CN105143122A - 玻璃物体的锐缘的钝化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及玻璃物体的加工方法，特别涉及玻璃物体的锐缘的钝化方法。一种方法包括用聚焦激光束来处理玻璃边缘，同时相对移动玻璃物体和/或光束，对玻璃边缘进行的所述处理用呈环形截面的激光束来实施，在此期间，用激光束将玻璃边缘加热到大于玻璃化转变温度的温度，即T>Tg。由于在边缘附近区域中提供热应力，该方法能够在这些区域中产生所需形状和尺寸的回火玻璃部，这样引起在脆性断裂处的玻璃上形成带有圆化或钝化端的倒角。

Description

玻璃物体的锐缘的钝化方法

技术领域

本发明涉及玻璃物体的加工方法，特别涉及玻璃物体的锐缘的钝化方法。本发明可用于涉及钝化边缘的玻璃加工的各种工业中。

背景技术

加工玻璃边缘的传统机械方法和化学方法可能在玻璃板中产生微裂，特别是可能在玻璃边缘处产生微裂，从而使玻璃的强度降低一个数量级。

一种替代性的加工方法是激光倒角。激光的特征在于单色光的相干长度大。激光被用于很多工业和医药应用。激光的重要技术应用包括例如光谱学、激光测距，且激光还用于金属、陶瓷和玻璃的精密切割和焊接加工。

WO03015976A1公开了一种玻璃基质的边缘的倒角方法，该方法包括：用第一聚焦激光束依次处理玻璃边缘，该第一聚焦激光束具有低热能密度、具有相对于玻璃边缘定位成一角度的椭圆形热斑，其中当玻璃基质沿进给方向移动时，在对玻璃基质在边缘附近的部分进行预热之后，第一激光斑对边缘进行熔化和倒角，然后由第二激光束对基质进行加热，第二激光束的热斑的形状是沿玻璃介质的移动方向伸长的椭圆形。从而在不产生小裂纹的情况下减轻残余应力。但是，该方法难于实践，且在这样短的时间内不可能进行玻璃的“回火”(即消除由熔化玻璃而产生的热应力)。

最相关的现有技术是文献RU2163226C1教示的物体锐缘的钝化方法，该方法包括通过一束光束的一部分或通过两束分离的光束之一来将边缘的至少一个表面加热到不超过该材料熔点的温度，并通过该光束的另一部分或通过第二束单独的光束来加热物体边缘的另一表面。用于加热的激光束在材料表面上呈椭圆的截面形状。该方法的缺点包括：可能的残余热应力引起的强度减小，和在进行分离时可能脱落材料碎片(chip)，以及由于每个处理斑中功率密度分布不同(均匀分布仅在理论上存在)而导致该过程的可控性低。

发明内容

本发明的目的是提供一种玻璃物体锐缘的钝化方法，该方法确保更好的产品质量、增加玻璃物体的加工速度，同时提供具有最小的需求尺寸的倒角(该尺寸在整个处理长度上恒定)，并增加产品的强度。

该目的是通过根据本发明的玻璃物体锐缘的钝化方法来实现，该方法包括用呈环形截面的聚焦激光束来处理玻璃边缘，同时相对移动玻璃物体和/或光束，所述处理包括用激光束将玻璃边缘加热到大于玻璃化转变温度的温度，即T>Tg。

此处的“环形截面的光束”指的是由共轴透镜产生的光束，该共轴透镜将实心截面的光束转化为呈环形截面的光束。一种示例性的光束转化器是由两个镜椎体(即外椎体和内椎体，称为“轴棱镜”)构成的组件。

玻璃化转变温度Tg是聚合材料的基本性质之一。在温度低于玻璃化转变温度时，聚合材料处于更加硬且脆的状态；当超过该温度时，材料大致间歇地转化成塑性状态。为此，材料的热膨胀系数也会明显增加。由于材料的散布性质(传播性质，spreadcharacteristic)以及各种技术的应用，很难精确地确定玻璃化转变温度。对于大多数工业玻璃，Tg在400℃-600℃的范围内。

在本发明中，激光束的环形截面是对玻璃物体进行倒角的决定因素，其防止玻璃表面的损坏和碎片化。最重要的是，由于在边缘附近区域中的热应力，该激光束在这些区域中产生所需形状和尺寸的回火玻璃区域，从而能够在玻璃上在脆性断裂处形成带有圆化或钝化端的倒角。

根据本发明的方法允许在边缘附近区域中产生带有热应力的硬化玻璃部，热应力的量级和方向能够在玻璃上在脆性断裂处形成带有圆化端的倒角。

在以大于玻璃化转变温度进行加热从而在玻璃物体的锐缘上产生硬化部时，会脱落碎片并影响质量。这就是为什么根据本发明的呈环形截面的光束要在边缘附近区域中产生硬化部分，而使碎片的尖端保留更多的弹性，因此碎片在整个过程期间保持其完整性。从而保留和保持了倒角的预定几何形状。

优选地，激光束被引导为，使其轴线与一平面成20°-70°的角度，该平面是面向激光束的玻璃表面的延续。若超过下限则大部分(多达70％)的光束将会被反射，且无法实现碎片化和倒角的条件，而高于上限时则会形成凹槽而非倒角。

优选地，所述角度处于与玻璃物体和/或光束的移动矢量相垂直的平面中。

激光束的轴线还可被引导为，与垂直于玻璃物体和/或光束的移动矢量的平面成0°-30°的角度。

优选地，该处理是用沿所述玻璃物体和/或光束的移动方向伸长的环形激光束来实施的，从而产生呈伸长环形的热斑。这确保了以最佳功率密度(P，瓦特/平方毫米)将更大量的热能(W，瓦特)引入材料中的附加效果，从而增加加工效率。

用激光束进行的处理优选包括以碎片的形式去除玻璃材料，从而对玻璃边缘进行倒角，而倒角的尺寸由热斑的短轴、热斑处辐射功率密度W(瓦特/平方厘米)、以及暴露时间τ(s)限定。

在对物体边缘进行处理之后，可以向加热区供应冷却剂。

根据以下参照附图对多个优选实施例的描述，将会显现本发明的其它优点和特征。

附图说明

下文将参照附图根据本发明的示例性实施例来更详细地描述本发明，在附图中：

图1是示出用激光束对玻璃边缘进行处理、以及将光束的方向限定到玻璃表面的平面的示意图；

图2是示出根据本发明进行处理的玻璃边缘中发生的现象的剖视图；

图3示出根据本发明进行处理时在玻璃上产生的倒角的剖面形状；

图4示出根据本发明进行处理的玻璃中发生的热应力；

图5以对比图示出不同形状的热斑处发生的热分裂(thermalcleavage)的性质；

图6示出用于产生椭圆截面形状的激光束的多个透镜的设置；

图7示出用于产生呈不同环径的环形截面形状的激光束的内镜椎体和外镜椎体的可选位置；以及

图8示出柱形透镜的示例性设置。

具体实施方式

根据本发明(见图1)，一种玻璃物体的锐缘的钝化方法包括：用呈环形截面的聚焦的激光束2处理玻璃物体1的边缘，同时相对移动玻璃物体和/或光束。用激光束进行的处理包括将玻璃边缘4加热到大于玻璃转化温度的温度，即T>Tg。这样引起玻璃材料以碎片3的形式从玻璃物体1的边缘4去除，从而形成倒角。

另外如图1中所示，在一个实施例中，激光束2(其热斑优选呈环形椭圆)以相对于平面3呈一定角度地被引导至待倒角的玻璃1的边缘处，平面3是玻璃1的面向激光束2的表面的延续。在正常情况下，激光束优选以恒定速度和恒定焦距以直线沿着玻璃1的边缘移动。但是，当具有例如带有圆角的形状的玻璃物体在进行处理时，激光束能够以不同速度和改变的热斑尺寸在角部区域中移动，从而维持稳定的加热条件。

在所示的实施例中，热斑的环形椭圆(图1中示意性示出)的长轴为11mm且短轴为3mm。在该实施例中，激光束以45°的角度被引导至玻璃边缘处。

为提供环形椭圆的热斑，使用了图6中示意性示出的透镜系统，该透镜系统具体由两个镜椎体组成：内锥体5(称为“轴棱镜”)以及截头的外锥体6。

图7示出作为轴棱镜6相对于外锥体5的位置的函数而变化的产生的环形光束的直径。例如在图6示出的实施例中，如果这些锥体的顶点在同一平面中(即它们之间的距离为0mm)，则从锥体6发出的环形光束的截面的外径将会是8mm。相应地，如果距离为2mm，则直径为12mm，而距离为4mm则直径为16mm。该系统还可以包括一对柱形透镜8，其中一个柱形透镜在一个平面中压缩环形光束，而另一个透镜在另一个平面中压缩环形光束，从而改变环形椭圆的轴线尺寸。图8示出柱形透镜8的相互旋转(改变角度α)对热斑的形状的改变。所示的系统还包括：源探测器9、轴棱镜探测器10、以及焦点探测器11。

使用带有透镜系统(将实心截面的光束转化为呈环形截面的光束的共轴圆锥透镜、以及将环形拉伸为椭圆的柱状透镜)的系统同时提供了呈环形且沿玻璃物体和/或光束的移动方向伸长的激光束。然而，本领域技术人员应认识到，将激光束转化为椭圆形和环形的光学系统的其它实施例也是可行的。

正如所述，大多数商业玻璃的玻璃化转变温度Tg在400℃-600℃的范围内。根据本发明，加热优选提供650℃-680℃的温度，随后用液/气混合物来冷却。

在对表面进行更强烈的加热时，可能发生蒸发(材料的升华)；因此可接受的范围是：高于玻璃化转变温度且低于蒸发温度。

下文将会描述在玻璃边缘处产生倒角的示例性实施例。

用Synradfirestarf100W激光器(可从Synrad获得)来实施测试，该激光功率W＝100瓦特；激光束的移动速度V＝0.6m/min–0.9m/min；产生的热斑的形状为环形椭圆，尺寸为S＝3x11mm(热斑的尺寸是作为激光功率的函数；在功率较高时热斑可沿长轴增大)。

激光束(其热斑是长轴为11mm且短轴为3mm的环形椭圆)以45°的角度被引导至待倒角的玻璃边缘上(或以45+30°到45-15°的其它角度来引导)，并且以恒定速度和恒定焦距沿着直线移动。

在用激光束2来加热玻璃1的表面时，由于玻璃对于激光束是不透明的，所以激光能量被吸收在薄表面层中。因此，激光能量通过热传导进一步传递到材料的深处。

在这种情况下，当拉伸应力超过玻璃强度时，一窄条玻璃从玻璃边缘分离，即从边缘去除碎片而形成倒角。激光对玻璃表面的局部效果允许玻璃材料在暴露区域中熔化且使玻璃边缘圆化，而不会同时熔化其余的玻璃材料，否则其余玻璃材料的熔化会引起进行处理的边缘附近的玻璃的变形。

暴露在激光辐射下的玻璃表面的加热程度取决于以下因素：激光辐射的功率和功率密度w(瓦特/平方厘米)、激光束和/或玻璃的相对移动的速度、暴露时间τ(s)、以及从玻璃表面到玻璃深处的散热速度(这由玻璃的热传导因素限定)。这些相同的性质还确定倒角尺寸，倒角尺寸还由热斑椭圆的短轴的尺寸来设定。倒角尺寸可以在百分之几毫米到几毫米的范围内。而且，倒角相对于玻璃表面的倾斜角度可以变化，该倾斜角度取决于激光束的轴线是以怎样的角度被引导至进行处理的玻璃表面。

图2示意性地示出用根据本发明的环形激光束进行处理的过程中，在边缘中发生的过程。

如该图所示，加热在玻璃边缘4的邻近的区域12中造成了一些膨胀玻璃部，这些膨胀玻璃部之间形成硬化玻璃部13。在这样的情况下，以下的应力作用在微裂圆化点14处：弯折力矩M、弯折导致的热应力G_из、和冷却导致的热应力Gr。玻璃材料沿着微裂轨迹15分离。

图3示出得益于本方法产生的具有圆化边缘的倒角的截面视图。

图4示意性地示出在表面吸收处用激光束处理的玻璃中出现的热应力。为简化起见，所示的激光束2被引导为垂直于玻璃1的受热区域的基本片段(elementalfragment)。在玻璃中出现以下热应力：

Gr–径向热应力16，在光束离开加热区域且该区域被冷却时出现；径向热应力引起在“硬化部分”/大块玻璃(glassbulk)界面处的脆性断裂过程的发展以及裂纹的形成；

Gt–切向热应力17，切向热应力的方向沿着裂纹扩展线；因为这些热应力会使分离表面的边缘的质量降级，所以必须减小其影响；

Gz–共轴热应力18，共轴热应力通常不影响脆性断裂过程且可以忽略。

锐缘的倒角条件是：

T_H＞T_g＞T_Δ

G_t＞G_str

其中：

T_H–热斑区域中的玻璃的温度

T_Δ–极限热阻

T_g–玻璃化转变温度

G_t–玻璃中生成的热应力

G_str–玻璃的极限拉伸强度；

T_g和T_Δ是给定类型玻璃的性质，该性质可从参考书中获得；

T_Δ可以由公式计算而得：

T_Δ＝G_str·(1-γ)/α·E

其中：

α–极限拉伸强度

γ–热膨胀因数

E–杨氏模量。

为了提供稳定且有质量的(qualitative)倒角过程，有必要确保以下条件：

G_t/G_str>l(1)。

这样的条件可以通过指定该过程所需的以下基本性质来实现：

热斑中的功率密度，瓦特/平方毫米；

激光束暴露时间dr(mm)/v(mm/sec)；

热斑的形状；

冷却剂流的强度、温度和方向。

对于条件(1)的分析得出这样的结论：r²·dT/dr必须增加，即来自切割轴线的温度必须增加(因为dT/dr>0)。

图5中示出的对比图证明了环形是提供热分裂的热斑的最佳形状，且椭圆形是优选的形状。

本方法的测试得到以下结论：

1、通过将激光功率增加到100-400瓦特并根据经济效率设定倒角的最小需求尺寸(倒角越小，处理越快)，可以获得具有商业价值的处理速度(上至若干m/min)。

2、在热斑沿着玻璃端部精确移动时，遵守(observe)充分稳定的处理过程。在这样的情况下，倒角尺寸在整个处理长度中是恒定的。

3、由于激光切割，玻璃端部进行高质量倒角。

4、本方法可以用于在淬火之前处理玻璃(尤其对于厚度大于6mm的玻璃板)，可以用于轮廓加工从而在不进行研磨和抛光的情况下提高边缘质量，且因此使玻璃物体(包括显示器玻璃)的强度增加不少于30％。

优选地，激光束被引导为，其轴线与一平面成20°-70°的角度，该平面是面向激光束的玻璃表面的延续。

该角度优选设置在垂直于玻璃物体和/或光束的所述移动矢量的平面中。然而，激光束的轴线可以被引导为，与垂直于玻璃物体和/或光束的移动矢量的平面成0°-30°的角度。

根据本发明，该处理最优选用沿玻璃物体和/或光束的移动方向伸长的环形激光束来实施，从而得到呈伸长环形(例如伸长椭圆形)的热斑，这样可以增强倒角过程的效率。应该能够使椭圆光束相对于移动方向进行旋转。

倒角尺寸由热斑的短轴尺寸、在热斑w(瓦特/平方厘米)中的功率密度以及暴露时间τ(s)来确定。

在对物体边缘进行加工后，优选将冷却剂供给到加热区域中，从而局部冷却加热区域。

本领域技术人员应认识到本发明并不局限于上述实施例，且在下文所述的权利要求的范围内可以做出各种改型。说明书中所述的显著特征以及其它显著特征也可视情况而彼此分离地使用。

Claims (7)

1.一种玻璃物体的锐缘的钝化方法，包括用聚焦激光束来处理玻璃边缘，同时相对移动所述玻璃物体和/或光束，其中对玻璃边缘的所述处理是用呈环形截面的激光束来实施，且所述处理包括用所述激光束将玻璃边缘加热到大于玻璃化转变温度的温度，即T>Tg。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述激光束被引导为，使其轴线设置成与一平面成20°-70°的角度，所述平面是面向所述激光束的玻璃表面的延续。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述角度处于与所述玻璃物体和/或光束的移动矢量相垂直的平面中。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述激光束的轴线被引导为，与垂直于所述玻璃物体和/或光束的移动矢量的平面成0°-30°的角度。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述处理采用沿所述玻璃物体和/或光束的移动方向伸长的环形激光束来实施，从而产生呈伸长环形的热斑。

6.根据权利要求1或5所述的方法，其中，用激光束进行的所述处理包括以碎片形式去除玻璃材料，从而对玻璃边缘进行倒角。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述倒角的尺寸由所述热斑的短轴、所述热斑处的辐射功率密度W(瓦特/平方厘米)、以及暴露时间τ(s)限定。