專利名稱：脆性的非金屬材料的切割方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及脆性的非金屬材料的切割方法，尤其是涉及這些材料的激光切割方法，這些材料如任何類型的玻璃，包括石英玻璃，各種單晶體，例如藍寶石和水晶，所有類型的陶瓷以及半導體材料。
背景技術(shù)：
已知一種脆性的非金屬材料的切割方法，包括在材料的表面上沿切割線制出切痕，使用激光束在材料和光束相對移動時加熱切割線，以及借助致冷劑局部冷卻加熱區(qū)(RF No.2024441，分類C03 B33/02，15.12.94公開)。
該方法不僅允許制出切痕，而且還能進行玻璃或者其它脆性的非金屬材料的穿透的切割，它是借助激光束或其它的熱源使切割線重復地加熱。
這種切割方法的缺點是切割過程低的生產(chǎn)率，因為由于玻璃的低的熱傳導性，切痕的加深僅能夠在低的位移速度下進行，這樣才能保證材料熱透至較大的深度。
已知另一種非金屬材料的切割方法，包括在材料和激光束相對移動時使用激光束加熱切割線，借助致冷劑局部地冷卻加熱區(qū)，以及隨后沿著切割線使用兩個平行的激光束加熱材料的表面(見美國專利No.6259058，分類7B24K26/067，10.07.2001公開)。與上述的切割方法相同，重復的加熱可以保證切痕加深至材料中產(chǎn)生穿透的裂紋。然而，該方法具有與上述的切割方法相同的缺點。
已知另一種脆性的非金屬材料的切割方法，是在脆性材料的激光加工的裝置上實現(xiàn)的，該方法包括使用激光束加熱被切割的材料板材的一個表面，保證形成分離的裂紋，和在板材相對的表面上進行補充的機械作用(RF No.2139779，分類B23K26/00，20.10.99公開)。
然而，無論在使用恒定的機械作用在材料的相對的表面上的情況下，或者結(jié)合使用活動的球體沿著激光束移動的軌跡撞擊板材的相對的表面，這些方法僅允許縮短相對于激光束在材料表面的位置穿透裂紋的滯后，而不允許提高切割速度。
還已知板形的脆性的非金屬材料的切割方法，該方法是基于使用上述的措施，這就是借助金剛石工具預先制出沿切割線的刻痕(缺陷)，在材料和激光束相對移動時使用橢圓形激光束加熱切割線，和借助致冷劑局部地冷卻加熱區(qū)(國際申請PCT/RU94/00276，國際公開號WO96/20062，1996)。該方法能夠成功地使用于沿直線形外廓以及沿任何曲線形外廓切割板形材料。
已知一種平板玻璃的切割方法，其中在玻璃的一個表面上使用定向的熱流沿切割線作用，保證形成分離的裂紋，而在板材相對的表面上施加彎曲力，保證裂紋沿規(guī)定的路線移動(美國專利No.4190184，分類號C03B33/02，優(yōu)先權(quán)日1978.8.23)。
然而，這些方法不允許實現(xiàn)穿透的高生產(chǎn)率地切割材料，而要求為了最終地分離材料的切痕部分對材料進行補充的機械的或其它方法的分離操作。這種操作不允許保證被切割制件的高質(zhì)量，以及除此之外，要求使用輔助的破斷用設(shè)備。
按技術(shù)本質(zhì)與建議的發(fā)明最接近的是一種玻璃的切割方法，包括沿切割線制出切痕以及借助聲學振蕩補充作用在玻璃表面上，這時聲學振蕩是平行于玻璃的表面激勵的(見前蘇聯(lián)發(fā)明證書No.996347，分類號C03B33/0
公開日1983.2.15)在此方法中，穿透裂紋的形成發(fā)生在對玻璃傳送超聲范圍在2-5KHz的聲學振蕩，在此時聲學振蕩是平行于玻璃的表面激勵的。此外，為了提高過程的有效性，聲學振蕩的頻率選擇等于玻璃的本身的振蕩的頻率，以便產(chǎn)生諧振的振蕩頻率。
然而，該方法具有一系列本質(zhì)的缺點，它阻礙了在工業(yè)中廣泛的使用。首先，為了對全部玻璃板施加超聲振蕩，能夠?qū)е卵氐毒咧瞥龅那泻凼共ＡХ至?，要求以極大的能耗進行，其次，此切割過程很慢，因為它由單獨的時間上不同的工藝過程組成制出切痕，相對于切痕線在嚴格規(guī)定的位置安裝振蕩器，以及將其緊密地固定在玻璃的表面上以保證牢固地接觸，接通磁致伸縮或壓電換能器。此外，由于在每次順序的切割之后原始的玻璃毛坯的尺寸改變，必須改變振蕩頻率，以獲得振蕩的諧振頻率。這樣就要求繁重的預先的計算和經(jīng)常的振蕩頻率的校正。第三，振蕩器與玻璃表面的緊密的接觸導致玻璃表面的損壞，這就是導致出現(xiàn)擦傷和掉塊。它引起大量的廢品的出現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提高脆性的非金屬材料的切割的生產(chǎn)率和質(zhì)量，它借助在同一的或不同的工藝循環(huán)中實現(xiàn)穿透的和非穿透的切割和保持均勻的切割速度，保證實現(xiàn)交叉切割的可能性，也可進行雙層層壓材料的切割。
可以用兩個方案來實現(xiàn)本發(fā)明的目的。
在第一方案中，為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，提供了一種非金屬材料的切割方法，包括沿切割線制出切痕以及補充作用在材料的表面上，其特征在于，在材料表面上的補充的作用是在制出切痕區(qū)使用至少一個彈性波源實現(xiàn)的，其中彈性波的振幅和頻率選擇的條件是加深切痕至規(guī)定的深度或穿透切割。這時沿切割線制出切痕實現(xiàn)的方式可以是借助刀具，借助激光束，使用激光束沿切割線加熱材料表面以及借助致冷劑補充地冷卻加熱區(qū)，并且在供給致冷劑區(qū)內(nèi)用彈性波作用。沿切割線制出切痕可以借助使用兩個激光束沿切割線加熱材料的表面實現(xiàn)，兩個激光束位于材料的表面上，在垂直于激光束和材料的相對的移動方向的方向上彼此保持規(guī)定的距離。在實現(xiàn)該方法時，最好彈性波集中在沿切割線的區(qū)域內(nèi)的材料體積內(nèi)。作為彈性波源適宜的是使用脈沖的激光輻射，對于它材料是不透明的。
作為刀具使用帶有切割棱的金剛石錐，具有70-140°角，或者用可轉(zhuǎn)動的硬質(zhì)合金滾柱，具有70-140°刃磨角。
沿切痕線彈性波的作用的實現(xiàn)，例如，在完成制出切痕的過程之后，或僅沿切割線在材料的規(guī)定區(qū)域內(nèi)。方法規(guī)定，彈性波源的作用線與切痕線在垂直于材料的表面的平面上彼此偏移，以便獲得傾斜的切割。
在某些情況下，在沿兩面相對于切痕線用工具制出切痕之后，在制出切痕的一面同時集中兩個彈性波，或者在切痕區(qū)域的材料體積中同時集中一個彈性波，作用于一個區(qū)域內(nèi)材料的一個相對的表面，此區(qū)域位于由切痕的一面集中的兩個彈性波作用區(qū)域之間。
在本發(fā)明的第二方案中，為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，提供了一種脆性的非金屬材料的切割方法，包括沿切割線制出切痕以及補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線用沿著它延伸的激光束加熱材料的表面以及局部地冷卻加熱區(qū)，而在材料表面上的補充作用是借助順序地冷卻加熱區(qū)內(nèi)切割線上的每一個點實現(xiàn)的，冷卻的時間可以與此點的加熱時間相等。冷卻的持續(xù)時間根據(jù)材料的厚度、熱物理性能和規(guī)定深度的切割條件選擇。


本發(fā)明的要點結(jié)合附圖進行說明，其中圖1是借助激光束在材料中形成切痕的示意圖；圖2是借助激光束和致冷劑形成切痕的示意圖；圖3是借助兩個激光束形成切痕的示意圖；圖4是借助彈性波加深用刀具制出的切痕的示意圖；圖5是借助彈性波切痕的穿透加深的示意圖；圖6是在一個循環(huán)中進行不穿透的和穿透的切割和兩個穿透的交叉的切割的示意圖；圖7是相對于材料的表面進行傾斜切割的示意圖；圖8是兩個膠接的平板中一個平板的穿透切割的示意圖；圖9是穿透切割的示意圖，它使用機械的波導器和彈性波的聚能器，位于被切割材料的相對的一面；圖10是使用兩個激光束和兩個彈性波的聚能器的穿透切割的示意圖，頂視圖；圖11是使用兩個激光束和兩個彈性波的聚能器的穿透切割的示意圖，前視圖(截面圖)；圖12是使用三個彈性波的穿透切割的示意圖，前視圖(截面圖)；圖13是由切痕一邊作用的彈性波的聚能器的示意圖；圖14是借助延伸的致冷劑的作用進行穿透切割的示意圖；圖15是借助多級的控制冷卻進行控制切割至給定的深度的示意圖。
具體實施例方式
脆性的非金屬材料的切割方法的第一方案的要點如下。
當作用在玻璃或其它的脆性的非金屬材料1的表面上時，借助一個工具2在材料以速度V相對移動時在材料的體積中制出深度為δ的切痕3。
按照本發(fā)明，工具2可以是一個激光束(圖1)，一個刀具(圖4)，兩個激光束，該兩個激光束照在材料的表面上，彼此離開規(guī)定的距離，其方向垂直于激光束和材料的相對移動的方向(圖3)，和其它的類似的工具。獲得切痕的方法可能是，例如，用激光束2加熱表面和借助致冷劑4局部冷卻加熱區(qū)(圖2)。
本發(fā)明的第一方案的主要特點是彈性波5在材料1的體積內(nèi)切痕3的形成區(qū)內(nèi)的集中，彈性波是由彈性波源6獲得的，作為彈性波源可以使用聚能器，或者例如，帶有輻射的脈沖激光器，材料1是不透該輻射的。
應該指出，在此實施例中，實際上不存在任何顯著的機械作用在材料的表面上，也沒有材料的振動。在此情況下，根據(jù)與制出切痕的主要參數(shù)切痕的速度和深度δ相關(guān)聯(lián)的彈性波的作用條件(振蕩的振幅和頻率)，可容易地實現(xiàn)加深的切割7至規(guī)定的深度h。改變過程的參數(shù)，可容易地獲得深度為H的穿透的切割8。
下面討論在固體彈性內(nèi)彈性波的形成和傳播的基本的物理原理以及借助在切痕區(qū)內(nèi)彈性波的作用切痕加深至穿透切割的條件。
當在固體內(nèi)彈性波傳播時，產(chǎn)生壓縮(拉伸)的機械的變形和剪切，它們被彈性波由材料的一點轉(zhuǎn)移至另一點。在此情況下，產(chǎn)生在固體體積內(nèi)的彈性的變形能的轉(zhuǎn)移。在各向同性的固體材料中可傳播兩種類型的彈性波，縱向波和切變波?？v向波引起的變形是壓縮(拉伸)和純切變的組合。在切變波中的變形為純切變。彈性波的特征是振蕩的振幅和方向，交變的機械的應力和應變，振蕩的頻率，波長，相的和成組的速度，以及波前沿的混雜和應力的分布規(guī)律。這些參數(shù)應該考慮，以便確定切痕加深的最佳條件，即在材料的體積內(nèi)在切痕區(qū)內(nèi)彈性波的集中。
為了把彈性波從其波源傳送至切痕區(qū)，可以使用聲學波導器，例如，用板片或桿之類的固體的聲學波導器，能夠傳播縱向波和切變波的組合波，以與波導器軸線成銳角進行傳播和滿足邊界條件在波導器表面上沒有機械應力。波導器能夠以聚能器為末端，以保證在預定的材料區(qū)內(nèi)彈性波的集中。
本發(fā)明的非常重要的優(yōu)點是有可能使彈性波僅作用在切痕線的給定區(qū)內(nèi)。這允許在一個切割循環(huán)內(nèi)順序地進行不穿透切割和穿透的切割。在圖6內(nèi)示出這種切割的一個實例，其中在一個循環(huán)內(nèi)切割的開始和結(jié)束是借助不穿透的切痕3進行的，即沒有彈性波的加深切割線的作用，而剩余部分的切割是借助形成穿透的裂紋8而進行至穿透。首先，這種方法允許進行穿透的交叉切割，而不會降低切割線交叉處的切割質(zhì)量，也不需要在交叉處使用輔助的刻痕。其次，它能夠保證高的切割精度和質(zhì)量，因為在完全結(jié)束切割整個的平板為單獨的元件之前，它保持自己的原始的外形和完整性。
建議的脆性的非金屬切料的切割方法還有一個優(yōu)點，是有可能相對于垂直于材料的表面的平面成某個角度進行穿透切割。它能夠這樣做是由于彈性波的波源6的作用線與工具2的刀具的作用線相對于垂直于材料1的表面的平面偏移(圖7)。這種偏移的結(jié)果，穿透切割9的直線相對于垂直于材料的表面的方向傾斜一個角度。這種切割方法在切割盤件或帶有封閉切割外形的其它制件時給出非常好的結(jié)果，因為允許相當容易地由總的半制品中取出切割的零件。在此種情況下，這種傾斜角可以相當小，它實際上不影響切割的精度。
所述的脆性的非金屬材料的切割方法可以使用于切割不僅單層材料，也可以切割層壓板。在圖8內(nèi)示出平板1的切割示意圖，平板1借助膠接劑11與平板10膠接。在此種情況下，彈性波5由平板10的一邊傳播，以及達到切痕3的區(qū)域，切痕加深至平板1的穿透切割8。
在一系列的情況下，由材料的相對的表面放置波導器和聚能器有困難或者是不可能的。然而，可以在材料的體積內(nèi)傳送彈性波，從切痕3的一面進至平板1(圖10和11)。這一切取決于使用的彈性波源的結(jié)構(gòu)和類型。在此種情況下，借助兩個波導器6和兩個聚能器12由工具2的作用面沿切痕線3的兩面同時地聚集兩個彈性波。沿切痕線的兩面彈性波的兩個聚能器的補充作用造成補充的拉伸的體積應力，它導致切痕的加深或?qū)е链┩盖懈?。
下面討論實現(xiàn)建議的方法的一個最簡單的方案，這就是借助使用機械的波導器6和彈性波的聚能器12加深切痕3或?qū)崿F(xiàn)穿透的切割，彈性波是在沖擊器13(圖9)的機械的作用下產(chǎn)生的。機械的波導器6可以制造為直線形，也可以為曲線形，如圖9所示。這種波導器結(jié)構(gòu)避免了由沖擊器13直接地傳送機械沖擊至材料1的表面。在此種情況下，波導器6制造為彎曲的金屬桿形，其端部為聚能器12，一個帶有一定的頂角的錐體，這時錐體的頂部具有半球形，它可以借助對鋼球加壓實現(xiàn)。這保證了聚能器12與材料1的表面的點接觸。聚能器放置為垂直于材料1的表面以及嚴格地處于切痕線3下面的它的形成區(qū)內(nèi)。在此種情況下，聚能器用力P1對材料1的表面上的恒定的機械的作用應為最小，應該不引起材料的任何變形，和應該保證僅有聚能器與材料1的表面接觸。在波導器6和聚能器內(nèi)的彈性波是通過沖擊器13以力P2與波導器6的端部的相互作用而產(chǎn)生的。在與波導器6沖擊時，在其中形成了變形的彈性波，該彈性波沿波導器6傳播和在聚能器內(nèi)集聚。在聚能器與材料1的表面接觸點，變形的彈性波傳送至材料1的體積內(nèi)，以及達到切痕3的頂部，橫向波引起切痕3向材料的深度發(fā)展，直到穿透切割8。
在一系列的情況下，彈性波源同時從被切割材料1的兩面作用的結(jié)合(圖12)是有效的。這種情況對厚板材料的穿透切割最為有效。
在圖13內(nèi)示出一個方案，它將波導器6與聚能器12用于從切痕3的一面與材料1作用。
能夠保證切痕加深的彈性波的頻率范圍是很寬闊的由數(shù)個Hz至高頻振蕩。作為彈性波源可以使用各種不同的方案。在此種情況下，彈性波源可以放置在切痕的一面或者相對的一面，這要根據(jù)使用的彈性波源的類型和使用的設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點而定。
脆性的非金屬材料的切割方法的第二方案的要點如下。
在實現(xiàn)已知方法的切割時，在脆性的非金屬材料平板的表面加熱時，例如用橢圓形激光束2加熱玻璃平板1時，在激光束作用區(qū)產(chǎn)生高的壓縮應力σc，然而其值不足以損壞材料。這是因為材料的壓縮強度極限顯著地超過材料的拉伸或彎曲強度極限。例如，玻璃的壓縮強度極限超過拉伸強度極限8-10倍。壓縮應力隨著激光束沿著切割線的移動在激光束完全經(jīng)過后達到其最大值。借助點致冷劑4對加熱區(qū)的激烈的局部冷卻，例如，由噴嘴供給空氣-水流至材料1的表面層，壓縮應力σc改變其符號至相反的。在產(chǎn)生的拉伸應力σp的作用下，在材料內(nèi)萌生微裂紋3，它跟隨激光束和致冷劑以速度V的相對的移動，在“加熱-冷卻”界面后面擴展。局部的點致冷劑保證僅由薄的表面層導出熱量。因此，在材料體積內(nèi)裂紋3的繼續(xù)擴展被保存在已熱透的材料深度處的體積的壓縮應力σc阻止。
當借助延伸的縫致冷劑(圖14)冷卻加熱區(qū)時，可觀察到完全不同的圖畫。與上述的情況相同，在致冷劑經(jīng)過之后，最大的壓縮應力位于在材料的表面層內(nèi)。在供給致冷劑的最初時刻，在巨大的表面的拉伸應力σp的作用下產(chǎn)生不深的微裂紋。隨著繼續(xù)供給致冷劑至加熱區(qū)，表面的拉伸應力值降低，但體積的拉伸應力增加，它導至裂紋擴展至材料深處直到形成穿透裂紋8。
作為致冷劑可以使用空氣流，專門的氣體混合物，空氣-氣體混合物，氣體-液體混合物，比如空氣-水混合物，或者其它的致冷劑。在此種情況下，供給的混合物中組分的數(shù)量，供給混合物至加熱區(qū)的強度可以調(diào)節(jié)以及根據(jù)材料的厚度和性能，以及對切割過程提出的要求和限制控制，例如，在某些情況下不允許使用水作為致冷劑，它可能污染被切割的材料或在材料表面上形成的專門的涂層和結(jié)構(gòu)。
為了控制裂紋的擴展深度，供給致冷劑的機構(gòu)最好制造為多級的，并且有可能獨立地控制切割過程中的單獨的級。這種方法適合作用于切割不同厚度的材料或帶有不同性能的材料。這就是，供給致冷劑的機構(gòu)(例如多級的縫形噴管)的工作級的數(shù)量，可以根據(jù)材料的厚度及其導熱性選擇。圖15示出使用多級的可控制的冷卻實現(xiàn)可控制切割至給定的深度的示意圖。借助光學系統(tǒng)形成的相對于移動方向延伸的激光束2。照在材料1的表面上。在激光束的后面放置多級的縫噴管14，供給致冷劑4至加熱區(qū)，在此種情況它由獨立的5級組成14-I，14-II，14-III，14-IV，14-V，它們由計算機控制。如果僅有第一級噴管14-I工作，則在材料內(nèi)形成深度δ1的裂紋。如果兩級噴管14-I和14-II工作，則在材料內(nèi)深度δ2的裂紋擴展。如果三級噴管14-I，14-II，14-III工作，則裂紋加深至深度δ3。增加冷卻級的數(shù)量至所需值，例如，至五級，能夠獲得深度δ5的穿透裂紋。
以下按照本發(fā)明的第一方案列出具體的切割的實例。
實例1作為被切割的材料使用厚度0.7mm的玻璃平板。為了制出切痕使用切割器，它具有切割棱角度為120°的金剛石錐體作為切割工具。作為移動玻璃的工具使用雙坐標工作臺，行程為500×400mm，保證移動速度高至500mm/sec。在平板的相對的表面上用彈性波源作用。為此在與材料的表面接觸處對著激光束的作用區(qū)放置機械波聚能器，該機械波聚能器是一個直徑5mm的圓桿，端部為錐形，其頂部終止在一個直徑1.5的半球。聚能器對石英玻璃的表面的壓力為P1＝2-4g以及用于保證在切割時聚能器和材料的恒定的接觸，這就是，使聚能器跟隨平板表面的微不平整度。在波導器的端部用力P2＝45g的沖擊器以頻率為200Hz作用，它在聚能器內(nèi)形成變形的彈性波。當玻璃試樣以速度350mm/sec移動時，金剛石錐體制出深度0.07mm的劃傷形狀的切痕，而在切痕形成區(qū)內(nèi)的彈性波的作用保證了加深切痕至穿透切割。當用力25g和以頻率250Hz用沖擊器作用在波導器端部時，保證了在速度350mm/sec下切痕加深至深度0.5mm。
實例2進行了厚度1.1mm的平板玻璃的切割，平板玻璃切割為盤件，其外徑為65mm和內(nèi)徑為20mm。作為按照規(guī)定外形制出切痕用的工具使用了硬質(zhì)合金滾柱，其直徑為7mm和刃磨角度為95°。作為彈性波源使用上述的實例中的說明的裝置。在此種情況下，硬質(zhì)合金滾柱和彈性波的聚能器在垂直于材料的表面的平面上彼此偏移到給定的幾何尺寸的較大的容差側(cè)0.025mm。這樣就保證了穿透的傾斜的切割的形成，同樣也保證了盤件的內(nèi)部分和外部分毛邊的分離，而不會損傷盤件基本工作部分的材料。
實例3進行了厚度2.2mm的石英平板玻璃的切割。作為制出切痕用的刀具使用了硬質(zhì)合金滾柱，其刃磨角度為115°。為了加深深度為0.15mm的切痕，在滾柱的后面同時用兩個彈性波的聚能器從制出切痕的一面作用，彈性波聚能器相對于切痕線沿兩面彼此相距3mm。在波導器的端部用力為80g的沖擊器以頻率150Hz作用。當切割速度為300mm/sec時產(chǎn)生帶有穿透分離的切割。
在全部上述的三個實例中，使用變形的單性波源和聚能器，它是借助沖擊器對波導器的端部的機械作用形成的。在此種情況下，如上述指出，沒有產(chǎn)生從聚能器一側(cè)產(chǎn)生的對材料表面的機械作用。與此同時，在使用一系列的其它的彈性波源的情況下，進行了試驗和獲得了正面的結(jié)果。
實例4作為被切割的材料使用了厚度0.8mm的石英玻璃平板。為了進行切割試驗，使用了功率為85W的具有多路CO2激光器的裝置，和雙坐標的工作臺，其行程為550×650mm，保證移動速度高至750mm/sec。激光器的輻射借助球形-圓柱形硒化鋅光學器件聚焦在材料的表面上，保證在石英玻璃的表面上的輻射功率密度為約20W/mm2。在石英玻璃平板的相對的表面上用彈性波源作用。為此在材料表面接觸處對著激光束的作用區(qū)放置機械波聚能器，它是一個直徑5mm的圓桿，端部為錐形，其頂部終止在一個直徑1.5mm的半球。聚能器對石英玻璃的表面的壓力為P1＝2-4g，以及用于保證在切割時聚能器和材料的恒定的接觸，這就是，為了使平板表面的微不平整隨聚能器動作，在波導器的端部用力P2＝40g的沖擊器以頻率為300Hz作用，它在聚能器內(nèi)形成變形的彈性波。當石英玻璃試樣以速度350mm/sec移動時，激光束制出深度0.09mm的微裂紋形的切痕，而在切痕形成區(qū)的彈性波的作用保證了切痕加深至穿透切割。在此種情況下，切割和分離以速度350mm/sec同時進行。
非常有趣的是借助使用脈沖的激光輻射加熱材料的表面或體積形成彈性波用于加深材料內(nèi)的切痕。雖然這樣導致所用的設(shè)備的價格一定的增加，但在許多情況下這一步是合理的。這種方法的結(jié)果列于實例5。
實例5作為被切割的材料使用了厚度0.7mm的玻璃平板。為了進行切割試驗，使用了具有功率為100W的多路CO2激光器的裝置，用于進行材料表面上的切痕的制出和用功率高至85W的第二脈沖CO2激光器并帶有可調(diào)節(jié)的輻射頻率至40MHz，用于在材料內(nèi)形成彈性波。玻璃借助雙坐標工作臺移動，其行程為670×720mm，保證移動速度高至750mm/sec。第一激光器的輻射借助球形-圓柱形硒化鋅光學器件聚焦在材料的表面上，它保證形成長度45mm的橢圓形激光束。在玻璃以速度350mm/sec移動時，在激光束和致冷劑的作用下制出在玻璃內(nèi)深度為0.12mm的切痕。脈沖激光器的輻射是借助光學系統(tǒng)形成為直徑1mm的兩個激光束，該兩個激光束位于切痕的兩面，彼此相距為1.5mm。在切痕形成區(qū)內(nèi)以頻率100Hz的彈性波的作用保證切痕加深至穿透切割。在此種情況下，切割和分離以速度350mm/sec同時進行。
由于彈性波的作用集中在材料非常狹窄的限制的體積內(nèi)的激光切痕區(qū)內(nèi)，它允許進行在彼此非常接近的情況下的相鄰的切割?？梢赃M行正方的或矩形的毛坯的切割，其最小的尺寸能夠不大于原始材料的厚度。例如，成功地從厚度1.1mm的玻璃切割尺寸為1.1×1.1的方形塊，或從厚度3mm的玻璃切割尺寸為2.5×2.5mm的塊。
以下列出按照本發(fā)明的第二方案對不同的脆性的非金屬材料的具體的切割實例。
實例6進行了厚度0.7mm的硼硅酸鹽平板玻璃的切割，使用帶有專門的新型結(jié)構(gòu)的CO2激光器的輻射，波長為10.6μm和功率為95W。借助球形-圓柱形的ZnSe物鏡將激光器的輻射聚焦在玻璃的表面上，保證在長度45mm的切割區(qū)內(nèi)形成橢圓形的激光束。切割按照下列的順序進行。借助真空將玻璃平板固定在坐標工作臺上。帶有固定的玻璃平板的坐標工作臺以給定的速度移動。供給激光器輻射至移動的玻璃平板的表面上，在激光束的后面借助五級的縫噴管供給空氣-氣體混合物形式的致冷劑。每級縫噴管具有長度9mm的縫隙，沿切割線取向。進行了玻璃平板的切割，并帶有以下不同的冷卻條件1.使用傳統(tǒng)的單噴管冷卻；2.使用五級噴管中的一級縫噴管冷卻；3.使用五級噴管中的兩級縫噴管冷卻；4.使用五級噴管中的三級縫噴管冷卻；5.使用五級噴管中的四級縫噴管冷卻；6.使用五級噴管中的五級縫噴管冷卻。
對于每種測定了穿透切割的最大速度和帶有微裂紋的切割的最大速度。試驗的結(jié)果列于表1.在表中使用下列的代號字母M-帶有微裂紋的不穿透切割；字母C-穿透切割；符號“-”-無切割。
表1

實例7作為被切割材料使用了直徑50.8mm和厚度0.43mm的藍寶石襯底。為了切割使用了多路式CO2激光器，帶有專門的新型結(jié)構(gòu)，功率75W。借助雙透鏡物鏡將激光束聚焦到襯底的表面上，聚光束呈長度7mm的束狀，在切割方向上延伸。作為致冷劑，使用壓縮的加濕氣體流，借助長度9mm的縫噴管供給。在速度350至700mm/sec時產(chǎn)生藍寶石襯底的穿透切割，在繼續(xù)增加速度時切割的進行是制出切痕至一個深度，該深度隨著平板相對于激光束和致冷劑的移動速度的增加而減少。最大的不穿透切割速度為1100mm/sec。
本發(fā)明能夠使用于不同的技術(shù)行業(yè)，適用于廣闊種類材料的高精度和高生產(chǎn)率切割，既能夠切至被切割材料的全厚度，也可以切至任何給定的深度。在此種情況下，有可能在沿一條切割線切割的過程中交錯地進行穿透的切割和至給定深度的不穿透切割。本發(fā)明能夠高效率地使用于厚度為0.1至20mm的玻璃的穿透切割，包括在玻璃的加工過程進行這種切割。此外，保證了帶有交叉的切割線的切割，而不會損害交叉點處的切割質(zhì)量。還保證了既可切割單層材料，也可切割層壓件，它在切割一些制件時尤其重要，比如平的顯示屏(FPD)，其中包括液晶顯示屏(LCD)。本發(fā)明的另一特點是有可能得到與材料的表面成直角的穿透切割，也可以得到與被切割材料的表面傾斜的穿透切割。在切割盤件和帶有封閉外形的其它制件時后一種方法非常重要。
權(quán)利要求
1.一種脆性的非金屬材料的切割方法，包括借助激光束沿切割線加熱材料的表面以制出沿切割線的切痕，以及補充作用在材料的表面上，其特征在于，在材料表面上的補充的作用是在制出切痕區(qū)使用至少一個彈性波源實現(xiàn)的，其中彈性波的振幅和頻率的選擇的條件是加深切痕至規(guī)定的深度或得到穿透切割。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，在使用激光束沿切割線加熱材料的表面后，借助致冷劑補充地冷卻加熱區(qū)，同時彈性波作用在供給致冷劑的區(qū)域內(nèi)。
3.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，沿切割線制出切痕是借助使用兩個激光束沿切割線加熱材料的表面實現(xiàn)的，兩個激光束位于材料的表面上，在垂直于激光束和材料的相對的移動方向的方向上彼此保持預定的距離。
4.按照權(quán)利要求1-3中任一項的方法，其特征在于，彈性波集中在沿切割線形成切痕的區(qū)域內(nèi)材料的體積內(nèi)。
5.按照權(quán)利要求1-3中任一項的方法，其特征在于，作為彈性波源使用脈沖的激光輻射，所述材料不能透過這種輻射的。
6.按照權(quán)利要求1-5中任一項的方法，其特征在于，沿切痕線彈性波的作用是在制出切痕的過程完成后進行的。
7.按照權(quán)利要求1-6中任一項的方法，其特征在于，彈性波僅在沿切割線的材料的預定區(qū)內(nèi)作用在材料的表面上。
8.按照權(quán)利要求1-7中任一項的方法，其特征在于，彈性波源的作用線與切痕線在垂直于材料的表面的平面上彼此偏移。
9.按照權(quán)利要求1-8中任何一項的方法，其特征在于，在沿兩面相對于切痕線用工具制出切痕之后，由制出切痕的一面同時聚集兩個彈性波。
10.按照權(quán)利要求9的方法，其特征在于，在切痕區(qū)域的材料的體積中同時聚集一個彈性波，作用于一個區(qū)域內(nèi)材料的相對的表面，此區(qū)域位于在形成切痕的材料一側(cè)聚集的兩個彈性波作用區(qū)域之間。
11.一種脆性的非金屬材料的切割方法，包括沿切割線制出切痕以及補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線用沿著它延伸的激光束加熱材料的表面以及局部地冷卻加熱區(qū)實現(xiàn)的，而在材料表面上的補充作用是借助順序地冷卻加熱區(qū)內(nèi)切割線上的每一點實現(xiàn)的，進行冷卻的時間與此點的加熱時間相等。
12.按照權(quán)利要求11的方法，其特征在于，冷卻的持續(xù)時間是根據(jù)材料的厚度、熱物理性能和獲得規(guī)定深度的切割條件選擇的。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提高脆性的非金屬材料的切割生產(chǎn)率和質(zhì)量。在第一方案中，達到此目的是借助提供脆性的非金屬材料的切割方法，包括沿切割線制出切痕和補充作用在材料的表面上，其特征在于在材料表面上的補充的作用是在制出切痕區(qū)使用至少一個彈性波源實現(xiàn)的，這時彈性波的振幅和頻率的選擇的條件是加深切痕至規(guī)定的深度或穿透切割。在第二方案中，達到提出的目的是借助下列方法，切痕的制出是用沿切割線用沿著它延伸的激光束加熱材料的表面以及局部地冷卻加熱區(qū)實現(xiàn)的，而在材料表面上的補充作用是借助順序地冷卻加熱區(qū)內(nèi)切割線上的每一個點實現(xiàn)的，其時間期限可以與此點的加熱期限等量。冷卻的持續(xù)時間是根據(jù)材料的厚度及熱物理性能結(jié)合獲得規(guī)定深度的切割條件選擇的。
文檔編號C03B33/09GK1529680SQ02814318
公開日2004年9月15日 申請日期2002年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月25日
發(fā)明者弗拉基米爾·斯捷潘諾維奇·孔德拉堅科, 弗拉基米爾 斯捷潘諾維奇 孔德拉堅科 申請人:弗拉基米爾·斯捷潘諾維奇·孔德拉堅科, 弗拉基米爾 斯捷潘諾維奇 孔德拉堅