CN105271689B - 刻划脆性材料板的方法 - Google Patents

Abstract

一种切割玻璃的方法，当存在高背景应力，不管是热残余应力、外部机械应力还是其组合时，该方法可防止裂纹以不可控方式扩展。所述方法包括使用在位于玻璃表面附近或以薄膜(或高反射性漆)形式沉积在表面上的高反射性或吸收性材料阻挡辐射束，对玻璃边缘进行掩蔽，从而防止自玻璃边缘开始，不可控地引发裂纹并任其扩展。激光刻划的引发点与玻璃边缘相距预定距离。本发明的另一方面体现在将开孔的扩展终止在刻划线的出端。

Description

刻划脆性材料板的方法

本发明专利申请是申请日为2010年2月23日，申请号为201010126438.6，发明名称为“刻划脆性材料板的方法”的发明专利申请的分案申请。

优先权声明

本申请要求2009年2月24日提交的美国申请系列第12/391565号的权益。该文件的内容以及本文提及的出版物、专利和专利文件的完整内容均通过参考并入本文。

技术领域

本文涉及刻划脆性材料板的方法，更具体地，涉及能最大程度减小不可控裂纹扩展的玻璃板刻划方法。

背景技术

刻划玻璃常使用机械工具。或者，也可用激光束，如波长为10.6μm的CO₂激光束。通过激光加热产生热冲击，从而在玻璃中产生瞬时拉伸应力之后，通常要立即迅速冷却玻璃。

在激光刻划过程中产生的中间裂纹(即局部开孔(vent))向玻璃体内部延伸。为产生开孔，在玻璃边缘形成小的初始裂痕(initial flaw)。然后，在激光束的作用下，该初始裂痕转变为开孔并扩展开来。所述初始裂痕可通过不同方法形成。例如，所述裂痕可利用激光脉冲或机械工具如划线器、刻划轮、刻痕器等引入。

用激光束加热玻璃会产生热梯度和相应的应力场，在该应力场作用下形成开孔并扩展。若用冷却剂使受热玻璃快速冷却，诱导的热应力会进一步增加。不过，开孔的扩展会受玻璃中背景应力(例如内应力和在刻划过程中搬运或固持玻璃板时可能施加在板上的应力)的影响。当在刚形成而正在冷却的玻璃上进行激光刻划时，例如当从熔体物质拉出玻璃板后立即进行激光刻划时，所述背景应力会变成重要影响因素。在除去拉制玻璃板时可能形成的球状玻璃板边缘(珠状部)的过程中，尤其如此。举例而言，在玻璃形成过程中产生的厚度差异，以及由此引起的玻璃冷却不均匀和后面集中在珠状边缘区域的应力累积，都可能导致玻璃中产生内应力。此外，在玻璃搬运过程中，用来搬运玻璃的夹具或/和吸杯会导致玻璃板变形(弯折、扭曲)，从而在玻璃上施加应力。若背景应力足够高，可能导致裂纹发生不可控扩展，所述扩展从初始裂痕所在的玻璃板边缘开始，在激光束到达玻璃板边缘时偏离所需的刻划方向。简而言之，激光束引起的热应力可能引发在期望之外的方向上扩展的裂纹。类似地，开孔对指定刻划线的偏离可能发生在刻划线的另一端，激光束在此离开相对玻璃板边缘。

发明内容

在一个实施方式中，描述了刻划脆性材料板的方法，该方法包括：在脆性材料板表面内，在距该脆性材料板第一边缘预定距离的引发点处形成裂痕；在该裂痕上照射电磁辐射束，以在所述引发点处形成开孔裂纹；横移(traverse)所述电磁辐射束，使开孔裂纹向所述脆性材料板的第二边缘扩展，其中在所述横移过程中，开孔裂纹不与第一边缘相交，并在电磁辐射源与脆性材料板表面之间放置掩模，防止电磁辐射束照射在引发点与第一边缘之间的脆性材料板表面。

脆性材料板可以是例如玻璃板、玻璃-陶瓷材料板或陶瓷材料板。在一些情况下，第二边缘可基本上平行于第一边缘。一些玻璃板形成操作可产生玻璃板边缘部分呈球状(珠状边缘部分)的玻璃板。利用本文所披露的内容，可以改进对这种材料板的刻划操作。

横移激光束可包括使开孔裂纹扩展至与脆性材料板第二边缘相距预定距离的终止点，使得在所述横移过程中，开孔裂纹不扩展至第二边缘。例如，通过用合适的掩模掩蔽电磁辐射束，可防止电磁辐射束照射在终止点与第二边缘之间的脆性材料板表面。不过，通过减小电磁辐射束的功率，可以防止开孔裂纹在终止点与脆性材料板第二边缘之间扩展。为进一步改进刻划操作，在脆性材料板表面上，在靠近横移的电磁辐射束的地方喷射冷却剂，以增大材料板中产生的应力。

较佳的是，对引发点与第一边缘之间的距离加以选择，以防在所述横移过程中，开孔裂纹与第一边缘相交。例如，引发点与第一边缘之间的距离可选为至少1mm，或者至少3mm。第一边缘与引发点之间的距离应当大于掩模在材料板表面上延伸的距离。在一些情况下，可以选择引发点，使它与第一边缘的距离比掩模延伸距离远约0.5mm。较佳的是，掩模与脆性材料板表面之间的距离等于或小于约5mm，如距材料板表面0.5-5mm。不过，掩模也可与脆性材料板表面接触。

在另一个实施方式中，描述了刻划玻璃板的方法，该方法包括：在玻璃板表面内在距脆性材料板第一边缘预定距离的引发点处形成裂痕；在所述引发点处将激光束照射在玻璃板表面上，形成开孔裂纹；横移所述激光束，使开孔裂纹向第二边缘扩展，其中在激光束源与玻璃板表面之间放置第一掩模，防止激光束照射在引发点与第一边缘之间的玻璃板表面。

在下面结合附图所作的解释性而非限制性描述中，本发明将更容易理解，本发明的其他目标、特性、细节和优点也将变得更显而易见。其他所有这样的系统、方法、特征和优点都涵盖在本描述和本发明的范围之内，受所附权利要求的保护。

附图说明

图1是熔合下拉玻璃制造法中所用形成体的透视图和部分横截面图。

图2是从图1所示形成体形成的玻璃带上切割下来的玻璃板的边缘的横截面图。

图3是图2所示玻璃板的正视图，显示了掩蔽第一边缘至引发点的一部分玻璃板的掩模。

图4是图1所示玻璃板沿刻划线的横截面图，显示了在引发点处引发的开孔裂纹的扩展情况。

图5是图2所示玻璃板的正视图，显示了采用两个掩模的情况，其中一个掩模靠近引发点，第二个掩模靠近终止点。

具体实施方式

在以下详细描述中，出于解释而非限制的目的，给出了揭示具体细节的示例性实施方式，以便透彻理解本发明。然而，对于已经了解本发明益处的本领域普通技术人员来说，显而易见的是，本发明可以其他偏离本文所述具体细节的实施方式实施。此外，本文省去了对已知设备、方法和材料的描述，以免干扰对本发明的描述。最后，只要适用，相同的附图标记表示相同的对象。

本文所用术语“刻划线”表示用于产生划痕的所需或指定的路径。

本文所用术语“开孔”或“开孔裂纹”表示脆性材料中向材料表面开放的长裂纹。开孔可垂直于脆性材料表面，也可不垂直于脆性材料表面。

本文所用“脆性材料”是指在失效之前塑性变形很小或没有塑性变形的材料。脆性材料的主要失效方式是断裂。脆性材料包括玻璃、玻璃-陶瓷和陶瓷材料。

从大玻璃板上分离一部分玻璃板通常是先对玻璃板进行刻划。在机械刻划法中，划痕是用机械接触工具形成的，如激光束划线器、碳化物划线器或刻划轮。所得划痕为开孔裂纹在整个玻璃体中扩展提供了起点。

在一个示例性激光刻划法中，用激光沿指定刻划线加热玻璃，在玻璃中产生足够的热应力，从而在初始裂痕处形成开孔裂纹。然后，让激光束在玻璃表面上方横移，开孔裂纹随着横移的激光束产生的应力场，产生划痕。

划痕产生之后，通常沿划痕对材料施加应力。例如，可将玻璃板置于弯折模式，沿划痕在玻璃板上施加拉伸应力。所述应力集中在划痕上(开孔裂纹的顶端)，促使开孔裂纹在玻璃的剩余厚度部分扩展，从而将玻璃分离。

在实际中，玻璃通常包括永久性内应力和瞬时应力，所述永久性内应力在制造过程中就固定(frozen)在玻璃板内，而瞬时应力源自例如在特定刻划过程中支承玻璃板的方式。若这些应力(背景应力)足够高，则玻璃板中形成的气孔裂纹将依据玻璃板中的内应力场产生响应，难以得到沿着指定路径的划痕(也难以实现后续玻璃板分离)。

制造玻璃板的一种方法是熔合下拉法，之所以叫这个名称是因为玻璃流体被分为两股独立的熔融玻璃流，它们在形成体上流过；然后，这两股物流在形成体底部重新接合(即熔合)，产生玻璃板。结合图1可以更清楚地理解这一点，该图显示了一个可用于熔合下拉玻璃制造法中的示例性形成体。

图1显示了形成体20，它包含在侧壁24围成的主体上部形成的通道或槽22，以及在形成体上延伸一段长度后会合于根部28的交会形成表面26a和26b。熔融玻璃30被引入槽22后，在形成体两侧从侧壁24上溢流，产生两股独立的熔融玻璃流，所述熔融玻璃流向下流过形成体。这两股熔融玻璃流从交会形成表面26a和26b上流过，会合于根部28。这两股物流在根部重新融合(即熔合)，在根部产生单股物流，自根部向下流动，形成原始(pristine)玻璃带32。与形成体表面(例如交会形成表面)接触的熔融玻璃处于所得玻璃带的内侧部分，而玻璃带的外侧表面未与形成表面接触。

处于下行的玻璃带内的表面张力会导致玻璃带沿玻璃带宽度方向收缩(玻璃带变窄)，玻璃带边缘的厚度增加，变成球状(借助图2可看得更清楚，该图显示了玻璃带沿带宽方向的边缘横截面图)。辊34在球状边缘部分(或“珠状部”)40处咬住玻璃带，将玻璃带向下拉。用其他的辊(未示出)沿着带宽方向产生与向内的表面张力相反的张力，帮助控制带宽。然后，在根部下方的某个位置刻划(虚线36)玻璃带，沿带宽方向将其分成独立的玻璃板或块38。

在许多情况下，至少出于几个理由，除去分离的玻璃板38的边缘部分40除去。首先，它们不符合商业应用对玻璃板整体厚度的要求。其次，由于牵拉辊从边缘咬住玻璃板，玻璃板边缘处的表面不再是原始的，一般来说不适用于多数应用。

由于玻璃板的珠状边缘部分的厚度大于玻璃板的内侧部分42，所以边缘部分的冷却速率不同于内侧部分的冷却速率。简而言之，沿玻璃板宽度方向产生了温度梯度，所述温度梯度在靠近玻璃板侧面边缘44的地方最大，在玻璃冷却的过程中，此温度梯度会在玻璃中引起应力。此外，为在玻璃上产生更大的咬合力，牵拉辊上可能有齿或凹槽纹，因此，即使是珠状部，其厚度也沿玻璃板长度方向变化，同样会引起内应力。

为了完成玻璃板形成过程，产生商业上可售的玻璃板，可先在平行于珠状部的方向上沿指定刻划线刻划玻璃板，然后沿所得划痕对玻璃板施加弯折力，从而除去珠状部。

如前所述，在刻划玻璃板时，玻璃板内可能存在应力，这会使得在进行玻璃板刻划时难以控制刻划操作所产生的气孔裂纹的扩展方向(即横贯玻璃板的方向)。在靠近玻璃板边缘部分40的地方，这个问题尤其突出。

因此，本文描述了一种方法，它最大程度减小或消除了正在形成的开孔的不可控性(以及开孔裂纹从指定刻划线偏离)。参见图3，它显示了刚从拉制设备(例如形成体20)上取下的玻璃板38。玻璃板38包含“高品质”区42(未接触拉制装置如辊34的玻璃板内侧部分，其中至少有一部分最终将用于最后的产品中)和终止于侧面边缘44的边缘部分40。高品质区42在边缘部分40之间延伸。玻璃板38还包含与侧面边缘44相交的边缘46和48。

在上述熔合板形成方法中，边缘46和48代表从玻璃带分离玻璃板时得到的边缘，所述玻璃带自形成体拉制而成。虚线50代表其走向一般平行于玻璃板38的侧面边缘44的指定刻划线。应当指出，以下描述涉及玻璃板38的珠状边缘部分40之一的除去，但相对的边缘部分可以相同方式除去。

为除去边缘部分40，按照箭头52所示方向，沿刻划线50刻划玻璃板。刻划操作是通过使激光束54(见图4)按方向52沿刻划线50横移来进行的。激光束54优选为拉长的激光束。激光束的形状可以例如通过合适的光学元件(未示出)加以控制。冷却射流56任选紧靠在激光束54后面，也沿方向52横移。冷却射流56可以是任何合适的冷却流体，但通常采用水。冷却射流在玻璃板上因激光束照射玻璃板而受热的部分产生高热应力，已经发现它有助于形成开孔裂纹58。

在玻璃板表面上产生自玻璃板边缘46向内的初始裂痕，而不是像在常规情况中那样在边缘46上产生，以防开孔向后扩展延伸到玻璃板边缘。初始裂痕可以是用划线器、砂轮或在玻璃表面上产生裂痕的其他任何常规方法产生的痕迹(knick)或擦痕。应当指出，在对玻璃板进行激光刻划时，拉长的激光束显得更为有效；激光束的横移通常不是瞬时启动的，其速度必须经历爬升过程。因此，尤其是在生产环境下，若激光被激发后，可在玻璃板以外(偏离玻璃板和玻璃板边缘)的地方产生激光束，以便在激光束照射玻璃之前，有足够的时间提升激光的横移速度，则刻划过程将更加有效。

根据本发明的实施方式，掩模60位于激光束源62(激光62)与玻璃板38之间。掩模60在玻璃板边缘46与初始裂痕所在位置(以后称引发点66)之间的玻璃板38上延伸。掩模60可以是任何合适的反射或吸收材料，基本上可阻止激光束照射到玻璃板在引发点后面距离的显著部分上(相对于激光束54的方向)。也就是说，防止激光束照射在边缘46与掩模60末端之间(掩模在玻璃板上延伸的距离)的玻璃板上。掩模可以是例如不锈钢板。掩模60在玻璃板上自边缘46延伸的距离d₁可在约1mm-约3mm之间。距离d₁应适当选择，使得当激光束在一组特定的刻划条件下横移时，向后扩展的开孔裂纹不与边缘46相交。向后扩展是指开孔裂纹在一般与激光束横移方向相反的方向上扩展。例如，若激光束朝边缘48横移，则开孔裂纹向后扩展将是向着边缘46进行。反之，向前扩展的开孔裂纹一般是顺着激光束横移的方向扩展。例如，若激光束向着边缘48横移，向着边缘48扩展的开孔裂纹就是向前扩展的开孔裂纹。

由于刻划条件可能变化(例如玻璃板温度，玻璃板的搬运和/或定位方式，等等)，所以从一组条件变化到另一组条件，引发点的位置也可发生改变。例如，已经发现，向后扩展通常发生在约0.5mm与3.5mm之间，所以应相应地选择引发点。引发点66应位于与边缘46的距离大于距离d₁的地方。引发点66可以比d₁远约0.5mm。

衍射效应会降低掩模阻挡激光束的效率，为了最大程度减小衍射效应，掩模60优选靠近玻璃板表面68。例如，掩模60与玻璃板38的表面68的距离通常等于或小于约5mm，例如约为0.5mm。在一些实施方式中，掩模60可位于玻璃板38的表面68上，如将掩模材料“涂”在玻璃板上。在一些情况下，掩模材料可用粘合剂附连到表面68上。

为确保向前扩展的开孔裂纹在激光束横移过程中不偏离刻划线50，可采取措施避免有足够的激光束能量射到玻璃板上位于终止点70以外的地方，所述终止点与第二边缘48之间具有有限距离。也就是说，可在玻璃板38与激光62之间和终止点70与玻璃板第二边缘48之间插入第二掩模，防止横移激光束进一步沿玻璃板横移。图5显示了这样一个实施方式，该图显示了第一或起始掩模60a和第二或终止掩模60b。终止点70与第二边缘48之间的距离d₂通常在约1mm至3mm之间。较佳的是，第二掩模60b与表面68之间的距离小于约5mm；若需要，第二掩模60b可附着到玻璃板表面上。

或者，在跨过终止点之后，可减小激光束的功率，以防因加热玻璃板而导致开孔裂纹偏离刻划线；或者可在终止点处或终止点前面调小或关闭冷却射流。

虽然前述方法是就熔合下拉玻璃板形成法展开描述的，但本文所述方法可一般性地用于刻划脆性材料板，如玻璃、玻璃-陶瓷或陶瓷，只要它们处于高应力下，而不管所述材料板是的形成方法。这种高应力可源自温度梯度、物理操作、厚度变化，或者其他任何内生或外加的应力源。例如，根据本文所述方法，所述材料板可包含因弯折材料板而产生的应力。也就是说，材料板可包含非平面形状。

应当强调，上面所述的本发明实施方式，尤其是任何“优选的”实施方式，都仅仅是可能的实施的例子，仅供清楚理解本发明的原理。在基本上不背离本发明的精神和原理的情况下，可对本发明的上述实施方式作出许多变化和改进。所有这样的改进和变化形式都包括在本文和本发明的范围之内，受以下权利要求的保护。

Claims (10)

1.一种刻划脆性材料板的方法，该方法包括：

在脆性材料板的表面内，在距该脆性材料板第一边缘第一预定距离的引发点处形成裂痕；

用电磁辐射束照射所述裂痕，在所述引发点处形成开孔裂纹；

在朝向脆性材料板的第二边缘的方向横移所述电磁辐射束，使所述开孔裂纹向所述脆性材料板的第二边缘向前扩展，其中所述开孔裂纹在所述电磁辐射束的横移过程中不与第一边缘相交，

其中在电磁辐射源与脆性材料板表面之间设置掩模，防止所述电磁辐射束在第二预定距离与所述第一边缘之间照射到所述脆性材料板表面上，其中，选择所述第二预定距离使得在横移时，向后扩展的开孔裂纹不与第一边缘相交。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脆性材料板是玻璃、玻璃-陶瓷或陶瓷。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二边缘基本上平行于所述第一边缘。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脆性材料板是包含球状边缘部分的玻璃板。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述横移包括在朝向脆性材料板的第二边缘的方向使开孔裂纹向前扩展到距所述脆性材料板的第二边缘第三预定距离的终止点，使向前扩展的开孔裂纹在横移过程中不扩展到所述第二边缘。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，通过掩蔽所述电磁辐射束，防止所述电磁辐射束照射到在所述终止点与所述第二边缘之间的脆性材料板表面上。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，通过减小所述电磁辐射束的功率，防止所述开孔裂纹在所述终止点与所述脆性材料板第二边缘之间扩展。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括在所述脆性材料板表面上方，在靠近所述横移的电磁辐射束的位置，横移冷却剂射流。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一预定距离大于所述第二预定距离。

10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述引发点与所述第一边缘之间的第一预定距离至少为1mm。