CN108789886B - 一种透明硬脆材料的切割裂片方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光加工领域，特别涉及一种透明硬脆材料的切割裂片方法。该方法可以减少激光切割裂片过程中容易出现的缺陷和残留问题，大大提高了透明硬脆材料激光加工的良率。该方法的具体步骤是：【S1】将待加工件进行固定；【S2】对待加工件进行第一次切割；【S3】对待加工件进行第二次切割；【S4】对待加工件进行裂片处理。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工领域，特别涉及一种透明硬脆材料的切割裂片方法。
背景技术
最近几年透明硬脆材料，如玻璃在电子行业的应用越来越广泛，显示器、各种盖板都离不开玻璃制品，因此玻璃产品的需求量与日俱增，行业对玻璃加工的要求也越来越高。随着各种电子产品特别是手机朝着更轻更薄的方向发展，玻璃盖板和显示内屏的加工难度上升到一个新的高度，显示内屏玻璃的厚度甚至达到了0.2mm，如何加工薄玻璃成为玻璃切割领域的关键和难题。
玻璃切割目前主要采用两种加工方式，传统机械加工和激光加工。针对电子行业的薄玻璃加工领域(厚度0.7mm以下)，机械加工主要采用CNC的方式，这种方式工艺稳定，良率和精度高，但由于薄玻璃强度低易碎和机械加工接触式的特点，这种方式的加工效率很低。
随着玻璃制品的产能需求越来越大，激光加工的方式开始应用于玻璃切割领域，并逐渐形成了隐形切割法和丝切割法两种高效玻璃激光加工方法，由于激光加工特有的非接触性和穿透性，激光加工玻璃效率明显提升，且加工精度很高。
除了传统的直线切割，手机显示内屏的R角和U槽切割加工已经开始广泛应用这种加工方式，即异形样的切割裂片。这种加工方式主要分为激光切割和裂片两步，首先采用隐形切割法或者丝切割法切割玻璃，玻璃并没有完全切开，之后再采用裂片的方式将玻璃完全沿切割道裂开。但这种异形样的裂片方式依然存在良率不高的缺点，裂片的工序容易产生不良品，造成不良品的原因主要有两个：
一个是切割完成后玻璃切割道内部还存在一些残余应力，这些残余应力并未完全释放，造成在裂片过程中产品的崩边或者挂渣等缺陷；
另一个原因是由于异形切割道存在明显的弧度，切割道两端的切角部分很难裂片，目前采用的裂片工序无论是机械裂片还是超声裂片都是玻璃与裂片刀头的刚性接触，在玻璃R角和U槽的切割裂片过程中，由于受力不均匀，边角的两端容易残留，裂片无法完整裂开。因此如何解决R角和U槽裂片缺陷和残留问题，提高玻璃的加工良率是需要解决的难题。
发明内容
为了克服现有技术中的不足之处，本发明提供了一种透明硬脆材料的切割裂片方法,利用该方法可以减少激光切割裂片过程中容易出现的缺陷和残留问题，大大提高透明硬脆材料激光加工的良率。
为了实现上述目的，本发明提供了一种透明硬脆材料的切割裂片方法，其步骤包括：
【S1】将待加工件进行固定；
【S2】对待加工件进行第一次切割；
【S2.1】设定激光束的运动轨迹和偏振方向，保证激光束的偏振方向始终沿运动轨迹的切线方向；所述偏振方向是激光束的线偏振方向；
【S2.2】启动第一次切割工艺，激光束沿步骤【S2.1】设定好的运动轨迹切割玻璃；
【S3】对待加工件进行第二次切割；
【S3.1】修改激光束的运动轨迹和偏振方向，保证激光束的偏振方向始终沿运动轨迹的法线方向；
【S3.2】启动第二次切割工艺，激光束沿步骤【S3.1】设定好的运动轨迹切割玻璃，释放一次切割后的残余应力，所述残余应力为进行完步骤【S2.1】后残留在玻璃切割道内的应力；
【S4】对待加工件进行裂片处理；
设定裂片参数，启动裂片工艺，采用弹性裂片部与待加工件接触、挤压，从而实现裂片，消除裂片残留，所述裂片残留为切割道的两端端部没有被裂开的残留玻璃。
进一步地，上述步骤【S4】的裂片工艺包括三次或以上次数的裂片；当待加工件的切割道为R角时，具体裂片步骤是：
1)建立坐标系XYZ，其中X轴和Y轴构成的平面与待加工件平行，Z轴分别垂直于X轴和Y轴；
2)第一次裂片；
沿Z轴方向竖直向上，使待加工件的R角部分完全抵接弹性裂片部，进行第一次裂片；
3)第二次裂片；
使得待加工件的R角部分沿顺时针方向绕旋转轴线旋转5-10°，进行第二次裂片；所述旋转轴线为R角顶点与R角圆心的连线；
4)第三次裂片；
使弹性裂片部和待加工件的R角部分完全接触，使待加工件的R角部分沿旋转轴线逆时针旋转5-10°，进行第三次裂片，从而裂片完成。
进一步地，上述步骤【S4】的裂片工艺包括三次或以上次数的裂片；当待加工件的切割道为U槽时，具体裂片步骤是：
1)建立坐标系XYZ，其中X轴和Y轴构成的平面与待加工件平行，Z轴分别垂直于X轴和Y轴；
2)第一次裂片；
沿Z轴方向竖直向上，使待加工件的U槽部分完全抵接弹性裂片部，进行第一次裂片；
3)第二次裂片；
使得待加工件的U槽部分沿顺时针方向绕旋转轴线旋转5-10°，进行第二次裂片；所述旋转轴线为与U槽开口面平行的轴线；
4)第三次裂片；
使弹性裂片部和待加工件的U槽部分完全接触，使待加工件的U槽部分沿旋转轴线继续顺时针旋转5-10°，进行第三次裂片；
5)检查U槽是否完全裂开，若没有完全裂开，再次重复步骤4)进行裂片，直至完全裂片成功为止。
进一步地，上述步骤【S2.2】的第一次切割工艺具体是：激光功率为10-100W，激光脉冲频率20kHz-200kHz，扫描速度0.1m/s-1m/s，激光束的焦点位置为待加工件的厚度中心。
进一步地，上述步骤【S3.2】的第二次切割工艺包括：激光功率为10-20W，激光脉冲频率20kHz-200kHz，扫描速度0.1m/s-0.2m/s，激光束的焦点位置为待加工件的上表面。
进一步地，上述步骤【S4】的裂片参数为：进给速度0.1mm/s-100mm/s，裂片角度0.1°-20°。
进一步地，上述激光束的波长范围为355nm-1064nm，激光光束为线偏振光。
进一步地，上弹性裂片部是具有弹性的橡胶或者软体布。
与现有技术相比，本发明有益效果是：
1、采用激光切割轨迹方向和激光光束方向相结合的方法，共进行两次切割，第一次切割可以提高切割效率，第二次切割采用小功率低速切割，可以消除第一次切割的残余应力，使应力得到释放，并且第二次切割焦点位置为玻璃上表面，玻璃上表面附近的残余应力释放的更彻底，在裂片工序时更容易使玻璃从正面裂开，减小玻璃裂片容易产生的崩边和挂渣等缺陷，提高切割效率的同时提高产品良率。
2、在裂片工艺中，采用弹性材料与玻璃接触的方法裂片，由于弹性材料在接触的过程中产生弹性变形，使玻璃的整个切割道都压紧在弹性材料上，玻璃的切割道整体受力非常均匀，并且采用了多次旋转裂片的方式，使R角和U槽的两个边角充分接触弹性材料，减少了裂片的残留，提高的裂片的良率。
3、本发明的切割和裂片方法，通用型性强，能适用于玻璃、蓝宝石、透明陶瓷等多种透明材料。
附图说明
图1是本发明实施例的方法流程示意图；
图2是本发明实施例的第一次切割工艺的示意图；
图3是图2的侧视图；
图4是本发明实施例的第二次切割工艺的示意图；
图5是图4的侧视图；
图6是本发明实施例R角玻璃的裂片过程示意图；
图7是本发明实施例R角玻璃的裂片过程的侧视图；
图8是带U槽的玻璃的裂片过程示意图；
图9是带U槽的玻璃的裂片过程侧视图。
附图标记如下：
1-激光束、2-待加工件、3-切割道、4-偏振方向、5-弹性裂片部、6-R角玻璃、7-R角切割道、8-带U槽的玻璃、9-U角切割道、10-R角旋转轴线、11-U槽旋转轴线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案更加清楚，下面将结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明提供了一种透明硬脆材料的切割裂片方法，如图1所示，其基本原理为：设置好激光束的切割轨迹和偏振方向，使激光束1沿着设定的切割轨迹在待加工件2上运动。激光束1的焦点作用于待加工件2的表面或内部，优选地作用于待加工件2的厚度中心位置，随着激光束的运动形成切割道3，其中，偏振方向4设置为切割运动轨迹的切线方向。一次切割完成之后，改变偏振方向和焦点位置，使得二次切割时偏振方向保持为运动轨迹的法线方向，并使得二次切割时激光束1的焦点优选地作用于在待加工件上表面。在完成切割后，进行相应的裂片步骤。
上述原理，可以适用于不同的透明硬脆材料，例如，玻璃、蓝宝石透明陶瓷等，现将透明硬脆材料选定为玻璃，给出了一种具体的实施方式来对本发明切割和裂片方法进行详细的说明。
本实施例提供了一种玻璃的切割裂片方法，主要包括以下步骤：
切割过程：
如图2-5所示；
S1：采用吸附的方式将玻璃片固定；
S2：第一次切割；
S2.1：设定激光束的运动轨迹和偏振方向，保证激光束的偏振方向始终沿运动轨迹的切线方向；
S2.2：启动第一次切割工艺，激光束沿S2.1设定好的运动轨迹切割玻璃；
S3：第二次切割；
S3.1：修改激光束的运动轨迹和偏振方向，保证激光束的偏振方向始终沿运动轨迹的法线方向；
S3.2：启动第二次切割工艺，激光束沿S3.1设定好的运动轨迹切割玻璃，释放S2切割后的残余应力；
裂片过程
S4，设定裂片参数，启动裂片工艺，使玻璃与弹性材料接触裂片，消除裂片残留。
参见图1和图2，激光束1通过光学***聚焦形成切割光斑作用在待加工玻璃2的表面或者内部，通过移动待加工玻璃2，形成切割道3，在切割的过程中，保证激光束1的偏振方向4和切割道3的方向相切，即激光束1的偏振方向始终沿着切割道3的切线方向，以控制应力方向，提高切割效率。
参见图1和图3，步骤S2的第一次切割工艺的工艺参数包括：激光功率10-100W，激光脉冲频率20kHz-200kHz，扫描速度0.1m/s-1m/s，Z方向焦点位置为厚度中心。第一次切割工艺优选采用较高的功率和较快的切割速度切割待加工玻璃2，以保证切割效率，激光束1的Z方向焦点位置位于待加工玻璃2的厚度中心位置，保证整个厚度被切到。
参见图1和图4，激光束1通过光学***聚焦形成切割光斑作用在待加工玻璃2的表面或者内部，通过移动待加工玻璃2或移动激光束，形成切割道3，在切割的过程中，保证激光束1的偏振方向4和切割道3的方向垂直，即激光束1的偏振方向始终沿着切割道3的法线方向，释放切割道3内的残余应力。
参见图1和图5，第二次切割工艺的工艺参数包括：激光功率10-20W，激光脉冲频率20kHz-200kHz，扫描速度0.1m/s-0.2m/s，Z方向焦点位置优选为玻璃上表面。第二次切割工艺优选采用较低功率和较慢切割速度切割待加工玻璃2，以保证充分去除第一次切割工艺产生的残余应力，激光束1的Z方向焦点位置优选位于待加工玻璃2的上表面位置，由于在裂片工序中待加工玻璃2是从上表面裂片，因此待加工玻璃2的上半部分的残余应力对裂片的良率影响很大，Z方向焦点位置位于待加工玻璃2的上表面位置可使待加工玻璃2的上半部分残余应力去除更加充分，保证后续裂片的良率。
其中，参见图1，步骤S4的裂片参数为：裂片进给速度0.1mm/s-100mm/s，裂片角度10°-20°。
参见图2和图4，激光束1是由固体激光器产生的，波长范围为355nm-1064nm。
上面提供的玻璃的激光切割过程不限于切割道为直线的情况，而且可以适用于切割道为R角、U槽部分的切割。
但是相比于直线切割裂片步骤，针对R角玻璃6和带U槽的玻璃8切割裂片步骤，切割方式与上述基本一致，但是裂片步骤却有比较大的差别，具体是：
当需要进行裂片的为R角玻璃6时，参见图6-7，使固定的R角玻璃6向上运动，使玻璃的具有R角切割道7的部分对准弹性裂片部5，在R角部分抵接弹性裂片部5后，使待加工玻璃绕其R角顶点与R角圆心的连线(R角旋转轴线10)方向旋转。待加工玻璃被调整成使得弹性裂片部5与R角玻璃呈一定的角度，并不平行。弹性裂片部5是具有弹性的橡胶或者软体布，或者附有弹性体的构件使得玻璃与裂片部的连接为非刚性的。
裂片步骤包括三次裂片，其中第一次裂片沿Z轴方向竖直向上，使R角玻璃6完全抵接弹性裂片部5。第二次裂片使得R角玻璃6沿顺时针方向绕R角旋转轴线10旋转5-10°，R角旋转轴线10为R角顶点与R角圆心的连线方向。此后，再次使弹性裂片部5和R角玻璃6完全接触。使R角玻璃沿R角旋转轴线10逆时针旋转5-10°进行裂片，使R角玻璃的整个R角切割道7都压紧在弹性裂片部上，三次抵接裂片可以使R角的两端残留得到充分的裂片，减少裂片的残留。
参见图2和图4，待加工玻璃2的材料为钠钙硅酸盐玻璃、铝硅酸盐玻璃或者硼硅酸盐玻璃，厚度为0.1mm-1mm。
当需要进行裂片的带U槽的玻璃8时，参见图8和图9，本实施例的裂片工艺包括三次以上的裂片，其中第一次裂片使带U槽的玻璃8沿Z轴方向竖直向上移动，从而使玻璃的U槽部分完全抵接弹性裂片部5。第二次裂片使带U槽的玻璃8绕U槽旋转轴线11旋转5-10°，U槽旋转轴线11为与U槽开口面平行的轴线方向。第三次裂片再次使玻璃的U槽部分和弹性裂片部5完全接触，之后再绕U槽旋转轴线11旋转同样的角度进行裂片，使U槽玻璃的整个U槽切割道9都压紧在弹性裂片部5上，然后检查是否完全裂开，如果没有完全裂开，再次旋转相同角度进行裂片，多次接触可以使U槽的内部拐角充***片，减少裂片的残留。
若是在其他透明硬脆材料上适用该方法的话，只需要改变两次激光切割时的工艺参数即可实现。
Claims (12)
1.一种透明硬脆材料的切割裂片方法，其特征在于，其具体步骤是：
【S1】将待加工件进行固定；
【S2】对待加工件进行第一次切割；
【S2.1】设定激光束的运动轨迹和偏振方向，保证激光束的偏振方向始终沿运动轨迹的切线方向；所述偏振方向是激光束的线偏振方向；
【S2.2】启动第一次切割工艺，激光束沿步骤【S2.1】设定好的运动轨迹切割玻璃；
【S3】对待加工件进行第二次切割；
【S3.1】修改激光束的运动轨迹和偏振方向，保证激光束的偏振方向始终沿运动轨迹的法线方向；
【S3.2】启动第二次切割工艺，激光束沿步骤【S3.1】设定好的运动轨迹切割玻璃，释放一次切割后的残余应力，所述残余应力为进行完步骤【S2.1】后残留在玻璃切割道内的应力；
【S4】对待加工件进行裂片处理；
设定裂片参数，启动裂片工艺，采用弹性裂片部与待加工件接触、挤压，从而实现裂片，消除裂片残留；所述裂片残留为切割道的两端端部没有被裂开的残留玻璃；
所述裂片工艺包括三次或以上次数的裂片；当待加工件的切割道为R角时，具体裂片步骤是：
【S4.1】建立坐标系XYZ，其中X轴和Y轴构成的平面与待加工件平行，Z轴分别垂直于X轴和Y轴；
【S4.2】第一次裂片；
沿Z轴方向竖直向上，使待加工件的R角部分完全抵接弹性裂片部，进行第一次裂片；
【S4.3】第二次裂片；
使得待加工件的R角部分沿顺时针方向绕旋转轴线旋转5-10°，进行第二次裂片；所述旋转轴线为R角顶点与R角圆心的连线；
【S4.4】第三次裂片；
使弹性裂片部和待加工件的R角部分完全接触，使待加工件的R角部分沿旋转轴线逆时针旋转5-10°，进行第三次裂片，从而裂片完成。
2.根据权利要求1所述的透明硬脆材料的切割裂片方法，其特征在于：所述步骤【S2.2】的第一次切割工艺具体是：激光功率为10-100W，激光脉冲频率20kHz-200kHz，扫描速度0.1m/s-1m/s，激光束的焦点位置为待加工件的厚度中心。
3.根据权利要求1所述的透明硬脆材料的切割裂片方法，其特征在于：所述步骤【S3.2】的第二次切割工艺包括：激光功率为10-20W，激光脉冲频率20kHz-200kHz，扫描速度0.1m/s-0.2m/s，激光束的焦点位置为待加工件的上表面。
4.根据权利要求1所述的透明硬脆材料的切割裂片方法，其特征在于：所述步骤【S4】的裂片参数为：进给速度0.1mm/s-100mm/s，裂片角度0.1°-20°。
5.根据权利要求1所述的透明硬脆材料的切割裂片方法，其特征在于：所述激光束的波长范围为355nm-1064nm，激光光束为线偏振光。
6.根据权利要求1所述的透明硬脆材料的切割裂片方法，其特征在于：弹性裂片部是具有弹性的橡胶。
7.一种透明硬脆材料的切割裂片方法，其特征在于，其具体步骤是：
【S1】将待加工件进行固定；
【S2】对待加工件进行第一次切割；
【S2.1】设定激光束的运动轨迹和偏振方向，保证激光束的偏振方向始终沿运动轨迹的切线方向；所述偏振方向是激光束的线偏振方向；
【S2.2】启动第一次切割工艺，激光束沿步骤【S2.1】设定好的运动轨迹切割玻璃；
【S3】对待加工件进行第二次切割；
【S3.1】修改激光束的运动轨迹和偏振方向，保证激光束的偏振方向始终沿运动轨迹的法线方向；
【S3.2】启动第二次切割工艺，激光束沿步骤【S3.1】设定好的运动轨迹切割玻璃，释放一次切割后的残余应力，所述残余应力为进行完步骤【S2.1】后残留在玻璃切割道内的应力；
【S4】对待加工件进行裂片处理；
设定裂片参数，启动裂片工艺，采用弹性裂片部与待加工件接触、挤压，从而实现裂片，消除裂片残留；所述裂片残留为切割道的两端端部没有被裂开的残留玻璃；
所述裂片工艺包括三次或以上次数的裂片；当待加工件的切割道为U槽时，具体裂片步骤是：
【S4.1】建立坐标系XYZ，其中X轴和Y轴构成的平面与待加工件平行，Z轴分别垂直于X轴和Y轴；
【S4.2】第一次裂片；
沿Z轴方向竖直向上，使待加工件的U槽部分完全抵接弹性裂片部，进行第一次裂片；
【S4.3】第二次裂片；
使得待加工件的U槽部分沿顺时针方向绕旋转轴线旋转5-10°，进行第二次裂片；所述旋转轴线为与U槽开口面平行的轴线；
【S4.4】第三次裂片；
使弹性裂片部和待加工件的U槽部分完全接触，使待加工件的U槽部分沿旋转轴线继续顺时针旋转5-10°，进行第三次裂片；
【S5】检查U槽是否完全裂开，若没有完全裂开，再次重复步骤【S4】进行裂片，直至完全裂片成功为止。
8.根据权利要求7所述的透明硬脆材料的切割裂片方法，其特征在于：所述步骤【S2.2】的第一次切割工艺具体是：激光功率为10-100W，激光脉冲频率20kHz-200kHz，扫描速度0.1m/s-1m/s，激光束的焦点位置为待加工件的厚度中心。
9.根据权利要求7所述的透明硬脆材料的切割裂片方法，其特征在于：所述步骤【S3.2】的第二次切割工艺包括：激光功率为10-20W，激光脉冲频率20kHz-200kHz，扫描速度0.1m/s-0.2m/s，激光束的焦点位置为待加工件的上表面。
10.根据权利要求7所述的透明硬脆材料的切割裂片方法，其特征在于：所述步骤【S4】的裂片参数为：进给速度0.1mm/s-100mm/s，裂片角度0.1°-20°。
11.根据权利要求7所述的透明硬脆材料的切割裂片方法，其特征在于：所述激光束的波长范围为355nm-1064nm，激光光束为线偏振光。
12.根据权利要求7所述的透明硬脆材料的切割裂片方法，其特征在于：弹性裂片部是具有弹性的橡胶。
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