CN114734153B - 一种用于激光器加工脆性材料的裂片方法及*** - Google Patents

一种用于激光器加工脆性材料的裂片方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于激光器加工脆性材料的裂片方法及***，该***包括***控制模块、激光加工***、工件传动台、涡流管，所述激光加工***用于对加工材料进行激光处理，在加工材料上得到所需的加工图形即激光扫描线，所述***控制模块用于根据预设程序控制涡流管或/和工件传动台运动，使涡流管产生的热气流和冷气流分别对工件传动台上已激光处理过的加工材料的激光扫描线处或激光扫描线两侧的材料分别进行加热和制冷，使加工材料的加工件部分与基板部分断裂分离，完成裂片。本发明降低了***的整体安装难度，提高了良品率，降低了设备的维护周期，降低了设备的生产成本。

Description

一种用于激光器加工脆性材料的裂片方法及***
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种用于激光器加工脆性材料的裂片方法及***。
背景技术
透明材料如玻璃、蓝宝石等材料在各个领域十分广泛。传统的加工方式如CNC加工、玻璃划片、熔铸等方式一直存在加工精度偏低，一致性难保证，容易出现崩边(裂纹)等问题。近年来，通过超快激光对脆性材料的加工，特别是对玻璃类材料的加工能够有效的解决上述问题。然而玻璃加工也存在一些诸如效率偏低，一次性投入成本较高，维护困难，调试要求高等问题。
目前申请人利用超快激光对玻璃等透明材料的精密加工过程主要分为两个步骤：第一步，通过脉冲激光(超快激光)对玻璃表面扫描划线，一定频率的光脉冲在玻璃表面形成一连串的“线”，由于加工速度和玻璃材质自身的不均匀，导致脉冲点之间有些部分并未完全分开，中间有部分仍然连接在一起；第二步，通过使用连续二氧化碳激光器对划线区域进行二次扫描，扫描区域吸收激光受热断裂。目前申请人使用的这种裂片方式有几点弊端：一是，二氧化碳激光器的光束比较集中，有效区域相对较小，工作过程中需要对两台激光器的扫描区域进行精密的校准，如若二氧化碳激光扫描区域与划线区域有偏差会导致部***片不完全，***整体安装难度大，且需要定期校准维护。其次，二氧化碳激光裂片增加激光散射，需要对设备的光安装设计进行严格的激光安全设计，增加了设备设计难度。同时，***控制协调比较复杂，成本较高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种用于激光器加工脆性材料的裂片方法及***,本发明降低了***的整体安装难度，提高了良品率，降低了设备的维护周期，降低了设备的生产成本。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明公开了一种用于激光器加工脆性材料的裂片方法，包括如下步骤：
通过激光对加工材料扫描划线；
分别对加工材料上的激光扫描线处进行加热、制冷，在加工材料的激光扫描线处形成热应力，使加工材料的加工件部分与基板部分断裂分离。
进一步地，通过热气流、冷气流分别对加工材料上的激光扫描线处进行加热、制冷，具体包括：通过***控制模块控制工件传动台将激光处理过的加工材料移动到涡流管的热气流出口下，并使涡流管的热气流出口对准加工材料的激光扫描线，控制涡流管或工件传动台运动，使从涡流管的热气流出口出来的热气流沿加工材料的激光扫描线行走至少一次，使加工材料的激光扫描线处充分受热；然后再次通过***控制模块控制工件传动台将加热后的加工材料移动到涡流管的冷气流出口下，并使涡流管的冷气流出口对准加工材料的激光扫描线，控制涡流管或工件传动台运动，使从涡流管的冷气流出口出来的冷气流沿加工材料的激光扫描线行走至少一次，使加工材料的激光扫描线处快速冷却。
本发明公开了一种用于激光器加工脆性材料的裂片方法，包括如下步骤：
通过激光对加工材料扫描划线；
对加工材料上的激光扫描线两侧的材料分别进行加热和制冷，使加工材料的激光扫描线两侧的加工件部分与基板部分反向收缩膨胀，从而在加工材料的激光扫描处断裂。
进一步地，通过热气流、冷气流分别对加工材料上的激光扫描线两侧的材料进行加热、制冷，具体包括：通过***控制模块控制工件传动台将激光处理过的加工材料移动到涡流管下方的设定位置，使涡流管的热气流和冷气流分别对加工材料上的激光扫描线两侧的材料进行加热和制冷。
进一步地，通过激光对加工材料扫描划线，具体包括：控制激光器发出激光光束，通过光束变换模块进入光束扫描聚焦***聚焦到工件移动台上的加工材料上，***控制模块控制激光出光参数、光束扫描聚焦***及工件传动台的移动参数，在加工材料上得到所需的加工图形即激光扫描线。
进一步地，利用压缩气体通过涡流管分别形成冷热两股气流；通过调节压缩气体的气压来控制热气流和冷气流的温度，适应不同加工材料和不同加工图形的裂片。
本发明公开了一种用于激光器加工脆性材料的裂片***，包括***控制模块、激光加工***、工件传动台、涡流管，所述激光加工***用于对加工材料进行激光处理，在加工材料上得到所需的加工图形即激光扫描线，所述***控制模块用于根据预设程序控制涡流管或/和工件传动台运动，使涡流管产生的热气流和冷气流分别对工件传动台上已激光处理过的加工材料的设定位置进行加热和制冷。
进一步地，所述***控制模块用于根据预设程序控制涡流管或/和工件传动台运动，使涡流管产生的热气流和冷气流分别对工件传动台上已激光处理过的加工材料的激光扫描线处进行加热和制冷，在激光扫描线处形成热应力，使加工材料的加工件部分与基板部分断裂分离。
进一步地，所述***控制模块用于根据预设程序控制涡流管或/和工件传动台运动，使涡流管产生的热气流和冷气流分别工件传动台上已激光处理过的加工材料的激光扫描线两侧的材料分别进行加热和制冷，使加工材料的激光扫描线两侧的加工件部分与基板部分反向收缩膨胀，从而在激光扫描处断裂。
进一步地，所述激光加工***包括激光器、光束变换模块、光束扫描聚焦***，所述激光器、光束扫描聚焦***分别与***控制模块电连接，所述激光器发出的激光光束通过光束变换模块进入光束扫描聚焦***聚焦到工件移动台上的加工材料上，所述***控制模块用于控制激光器的出光参数以及光束扫描聚焦***及工件传动台的移动参数，在加工材料上得到所需的加工图形。
本发明至少具有如下有益效果：本发明具体的是通过脉冲激光(皮秒或飞秒激光)对玻璃表面扫描划线；利用常温高压气体通过涡流管的形成冷热两股气流，通过电机控制涡管及气流分别对加工工件和脆性基材进行制冷和加热，使加工区域与基板分离，形成精密可控的加工元件。
本发明通过使用涡流管原理对加工工件进行裂片，相较于传统二氧化碳激光扫描的方式能够获得更大的热应力区域及热应力比例，使加工区域与基板区域的反向收缩膨胀；这种方法能够有效的提高了裂片的成功率。同时，能够保证与加工工件非直接接触，保证加工工件表面不受到外部加工件如金刚石的损伤。通过不同种类设计的涡流管及合理的进气气压，可以有效的控制冷热气流的温度以适应不同种类的加工材料的裂片，有效的增强了设备的适用领域。同时通过这种方法的使用，减少了精密光路的调节，有效降低了切割***的安装调试难度，延长了设备的维护周期。本发明在整体器件相对较少的前提下，提高了整体工作效率，易降低了生产难度易于生产，延长了设备维护周期，降低了生产成本，有效提高了企业效益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它的附图。
图1为本发明一种实施例提供的用于激光器加工脆性材料的裂片***的结构示意图；
图2为本发明一种实施例提供的激光处理过的加工材料的结构示意图；
图3为本发明另一种实施例提供的用于激光器加工脆性材料的裂片***的结构示意图。
附图中，1为激光器，2为光束整形模块，3为光束扫描聚焦***，4为加工材料，5为工件传动台，6为涡流管，7为压缩气体，8为激光扫描线，9为热气流，10为冷气流，11为激光器光束。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例一
参见图1和图2，本发明实施例提供一种用于激光器加工脆性材料的裂片***，包括激光加工***、工件传动台、涡流管以及用于控制激光出光信号、扫描信号及工件传动台的***控制模块，所述激光加工***用于对加工材料进行激光处理，在加工材料上得到所需的加工图形即激光扫描线，所述***控制模块用于根据预设程序控制涡流管或/和工件传动台运动，使涡流管产生的热气流和冷气流分别工件传动台上已激光处理过的加工材料的激光扫描线两侧的材料分别进行加热和制冷，使加工材料的激光扫描线两侧的加工件部分与基板部分反向收缩膨胀，从而在激光扫描处断裂。
如图2所示，当激光扫描线呈环状时，可以控制涡流管产生的热气流对激光扫描线的外侧材料部分(如基板部分)进行加热，控制涡流管产生的冷气流对激光扫描线的内侧材料部分(如加工件部分)进行制冷，使得所需加工件收缩，外部基板膨胀，从而在激光扫描处8断裂，达到加工件裂片效果。
进一步地，所述激光加工***包括激光器1、光束变换模块2、光束扫描聚焦***3，所述激光器、光束扫描聚焦***分别与***控制模块电连接，所述激光器发出的激光光束通过光束变换模块进入光束扫描聚焦***聚焦到工件移动台5上的加工材料4上，所述***控制模块用于控制激光器的出光参数以及光束扫描聚焦***及工件传动台5的移动参数，在加工材料上得到所需的加工图形。
进一步地，本实施例的激光器1采用超快激光器，超快激光器可以是固体或光纤超快激光器，也可以是其他如纳秒固体激光，MOPA光纤激光光源等。
进一步地，光束整形模块2可以是但不限于扩束镜，限径光阑等可改变光光束尺寸、发散角、能量分布的光学器件。
进一步地，光束扫描聚焦***3包括光束扫描部件和光束聚焦镜片组。
进一步地，加工材料4可以但不限于是玻璃、陶瓷、蓝宝石等脆性材料等。
进一步地，工件传动台5可以但不限于是利用直线电机、伺服电机或步进电机的传动部件台。
进一步地，通过热气流、冷气流分别对加工材料上的激光扫描线两侧的材料进行加热、制冷，具体包括：通过***控制模块控制工件传动台将激光处理过的加工材料移动到涡流管下方的设定位置，***控制模块根据加工工件形状控制工件传动台5和涡流管6，使涡流管输出的冷气流10和热气流9对加工材料4上的扫描线8两侧的材料分别进行加热和制冷(冷却)；加工材料4上的扫描线8两侧由于冷收缩和热膨胀应力作用，使得激光扫描区域(扫描线两侧)完全断裂，完成裂片。
进一步地，本发明的涡流管6可以但不限于是单流涡管、逆流涡管或锥形涡管。
进一步地，本发明的压缩气体7可以但不限于是压缩空气，氮气，氩气等。
进一步地，本发明的可以通过调节压缩气体7的气压来控制热气流和冷气流的温度，适应不同加工材料和不同加工图形的裂片。
进一步地，本发明可以通过调换加工顺序利用涡流管同时对加工材料的不同区域进行加热和冷却，也可以通过分步骤对加工材料同一区域或不同区域进行加热或冷却(分步骤对加工材料同一区域或不同区域进行加热或冷却时，可以先加热后冷却，也可以先冷却后加热)。
涡流管的结构根据需要如激光扫描线的形状以及加工流程可以进行相应调整，当利用涡流管同时对加工材料的不同区域进行加热和冷却时，且当激光扫描线呈环状时，可以采用如图1所示的涡流管结构，但不限于图1所示的涡流管结构，该涡流管包括涡流管本体，涡流管本体设有压缩气体进口以及冷气流出口和热气流出口，涡流管的压缩气体进口连接压缩气源，涡流管本体的出气口设有导流装置，所述导流装置设有贯穿导流装置的导流孔，形成冷气流出口，导流装置外壁与涡流管本体出口内壁之间形成热气流出口。所述导流装置的外壁呈上小下大的圆锥形，涡流管的冷气流出口和热气流出口朝下设置。
当然，如果通过两个步骤分别对加工材料同一区域或不同区域进行加热、冷却，则可以采用如图3所示的涡流管结构，但不限于图3所示的涡流管结构，该涡流管的冷气流出口与热气流出口分别位于涡流管的不同的位置，如分别位于涡流管的两端。
实施例二
参见图1和图2，本发明实施例提供一种用于激光器加工脆性材料的裂片方法，包括如下步骤：
通过激光对加工材料扫描划线；
对加工材料上的激光扫描线两侧的材料分别进行加热和制冷，使加工材料的激光扫描线两侧的加工件部分与基板部分反向收缩膨胀，从而在加工材料的激光扫描处断裂。
进一步地，通过热气流、冷气流分别对加工材料上的激光扫描线两侧的材料进行加热、制冷，具体包括：通过***控制模块控制工件传动台将激光处理过的加工材料移动到涡流管下方，控制涡流管或工件传动台运动，使涡流管的热气流和冷气流分别对加工材料上的激光扫描线两侧的材料进行加热和制冷。
进一步地，通过激光对加工材料扫描划线，具体包括：控制激光器发出激光光束，通过光束变换模块进入光束扫描聚焦***聚焦到工件移动台上的加工材料上，***控制模块控制激光出光参数、光束扫描聚焦***及工件传动台的移动参数，在加工材料上得到所需的加工图形即激光扫描线。
进一步地，利用压缩气体通过涡流管分别形成冷热两股气流；通过调节压缩气体的气压来控制热气流和冷气流的温度，适应不同加工材料和不同加工图形的裂片。
下面通过具体的例子对上述过程进行详细介绍。
参见图1，皮秒超快激光器1发出的红外激光光束11通过光束变换模块2进入光束扫描聚焦***3聚焦到工件移动台5上的加工材料4中。***控制模块控制激光出光参数，扫描模块3及工件传动台5移动参数，在加工材料4上得到所需的加工图形。工件传动台5将激光处理过的加工材料4移动到单流涡流管6下方，***控制单流涡流管6和工件移动台5根据加工件形状及尺寸移动，单流涡管输出的冷气流10和热气流9对加工材料4上的激光扫描线8两侧的材料分别进行加热和制冷，如图2所示，使得所需加工件收缩，外部基板膨胀，从而在激光扫描处8断裂，达到加工件裂片效果。
实施例三
参见图2和图3，本发明实施例提供一种用于激光器加工脆性材料的裂片***，包括***控制模块、激光加工***、工件传动台、涡流管，所述激光加工***用于对加工材料进行激光处理，在加工材料上得到所需的加工图形即激光扫描线，所述***控制模块用于根据预设程序控制涡流管或/和工件传动台运动，使涡流管产生的热气流和冷气流分别对工件传动台上已激光处理过的加工材料的激光扫描线处进行加热和制冷，在激光扫描线处形成热应力，使加工材料的加工件部分与基板部分断裂分离。
本实施例的激光加工***与实施例一的激光加工***结构相同。
进一步地，通过热气流、冷气流分别对加工材料上的激光扫描线处进行加热、制冷，具体包括：通过***控制模块控制工件传动台将激光处理过的加工材料移动到涡流管的热气流出口下，并使涡流管的热气流出口对准加工材料的激光扫描线，控制涡流管或工件传动台运动，使从涡流管的热气流出口出来的热气流沿加工材料的激光扫描线行走至少一次(沿加工材料的激光扫描线行走的次数根据需要设定)，使加工材料的激光扫描线处充分受热；然后再次通过***控制模块控制工件传动台将加热后的加工材料移动到涡流管的冷气流出口下，并使涡流管的冷气流出口对准加工材料的激光扫描线，控制涡流管或工件传动台运动，使从涡流管的冷气流出口出来的冷气流沿加工材料的激光扫描线行走至少一次(沿加工材料的激光扫描线行走的次数根据需要设定)，使加工材料的激光扫描线处快速冷却。
实施例四
参见图2和图3，本发明实施例公开了一种用于激光器加工脆性材料的裂片方法，包括如下步骤：
通过激光对加工材料扫描划线；
分别对加工材料上的激光扫描线处进行加热、制冷，在加工材料的激光扫描线处形成热应力，使加工材料的加工件部分与基板部分断裂分离。
进一步地，通过热气流、冷气流分别对加工材料上的激光扫描线处进行加热、制冷，具体包括：通过***控制模块控制工件传动台将激光处理过的加工材料移动到涡流管的热气流出口下，并使涡流管的热气流出口对准加工材料的激光扫描线，控制涡流管或工件传动台运动，使从涡流管的热气流出口出来的热气流沿加工材料的激光扫描线行走至少一次，使加工材料的激光扫描线处充分受热；然后再次通过***控制模块控制工件传动台将加热后的加工材料移动到涡流管的冷气流出口下，并使涡流管的冷气流出口对准加工材料的激光扫描线，控制涡流管或工件传动台运动，使从涡流管的冷气流出口出来的冷气流沿加工材料的激光扫描线行走至少一次，使加工材料的激光扫描线处快速冷却。
进一步地，通过激光对加工材料扫描划线，具体包括：控制激光器发出激光光束，通过光束变换模块进入光束扫描聚焦***聚焦到工件移动台上的加工材料上，***控制模块控制激光出光参数、光束扫描聚焦***及工件传动台的移动参数，在加工材料上得到所需的加工图形即激光扫描线。
进一步地，利用压缩气体通过涡流管分别形成冷热两股气流；通过调节压缩气体的气压来控制热气流和冷气流的温度，适应不同加工材料和不同加工图形的裂片。
下面通过具体的例子对上述过程进行详细介绍。
参见图3，皮秒超快激光器1发出的红外激光光束11通过光束变换模块2进入光束扫描聚焦***3聚焦到工件移动台5上的加工材料4中。***控制模块控制激光出光参数，扫描模块3及工件传动台5移动参数，在加工材料4上得到所需的加工图形。工件传动台5将激光处理过的加工材料4移动到逆流涡流管6下方。然后***控制模块控制加工材料4移动到热气流9出口下，沿激光扫描线8行走数次，使激光扫描线8处充分受热；然后再次将快速移动到冷气流10出口下沿激光扫描线8行走数次使激光扫描线8快速冷却；从而在激光扫描线8处形成强烈的热应力，使加工件与加工加工材料断裂分离。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于激光器加工脆性材料的裂片方法，其特征在于：包括如下步骤：
通过激光对加工材料扫描划线；
利用压缩气体通过涡流管分别形成热气流和冷气流，分别对加工材料上的激光扫描线处进行加热、制冷，在加工材料的激光扫描线处形成热应力，使加工材料的加工件部分与基板部分断裂分离。
2.如权利要求1所述的用于激光器加工脆性材料的裂片方法，其特征在于：
通过热气流、冷气流分别对加工材料上的激光扫描线处进行加热、制冷，具体包括：通过***控制模块控制工件传动台将激光处理过的加工材料移动到涡流管的热气流出口下，并使涡流管的热气流出口对准加工材料的激光扫描线，控制涡流管或工件传动台运动，使从涡流管的热气流出口出来的热气流沿加工材料的激光扫描线行走至少一次，使加工材料的激光扫描线处充分受热；然后再次通过***控制模块控制工件传动台将加热后的加工材料移动到涡流管的冷气流出口下，并使涡流管的冷气流出口对准加工材料的激光扫描线，控制涡流管或工件传动台运动，使从涡流管的冷气流出口出来的冷气流沿加工材料的激光扫描线行走至少一次，使加工材料的激光扫描线处快速冷却。
3.一种用于激光器加工脆性材料的裂片方法，其特征在于，包括如下步骤：
通过激光对加工材料扫描划线；
利用压缩气体通过涡流管分别形成热气流和冷气流，对加工材料上的激光扫描线两侧的材料分别进行加热和制冷，使加工材料的激光扫描线两侧的加工件部分与基板部分反向收缩膨胀，从而在加工材料的激光扫描处断裂。
4.如权利要求3所述的用于激光器加工脆性材料的裂片方法，其特征在于：
通过热气流、冷气流分别对加工材料上的激光扫描线两侧的材料进行加热、制冷，具体包括：通过***控制模块控制工件传动台将激光处理过的加工材料移动到涡流管下方的设定位置，使涡流管的热气流和冷气流分别对加工材料上的激光扫描线两侧的材料进行加热和制冷。
5.如权利要求1或3所述的用于激光器加工脆性材料的裂片方法，其特征在于：通过激光对加工材料扫描划线，具体包括：控制激光器发出激光光束，通过光束变换模块进入光束扫描聚焦***聚焦到工件移动台上的加工材料上，***控制模块控制激光出光参数、光束扫描聚焦***及工件传动台的移动参数，在加工材料上得到所需的加工图形即激光扫描线。
6.如权利要求1或3所述的用于激光器加工脆性材料的裂片方法，其特征在于：通过调节压缩气体的气压来控制热气流和冷气流的温度，适应不同加工材料和不同加工图形的裂片。
7.一种用于激光器加工脆性材料的裂片***，其特征在于：包括***控制模块、激光加工***、工件传动台、涡流管，所述激光加工***用于对加工材料进行激光处理，在加工材料上得到所需的加工图形即激光扫描线，所述***控制模块用于根据预设程序控制涡流管或/和工件传动台运动，使涡流管产生的热气流和冷气流分别对工件传动台上已激光处理过的加工材料的设定位置进行加热和制冷。
8.如权利要求7所述的用于激光器加工脆性材料的裂片***，其特征在于：所述***控制模块用于根据预设程序控制涡流管或/和工件传动台运动，使涡流管产生的热气流和冷气流分别对工件传动台上已激光处理过的加工材料的激光扫描线处进行加热和制冷，在激光扫描线处形成热应力，使加工材料的加工件部分与基板部分断裂分离。
9.如权利要求7所述的用于激光器加工脆性材料的裂片***，其特征在于：所述***控制模块用于根据预设程序控制涡流管或/和工件传动台运动，使涡流管产生的热气流和冷气流分别工件传动台上已激光处理过的加工材料的激光扫描线两侧的材料分别进行加热和制冷，使加工材料的激光扫描线两侧的加工件部分与基板部分反向收缩膨胀，从而在激光扫描处断裂。
10.如权利要求7所述的用于激光器加工脆性材料的裂片***，其特征在于：所述激光加工***包括激光器、光束变换模块、光束扫描聚焦***，所述激光器、光束扫描聚焦***分别与***控制模块电连接，所述激光器发出的激光光束通过光束变换模块进入光束扫描聚焦***聚焦到工件移动台上的加工材料上，所述***控制模块用于控制激光器的出光参数以及光束扫描聚焦***及工件传动台的移动参数，在加工材料上得到所需的加工图形。
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