度的局部值受到控制的。
图7是示出对于任意背景玻璃温度(亮阴影柱)在激光刻痕过程中玻璃表面温度(垂直轴，任意单位)相对于沿刻痕线的距离(水平轴，任意单位)的图。激光束对玻璃表面温度的作用通过暗阴影柱来表示。在该附图中，激光束作用是基于背景玻璃温度的局部值受到控制的。
图8是示出可用来检测玻璃表面温度并调整激光束功率值的控制系统的示意图。
图9是示出玻璃板的激光束刻痕的示意图。
图10是示出激光束113和关联的冷却面积15之间在玻璃表面处的关系的示意图。
具体实施方式
基于试验研究，已发现玻璃板的温度影响到激光刻痕工艺的基本工艺变量，包括激光束功率、急冷效率和刻痕速度。另外，当玻璃处于升高温度时，其温度分布一般是不均一的并且该分布随时间变化。
具体地说，当玻璃变冷时，尤其因为例如空气在玻璃四周流动的环境因素以及不同的玻璃厚度，例如在通过溢流熔拉工艺生产的玻璃样条的情形下，样条的边缘(卷边)比中央区域(质量区)更厚，玻璃的温度不均匀地下降。源自这些不均一质量分布的温度梯度形成玻璃中的应力图案，该应力图案可以是张力区和压力区的复杂组合，它可随时间变化并当玻璃最后达到室温时最终导致残留应力。
例如，通过溢流熔拉工艺制成的玻璃样条通常是在大约1000℃范围内的温度下形成的，并且该温度在样条到达各玻璃板的刻痕和分离发生的抽拉底部(BOD)前下降大约700℃，例如至300℃。即使从各玻璃板去除卷边部分也牵涉到高于室温问题，不管是就玻璃底部温度而言还是玻璃板上部处于比底部更高温度这一事实而言。
如本领域技术人员所知那样，对激光刻痕起到作用的工艺变量的数目很大，因此暗示修正在室温条件下形成的刻痕工艺以使其用于升高的温度将是前景堪忧的。然而，根据本公开，已发现单个主要变量，尤其是激光束功率，能用来实现从室温刻痕至升高温度刻痕的转变。
此外，用于任何特定玻璃温度的激光束功率的值可容易地从通过激光刻痕设备执行的有限次试验以及拟在升高温度下刻痕的玻璃板的类型来确定。应当注意，试验中使用的设备和玻璃板不需要与升高温度下使用的设备和玻璃板相同，相反应当代表升高温度的设备和玻璃板。另外，试验中使用的刻痕速度应当接近将在升高温度下使用的速度(或多个速度)，例如试验速度应当具有将在升高温度下使用的速度的±20％。
关于刻痕速度，应进一步注意，刻痕工艺的该变量一般由其中拟执行激光刻痕的背景所规定。例如，如果激光刻痕用于从样条分离单块玻璃板的场合，则刻痕必须以与样条宽度以及各玻璃板制造的要求速率相容的速率执行。对于这种场合，刻痕速率可例如在750毫米/秒的数量级上。根据应付由升高的玻璃温度带来的挑战，刻痕速度是基本固定的参数并因此在应对这些挑战时只能微小地修正，如果全然如此的话。
令人惊异地，已发现单单对激光束功率的修正能用来实时地提供玻璃板在升高温度下的成功激光刻痕。大体地，已发现对于升高温度刻痕应当增加冷却液流速，然而一旦这样做，该冷却液流速将保持恒定并且无需将其作为控制变量。应当注意，尽管在优选实施例中，激光束功率被用作单独的修正变量，然而例如激光束长度(比如图10中的“b”)、激光束形状(例如截短的相对于非截短的)、冷却液流速、冷却面积和/或激光束-冷却面积距离(比如图10中的“L”)之类的其它变量可与激光束功率结合地使用，如果需要的话。从另一方面看来，除了激光束功率，基于刻痕速度的组合效果的激光束停留时间、激光束长度以及激光束形状可用来获得升高温度下的成功刻痕，但激光束功率仍然是优选的可修正变量。
就例如为了适应随刻痕线长度变化的玻璃板温度而对激光刻痕工艺的实时调整而言，激光束功率的优势在于，易于通过电子方式改变并且其响应时间短于其它可用工艺变量(例如冷却液流速)。即使其具有较快的响应时间，但对于沿刻痕线的可获得空间分辨率方面仍然存在限制。然而，在实践中，已发现能通过将刻痕线分成多个区段并在每个区段上保持目标激光束功率恒定而获得在升高温度下成功的刻痕。区段长度可以是恒定的或在刻痕线长度上改变，例如在沿刻痕线的温度分布最迅速地改变的位置(例如在玻璃样条的卷边附近)，区段长度可以较短，而在温度分布更缓慢改变的位置(例如在横跨样条的质量部分的位置)，区段长度可以较长。
通过该区段化方法，通过对区段长度设定下限，能容易地适应激光器的响应时间，所述下限确保激光束功率能在例如区段的最先10％之内到达其目标(规定的)值。除了适应激光器的响应时间外，该区段化方法也简化了用于控制激光器输出的电路。
就调整激光束功率而言，已发现可通过在施加激光束前基于玻璃温度Tprior(x)沿刻痕线的长度“x”调整功率P(x)以使功率满足下列关系而实现在升高温度下对玻璃板的成功刻痕：
0.85(α-βTprior(x))≤P(x)≤1.10(α-βTprior(x))    等式(1)
其中α和β是正的常数。在某些实施例中，功率满足下列关系：
0.90(α-βTprior(x))≤P(x)≤1.05(α-βTprior(x))    等式(2)
除了满足等式(1)和/或等式(2)，激光束功率需要保持低于在激光束作用下的玻璃表面温度将上升至高于玻璃的应变点的水平(例如在康宁公司的Eagle XGTM玻璃的情形下为666℃)。如此，可防止玻璃表面过热。这种过热是不理想的，由于它可能烧蚀玻璃并在边缘附近产生高残留应力，这会导致较低的边缘强度、边缘缺陷的形成以及增加的边缘波纹和粗糙度。
优选地，α和β是使用在执行实际激光刻痕时将被使用的刻痕设备、刻痕速度以及于之对应的玻璃通过试验预先确定的。然而，如果需要的话，可为此目的使用模型，该模型要么单独使用要么与试验研究结合地使用。作为又一种选择，α和β可基于激光刻痕设备和/或被刻痕的玻璃有关的之前经验。要注意，下面阐述的包括等式(1)或等式(2)的权利要求旨在覆盖满足这些等式的升高温度下的激光刻痕，不管所采用的激光功率级是使用α值还是β值选择的。也就是说，这些权利要求旨在覆盖满足这些等式的升高温度下的激光刻痕，无论α和β值是在刻痕之前确定的还是在刻痕之后确定的。
图1示出用于确定α和β值的试验方法。在该图中，水平轴标绘以摄氏度为单位的Tprior，而垂直轴标绘以瓦特为单位的激光束功率。方形数据点表示在刻痕前温度为20、205、270和315℃的各玻璃板上执行的实验室激光刻痕试验的结果。对于每个这些温度，产生可重复刻痕的最低激光功率是用试验确定的，并且这些功率(分别为590、450、405和345瓦)沿图1的垂直轴标绘出。然后通过对该数据拟合一直线(例如图1中的虚线)来确定609.4瓦的α值和0.8瓦/℃的β值。
等式(1)、(2)在预测对Tprior的任何特定值应用的激光束功率中的有效性已使用商用规模溢流熔拉机(FDM)从试验得到确认。激光刻痕系统被安装在机器上并用来从玻璃样条上分离各玻璃板。激光刻痕系统和正被刻痕的玻璃(康宁公司的0.7mm Eagle XGTM玻璃)对应于图1的实验室试验所使用的那些东西。FDM测试中采用的刻痕速度(750mm/秒)与实验室试验中使用的速度相同。在刻痕线的位置，通过FDM制造的玻璃样条具有在300℃和320℃之间的温度。在等式(1)中使用这些温度和前面的α、β值得出：
314瓦≤P(x)≤406瓦对于Tprior＝300℃以及    等式(3)
300瓦≤P(x)≤389瓦对于Tprior＝320℃，而等式(2)给出：
332瓦≤P(x)≤388瓦对于Tprior＝300℃以及    等式(4)
318瓦≤P(x)≤371瓦对于Tprior＝320℃.
图1中的●数据点(见方框21)表示可发现在抽拉底部(BOD)产生可靠刻痕的代表性激光束功率。方框21的中心对应于350瓦的功率和310℃的温度。该数据与等式(3)、(4)范围的比较示出等式(1)、(2)在针对升高的Tprio值识别激光束功率级中的有效性。
执行又一些试验，其中激光刻痕用来修整各玻璃板从通过FDM产生的样条分离而形成的边缘(卷边)。对于这些测试的玻璃温度低于样条分离测试的温度，但仍然很高地保持高于室温。例如，在从样条分离各玻璃板的过程中的典型温度范围是300-400℃，然而对于卷边修整，各玻璃板一般具有在60-140℃范围内的温度。另外，在卷边修整过程中，温度沿刻痕线从各玻璃板的顶部至底部一般表现出50-100℃的温差。除了该温差，卷边区域也已知表现出因该区域内玻璃的不均一厚度造成的相当高水平的残留应力。这些高水平的残留应力使刻痕工艺变得进一步复杂。虽然如此，等式(1)、(2)再一次被发现精确地预测在修整工序中可靠地工作的激光束功率。
总地来说，该试验工作展现出，在从样条分离各玻璃板和从各玻璃板修整卷边时，等式(1)、(2)精确地概括了导致具有高产率的一致高速激光刻痕、良好的边缘质量以及低残留应力的光束功率级。
如上面提到的，建模是用于确定α和β值的又一方法。概括地说，在激光刻痕工艺中在激光束作用下的玻璃温度(Tbeam)可被定义为背景(本征)玻璃温度(Tprior)与因暴露于激光束诱发的玻璃温度变化(ΔTlaser)之和：
Tbeam＝Tprior+ΔTlaser.
Tprior取决于玻璃环境的温度、玻璃板成形温度、玻璃板成形后的时间、冷却速度及其效率、玻璃冷却的均匀性以及玻璃板厚度，而ΔTlaser取决于激光束功率密度、光束模式分布、光束停留时间(即光束大小和刻痕速度的组合)以及内部玻璃特性，包括在激光波长下的光吸收和玻璃表面的反射率。为了实现刻痕，激光束需要使Tbeam上升至将在玻璃内产生充分应力的值(Tbeam最小值)以维持原始裂纹的传播以形成通风槽，其中应力是由光束产生的热和接下来的急冷的后果。最小应力水平取决于急冷效率和玻璃的特性，即其在高温下的热膨胀系数和弹性模量。玻璃和激光束/冷却液组合之间的相互作用也取决于玻璃的热传导性及其热容量。除了高于Tbeam最小值，Tbeam也需要保持低于玻璃的应变点以避免前面讨论的因过热导致的各种不利效果。
图2示出对这些因子建模的结果，以预测最大Tbeam值(垂直轴，℃)依赖于激光束功率(水平轴，瓦特)的关系。图3示出最大Tbeam值(垂直轴，℃)相对于Tprior值(水平轴，℃)再标绘的建模数据。在图2中，●、“x”、▲、■和◆数据点分别为650、550、450、350和250℃的Tprior值，而在图3中，■、◆、▲、●和*数据点分别为400、300、200、100和0瓦的激光束功率。另外，在图2中，水平虚线13代表玻璃的应变点(例如666℃)而垂直虚线19代表340瓦的激光束功率，即功率级大致等于图1的FDM测试中使用的那些功率级。经建模的数据是使用市面上有售的ANSYS程序(ANSYS公司，Canonsburg，宾夕法尼亚州)获得的，尽管也可根据需要使用其它市面上有售和/或常见软件。
从图2和图3的数据(或类似标绘)可确定工作激光束功率范围(α和β值)。如此做的话，可遵循下列规准：
Tbeam(x)-Tprior(x)≥80℃，
Tstrain-Tprior(x)≥100℃，
其中第一规准确保激光束提供充分能量以引导原始裂纹的传播以沿刻痕线形成通风孔，而第二规准确保可满足第一规准而不超出玻璃的应变点(Tstrain)。
作为使用建模数据以获得α和β值的一个示例，可基于使用与在升高温度下使用的那些对应的玻璃板、刻痕设备和刻痕速度在室温下进行的实验室研究来识别Tbeam最小值。使用该Tbeam最小值以及图2或图3的建模数据，可针对一系列Tprior值标识一系列激光束功率，例如可针对Tbeam最小值和Tstrain之间的中间Tbeam值确定激光束功率。那些激光束功率值可随后相对于相应的Tprior值标绘以形成图1所示类型的标绘数据(在这种情形下是建模的数据)。对该数据的线性拟合则给出等式(1)、(2)中使用的α和β值。
无论如何确定α和β，α、β作为其一部分的升高温度刻痕可视为落在两个主要范畴中的一个范畴内。第一范畴是跨具有很小温差的玻璃板用高但均匀的温度对玻璃刻痕。在相对小宽度的熔拉(例如产生高达Gen 5或6玻璃板)上对玻璃样条刻痕时，典型就是这种情况。第二范畴包括对具有显著温度梯度的玻璃刻痕，这可能发生在较低温度下(例如在卷边去除过程中)，或发生在跨刻痕线具有不均一玻璃温度的大宽度熔拉或特种熔拉的高温下。这两种范畴一般涉及设置激光刻痕工艺的不同方法。
因此，如果背景玻璃温度变化相对小，则刻痕工艺可运作在恒定的激光束功率下。然而，必须选择功率以使其足够高以将玻璃的较冷部分加热至一个点，在该点通过冷却液在玻璃中产生足够的应力以传播原始裂纹以形成通风槽。另一方面，功率不宜过高乃至使玻璃的较热部分过热并因此超出玻璃应变温度。该恒定激光束功率方法对于玻璃温度高达400-500℃和温度梯度不超过100℃的大多数场合来说表现良好。当然，这些特定温度值是示例性的，因为可根据玻璃特性和具体刻痕条件采用不同的值。
图4和图5示出恒定激光束功率范畴的两个示例。在图4中，背景玻璃温度(Tprior)是恒定的，而在图5中，它跨玻璃板的宽度(水平轴)缓慢上升。在图4和图5中，在激光束作用下对于可靠刻痕的最低玻璃温度(Tbeam最小值)由直线11表示，并且玻璃的应变点由直线13表示。如所见那样，对于这两种情形，由垂直柱的暗部分表示的恒定激光束功率取得激光作用下的最高玻璃温度(垂直轴)，该最高玻璃温度落在直线11和13之间并因此适于刻痕。
如果背景玻璃温度梯度过大(例如如果高于100℃)，则恒定激光束功率变得不适宜，并且灵活的激光功率调整对减轻Tprior中的变化来说是重要的。灵活的激光功率可以多种方式实现，图8示出其中一种方式。在图8中，激光器37产生激光121，该激光121撞击玻璃样条27并沿刻痕线31对其刻痕，由此允许各玻璃板45从样条上分离。为了阐述，图8中示出溢流熔拉工艺，要理解拟激光刻痕的玻璃样条(玻璃板)可通过任何玻璃成形工艺来制造。如图8所示，溢流熔拉工艺采用一种在液槽23中盛装熔融玻璃的成形结构(等压槽(isopipe))25。熔融玻璃流出并漫过液槽的顶部并从等压槽的边上流下以在等压槽的根部43形成样条27。拉胚辊29以设定速率将样条从根部拉离，由此确定样条的厚度。
如图8中的直线41示意地表示那样，激光器37操作地连接于例如微处理器的控制器35，该控制器35控制激光束的功率级。如图8中的直线39所示，控制器35也操作地连接于例如IR摄像机的检测器33，该检测器33向控制器提供关于沿刻痕线31的一个或多个位置处的温度的信息。如果需要关于沿整条刻痕线的温度分布的信息，则检测器可跨样条的宽度作扫描或检测器可设计成同时检测来自沿样条宽度的多个位置的温度。
如前所述，灵活的激光功率控制可使用将玻璃样本的宽度，或换句话说将刻痕距离分割成多个区段(1、2、……N)的多个区段来实现。在这种情形下，控制器35将每个区段内的激光束的位置联系于一命令电压，该命令电压负责产生激光放电电流。区段数目N及其长度ΔL(或等同地，它们在时域内的时长)则是基于对命令信号的变化和由玻璃温度分布展现出的温度变化的激光响应速度而选择的变量。
在不需要灵活功率控制的恒定玻璃温度或具有小温度梯度的玻璃的情形下，例如图4和图5的情形，控制器简单地提供在所有区段中具有恒定和相等的功率常数的正常激光器操作。(为便于说明，在图4和图5以及下面讨论的图6和图7中，假设玻璃板的宽度已被分割成21个区段)。
当样本长度上的玻璃温度分布具有显著的温度梯度时，恒定的激光功率可能无法在沿玻璃板的任何位置将玻璃表面温度保持在该工艺窗内，即在图4-7中的直线11、13之间。在这种情形下，控制器35基于与玻璃背景温度有关的信息——例如来自检测器33的信息——改变激光功率。应当注意，来自检测器33的信息在某些情形下可能是不需要的，因为温度分布因为其它原因是已知的，例如因为先前对设备的使用。在这种情形下，可对控制器编程以改变激光功率以补偿已知温度分布，而不需要来自检测器的实时信息。
图6和图7示出使用可变的激光功率来补偿温度分布沿刻痕线的大幅度变化的两个示例。在图6中，玻璃温度线性地上升，但其上升速率足够大从而如果使用恒定激光功率来使分布的最冷部分高于直线11，则最热部分将高于直线13。在这种情形下，控制器随着光束跨刻痕线扫描而降低施加于表面的激光束功率量，由此将激光束作用下的玻璃温度保持在由直线11、13表示的温度之间，并且如图6所示那样是基本恒定的。(注意尽管对于许多场合需要基本恒定的温度，但一般不需要如此，只要温度保持在由直线11、13表示的温度之间即可)
图7示出该激光刻痕工艺拟应用于具有复杂背景玻璃温度分布的玻璃板的一般情形。这些分布对于玻璃样条的水平刻痕是常见的，其中玻璃朝向样条边缘(卷边)更厚并因此温度更高。对于这种类型的分布，控制器35为每个区段提供不同的功率级以使最终温度分布例如是跨样条的宽度基本恒定的。
如从前面描述可以看出的那样，本文披露的方法和装置可用来实现对在具有任意温度的温度范围内和沿刻痕方向的应力梯度的热玻璃的非烧蚀激光刻痕。这些方法和装置可沿意欲的刻痕线获得均一的通风槽成形，并基于由激光束将玻璃表面加热至高达某一范围内的温度，该温度范围的下限是由维持原始裂纹传播以形成通风槽所需的应力定义的，而其上限等于或优选地低于玻璃的应变点。在某些实施例中，通过使用灵活激光功率控制而使激光束作用下的玻璃温度保持在这些界限内，不管玻璃的背景温度为何，所述灵活激光功率控制产生与玻璃温度梯度反比例变化的沿刻痕线的激光功率分布。该梯度可例如使用红外摄像机实时地检测到。如此，在表现出显著玻璃温度变化的玻璃板的刻痕过程中，可显著增大工艺余量。
本领域的技术人员根据上述公开将清楚不背离本发明的范围和精神的各种修改。以下的权利要求旨在覆盖本文阐述的特定实施例以及这些实施例的修改、变型和等价方案。

Claims (20)

1.一种使用激光束沿刻痕线对玻璃板进行刻痕的方法，其中对于刻痕线的至少一部分，玻璃在施加激光束之前处于高于室温的温度，所述方法包括：
(a)沿刻痕线平移激光束；以及
(b)与激光束一前一后地在刻痕线上平移冷却面积，其中随激光束移动来平移冷却面积；
其特征在于，激光束的加热对玻璃板中的通风槽的形成作出贡献，并选择激光束的功率以使：
(i)在激光束作用下的玻璃表面的温度低于或等于玻璃的应变点；以及
(ii)使所述激光束的功率满足下列关系：
0.85(α-βTprior(x))≤P(x)≤1.10(α-βTprior(x))
其中x代表沿刻痕线的距离，P(x)是激光束沿刻痕线的功率，Tprior(x)是在施加激光束之前沿刻痕线以摄氏度表示的玻璃温度，对于x的至少一个值，Tprior(x)>25℃，并且α和β是正的常数。
2.如权利要求1所述的对玻璃板进行刻痕的方法，其特征在于，所述激光束的功率满足下列关系：
0.90(α-βTprior(x))≤P(x)≤1.05(α-βTprior(x))。
3.如权利要求1所述的对玻璃板进行刻痕的方法，其特征在于，α和β是通过在多个玻璃温度下测量产生可重复刻痕的最低激光功率并将这些测得的激光功率拟合到线性函数而确定的。
4.如权利要求3所述的对玻璃板进行刻痕的方法，其特征在于，所述多个玻璃温度包括室温和至少两个高于室温的温度。
5.如权利要求1所述的对玻璃板进行刻痕的方法，其特征在于，Tprior(x)是常数。
6.如权利要求1所述的对玻璃板进行刻痕的方法，其特征在于，Tprior(x)是x的线性函数。
7.如权利要求1所述的对玻璃板进行刻痕的方法，其特征在于，Tprior(x)是x的非线性函数。
8.如权利要求1所述的对玻璃板进行刻痕的方法，其特征在于：
(i)Tprior(x)是非恒定的；以及
(ii)在激光束作用下所述玻璃表面的温度是基本恒定的。
9.如权利要求1所述的对玻璃板进行刻痕的方法，其特征在于，对于所有x，Tprior(x)满足下列关系：
Tstrain-Tprior(x)≥100℃,
其中Tstrain是以摄氏度表示的玻璃应变点。
10.如权利要求1所述的对玻璃板进行刻痕的方法，其特征在于，对于所有x，在激光束作用下的玻璃表面温度Tbeam(x)满足下列关系：
Tbeam(x)-Tprior(x)≥80℃,
其中Tbeam(x)以摄氏度表示。
11.如权利要求1所述的对玻璃板进行刻痕的方法，其特征在于：
(i)将刻痕线分成多个区段；
(ii)将平均温度值赋予每个区段；以及
(iii)在每个区段上将P(x)目标化为常数。
12.如权利要求1所述的对玻璃板进行刻痕的方法，其特征在于：
(i)Tprior(x)是针对x的至少一个值随时间变化而监测的；以及
(ii)对于x的至少一个值的P(x)值是基于Tprior(x)的监测值受到控制的。
13.一种沿刻痕线对玻璃板进行刻痕的装置，包括：
(a)产生激光束的激光器；
(b)检测器，所述检测器检测玻璃板的表面在至少一个位置的温度；以及
(c)操作地连接于所述激光器和所述检测器的控制器，所述控制器基于由所述检测器在所述至少一个位置测得的玻璃板的表面的温度调整激光束的功率P，
其特征在于，所述控制器调整激光束的功率以使其满足下列关系：
0.85(α-βTprior)≤P≤1.10(α-βTprior)
其中Tprior是由检测器在所述至少一个位置测得的以摄氏度表示的玻璃温度，而α和β是正的常数。
14.如权利要求13所述的对玻璃板进行刻痕的装置，其特征在于，α和β是通过在多个玻璃温度下测量产生可重复刻痕的最低激光功率并将这些测得的激光功率拟合到线性函数而确定的。
15.如权利要求14所述的对玻璃板进行刻痕的装置，其特征在于，所述多个玻璃温度包括室温和至少两个高于室温的温度。
16.如权利要求13所述的对玻璃板进行刻痕的装置，其特征在于：
(i)所述控制器将刻痕线分成多个区段；
(ii)所述检测器检测每个区段的至少一个温度；以及
(iii)所述控制器基于由检测器测得的区段的至少一个温度而针对每个区段调整激光束的目标功率，该目标激光束功率在所述区段上是恒定的。
17.如权利要求16所述的对玻璃板进行刻痕的装置，其特征在于，所述区段是等长的。
18.如权利要求13所述的对玻璃板进行刻痕的装置，
其中：
(i)所述控制器将刻痕线分成多个区段，以及
(ii)所述控制器调整激光束的目标功率以使目标功率对于每个区段是恒定的。
19.如权利要求18所述的对玻璃板进行刻痕的装置，其特征在于，所述区段是等长的。
20.一种制造玻璃板的对玻璃板进行刻痕的方法，包括：制造玻璃样条，并根据权利要求1所述的方法对所述玻璃样条进行刻痕。
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