CN1181946C - 快速切割脆性材料制成的工件的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过激光束沿着任何所需轮廓的切割线快速切割由脆性材料制成的工件的方法和装置。该方法包括以下步骤：产生激光束；成对引导该激光束聚焦到该切割线上而不熔化该材料；以下种方式成形各激光束，即在将要切割工件的表面上用作焦点的该光束截面与一预定形状和强度分布相对应；在该激光束和该工件之间沿该切割线产生相对运动，并引入热机应力；在加热的切割线部分上喷射流体冷却介质以便其随后冷却并增加热机应张力到高于该材料的破裂强度的一点。

Description

快速切割脆性材料制成的工件的方法和装置
本发明涉及一种通过激光束沿着任何所需轮廓的切割线快速切割工件的方法和装置，该工件由脆性材料制成，特别是由玻璃，玻璃陶瓷或陶瓷制成。优选的应用是快速切割平玻璃。
切割玻璃的传统方法基于使用一金刚石或小的切割轮先在玻璃上产生刻痕，以便玻璃沿以此方式产生的该脆弱线通过施加外部机械力破裂。这种方法的缺点在于该刻痕造成从该表面上分离出颗粒(裂片)，这些颗粒可沉积在玻璃上，例如它们可造成划伤。同样在切口处可形成碎片，从而导致不均匀的玻璃边缘。另外，在刻痕过程中形成的切口内的微小裂纹可导致机械承载能力下降，即增大了破碎的危险。
一种目的在于避免裂片和碎片和微小裂纹的方法是使用热产生应力分离玻璃。在此情况下，指向玻璃的热源以相对于玻璃的固定速率运动，以此方式产生高的热应力使得玻璃形成裂纹。红外辐射器、特种气体喷嘴和特别是激光能满足局部定位热能的热源所需的特性，即与典型切割精度相对应，其精度优于1毫米。由于其好的聚焦性质、好的功率可控性、光束成形及强度分配的可能性，激光已证实成功地并已实现广泛地使用在玻璃上。
这种激光束切割方法已由一些文件公开，其中包括通过聚焦激光束与外部冷却相结合的局部加热产生高于该材料断裂强度的热机应力。
已知于WO 93/20015的方法使用一种具有一拖尾冷却点的椭圆形激光束。这种方法对于非金属板材直线刻痕可实现好的结果，但不能确保沿一曲线轮廓高质量和高精度的刻痕。另外，已知的方法不能在高辐射密度和高切割速率下实现非常稳定的切割剖面。
为优化该材料沿切割线的加热条件，按照WO 96/20062，加热可由一簇加热光束实现，在其通过该簇中心的截面中辐射功率的密度分布成从周边到中心递减。使用椭圆形光束簇，导致温度以椭圆环形式分布。
这些已知方法的缺点可由EP 0 872 303 A2描述的方法避免，其中提供一具有在切割方向上开放的U形和V形轮廓的焦点和一特有的强度分布。当实施直线切割时这种方法在实用上证明是成功的。可以干净地切透厚度大的工件。当实施任意切割时，即切割可能包括曲线轮廓的任何所需的轮廓，需要产生一曲线的U形或V形强度分布，该分布与该切割线的轮廓相匹配并对于其轨迹形状包括其后的冷却。这特别需要将产生焦点的扫描装置和行程控制单元连接，从而产生不可忽视的控制和调整费用。
DE 44 11 037 C2已公开一种用于切割中空玻璃的激光束切割方法，其中采用固定不动的激光束，该激光束集中聚焦以形成一点并围绕该转动的中空玻璃产生一热应力区。接着，采用一喷嘴中喷出的雾化水的水雾沿该应力区进行冷却，该应力区已引入到该真空玻璃的整个外围之上，使得当与一机械或热产生的初始裂纹结合使用时切断该中空玻璃边缘。
DE 43 05 107 A1公开一种激光束切割方法，其中该激光束以下种方式成形，即该激光束的截面在该工件的表面上是细长形状，在该方法中，该切割光束截面的长和宽的比例可通过激光束行程上的光圈来设置。
另外，已知通过多个激光束切割玻璃的方法。
在DE-B 1 244 346中描述的方法中，为产生成形的边缘，在激光切割中，多个激光束施加在同一切口上，单一激光束与该玻璃表面形成不同的角度。相应的美国专利3,453,097描述一种通过以成对方式引导在该切割线上的多个激光束切割玻璃的方法。
出于范围很广的原因，上述第一激光束切割方法证明是高明的方法并在实用中广泛采用。本发明基于此方法。由上述第一方法实现的切割能力和该方法的可使用性特别取决于沿将要切割的工件内的切割线有效地引入热机应力、该激光束在的强度分布以及冷却的类型。对于切割所需要的沿该切割线快速并同时有效地引入热机应力在已知方法中只确保到一不充分的程度。由于热机应力不能有效引入，对于要求更高的切割速度存在着限制。
本发明的目的在于通过激光束沿着任何所需轮廓的预定切割线切割工件的方法和装置，该工件由脆性材料制成，特别是由玻璃，玻璃陶瓷或陶瓷制成，使得高切割精度、严格按照轮廓及快速的切割成为可能而不形成细小裂纹、裂片或碎片。
此目的可通过专利权利要求1描述的方法实现。
按照权利要求1描述的方法，通过激光束沿着任何所需轮廓的预定切割线快速切割工件是由以下事实实现的，即产生该激光束，各激光束以成对的方式相继引导在该切割线上，并特别平行地引导，而不熔化玻璃。各激光束以下种方式成形，即在将要切割的工件表面上用作焦点的各激光束截面与一预定形状和强度分布相对应。在该激光束和工件之间沿该切割线产生相对运动并引入热机应力，通过喷射流体冷却介质以便对加热后的切割线部分随后冷却，使该热机应力增加到高于该材料的断裂强度。
可实现干净的切边而没有细小裂纹，裂片或碎片。
本发明的方法使得热机应力沿任何所需轮廓的切割线快速和有效地引入。令人惊奇的是，已发现将高激光能引入到将要切割的工件上而不使工件熔化。同时，与先前方法相比可以将切割速度增加100％。
以此方式，容易实现高达200米/分钟的切割速度。
特别地为将高激光能引入工件而同时不使工件熔化，对于以成对方式并特别是平行地连续引导在该切割线上的激光束是有利的。在这种情况下，该激光束可以快速连续逐次引导在该切割线上或该激光束可以以完全或部分叠加的方式引导在该切割线上。
各激光束在这种情况下最好以下种方式成形，即在每种情况下在将要切割的工件表面上用作焦点的该光束的截面对应于同样的形状和同样的强度分布。
另外，该激光束最好相互平行地引导在该切割线上，与该工件表面垂直或至少同样角度。
当切割玻璃时，应特别确保不超过各玻璃的转变温度TG。
如果细小裂纹形成在该切割线的初始处，该裂纹非常精确沿着该切割线。
各激光束最好是一个或多个CO或CO2激光束，激光波长特别最好是可调的，使其可以与将要切割的材料的相应吸收最大值相匹配。该激光波长越成功地与将要切割的材料的相应吸收最大值相匹配，热机应力的引入越有效，同样可选择的切割速度越高。
流体冷却介质最好从顶部向下喷射到该工件上。
优选的流体冷却介质是冷却气体，最好是冷空气，或水/空气混合物。
在本发明的优选实施例中，流体冷却介质的温度是被设定和控制的。在这种情况下，特别优选的是该流体冷却介质是另外冷却的。这可例如通过珀尔帖元件实现。使得重复过程的管理在可控制和监控的条件下进行。
本发明的另一构形中，气体喷嘴由一个或多个同心和/或椭圆喷嘴成形。
可以使用所有气体喷嘴形状和喷嘴布置以便有效地冷却。
通常，所有预定激光束形状和其相关的强度分布可施加在将要切割的工件上。
如EP 0 872 303 A2所述的激光束的U形或V形轮廓和其相关的强度分布是特别优选的。
另外，如同可由该材料充分吸收的任何其他激光，CO或CO2激光适用于断裂为锐利边缘的边缘随后的熔合和成圆。
本发明的方法对于切割包括玻璃、玻璃陶瓷或陶瓷的脆性材料特别适用；可以有利地切割甚至相对厚的材料，例如厚度30毫米的平玻璃。
对于通过激光束沿着任何所需轮廓的切割线快速切割由脆性材料制成的工件的装置，包括：
-产生激光束的一个或多个激光源，
-用于成对引导该激光束聚焦到该切割线上而不熔化该材料的光学装置，
-用于以下种方式成形各激光束的装置，即在将要切割工件的表面上用作焦点的该光束截面与一预定形状和强度分布相对应，
-用于在该激光束和该工件之间沿该切割线产生相对运动的至少一驱动装置，并引入热机应力，以及
-用于喷射流体冷却介质以便随后冷却加热的切割线部分的装置，使得热机应力增加到高于该材料的破裂强度。
在这种情况下，用于成对引导该激光束的光学装置允许以下种方式成对引导该激光束，即以聚焦方式并相互独立地，或作为选择完全或部分重叠地将该激光束成对引导到在该切割线上。
另外，最好在该切割线的初始处提供形成一细小裂纹的装置。
该激光最好是CO2激光，其波长与将要切割的材料的光谱吸收最大值相对应。该CO2激光释放波长为10.6微米远红外线区域内的光线。当作用在材料上时，此热辐射具有非常重要的特别特性。例如，其可由在可见光下透明的大多数材料高度吸收。
玻璃中的高吸收性的事实可用于切割玻璃。吸收系数为103厘米-1时，95％的能量吸收在30微米厚的层中。
如果要切割的材料其吸收最大值位于大约5微米的波长处，推荐使用CO激光作为光源。
通常，可以使用所有预定装置，以便产生、成形和引导一激光束，该激光束适合引入低于将要切割的工件的熔化温度的热机应力。
按照另一实施例，用于喷净工件表面上该激光束切割的部分的气体喷嘴是空气喷嘴。
下面更详细解释本发明示例性实施例。
对于通过激光束沿着任何所需轮廓的切割线快速切割由脆性材料制成工件，在每种情况下产生三个激光束，其成对引导聚焦在该切割线上，而不使材料熔化。该激光束最好垂直于该材料的表面引导。该激光束以下述方式成形，即在将要切割的工件表面上用作焦点的各光束截面与一预定形状和强度分布相对应。各激光束截面具有V形轮廓及其相关强度分布。相反用作焦点的各光束截面具有线性轮廓。
通过在该三个成对激光束和该工件之间沿着该切割线产生一相对运动，热机应力引入该工件。实质上，该平行成对的激光束尽可能精确地沿着该预定切割线。在该激光束之后，由于喷射流体冷却介质以便随后冷却(冷却点)该加热的切割线部分，该热机应力增加高于该材料的破裂强度。
该三个平行激光束同时最好是相继引导到该切割线上。

Claims (24)

1.一种通过激光束沿着任何所需轮廓的切割线快速切割由脆性材料制成的工件的方法，包括以下步骤：
-产生激光束，
-成对引导该激光束聚焦到该切割线上而不熔化该材料，
-使各激光束成形，
-在该激光束和该工件之间沿该切割线产生相对运动，并引入热机应力，
-喷射流体冷却介质以便随后冷却加热的切割线部分，使得热机应力增加到高于该材料的破裂强度，
其特征在于，将该成对引导的激光束设置成连续地相继引导在该切割线上。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将该成对引导的激光束设置成以完全或部分重叠方式引导在该切割线上。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，一细小裂纹形成在该切割线的初始处。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，一CO或CO2激光光束被用作该各激光束。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，一可调激光光束被用作该各激光束。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该流体冷却介质从顶部向下喷射到该工件上。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，由喷射一冷却气体实施冷却。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，由喷射一空气/水混合物实施冷却。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该流体冷却介质的温度是被设定和控制的。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该流体冷却介质被冷却。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该流体冷却介质至少通过一珀尔帖元件冷却。
12.一种通过激光束沿着任何所需轮廓的切割线快速切割由脆性材料制成的工件的装置，具有：
-产生激光束的一个或多个激光源，
-用于成对引导该激光束聚焦到该切割线上而不熔化该材料的光学装置，
-用于使各激光束成形的装置。
-用于在该激光束和该工件之间沿该切割线产生相对运动的一驱动装置，并引入热机应力，
-用于喷射流体冷却介质以便随后冷却加热的切割线部分的装置，使得热机应力增加到高于该材料的破裂强度，
其特征在于，该用于成对引导该激光束的光学装置以聚焦的方式并连续地相继将该激光束引导到在该切割线上。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，该用于成对引导该激光束的所述光学装置允许以聚焦方式并完全或部分重叠地将该激光束成对引导到在该切割线上。
14.如权利要求12或13所述的装置，其特征在于，具有用于在该切割线的初始处形成细小裂纹的装置。
15.如权利要求12所述的装置，其特征在于，一个或多个激光源是CO或CO2激光器。
16.如权利要求12所述的装置，其特征在于，一个或多个激光源是可调谐的。
17.如权利要求12所述的装置，其特征在于，该用于喷射流体冷却介质的装置允许该介质从顶部向下喷射。
18.如权利要求12所述的装置，其特征在于，该用于喷射流体冷却介质的装置允许喷射一冷却气体。
19.如权利要求12所述的装置，其特征在于，该用于喷射流体冷却介质的装置允许喷射一空气/水混合物。
20.如权利要求12所述的装置，其特征在于，该流体冷却介质的温度是可设定和控制的。
21.如权利要求12所述的装置，其特征在于，具有用于冷却该流体冷却介质的装置。
22.如权利要求21所述的装置，其特征在于，该用于冷却流体冷却介质的装置包括至少一珀尔帖元件。
23.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述冷却气体为冷空气。
24.如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述冷却气体为冷空气。
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