CN1413136A - 非金属材料的分离方法和装置 - Google Patents

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罗杰·弗拉尼根
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Abstract

一种分离非金属基层的方法和装置，它具有激光器用以产生激光束。一个集成的开裂器件用以接收激光束和反射激光束至非金属基层上，以限定热影响区以及在包容在热影响区内的淬火区内对基层淬火。此集成的开裂器件具有壳体和在壳体上配置的光学部件，用以接收和反射激光束至基层上。一个淬火喷嘴安装在壳体上，用以对限定在热影响区内的淬火区内的基层淬火。

Description

非金属材料的分离方法和装置
                      相关申请
本申请是根据先前提出的待审临时申请系列号No.60/167,285，1999，11.24提出。
                    本发明的领域
本发明涉及一种方法和装置，用于精密地分离非金属材料成为一系列小片，以及更具体地说，本发明涉及一种方法和装置，用于借助控制内部力和微裂纹的扩展以便沿希望的路径***材料的方法来分离非金属材料。
                    本发明的背景
使用激光在脆性材料中扩展微裂纹为技术熟练人员知道至少已有三十年，这里列出美国专利No.3,610,871(Lumley)供参考，在其中，陶瓷基层被离开镜子表面的反射的一个聚焦的激光束分离，从而使束的焦点冲击在最边缘的基层的下表面上。在局限的断裂之后，基层相对于激光束移动，以便在它由成镜表面反射之前与激光束相交。在激光束到达其焦点之前，它与基层的上表面相交，导致束能通过较大的面积分布。如果移动继续，局限的断裂可控制地扩展。
这项技术至今未变成在许多应用中商业可行，是因为慢的加工速度，复杂的激光模式，对激光划线机理了解不足，以及耗时太多，产生颗粒和微裂纹用的这种古老的两阶段加工(划线和破碎)，因而抵消了激光分离的主要优点。
为了克服这些和其它已知的缺点，快速的可靠的激光划线，单阶段的分离，以及有效地使用简单而又大功率的装置是希望的。
                      本发明概要
因此，本发明的一个目的是提供一种方法和装置，它可以通过高度控制微裂纹的扩展以及精密***而分离非金属材料。
本发明是有利的和具有下列特点，例如快速的加工速度，完全的分离，提高的精度，高度控制的热梯度，改进的边缘质量，有效的交叉切割，降低的边缘效应，简化的设计，增加的灵活性以及降低的价格。
本发明是有利的和提供一种方法和装置，用于***非金属基层，比如硅或陶瓷，作为不限制的实例，以及具有下列步骤，在基层内开启一个微裂纹，以及使用激光束在热影响区对基层划线，它是由激光束在基层上分离出的。微裂纹在包容在热影响区内的淬火区内淬火，方法是由淬火喷嘴供给流体至基层上，施加力至淬火区后面位置的基层上，以破碎基层，而在淬火区的前面保持低于临界破碎力的残余力。
微裂纹可以用机械开启器开启。在本发明的一个方面，激光束是借助设置在淬火喷嘴上的镜子反射围绕淬火喷嘴区。由淬火喷嘴流出的流体可以是液体和/或气体。也可以通过喷嘴抽真空，以清除任何残余的液体和控制气体流。基层的温度也可以在划线前按程控方式升高，比如使激光通过或者一个小平面的或者一个绕射的透镜元件。
在本发明的另一方面，基层的划线借助一个集成的开裂器件用激光束进行。淬火喷嘴与集成的开裂器件集成到一起。在本发明的另一方面，集成的开裂器件具有壳体，并且淬火喷嘴安装在壳体上。光学部件配备在壳体内，用以接收和发射激光束至基层。在本发明的一个方面，光学部件包括镜子和配备在壳体内的单元件透镜。单元件透镜可以具有双不对称柱面透镜元件。
                     附图的简要说明
本发明的其它目的、特点和优点将通过本发明的详细的说明结合附图考虑而变得明确，其中：
图1是基层的放大图，示出***或激光分离过程的不同步骤，包括微裂的开启、加速、划线和淬火，随后为破碎。
图2是本发明的***非金属基层用的装置的等尺寸图。
图3A是本发明的集成的开裂器件的放大的不完全的剖面图。
图3B是本发明的激光划线加速器件的放大的不完全的剖面图。
图4是本发明的集成的开裂器件内包容的双不对称图透镜元件的放大的不完全图。
图5示出本发明的双不对称柱面透镜元件产生的激光束的剖面图。
图6A至6C示出截短的束形状，示出淬火喷嘴的侧视图(图6A)，顶视图(图6B)，以及侧视图(图6C)，以及示出可调节镜子的使用。
图7A至7D示出可以用于本发明的可膨胀的通道软壳。
图8示出基层的前边缘和后边缘，以及示出相对于切割线的速度和束控制，以及边缘效应如何控制。
图9示出可能的操作模式以及所述各种模式的形状。
图10是说明本发明的操作的照片的影印件。
                    最佳实施例的详细说明
以下本发明的最佳实施例将参考附图更充分地说明。然而，本发明可以用许多不同的形式实现，以及不应局限于下面所述的实施例。而且，提供这些实施例是为了使公开的内容彻底和完整，以及充分地传达本发明的范围给那些技术熟练人员。全文对于相同的元件具有相同的图号。
为了说明的目的，这里对现有***存在的某些问题，这些***有关的缺点以及基本的现有技术工艺的讨论给予详细的解释。
用于分离非金属材料的***在设计中使用两种主要的机理：(1)热机理和(2)应力/应变机理。在热机理中，任何脆性材料当其温度升高至希望的水平和随后快速淬火以破坏其分子键时，它超过了其临界的热冲击温度。这样就在材料中形成“盲裂纹”。在第二机理中，在材料内分析出三维的应力/应变场关系。
许多普通的***进行一维的切割，仅因为激光束传送***大的体积，以及不仅划线开启是独立控制，而且淬火喷嘴和类似元件也是如此。
在一些制造***中，每台机床仅有一个激光头用的舱室。因此不可能使用多激光头同时切割以节省制造时间。一些固定的光学***要求几乎两倍的普通的设备轨迹，这是因为固有的无效率，引起的原因是在激光束下移动工件，而不是相对于工件移动激光器。
划线和破碎束之间的距离在许多现有技术设计中是固定的，以及机床的轨迹受到有限宽度的限制，当由一种材料改变为另一种材料时，机床的灵活性受到限制。再者，在划线和破碎束之间的相对束功率的调节，是借助物理地改变一个束***器或调节一个小平面元件。当使用束***器时，相对功率是束***器上涂层的函数，以及它难以再现。普通的喷嘴设计导致不恒定的流动，以及在工件上保留水或其它残液。
现在参见附图，以及特别是图2，示出整个材料分离激光***20中本发明的主要部件。本***具有单个或多个激光源和附带的任选部件，形成光学***21。在说明的实施例中，光学***21具有两个激光器22，24，它们被支承在机床框架26上。移动***28具有支承台28a，它被皮带驱动机构28b在框架内横向移动，以及相对于由激光器22，24形成的光学***21移动工件。激光器形成两条(或多条)光束路径。此***包括集成的高梯度开裂器件(ICR)30，激光划线加速器件(LSAD)32，以及附加的破碎器件34。
激光源，无论是一个或两个，是根据被分离的材料选择的。激光源应有效、可靠和具有保持吸收系数接近100％的波长输出，可使被吸收的激光辐射主要位于被分离的材料的表面上。例如，当玻璃划线时，具有输出频率10.6μm的一个CO2激光源是希望的。当硅划线时，具有输出频率10.6μm或更小的一个YAG激光源是希望的。激光器应按照TEM°°模式操作，以提供一个束剖面，它主要是guassian形状的。如果使用浮动的光学部件，应该达到均匀的准直的输出，从而使激光束剖面不会由一点至另一点有明显的改变。还建议在激光器的输出和浮动的光学部件之间提供足够的空间，使激光束时间过渡至“远场”条件。
激光输出频率的选择不需要必须对应于LSAD 32光束路径上的最大的吸收系数。可能希望选择的激光频率显著地小于100％，以便使整个材料体加热。这样做是为了有效地加热感兴趣区内材料的整体，而限制表面上的拉伸力和辐射热损失。然而重要的是，应达到前面所述的相同的准直性规范。
在某些情况下，不同的激光频率可以在同一区或束点内混合。例如，一个激光器可以用于在高度被接收的频率上预热材料。此材料可随后用不同频率的一个激光器加热，它通常不会被材料高度接收。这样做是可能的，因为增加的与温度有关的吸收或者自由的载体吸收。
移动***28使用计算机36以控制工件W相对于激光输出的移动。一个可能的控制方法是由计算机产生控制信号，以便在X，Y，和Q方向移动工件，而这时保持光学部件静止。反之，工件可以保持静止，而光学***携带激光器在所有方向上移动。一个混合方法允许光学***和工件两者在有限制的方向上移动。借助光学***转动180°，可以进行双向切割。由成组的或工件连接的ICD 30单元形成的多ICD系列可以增加生产率。多ICD 30可在适当的时间移动进入束路径。还有可能同时切割材料的顶面和底面，方法是将工件放置在加工台上，并使其狭缝位于任何希望的切割的下面。当滚轴破碎器件放置在工件下面时，加工台也可以适应破碎。
图3A示出本发明的集成的高梯度开裂器件30。集成的光学路径40是由接收激光束的镜子(M1)形成的。ICD 30也包括淬火机构42，任选的光闸44和水清除机构46，它设置在淬火机构上。这个器件是简单的和灵活的，可允许使用者达到材料中的希望的高热梯度。本发明的优选的淬火喷嘴50形状的三联反射淬火机构(TRQM)示于图6A，6B和6C中，可以用于基体中控制的高温度梯度。
喷嘴50配备一个反射盖52(图6B)以便改变激光束方向至围绕喷嘴以及引起部分激光束辐射冲击工件上接近、邻接、交叉、围绕或进入淬火区的位置。
在本发明的一个方面，一个通常的单元件透镜(L1)53在ICD 30内使用于激光划线。这样获得了有效的和灵活的设计。单元件可以降低激光头的尺寸和重量超过70％。在本发明的另一方面，通常的透镜是双不对称柱面透镜元件(DACLE)54(图3A和4)，在本发明中它用于达到希望的激光束剖面。
一个微裂纹开启器(MI)60直接安装在ICD壳体30a上，以及在本发明的一个方面，它可以用一个标准的划线轮62操作，它安装在垂直驱动器、z行程机构64上，用以在准备分离的材料的边缘产生微裂纹。在激光划线加速器件(LSAD)32的操作之后，微裂纹开启器60才可以操作，以减少LSAD产生的热过早地扩展微裂纹的任何机会。
本发明的此***还可以结合一个激光划线开启任选方案，它使用烧蚀的钇铝石榴石(YAG)脉冲作用在玻璃表面上，如图10照片1所示。
再次参见图3A，集成的开裂器件30具有壳体30a，在本发明的一个方面，它制成单管子，或者是圆形，或者是方形截面。高梯度开裂器件(ICD 30)具有单独的通常的光学元件(L1)53，在本发明的一个方面，它是双不对称柱面透镜元件(DACLE)形式的，以及微裂纹开启器(MI)60，淬火机构(Q1)42，作为喷嘴50的一部分，镜子元件(M1)41，以及光闸44。
单独的光学元件53设计用于提供最佳的热轨迹，这就是说通常为椭圆束，长度不大于80mm，宽度不大于5mm。也希望这个元件在每个方向显示出平顶剖面。达到这点的一系列方法是使用准直的输入束。当透镜的内部结构改变以提供程控的输出剖面时，可以使用一个绕射的光学元件。另一个较廉价的方法是使用双不对称柱面透镜元件(DACLE)54，如图4所示。弯曲的凹表面(S1)68用于给出最佳的负焦距，以控制束长度(1)和切割方向(X)上的能量分布。正弯曲的或“凸表面(S2)70用于给出最佳的正焦距，以控制束宽度(W)和正交于切割方向(Y)的能量分布。弯曲表面是程控的以提供用于切割的最佳输出。最佳剖面的一个实例示于图5的DACLE束剖面，示出“X”和“Y”视图和guassian束剖面。
设置在淬火喷嘴50内的反射特点可以进一步改变最佳输出剖面，以及可使淬火区完全处于热影响区内，如图1所示。这样有助于淬火区内达到希望的高梯度，使拉伸力位于淬火区的后面，以及在喷嘴后面形成加热区，它可以用于蒸发来自喷嘴的任何残留的液体。它增加了***的灵活性，允许使用者在束点的边界内实际上任何地方定位淬火。这点不可能使用传统的非反射喷嘴设计实现，因为现有技术的喷嘴堵塞来自工件的辐射，使它难以(如果不是不可能)在束点内或与其接触定位淬火。反射的喷嘴还允许延伸的束路径，它导致能量密度高于束的前段，从而在淬火区的后面产生较高的拉伸力。
图6A(“X”视图)示出本发明的一个方面的淬火喷嘴50，以及示出可调节的镜子72以及反射盖52。镜子的定位大致两侧对称，虽然不是必须的，以及由镜子反射以形成束点。按照本发明淬火区包容在图6A-6C所示的热影响区内。除可调节的镜子提供的反射特点外，三联反射淬火机构(TRQM)具有三个不同的流体***，用于提供有效的淬火，如图6B所示。在一个优选的结构中，液体，比如水通过中心管74流动，气体通过同轴的外管76流动，以及真空施加至最外区78(图6B)。在此种结构中，高压空气迫使液体流向淬火区的中心，而真空清除任何残留的液体以及控制空气流动。一个任选的高频压电换能器(图中未示出)可以放置在喷嘴上以帮助水的碎化和雾化来改进淬火效率。图6C为“Y”视图。
如图3A所示，任选的光闸44放置在通常的透镜元件53和工件W之间，以及可以用于选择性地阻挡一部分激光辐射，以便有效地缩小在工件上的束点。光闸44可以在激光切割过程中改变束长度以及达到希望的效果。例如，当激光束接近基层的前缘或后缘时，光闸可截短激光束的前段，以避免边缘过热，如图8的边缘效应图所示。
激光划线加速器件(LSAD)32(图3B)以程控方式提高工件的温度，允许提高的加工速度。
此器件32定位在ICD前面的一个有限的距离，以及帮助建立划线束用的正确的热边界条件。因此，ICD达到精密的微热梯度以及实际的划线。
在本发明的一个方面，如图3B所示，LSAD 32是与ICD类似的设计和结构，LASD 32具有壳体80，镜子(M2)82和单透镜元件84结合在安装器件86内，而它又固定在壳体80内(图3B)。单透镜元件84可以是小平面元件或绕射元件。根据用途可以使用单长束或系列的束点。使用系列的束点的一个优点是每个束点的相对功率可以调节，以提供材料的逐渐增加的加热或能量密度。此外，可以使用不同的激光波长，以调节材料在z方向上的加热。使用模拟和实验可以确定最佳的LSAD参数。
基层破碎器件34允许完全分离基层，它使用的一系列技术包括：(1)激冷基层的底面；(2)加热基层的顶面，加热使用热空气流，双激光束，单激光束，或以TM20模式操作的单激光束；(3)以希望的方式对基层机械加应力，这时利用加工台内置的改革的特点；(4)反向滚压破碎器件用于在基层内产生希望的压缩/拉伸力；以及(5)剪切力分离技术用于层压玻璃，以消除或减少微裂纹。
选择性地激冷基层的底面或者直接在企图切割的下面提供散热可以引入压缩力以帮助充分地分离。这点还可以和其它技术结合。在基层的表面引入热量可以在基层表面产生拉伸力，它有助于充分地分离。在基层用的支承台的通道内放置可膨胀管88，如图7所示，增加了基层表面上的拉伸力。可膨胀管可以有利地收缩带动基层返回平面取向。这样有助于交叉切割。管子可以注入激冷水以激冷基层的底面。此外，滚筒破碎器件可以放置在基层下面以及沿切割路径在划线区后面移动规定的距离以影响充分的分离。如果加工台在企图切割的下面具有狭缝，则工作最好。作为其结果，力良好地定位在划线区的后面，从而保证了直线性。剪切力也可用于分离基层。这种类型力特别适用于层压材料，以及有助于减少层压材料中层内的微裂纹，这是因为消除了上述其它技术引入的弯曲力矩。
技术熟练人员在了解上述说明和附图中数学内容的优点后，会考虑本发明的许多改变和其它实施例。因此，应该理解，本发明不应局限于公开的这些专门的实施例，在从属的权利要求范围内，可以有意识地列入改变和实施例。

Claims (32)

1.一种***非金属基层的方法，它包括下列步骤：
在基层内开启一个微裂纹；
用激光束对位于热影响区内的基层划线，热影响区是被激光在基层上分离出的；
在热影响区内的淬火区对微裂纹淬火，方法是由淬火喷嘴供给流体至基层上；以及
施加力至淬火区后面的基层上，以便破碎基层，而在淬火区前面保持残余力低于临界的破碎力。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，还包括的步骤是用机械开启器开启微裂纹。
3.按照权利要求1的方法，其特征在于，还包括的步骤是借助淬火喷嘴附带的镜子反射激光束围绕淬火喷嘴。
4.按照权利要求1的方法，其特征在于，还包括的步骤是由淬火喷嘴运送液体和气体至淬火区内的基层上。
5.按照权利要求4的方法，其特征在于，还包括的步骤是通过喷嘴抽真空以清除残留的液体和控制空气流动。
6.按照权利要求1的方法，其特征在于，还包括的步骤是在划线之前以程控的方式提高基层的温度。
7.按照权利要求6的方法，其特征在于，还包括的步骤是通过一个或者是小平面的或者是绕射的光学透镜元件传送激光以提高基层的温度。
8.一种***非金属基层的方法，它包括下列步骤：
在基层内开启一个微裂纹；
用集成的开裂器件产生的激光束对基层划线，它传送激光束至热影响区，热影响区是被激光束在基层上分离出的；
在热影响区内的淬火区对微裂纹淬火，它是由与集成的开裂器件集成的淬火喷嘴进行的；以及
施加力至淬火区后面的基层上，以便破碎基层。
9.按照权利要求8的方法，其特征在于，还包括的步骤是在淬火区的前面保持残余力低于临界的破碎力。
10.按照权利要求8的方法，其特征在于，还包括的步骤是使用与集成的开裂器件集成的机械开启器开启微裂纹。
11.按照权利要求8的方法，其特征在于，还包括的步骤是借助喷嘴附带的镜子反射激光束围绕淬火喷嘴。
12.按照权利要求8的方法，其特征在于，还包括的步骤是由淬火喷嘴传送液体和气体至淬火区内的基层。
13.按照权利要求12的方法，其特征在于，还包括的步骤是通过淬火喷嘴抽真空，以清除残留的液体和控制空气流动。
14.按照权利要求8的方法，其特征在于，还包括的步骤是在划线之前以程控方式提高基层的温度。
15.按照权利要求14的方法，其特征在于，还包括的步骤是通过一个或者是小平面的或者是绕射的光学透镜元件传送激光以提高基层的温度。
16.一种***非金属材料的装置，它具有：
一个产生激光束用的激光器；
一个集成的开裂器件，用于接收激光束和反射激光束至非金属基层上，以限定热影响区以及在包容在热影响区内的淬火区对基层淬火，上述集成的开裂器件具有：
一个壳体；
在壳体内配置的光学部件，用于接收和反射激光束至基层上；以及
安装在壳体上的一个淬火喷嘴，用以对限定在热影响区内的淬火区内的基层淬火。
17.按照权利要求16的装置，其特征在于，还具有安装在壳体上的机械开启器，用于开启一个微裂纹，它是由集成的开裂器件传送的激光束需要的。
18.按照权利要求16的装置，其特征在于，还具有淬火喷嘴附带的镜子，用于反射激光束围绕淬火喷嘴。
19.按照权利要求16的装置，其特征在于，上述淬火喷嘴还具有流体通道，用于传送至少一种液体或气体至基层上。
20.按照权利要求19的装置，其特征在于，上述淬火喷嘴还具有液体和气体通道两者，用于传送液体和气体两者至基层上。
21.按照权利要求20的装置，其特征在于，上述淬火喷嘴还具有真空通道，用于通过淬火喷嘴抽真空，以便清除任何残留的液体和控制空气流动。
22.按照权利要求16的装置，其特征在于，还具有一个激光划线加速器件，用于传送激光至集成的开裂器件前面的基层，以及提高基层的温度。
23.按照权利要求22的装置，其特征在于，上述激光划线加速器件还具有一个或者是小平面的、或者是绕射的透镜元件。
24.一种***非金属基层的装置，它具有：
一个产生激光束用的激光器；
一个集成的开裂器件，用于接收激光束和反射激光束至非金属基层上，以限定热影响区以及在包容在热影响区内的淬火区对基层淬火，上述集成的开裂器件具有：
一个壳体；
在壳体内配置的一个镜子和一个单元件透镜，用以接收和反射激光束至基层上；以及
安装在壳体上的一个淬火喷嘴，用于对限定在热影响区内的淬火区内的基层淬火。
25.按照权利要求24的装置，其特征在于，上述单元件透镜是一个双不对称的柱面透镜元件。
26.按照权利要求24的装置，其特征在于，还具有安装在壳体上的机械开启器，用于开启一个微裂纹，它接收由集成的开裂器件传送的激光束。
27.按照权利要求24的装置，其特征在于，还具有淬火喷嘴附带的镜子，用于反射激光束围绕淬火喷嘴。
28.按照权利要求27的装置，其特征在于，上述淬火喷嘴还具有流体通道，用于传送至少一种液体或气体至基层上。
29.按照权利要求28的装置，其特征在于，上述淬火喷嘴还具有液体和气体通道两者，用于传送液体和气体两者至基体上。
30.按照权利要求29的装置，其特征在于，上述淬火喷嘴还具有真空通道，用于通过淬火喷嘴抽真空，以便清除任何残留的液体和控制空气流动。
31.按照权利要求30的装置，其特征在于，还具有激光划线加速器件，用于传送激光至集成的开裂器件前面的基层上，以及提高基层的温度。
32.按照权利要求31的装置，其特征在于，上述激光划线加速器件还具有一个或者是小平面的，或者是绕射的透镜元件。
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