CN1223531C - 脆性的非金属材料的切割方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提高脆性的非金属材料的切割生产率和质量。在第一方案中，达到此目的是借助提供脆性的非金属材料的切割方法，包括沿切割线制出切痕和补充作用在材料的表面上，其特征在于，在材料表面上的补充的作用是在制出切痕区使用至少一个弹性波源实现的，这时弹性波的振幅和频率的选择的条件是加深切痕至规定的深度或穿透切割。在第二方案中，达到提出的目的是借助下列方法，切痕的制出是用沿切割线用沿着它延伸的激光束加热材料的表面以及局部地冷却加热区实现的，而在材料表面上的补充作用是借助顺序地冷却加热区内切割线上的每一个点实现的，其时间期限可以与此点的加热期限等量。冷却的持续时间是根据材料的厚度及热物理性能结合获得规定深度的切割条件选择的。

Description

脆性的非金属材料的切割方法
技术领域
本发明涉及脆性的非金属材料的切割方法，尤其是涉及这些材料的激光切割方法，这些材料如任何类型的玻璃，包括石英玻璃，各种单晶体，例如蓝宝石和水晶，所有类型的陶瓷以及半导体材料。
背景技术
已知一种脆性的非金属材料的切割方法，包括在材料的表面上沿切割线制出切痕，使用激光束在材料和光束相对移动时加热切割线，以及借助致冷剂局部冷却加热区(RF No.2024441，分类C03 B33/02，15.12.94公开)。
该方法不仅允许制出切痕，而且还能进行玻璃或者其它脆性的非金属材料的穿透的切割，它是借助激光束或其它的热源使切割线重复地加热。
这种切割方法的缺点是切割过程低的生产率，因为由于玻璃的低的热传导性，切痕的加深仅能够在低的位移速度下进行，这样才能保证材料热透至较大的深度。
已知另一种非金属材料的切割方法，包括在材料和激光束相对移动时使用激光束加热切割线，借助致冷剂局部地冷却加热区，以及随后沿着切割线使用两个平行的激光束加热材料的表面(见美国专利No.6259058，分类7B24K26/067，10.07.2001公开)。与上述的切割方法相同，重复的加热可以保证切痕加深至材料中产生穿透的裂纹。然而，该方法具有与上述的切割方法相同的缺点。
已知另一种脆性的非金属材料的切割方法，是在脆性材料的激光加工的装置上实现的，该方法包括使用激光束加热被切割的材料板材的一个表面，保证形成分离的裂纹，和在板材相对的表面上进行补充的机械作用(RF No.2139779，分类B23K26/00，20.10.99公开)。
然而，无论在使用恒定的机械作用在材料的相对的表面上的情况下，或者结合使用活动的球体沿着激光束移动的轨迹撞击板材的相对的表面，这些方法仅允许缩短相对于激光束在材料表面的位置穿透裂纹的滞后，而不允许提高切割速度。
还已知板形的脆性的非金属材料的切割方法，该方法是基于使用上述的措施，这就是：借助金刚石工具预先制出沿切割线的刻痕(缺陷)，在材料和激光束相对移动时使用椭圆形激光束加热切割线，和借助致冷剂局部地冷却加热区(国际申请PCT/RU94/00276，国际公开号WO96/20062，1996)。该方法能够成功地使用于沿直线形外廓以及沿任何曲线形外廓切割板形材料。
已知一种平板玻璃的切割方法，其中在玻璃的一个表面上使用定向的热流沿切割线作用，保证形成分离的裂纹，而在板材相对的表面上施加弯曲力，保证裂纹沿规定的路线移动(美国专利No.4190184，分类号：C 03 B33/02，优先权日：1978.8.23)。
然而，这些方法不允许实现穿透的高生产率地切割材料，而要求为了最终地分离材料的切痕部分对材料进行补充的机械的或其它方法的分离操作。这种操作不允许保证被切割制件的高质量，以及除此之外，要求使用辅助的破断用设备。
按技术本质与建议的发明最接近的是一种玻璃的切割方法，包括沿切割线制出切痕以及借助声学振荡补充作用在玻璃表面上，这时声学振荡是平行于玻璃的表面激励的(见前苏联发明证书No.996347，分类号：C03B33/02公开日：1983.2.15)在此方法中，穿透裂纹的形成发生在对玻璃传送超声范围在2-5KHz的声学振荡，在此时声学振荡是平行于玻璃的表面激励的。此外，为了提高过程的有效性，声学振荡的频率选择等于玻璃的本身的振荡的频率，以便产生谐振的振荡频率。
然而，该方法具有一系列本质的缺点，它阻碍了在工业中广泛的使用。首先，为了对全部玻璃板施加超声振荡，能够导致沿刀具制出的切痕使玻璃分裂，要求以极大的能耗进行，其次，此切割过程很慢，因为它由单独的时间上不同的工艺过程组成：制出切痕，相对于切痕线在严格规定的位置安装振荡器，以及将其紧密地固定在玻璃的表面上以保证牢固地接触，接通磁致伸缩或压电换能器。此外，由于在每次顺序的切割之后原始的玻璃毛坯的尺寸改变，必须改变振荡频率，以获得振荡的谐振频率。这样就要求繁重的预先的计算和经常的振荡频率的校正。第三，振荡器与玻璃表面的紧密的接触导致玻璃表面的损坏，这就是导致出现擦伤和掉块。它引起大量的废品的出现。
发明内容
本发明的目的是提高脆性的非金属材料的切割的生产率和质量，它借助在同一的或不同的工艺循环中实现穿透的和非穿透的切割和保持均匀的切割速度，保证实现交叉切割的可能性，也可进行双层层压材料的切割。
可以用两个方案来实现本发明的目的。
在第一方案中，为实现本发明的目的，提供了一种非金属材料的切割方法，包括沿切割线制出切痕以及补充作用在材料的表面上，其特征在于，在材料表面上的补充的作用是在制出切痕区使用至少一个弹性波源实现的，其中弹性波的振幅和频率选择的条件是加深切痕至规定的深度或穿透切割。这时沿切割线制出切痕实现的方式可以是借助刀具，借助激光束，使用激光束沿切割线加热材料表面以及借助致冷剂补充地冷却加热区，并且在供给致冷剂区内用弹性波作用。沿切割线制出切痕可以借助使用两个激光束沿切割线加热材料的表面实现，两个激光束位于材料的表面上，在垂直于激光束和材料的相对的移动方向的方向上彼此保持规定的距离。在实现该方法时，最好弹性波集中在沿切割线的区域内的材料体积内。作为弹性波源适宜的是使用脉冲的激光辐射，对于它材料是不透明的。
作为刀具使用带有切割棱的金刚石锥，具有70-140°角，或者用可转动的硬质合金滚柱，具有70-140°刃磨角。
沿切痕线弹性波的作用的实现，例如，在完成制出切痕的过程之后，或仅沿切割线在材料的规定区域内。方法规定，弹性波源的作用线与切痕线在垂直于材料的表面的平面上彼此偏移，以便获得倾斜的切割。
在某些情况下，在沿两面相对于切痕线用工具制出切痕之后，在制出切痕的一面同时集中两个弹性波，或者在切痕区域的材料体积中同时集中一个弹性波，作用于一个区域内材料的一个相对的表面，此区域位于由切痕的一面集中的两个弹性波作用区域之间。
在本发明的第二方案中，为实现本发明的目的，提供了一种脆性的非金属材料的切割方法，包括沿切割线制出切痕以及补充作用在材料的表面上，其特征在于，制出切痕是借助沿切割线用沿着它延伸的激光束加热材料的表面以及局部地冷却加热区，而在材料表面上的补充作用是借助顺序地冷却加热区内切割线上的每一个点实现的，冷却的时间可以与此点的加热时间相等。冷却的持续时间根据材料的厚度、热物理性能和规定深度的切割条件选择。
附图说明
本发明的要点结合附图进行说明，其中：
图1是借助激光束在材料中形成切痕的示意图；
图2是借助激光束和致冷剂形成切痕的示意图；
图3是借助两个激光束形成切痕的示意图；
图4是借助弹性波加深用刀具制出的切痕的示意图；
图5是借助弹性波切痕的穿透加深的示意图；
图6是在一个循环中进行不穿透的和穿透的切割和两个穿透的交叉的切割的示意图；
图7是相对于材料的表面进行倾斜切割的示意图；
图8是两个胶接的平板中一个平板的穿透切割的示意图；
图9是穿透切割的示意图，它使用机械的波导器和弹性波的聚能器，位于被切割材料的相对的一面；
图10是使用两个激光束和两个弹性波的聚能器的穿透切割的示意图，顶视图；
图11是使用两个激光束和两个弹性波的聚能器的穿透切割的示意图，前视图(截面图)；
图12是使用三个弹性波的穿透切割的示意图，前视图(截面图)；
图13是由切痕一边作用的弹性波的聚能器的示意图；
图14是借助延伸的致冷剂的作用进行穿透切割的示意图；
图15是借助多级的控制冷却进行控制切割至给定的深度的示意图。
具体实施方式
脆性的非金属材料的切割方法的第一方案的要点如下。
当作用在玻璃或其它的脆性的非金属材料1的表面上时，借助一个工具2在材料以速度V相对移动时在材料的体积中制出深度为δ的切痕3。
按照本发明，工具2可以是：一个激光束(图1)，一个刀具(图4)，两个激光束，该两个激光束照在材料的表面上，彼此离开规定的距离，其方向垂直于激光束和材料的相对移动的方向(图3)，和其它的类似的工具。获得切痕的方法可能是，例如，用激光束2加热表面和借助致冷剂4局部冷却加热区(图2)。
本发明的第一方案的主要特点是弹性波5在材料1的体积内切痕3的形成区内的集中，弹性波是由弹性波源6获得的，作为弹性波源可以使用聚能器，或者例如，带有辐射的脉冲激光器，材料1是不透该辐射的。
应该指出，在此实施例中，实际上不存在任何显著的机械作用在材料的表面上，也没有材料的振动。在此情况下，根据与制出切痕的主要参数：切痕的速度和深度δ相关联的弹性波的作用条件(振荡的振幅和频率)，可容易地实现加深的切割7至规定的深度h。改变过程的参数，可容易地获得深度为H的穿透的切割8。
下面讨论在固体弹性内弹性波的形成和传播的基本的物理原理以及借助在切痕区内弹性波的作用切痕加深至穿透切割的条件。
当在固体内弹性波传播时，产生压缩(拉伸)的机械的变形和剪切，它们被弹性波由材料的一点转移至另一点。在此情况下，产生在固体体积内的弹性的变形能的转移。在各向同性的固体材料中可传播两种类型的弹性波，纵向波和切变波。纵向波引起的变形是压缩(拉伸)和纯切变的组合。在切变波中的变形为纯切变。弹性波的特征是振荡的振幅和方向，交变的机械的应力和应变，振荡的频率，波长，相的和成组的速度，以及波前沿的混杂和应力的分布规律。这些参数应该考虑，以便确定切痕加深的最佳条件，即在材料的体积内在切痕区内弹性波的集中。
为了把弹性波从其波源传送至切痕区，可以使用声学波导器，例如，用板片或杆之类的固体的声学波导器，能够传播纵向波和切变波的组合波，以与波导器轴线成锐角进行传播和满足边界条件：在波导器表面上没有机械应力。波导器能够以聚能器为末端，以保证在预定的材料区内弹性波的集中。
本发明的非常重要的优点是有可能使弹性波仅作用在切痕线的给定区内。这允许在一个切割循环内顺序地进行不穿透切割和穿透的切割。在图6内示出这种切割的一个实例，其中在一个循环内切割的开始和结束是借助不穿透的切痕3进行的，即没有弹性波的加深切割线的作用，而剩余部分的切割是借助形成穿透的裂纹8而进行至穿透。首先，这种方法允许进行穿透的交叉切割，而不会降低切割线交叉处的切割质量，也不需要在交叉处使用辅助的刻痕。其次，它能够保证高的切割精度和质量，因为在完全结束切割整个的平板为单独的元件之前，它保持自己的原始的外形和完整性。
建议的脆性的非金属切料的切割方法还有一个优点，是有可能相对于垂直于材料的表面的平面成某个角度进行穿透切割。它能够这样做是由于弹性波的波源6的作用线与工具2的刀具的作用线相对于垂直于材料1的表面的平面偏移(图7)。这种偏移的结果，穿透切割9的直线相对于垂直于材料的表面的方向倾斜一个角度。这种切割方法在切割盘件或带有封闭切割外形的其它制件时给出非常好的结果，因为允许相当容易地由总的半制品中取出切割的零件。在此种情况下，这种倾斜角可以相当小，它实际上不影响切割的精度。
所述的脆性的非金属材料的切割方法可以使用于切割不仅单层材料，也可以切割层压板。在图8内示出平板1的切割示意图，平板1借助胶接剂11与平板10胶接。在此种情况下，弹性波5由平板10的一边传播，以及达到切痕3的区域，切痕加深至平板1的穿透切割8。
在一系列的情况下，由材料的相对的表面放置波导器和聚能器有困难或者是不可能的。然而，可以在材料的体积内传送弹性波，从切痕3的一面进至平板1(图10和11)。这一切取决于使用的弹性波源的结构和类型。在此种情况下，借助两个波导器6和两个聚能器12由工具2的作用面沿切痕线3的两面同时地聚集两个弹性波。沿切痕线的两面弹性波的两个聚能器的补充作用造成补充的拉伸的体积应力，它导致切痕的加深或导至穿透切割8。
下面讨论实现建议的方法的一个最简单的方案，这就是：借助使用机械的波导器6和弹性波的聚能器12加深切痕3或实现穿透的切割，弹性波是在冲击器13(图9)的机械的作用下产生的。机械的波导器6可以制造为直线形，也可以为曲线形，如图9所示。这种波导器结构避免了由冲击器13直接地传送机械冲击至材料1的表面。在此种情况下，波导器6制造为弯曲的金属杆形，其端部为聚能器12，一个带有一定的顶角的锥体，这时锥体的顶部具有半球形，它可以借助对钢球加压实现。这保证了聚能器12与材料1的表面的点接触。聚能器放置为垂直于材料1的表面以及严格地处于切痕线3下面的它的形成区内。在此种情况下，聚能器用力P1对材料1的表面上的恒定的机械的作用应为最小，应该不引起材料的任何变形，和应该保证仅有聚能器与材料1的表面接触。在波导器6和聚能器内的弹性波是通过冲击器13以力P2与波导器6的端部的相互作用而产生的。在与波导器6冲击时，在其中形成了变形的弹性波，该弹性波沿波导器6传播和在聚能器内集聚。在聚能器与材料1的表面接触点，变形的弹性波传送至材料1的体积内，以及达到切痕3的顶部，横向波引起切痕3向材料的深度发展，直到穿透切割8。
在一系列的情况下，弹性波源同时从被切割材料1的两面作用的结合(图12)是有效的。这种情况对厚板材料的穿透切割最为有效。
在图13内示出一个方案，它将波导器6与聚能器12用于从切痕3的一面与材料1作用。
能够保证切痕加深的弹性波的频率范围是很宽阔的：由数个Hz至高频振荡。作为弹性波源可以使用各种不同的方案。在此种情况下，弹性波源可以放置在切痕的一面或者相对的一面，这要根据使用的弹性波源的类型和使用的设备的结构特点而定。
脆性的非金属材料的切割方法的第二方案的要点如下。
在实现已知方法的切割时，在脆性的非金属材料平板的表面加热时，例如用椭圆形激光束2加热玻璃平板1时，在激光束作用区产生高的压缩应力σc，然而其值不足以损坏材料。这是因为材料的压缩强度极限显著地超过材料的拉伸或弯曲强度极限。例如，玻璃的压缩强度极限超过拉伸强度极限8-10倍。压缩应力随着激光束沿着切割线的移动在激光束完全经过后达到其最大值。借助点致冷剂4对加热区的激烈的局部冷却，例如，由喷嘴供给空气-水流至材料1的表面层，压缩应力σc改变其符号至相反的。在产生的拉伸应力σp的作用下，在材料内萌生微裂纹3，它跟随激光束和致冷剂以速度V的相对的移动，在“加热-冷却”界面后面扩展。局部的点致冷剂保证仅由薄的表面层导出热量。因此，在材料体积内裂纹3的继续扩展被保存在已热透的材料深度处的体积的压缩应力σc阻止。
当借助延伸的缝致冷剂(图14)冷却加热区时，可观察到完全不同的图画。与上述的情况相同，在致冷剂经过之后，最大的压缩应力位于在材料的表面层内。在供给致冷剂的最初时刻，在巨大的表面的拉伸应力σp的作用下产生不深的微裂纹。随着继续供给致冷剂至加热区，表面的拉伸应力值降低，但体积的拉伸应力增加，它导至裂纹扩展至材料深处直到形成穿透裂纹8。
作为致冷剂可以使用空气流，专门的气体混合物，空气-气体混合物，气体-液体混合物，比如空气-水混合物，或者其它的致冷剂。在此种情况下，供给的混合物中组分的数量，供给混合物至加热区的强度可以调节以及根据材料的厚度和性能，以及对切割过程提出的要求和限制控制，例如，在某些情况下不允许使用水作为致冷剂，它可能污染被切割的材料或在材料表面上形成的专门的涂层和结构。
为了控制裂纹的扩展深度，供给致冷剂的机构最好制造为多级的，并且有可能独立地控制切割过程中的单独的级。这种方法适合作用于切割不同厚度的材料或带有不同性能的材料。这就是，供给致冷剂的机构(例如多级的缝形喷管)的工作级的数量，可以根据材料的厚度及其导热性选择。图15示出使用多级的可控制的冷却实现可控制切割至给定的深度的示意图。借助光学系统形成的相对于移动方向延伸的激光束2。照在材料1的表面上。在激光束的后面放置多级的缝喷管14，供给致冷剂4至加热区，在此种情况它由独立的5级组成：14-I，14-II，14-III，14-IV，14-V，它们由计算机控制。如果仅有第一级喷管14-I工作，则在材料内形成深度δ1的裂纹。如果两级喷管14-I和14-II工作，则在材料内深度δ2的裂纹扩展。如果三级喷管14-I，14-II，14-III工作，则裂纹加深至深度δ3。增加冷却级的数量至所需值，例如，至五级，能够获得深度δ5的穿透裂纹。
以下按照本发明的第一方案列出具体的切割的实例。
实例1
作为被切割的材料使用厚度0.7mm的玻璃平板。为了制出切痕使用切割器，它具有切割棱角度为120°的金刚石锥体作为切割工具。作为移动玻璃的工具使用双坐标工作台，行程为500×400mm，保证移动速度高至500mm/sec。在平板的相对的表面上用弹性波源作用。为此在与材料的表面接触处对着激光束的作用区放置机械波聚能器，该机械波聚能器是一个直径5mm的圆杆，端部为锥形，其顶部终止在一个直径1.5的半球。聚能器对石英玻璃的表面的压力为P1＝2-4g以及用于保证在切割时聚能器和材料的恒定的接触，这就是，使聚能器跟随平板表面的微不平整度。在波导器的端部用力P2＝45g的冲击器以频率为200Hz作用，它在聚能器内形成变形的弹性波。当玻璃试样以速度350mm/sec移动时，金刚石锥体制出深度0.07mm的划伤形状的切痕，而在切痕形成区内的弹性波的作用保证了加深切痕至穿透切割。当用力25g和以频率250Hz用冲击器作用在波导器端部时，保证了在速度350mm/sec下切痕加深至深度0.5mm。
实例2
进行了厚度1.1mm的平板玻璃的切割，平板玻璃切割为盘件，其外径为65mm和内径为20mm。作为按照规定外形制出切痕用的工具使用了硬质合金滚柱，其直径为7mm和刃磨角度为95°。作为弹性波源使用上述的实例中的说明的装置。在此种情况下，硬质合金滚柱和弹性波的聚能器在垂直于材料的表面的平面上彼此偏移到给定的几何尺寸的较大的容差侧0.025mm。这样就保证了穿透的倾斜的切割的形成，同样也保证了盘件的内部分和外部分毛边的分离，而不会损伤盘件基本工作部分的材料。
实例3
进行了厚度2.2mm的石英平板玻璃的切割。作为制出切痕用的刀具使用了硬质合金滚柱，其刃磨角度为115°。为了加深深度为0.15mm的切痕，在滚柱的后面同时用两个弹性波的聚能器从制出切痕的一面作用，弹性波聚能器相对于切痕线沿两面彼此相距3mm。在波导器的端部用力为80g的冲击器以频率150Hz作用。当切割速度为300mm/sec时产生带有穿透分离的切割。
在全部上述的三个实例中，使用变形的单性波源和聚能器，它是借助冲击器对波导器的端部的机械作用形成的。在此种情况下，如上述指出，没有产生从聚能器一侧产生的对材料表面的机械作用。与此同时，在使用一系列的其它的弹性波源的情况下，进行了试验和获得了正面的结果。
实例4
作为被切割的材料使用了厚度0.8mm的石英玻璃平板。为了进行切割试验，使用了功率为85W的具有多路CO2激光器的装置，和双坐标的工作台，其行程为550×650mm，保证移动速度高至750mm/sec。激光器的辐射借助球形-圆柱形硒化锌光学器件聚焦在材料的表面上，保证在石英玻璃的表面上的辐射功率密度为约20W/mm2。在石英玻璃平板的相对的表面上用弹性波源作用。为此在材料表面接触处对着激光束的作用区放置机械波聚能器，它是一个直径5mm的圆杆，端部为锥形，其顶部终止在一个直径1.5mm的半球。聚能器对石英玻璃的表面的压力为P1＝2-4g，以及用于保证在切割时聚能器和材料的恒定的接触，这就是，为了使平板表面的微不平整随聚能器动作，在波导器的端部用力P2＝40g的冲击器以频率为300Hz作用，它在聚能器内形成变形的弹性波。当石英玻璃试样以速度350mm/sec移动时，激光束制出深度0.09mm的微裂纹形的切痕，而在切痕形成区的弹性波的作用保证了切痕加深至穿透切割。在此种情况下，切割和分离以速度350mm/sec同时进行。
非常有趣的是借助使用脉冲的激光辐射加热材料的表面或体积形成弹性波用于加深材料内的切痕。虽然这样导致所用的设备的价格一定的增加，但在许多情况下这一步是合理的。这种方法的结果列于实例5。
实例5
作为被切割的材料使用了厚度0.7mm的玻璃平板。为了进行切割试验，使用了具有功率为100W的多路CO2激光器的装置，用于进行材料表面上的切痕的制出和用功率高至85W的第二脉冲CO2激光器并带有可调节的辐射频率至40MHz，用于在材料内形成弹性波。玻璃借助双坐标工作台移动，其行程为670×720mm，保证移动速度高至750mm/sec。第一激光器的辐射借助球形-圆柱形硒化锌光学器件聚焦在材料的表面上，它保证形成长度45mm的椭圆形激光束。在玻璃以速度350mm/sec移动时，在激光束和致冷剂的作用下制出在玻璃内深度为0.12mm的切痕。脉冲激光器的辐射是借助光学系统形成为直径1mm的两个激光束，该两个激光束位于切痕的两面，彼此相距为1.5mm。在切痕形成区内以频率100Hz的弹性波的作用保证切痕加深至穿透切割。在此种情况下，切割和分离以速度350mm/sec同时进行。
由于弹性波的作用集中在材料非常狭窄的限制的体积内的激光切痕区内，它允许进行在彼此非常接近的情况下的相邻的切割。可以进行正方的或矩形的毛坯的切割，其最小的尺寸能够不大于原始材料的厚度。例如，成功地从厚度1.1mm的玻璃切割尺寸为1.1×1.1的方形块，或从厚度3mm的玻璃切割尺寸为2.5×2.5mm的块。
以下列出按照本发明的第二方案对不同的脆性的非金属材料的具体的切割实例。
实例6
进行了厚度0.7mm的硼硅酸盐平板玻璃的切割，使用带有专门的新型结构的CO2激光器的辐射，波长为10.6μm和功率为95W。借助球形-圆柱形的ZnSe物镜将激光器的辐射聚焦在玻璃的表面上，保证在长度45mm的切割区内形成椭圆形的激光束。切割按照下列的顺序进行。借助真空将玻璃平板固定在坐标工作台上。带有固定的玻璃平板的坐标工作台以给定的速度移动。供给激光器辐射至移动的玻璃平板的表面上，在激光束的后面借助五级的缝喷管供给空气-气体混合物形式的致冷剂。每级缝喷管具有长度9mm的缝隙，沿切割线取向。进行了玻璃平板的切割，并带有以下不同的冷却条件：
1.使用传统的单喷管冷却；
2.使用五级喷管中的一级缝喷管冷却；
3.使用五级喷管中的两级缝喷管冷却；
4.使用五级喷管中的三级缝喷管冷却；
5.使用五级喷管中的四级缝喷管冷却；
6.使用五级喷管中的五级缝喷管冷却。
对于每种测定了穿透切割的最大速度和带有微裂纹的切割的最大速度。试验的结果列于表1。在表中使用下列的代号：
字母M-带有微裂纹的不穿透切割；
字母C-穿透切割；
符号“-”-无切割。
        表1
实例 切割速度，mm/sec
 No． 喷管型别 250  300  350  400  450  500  550
 1 单喷管 M  M  -  -   -  -  -
 2 一级缝喷管 C  C  M  M   -  -  -
 3 二级缝喷管 C  C  C  M   M  -  -
 4 三级缝喷管 C  C  C  C   M  M  -
 5 四级缝喷管 C  C  C  C   C  M  -
 6 五级缝喷管 C  C  C  C   C  C  M
实例7
作为被切割材料使用了直径50.8mm和厚度0.43mm的蓝宝石衬底。为了切割使用了多路式CO2激光器，带有专门的新型结构，功率75W。借助双透镜物镜将激光束聚焦到衬底的表面上，聚光束呈长度7mm的束状，在切割方向上延伸。作为致冷剂，使用压缩的加湿气体流，借助长度9mm的缝喷管供给。在速度350至700mm/sec时产生蓝宝石衬底的穿透切割，在继续增加速度时切割的进行是制出切痕至一个深度，该深度随着平板相对于激光束和致冷剂的移动速度的增加而减少。最大的不穿透切割速度为1100mm/sec。
本发明能够使用于不同的技术行业，适用于广阔种类材料的高精度和高生产率切割，既能够切至被切割材料的全厚度，也可以切至任何给定的深度。在此种情况下，有可能在沿一条切割线切割的过程中交错地进行穿透的切割和至给定深度的不穿透切割。本发明能够高效率地使用于厚度为0.1至20mm的玻璃的穿透切割，包括在玻璃的加工过程进行这种切割。此外，保证了带有交叉的切割线的切割，而不会损害交叉点处的切割质量。还保证了既可切割单层材料，也可切割层压件，它在切割一些制件时尤其重要，比如平的显示屏(FPD)，其中包括液晶显示屏(LCD)。本发明的另一特点是有可能得到与材料的表面成直角的穿透切割，也可以得到与被切割材料的表面倾斜的穿透切割。在切割盘件和带有封闭外形的其它制件时后一种方法非常重要。

Claims (12)

1.一种脆性的非金属材料的切割方法，包括借助激光束沿切割线加热材料的表面以制出沿切割线的切痕，以及补充作用在材料的表面上，其特征在于，在材料表面上的补充的作用是在制出切痕区使用至少一个弹性波源实现的，所述弹性波沿切割线在切痕形成区内聚集在材料的体积内，其中弹性波的振幅和频率的选择的条件是加深切痕至规定的深度或得到穿透切割。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，在使用激光束沿切割线加热材料的表面后，借助致冷剂补充地冷却加热区，同时弹性波作用在供给致冷剂的区域内。
3.按照权利要求1的方法，其特征在于，沿切割线制出切痕是借助使用两个激光束沿切割线加热材料的表面实现的，两个激光束位于材料的表面上，在垂直于激光束和材料的相对的移动方向的方向上彼此保持预定的距离。
4.按照权利要求1-3中任一项的方法，其特征在于，作为弹性波源使用脉冲的激光辐射，所述材料不能透过这种辐射的。
5.按照权利要求1-3中任一项的方法，其特征在于，沿切痕线弹性波的作用是在制出切痕的过程完成后进行的。
6.按照权利要求1-3中任一项的方法，其特征在于，弹性波仅在沿切割线的材料的预定区内作用在材料的表面上。
7.按照权利要求1-3中任一项的方法，其特征在于，弹性波源的作用线与切痕线在垂直于材料的表面的平面上彼此偏移。
8.按照权利要求1-3中任何一项的方法，其特征在于，在沿两面相对于切痕线用工具制出切痕之后，由制出切痕的一面同时聚集两个弹性波。
9.按照权利要求8的方法，其特征在于，在切痕区域的材料的体积中同时聚集一个弹性波，作用于一个区域内材料的相对的表面，此区域位于在形成切痕的材料一侧聚集的两个弹性波作用区域之间。
10.一种脆性的非金属材料的切割方法，包括沿切割线制出切痕以及补充作用在材料的表面上，其特征在于，制出切痕是借助沿切割线用激光束加热材料的表面以及局部地冷却加热区实现的，其中在材料表面上的补充作用是借助沿切割线设置的冷却装置顺序地冷却加热区内切割线上的每一点实现的，进行冷却的时间与此点的加热时间相等。
11.按照权利要求10的方法，其特征在于，冷却的持续时间是根据材料的厚度、热物理性能和使用沿切割线设置的细长的多级冷却装置获得规定深度的切割条件选择的。
12.按照权利要求10或11的方法，其特征在于，使用沿切割线设置的细长的多点冷却装置实施位于加热区在切割线上各点的冷却。
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