[发明专利]切割脆性材料的方法

说明书

要求美国申请优先权

本申请要求2009年11月18日提交的美国申请系列第12/621068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

本发明涉及一种对脆性材料(如玻璃或陶瓷材料)划线和/或分割的方法。

背景技术

一种切割脆性材料的方法包括在脆性材料表面形成机械划痕，划痕可以产生主要沿与材料表面垂直的方向延伸的小裂纹，其有时被称为开孔裂纹(vent crack)或简单地被称为开孔。向划痕线施加压力，则横穿划痕线产生拉应力(紧接着是开孔裂纹)，使得开孔增大以至于扩展到材料的整个厚度，从而将材料分割成若干块。例如该压力可以通过弯曲材料来施加，因此术语“划线和折断”常被用于表示该技术。

通过机械使用硬质刻划轮或划线器形成划痕的机械划线和折断方法在脆性材料表面以及一定深度内产生实质性的破坏，因此分割块的边缘由于划线过程中产生的小裂纹或碎片的存在而被削弱。

为了降低损坏，发展起一种使用激光束形成划痕线后再施加压力的激光划线技术。根据此技术，使用激光束加热脆性材料表面，然后冷却液体被施加到加热后的玻璃上，而附随的高应力可以在脆性材料的表面上产生破裂，并形成一个开孔裂纹。随后施加弯曲应力发生分割。此技术的变化包括一种称为通体分离的技术，其差异在于并不是先形成一个划痕线，而是进行加热和冷却并足以形成延伸到脆性材料整个厚度的开孔，而并不需要施加后续的弯曲应力。虽然已经证明激光划线优于机械划线，但激光划线技术仍存在不稳定的缺点，这主要是冷却阶段的结果。

发明概述

本发明公开了一种分割脆性材料(如玻璃片)的方法。本方法采用激光沿预定路线加热脆性材料，随后施加由喷嘴喷出的例如水的冷却液体流冷却加热后的预定路线。喷嘴可以产生至少约30mm、优选超过50mm的基本上呈柱状(即基本上圆柱状)的流束。流束柱状部分的长度称为流束的相干长度(coherence length)。已经发现，若流束相干部分沿加热后的预定路线与脆性材料接触，分割步骤的稳定性，如划痕或切口的直线性，开孔深度的一致性以及整个步骤的可重复性可以得到显著的提高。

在一个实施方式中，在脆性材料上形成开孔裂纹的方法包括采用激光沿预定路线加热脆性材料的表面，采用由喷嘴产生的冷却液体的相干射流冷却脆性材料加热后的表面，射流的相干长度等于或大于50mm，其直径范围在约70微米到约150微米之间，其中从喷嘴的喷口到脆性材料表面之间的工作距离小于射流的相干长度。

优选地，由具有圆形对称喷口的收敛形喷嘴形成冷却液体的相干射流。在其它的实施方式中，由具有圆形对称喷口并带有直壁(straight walled)喷孔的喷嘴形成冷却液体的相干射流。喷嘴的喷口与脆性材料表面之间的工作距离大于5mm，在有些情况下可以超过50mm。

脆性材料可以是玻璃，在有些实施方式中，是诸如熔融下拉法加工制作的连续玻璃带。

若脆性材料通过施加机械压力来分割，则开孔裂纹可以包括划痕(划痕线)，在此情况下，可以通过弯曲使得横穿划痕线产生拉应力，或者可以在材料上施加线性力以产生张力(例如，施加拉力)。

在其他情况下，开孔裂纹可以在冷却后扩展到脆性材料的整个厚度，最终将脆性材料切割。

本方法的一些应用包括切割玻璃带，其中玻璃带的温度超过300℃。玻璃带可以是非平面的，这时射流的长工作距离(例如长的相干长度)允许在不调整喷嘴与带状物表面之间相对位置的情况下进行切割和/或划线。更确切地说，喷嘴的喷口与脆性材料表面之间的距离沿预定路线发生改变，但对所形成的开孔裂纹性质影响却并不显著。

优选地，喷嘴里冷却液体的压力在约0.35kg/cm²至约0.70kg/cm²之间。

在另一个实施方式中，公开了一种分割玻璃带边缘的方法，包括形成连续的玻璃带，该连续玻璃带包括粘性区域和弹性区域，采用激光在弹性区域内沿预定路线加热连续玻璃带表面。然后利用由喷嘴喷洒的冷却液体相干射流冷却加热的预定路线，其中该射流的相干长度等于或大于50mm，直径在约70微米至约150微米之间，从而在连续玻璃带上分割出边缘部分。喷嘴的喷口与连续玻璃带表面之间的工作距离小于射流的相干长度。