CN107520541B - 激光切割脆性材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光切割脆性材料的方法，属于激光加工领域。激光切割方法包括以下步骤：沿切割路径利用热激光照射带切割脆性材料以使待切割脆性材料形成分别位于切割路径相对两侧的第一区域和第二区域。沿切割路径利用非热激光照射待切割脆性材料。使第一区域和第二区域分离的折断步骤。通过非热激光作用于脆性材料之前，利用热激光作用于脆性材料，使其局部温度增加进而软化，从而抑制切割过程中出现脆性材料出现微裂纹和碎片，防止脆性材料的不可控折断。

Description

激光切割脆性材料的方法

技术领域

本发明涉及激光加工领域，具体而言，涉及一种激光切割脆性材料的方法。

背景技术

在传统机械加工中，高精度和生产效率是逆相关的，因而，确保在适当的生产效率下实现高精度和高质量就比较困难，尤其是，由脆性材料(诸如玻璃、晶体材料、陶瓷等)以高精度制造2D或3D工件。目前，制造商正在越来越多地依靠激光系统进行高精度加工以提高产量和生产效率。然而，用激光系统处理这些脆性材料却存在一些问题，虽然已经进行了一些尝试，但是还没有能够具有成本低、可重复性且能够实现好的切割效果的激光切割方法。在现有的激光切割方法在加工过程中，容易使脆性材料产生微裂缝和碎片，如果未适当控制，切割期间生成的裂缝会引起不受控制的折断。为了克服这些问题，传统的激光处理常常放慢速度，导致生产效率损失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光切割脆性材料的方法，以减少切割过程中脆性材料的微裂缝和碎片，提高切割操作的效率和制作的工件的质量。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

一种激光切割脆性材料的方法，包括以下步骤：

沿切割路径利用热激光照射脆性材以使脆性材料形成分别位于切割路径相对两侧的第一区域和第二区域；

沿切割路径利用非热激光照射脆性材料；以及

使第一区域和第二区域分离的折断步骤。

本发明实施例的激光切割脆性材料的方法的有益效果是：

该激光切割方法采用热激光和非热激光组合照射待切割脆性材料，然后再进行折断操作。提前利用热激光照射待切割脆性材料可以减少折断提取工件时待切割脆性材料的微裂纹和碎片的问题。另外，通过热激光对待切割脆性材料进行预先处理，再使用非热激光照射待切割脆性材料，然后进行折断的切割方式可使切割速度提高，提高效率并且可获得质量更高的零件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1本发明实施例提供的脆性材料激光切割方法的第一种示意图；

图2本发明实施例提供的脆性材料激光切割方法的第二种示意图；

图3示出了本发明实施例提供的脆性材料激光切割方法的在脆性材形成的第一区域和第二区域的示意图；

图4示出了本发明实施例提供的脆性材料激光切割方法中的脆性材料机械折断分离过程的示意图。

附图标记说明：

待切割脆性材料100；切割方向101；切割路径102；热激光103；

非热激光104；第一区域105；第二区域106；第一软化区107；

第二软化区108；第一距离109；第二距离110；主动挤压辊111；

静止挤压辊112；热激光器201；非热激光器202。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

参阅图1至图4，一种激光切割脆性材料的方法，包括以下步骤：

步骤S101：沿切割路径102利用热激光103照射待切割脆性材料100以使待切割脆性材料100形成分别位于切割路径102相对两侧的第一区域105和第二区域106。

步骤S102：沿切割路径102利用非热激光104照射待切割脆性材料100。

步骤S103：使第一区域105和第二区域106分离的折断步骤。

本实施例提供的激光切割的方法可用于易碎的脆性材料的加工，可以进行简单的线性切割操作，例如，直线、大曲线，或者从脆性材料中切割出2D和3D工件。该激光切割方法也可以用于对其他材料进行切割，本发明不对其具体的切割对象进行限定。

实施例中提及的脆性材料包括，但不限于诸如玻璃、晶体材料以及陶瓷，脆性材料的厚度也具有较宽的范围。

玻璃例如可以是透明、半透明、有色玻璃。晶体材料可以是石英、蓝宝石等。

脆性材料可用于诸如显示设备、各种透镜、LTCC基板等等。脆性材料的形状也可以有多种选择，例如可以是规则的平板、柱形(圆柱或棱柱、圆台、圆锥)，或者其它异形构造的结构。

切割路径102可以由激光连续地照射到待切割脆性材料(如直线)，或者也可由激光间隔地照射到待切割脆性材料形成(如间断线)。当切割路径102由激光间隔地照射到待切割脆性材料形成时，切割路径102的间隔距离可根据热激光103和非热激光104的光斑的尺寸以及作用于待切割脆性材料100的区域(受激光影响的区域)的尺寸进行限定。

本实施例中的热激光103的限制参数可以采用如下所示：

脉冲宽度：>1ns或连续波，脉冲宽度是指激光的功率维持在特定值所持续的时间，连续波即指激光以连续的方式输出，其在特定功率的持续时间达到纳秒(10^-9秒)或皮秒(10^-12秒)；

激光功率：≥5W；

波长：红外。

实施例中的非热激光104的限制参数可以采用如下所示：

脉冲宽度：≤30ps；

能量/脉冲：≥1μJ，每一个脉冲，激光所含有的能量；

重复频率：>10KHz；

波长：红外、紫外或绿色，绿色是指在可见光区、且波长为500～560nm；

脉冲模式：单脉冲或突发模式。

以上提及的热激光103和非热激光104可以由气体激光器、固体激光器、半导体激光器等产生，气体激光器例如可以采用CO₂激光器。

热激光103和非热激光104的具体参数可根据激光与待切割脆性材料100间的相互作用情况进行选择，本发明并不对其作限定。前述激光与待切割脆性材料100间的相互作用情况，包括但不限于待切割脆性材料100对激光的吸收、反射、投射等特性，以及待切割脆性材料100受激光照射后的形变、物理性能(屈服强度、密度、带隙等等)。

在步骤S101中，热激光103对待切割脆性材料100进行照射时，热激光103和待切割脆性材料100可以相互运动，通过不同的机构或者组件来实现。热激光103和待切割脆性材料100可以其中一个固定，另一个运动。

具体地，例如，可以是产生热激光103的热激光器201固定，待切割脆性材料100相对于热激光器201移动，并且待切割脆性材料100的移动以热激光103的光斑在待切割脆性材料100表面的运动路径与切割路径102方向一致。

或者还可以是：待切割脆性材料100固定，产生热激光103的热激光器201相对于待切割脆性材料100移动，并且热激光器201的移动以热激光103的光斑在待切割脆性材料100表面的运动路径与切割路径102方向一致。

在步骤S102中，非热激光104对待切割脆性材料100的照射时，非热激光104和待切割脆性材料100也可以由不同构造或者机构装置控制进行相互运动。非热激光104和待切割脆性材料100可以其中一个固定，另一个运动。

具体地，例如，可以是产生非热激光104的非热激光器202固定，待切割脆性材料100相对于非热激光器202移动，并且待切割脆性材料100的移动以非热激光104的光斑在待切割脆性材料100表面的运动路径与切割路径102方向一致。

或者还可以是：待切割脆性材料100固定，产生非热激光104的非热激光器202相对于待切割脆性材料100移动，并且非热激光器202的移动以非热激光104的光斑在待切割脆性材料100表面的运动路径与切割路径102方向一致。

在步骤S101和步骤S102中，以上所提及的产生热激光103的热激光器201和产生非热激光104的非热激光器202可以是分别独立设置，也可是集成在一个装置中，并且热激光器201和非热激光器202可利用控制系统调节其移动方式。

热激光器201和非热激光器202分别独立设置时，两者可以分别独立地运动或者静止，并且还可独立产生热激光103或者非热激光104。具体地，热激光器201工作并出射热激光103，同时非热激光器202停止工作；当热激光103沿切割路径102工作后，热激光器201停止工作，非热激光器202工作并出射非热激光104，且沿切割路径102工作。此时，步骤S101和步骤S102依次进行，请参阅图1。

热激光器201和非热激光器202集成设置在一个装置中时，热激光器201和非热激光器202可以线性方式排列，例如，在切割方向101上，热激光器201产生的热激光103在前，非热激光器202产生的非热激光104在后。此时，步骤S101和步骤S102依次进行。

上述，步骤S101和步骤S102依次进行的方案实现的效果是：随着热激光器201、非热激光器202以及待切割脆性材料100间的相互运动，在切割方向101上，热激光103首先作用于切割路径102的待切割脆性材料100表面，然后非热激光104再作用于切割路径102的待切割脆性材料100的表面，从而使待切割脆性材料100依次受到热激光103和非热激光104的处理。

此外，热激光器201和非热激光器202整合设置在一个集成装置中时，热激光103和非热激光104在待切割脆性材料100表面形成的光斑均照射到待切割脆性材料100的同一个位置，热激光103和非热激光104沿切割路径102运动。此时，步骤S101和步骤S102依次进行，请参阅图2。需要注意的，热激光103和非热激光104照射到待切割脆性材料100的同一个位置指的是：热激光103和非热激光104空间位置重叠，但是在时间上，仍是热激光103在前，非热激光104在后。

以上步骤S101和步骤S102依次进行或者同时进行的过程中，热激光器201和非热激光器202均可以为单个或多个。需要注意的是，热激光103和非热激光104的出射光束可以一个光点(照射于待切割脆性材料100形成一个光斑)，热激光103和非热激光104连续运动，以形成连续的切割路径102，或者还可间隔的方式进行运动，形成多段的且相互间隔一定距离的切割路径102。热激光103可以多个光源组合，非热激光104也可以多个光源组合，从而使得出射光束的形状可以使圆环形(切割路径为圆形)、矩形(切割路径为矩形)等等。

另外，热激光103和非热激光104的出射光束除了可以是点光源，也可以是面光源。当激光为面光源时，激光可以沿切割路径102排列，从而激光可一次性直接作用于待切割脆性的全部切割路径102。面光源的激光的出射光束，在待切割脆性材料100的切割路径102上，热激光103或非热激光104可同时照射所有切割路径102或者照射切割路径102的一部分。

需要注意的是，在切割过程中，还可以对热激光103、非热激光104的具体参数以及光斑尺寸调节，以便获得更好的切割效果。热激光103和非热激光104的光斑的大小和形状可相同，也可不相同。热激光103光斑和非热激光104光斑尺寸，还可根据待切割脆性材料100的具体的性质和切割方式进行组合。例如，热激光103和非热激光104的光斑均为圆形，且热激光103的光斑的直径大于非热激光104的光斑的直径。对待切割脆性材料100进行切割时，热激光103作用于切割路径102与非热激光104作用于切割路径102之间的时间间隔可根据需要进行增减，或者还可以控制热激光103和非热激光104沿且切割路径102的运动速度。

本发明提供的脆性材料的激光切割方法通过热激光103使待切割脆性材料100的温度大幅度升高，其局部软化，以抑制在后续的非热激光104照射步骤和折断步骤中产生的微裂纹、碎片，从而获得较高的加工速度和效率。

在非热激光104处理待切割脆性材料100之前，以热激光103冲击在待切割脆性材料100表面，使待切割脆性材料100的温度局部增加，例如，待切割脆性材料100暴露于非热激光104之前，将待切割脆性材料100暴露于热激光103，使待切割脆性材料100的温度升高至比其软化点温度高最多20％。

较佳地，通过合理设计热激光103、非热激光104的光斑的大小和相互之间位置、运动速度，使激光的50％的能量集中在切割路径102上。

由于热激光103的对待切割脆性材料100的热效应较高，因此，可以使热激光103的能量在切割方向101，于待切割脆性材料100表面进行受控制的空间分布，从而在热激光103照射待切割脆性材料100的步骤中，第一区域105在距离切割路径102的第一距离109范围内形成第一软化区107，同时第二区域106在距离切割路径102的第二距离110范围内形成第二软化区108，请参阅图3。第一距离109在切割路径102的延伸方向上保持不变，第二距离110在切割路径102的延伸方向上保持不变，或者，第一距离109、第二距离110均在切割路径102上变化。另外，第一距离109和第二距离110可以相等或者不等。在第一软化区107和第二软化区108，待切割脆性材料100的密度梯度和内部的应力梯度更小，更不易引起不可控裂缝、碎片以及折断的情况发生。

在步骤S101和步骤S102中，切割路径102可以是直线、大曲线，或者用于从待切割脆性材料100中切割出2D和3D工件的立体切割线。

在步骤S103中，折断步骤是利用热激光103沿切割路径102照射待切割脆性材料100，即利用热激光103的热效用使待切割脆性材料100熔化而将第一区域105和第二区域106自动分离开。同时，还可以利用气体的方式对切割路径102附近区域进行冷却或者加热，吹走脆性材料废屑。

除了采用上述热激光103执行折断步骤之外，还可采用机械折断分离的方式执行折断步骤。机械折断分离操作包括如利用气体冲击、震动或者声能等。具体地，气体冲击例如可以使用高压气体喷嘴向待切割脆性材料100的切割路径102进行喷射高速气体，利用高速气体的动能冲击待切割脆性材料100实现切割路径102的两侧的第一区域105和第二区域106的分离。或者还可以直接利用机械接触，如在待切割脆性材料100的背离切割路径102的一侧设置一个主动挤压辊111，在切割路径102侧分别于第一区域105和第二区域106设置一个静止挤压辊112，然后通过主动挤压辊111向脆性材料施加一个向静止挤压辊112的作用力，从而实现第一区域105和第二区域106的分离，请参阅图4。

利用本发明提供的激光切割脆性材料的方法，对未增强的铝硅酸盐玻璃进行切割，可以实现碎裂尺寸<50μm、微裂缝<10μm，弯曲强度>100Mpa，以及有效的进给速率>20mm/s。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (9)

1.一种激光切割脆性材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

沿切割路径利用热激光照射待切割脆性材料，以使所述待切割脆性材料形成分别位于所述切割路径相对两侧的第一区域和第二区域；

沿所述切割路径利用非热激光照射所述待切割脆性材料；以及

使所述第一区域和所述第二区域分离的折断步骤；

所述热激光的脉冲宽度：>1ns；

所述非热激光的脉冲宽度：≤30ps；

在所述热激光照射所述待切割脆性材料的步骤中，所述第一区域在距离所述切割路径的第一距离范围内形成第一软化区，所述第二区域在距离所述切割路径的第二距离范围内形成第二软化区。

2.根据权利要求1所述的激光切割脆性材料的方法，其特征在于，所述折断步骤是利用所述热激光沿所述切割路径照射所述待切割脆性材料。

3.根据权利要求1所述的激光切割脆性材料的方法，其特征在于，所述折断步骤是机械折断分离。

4.根据权利要求3所述的激光切割脆性材料的方法，其特征在于，所述机械折断分离包括利用气体冲击、震动或者声能进行折断分离。

5.根据权利要求1所述的激光切割脆性材料的方法，其特征在于，所述热激光照射所述待切割脆性材料的步骤和所述非热激光照射所述待切割脆性材料的步骤同时进行。

6.根据权利要求1所述的激光切割脆性材料的方法，其特征在于，所述热激光照射所述待切割脆性材料的步骤完成之后，进行所述非热激光照射所述待切割脆性材料的步骤。

7.根据权利要求1所述的激光切割脆性材料的方法，其特征在于，所述非热激光照射所述待切割脆性材料之前，利用热激光照射所述待切割脆性材料，使所述待切割脆性材料的温度升高至比所述待切割脆性材料的软化点温度高最多20％。

8.根据权利要求1所述的激光切割脆性材料的方法，其特征在于，所述待切割脆性材料包括玻璃、蓝宝石以及陶瓷。

9.根据权利要求1所述的激光切割脆性材料的方法，其特征在于，所述非热激光的参数为：

能量/脉冲：≥1μJ；

重复频率：>10KHz；

波长：红外、绿色或紫外；

脉冲模式：单脉冲或突发模式；

所述热激光的参数为：

激光功率：≥5W；

波长：红外。

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