TWI314488B - Verfahren zum trennen flacher werkstucke aus keramik - Google Patents
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Description
1314488 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明關於-種利用雷射藉著熱造成之應力將陶究構 成之大致平坦的工作物切斷的方法。 在根據熱引起之應力作切斷的場合,係藉著時間性及 局部性地將熱加人及/或吸離在材料中產生溫度梯度,而 造成熱應力’導致裂痕形成。這種切斷可藉著形成完全貫 穿該材料的裂痕而達成,或著藉著先形成深裂痕,然後利 用機械力量作用而切斷。 【先前技術】 在先前技術中有許多此類之習知方法,它們利用各種 〇不相同的措施使方法結果最佳化,特別是切斷緣要有高 口口質。固然這些在專利文盧* φ辦·、. 你寻才』又馱中所述的方法一般要能全部用 ::的非金屬材料’因此也包含陶变,但是其所過實施例 又;玻璃,延點看一下以下說明即可了解。 利用熱引起的應力將玻璃切斷的技術,大概第一次是 1914年申請的德專利DE 12 44246姐μ (其光束横截面很小,故能量密二到一^ ., 文此里在度很兩)在—設有能吸收輻射 ^層的平板玻璃表面導進(雷射線),因此由於熱導 使玻璃表面在沿雷射線的部分發熱。人們知道此處 射=璃加熱:絕對值而冑,而係視在玻璃中垂直於雷 跟隨’皿又梯度而疋’這種溫度梯度特別是可藉著該發埶後 it冷:作業達成。人們當時已確知,要形成所需的溫 -,並不須將玻璃加熱到其熔點為止,且由於熱斷裂 1314488 所造成的斷裂產生的切斷面的品質與將破璃熔化造成者不 同。 較以後的文獻則將這基礎方法最佳化以提高切斷速 度,改善切斷線的線導引的準確度(切斷準確度)以及改 善切斷緣.的表面(切口緣品質)。 如在1992年國際專利WO 93/20015所示,在這種方 法,由於以下理由,到此案發表的當時為止,切斷 都不夠好: & 氣縫在一玻璃板的邊緣在某一時刻開始形成,在此時 Ί夺軸射線光斑已從邊緣沿該雷射線隔開。在玻璃板邊 緣與光束斑之間的區域内,熱應力呈複雜的分佈,這些熱 應力最先只造成壓應力,但它們不會造成裂痕形成。當冷 部劑加上去時,會使熱呈驟然方式被抽掉,而產生拉伸應 力’此時當拉伸應力超過玻璃的拉伸強度時,就會造成裂 痕的形成。當裂痕前進時,在裂縫兩側的材料邊緣被互相 壓開,如此產生機械應力,該機械應力促使裂縫進一步擴 展’當在此步驟中可利用玻璃板中熱應力的不對稱性解釋。 依W〇 93/20015的一方程式選擇一定的程序參數,可 吏刀辦準痛性及切斷速度改善,依此程式要產生特定方向 與冰度的裂痕。依此方式,依一橢圓形光束橫截面的長度 與寬度而定,選定相對速度,如蘇聯專利su_A_1231813所 述者其依一比例因數(它係由玻璃的熱物理性質及機械 性貝及輻射功率密度而決定)、光束斑與冷卻區域的距及 4痕私度(它由工作物的材料厚度決定)而作選設。雖然 6 1314488 其中未清楚說明,但在利用此公式的情形下,選設參數最 、·';係要使熱應力儘量地在一定地點分佈而加入。 較以後的專利案特別是進一步對光束斑的幾何性質著 手 匕要使能量能最佳地加入,在此,實施例各利用玻璃 說明。 因此在WO 96/120012中不採用習知之將光束斑中能量 役度作迄今習知的高斯式分佈的方式,而係採另一能量分 佈方式,從周圓向中心遞減(橢圓形)。歐洲專利EP 0872303 係主張一種光束斑形,其能密度分佈呈一 ϋ或V曲線。 台灣專利申請案891〇453〇 (公告號464578 )提到一種 控制雷射劃線的介質裂縫深度的方法’用於將玻璃或其他 脆易碎材料構成的扁平工作物切斷,利用雷射沿一所要之 切斷線造成暫時局部的發熱,隨後利用一股冷媒喷流沿此 暫時及局部地將熱帶走,而造成熱脹冷縮的熱應力而引起 一斷裂痕。在此,雷射光束在工作物上形成一光束班,它 沿切斷裂痕方形呈一長橢圓形。 先前技術係設法沿雷射線產生均勻熱應力,並藉特定 之能量密度分佈而影響斷裂痕的品質,這種方式顯^其出 發點係要將無定形(非晶質)材料以無本身應力的方式加 工’正如許多玻璃種類所採用者。 而在晶質材料(如陶瓷)實施此程序時,其出發點須 為:這些決定程序過程的程序應力不能完全由所引發的熱 應力的時間性與區域性的形成而決定,而係也要使自身應 力也促進該程序的應力,特別是當較大的自身應力沿所要 1314488 的切斷線的路徑的範圍改變時,這種習知方法不能達到所 要的切斷品質。上述之方法也對於上述切斷線在工作物末 端向雷射線彎曲的問題並無解決的方法,本申請人了解這 點係自身應力的問。 除了在習知方法中該自身應力都被忽視(這些習知方 法一般號稱,係可用於非金屬脆材料者)以外,這些方法 都需要有一條起始裂痕,這也更進一步顯示了這些方法不 適用於陶究。 上羋例而吕,在wo 96/20062中所述的方法中提到,在 该受照射的部段冷卻之前,在材料表面沿所要的切斷線作 叫条切痕(Anschnitt)(起始裂幻。固然在工程上這種切痕 2非新者’且往往在板的熱切割程序實際使用,然而配 s上述方法可造成新穎效果,亦即很準確的切割導引,及 ^質的邊緣,在EPG4侧8、w_侧9及德專利咖 824也如到起始裂痕當作重要特點。 【發明内容】 裂痕本:經驗Μ :絕對需要有-條起始 明中,各稽^ 力將玻璃切斷。但在這些程序說 種情㈣並不提到也不採 必需之前提,這是因為實際上係從一機:方=痕“ 開始作切斷,該邊綾 為械方式切出的邊緣 縫之一當料始裂痕^上有許多微裂痕。如此這些微裂 果我們在這種利用:匕^延變成「切斷裂痕」。但如 則在維持程序表數二的切斷緣上做-條第二切痕, 的情形下,衫會形成所要之定向的裂 1314488 痕’而只有加熱及隨後 於這種邊綾#力女形成裂痕,其原因在 41519中明白^ 裂痕能當作起始裂痕。在DE⑽ 平板玻裂痕的必要性,該文獻提到—種將一 :玻Γ切分成數個長方形板的方法。此處有一點很明 以;用行家們知道,要切斷玻璃,絕對需要-起始裂 痕,以利用熱引起的應力從一切斷緣作切斷。 上迷方式係設法在程序期間一直將熱均句地沿 加入,且如果作+77金丨u 6 ^ 起始裂痕。邊緣沒有微裂痕’則絕對要有—條 ::牙、之外’本申請人還知道有另一缺點,因為 ^ ^ 叙不此直接使用於將陶瓷切斷。基本上, 在考慮/^·點以及所 a& 4-n Λ2. ϊ ,所要切斷的材料,以及所予之光束斑的幾 何'I,以及光束斑中的能量宓产八佑& _ 町恥里在度刀佈的情形下,可藉著 +田射功率、光束斑長度及料速度這些參數作最佳組合 而將熱加入,這種熱造成應力,這應力夠力,因 痕可擴展。 ^ 在上述先前技術中未提到:利用所要切斷 質將間隙空間上方定界限,以選設光束斑的長度,或以 慮坆些因素的情形下將該間隙空間作最佳的選設。 _、,實際上,破螭可用小的或大的光束斑長度(約2〜50 毫米)依速度Μ作切斷’且如果要將不同的玻璃切斷, 則不需配合光束斑長度。 反之’在陶瓷的場合,本申請人的研究顯示,為了要 在陶瓷中產生所要的裂#,光束斑長度的範圍不但比破璃 1很夕且各種不同陶瓷之間也互不相同。 1314488 如上述’在上述先前技術的實施例中,並沒有明言能 將陶瓷切斷者。實際上,陶瓷係用機械方式鋸切而切斷者, f矛「j用田射藉所謂的r刮切」(Scriben)--它也被錯誤地稱 刮裂j ( Ritzen )。在此處並沒有實際上的裂開,而係 =盲孔形式沿一條線將材料去除。用於這種方式的程序的 射加工。又備見於pr〇 c〇m Systemhaus與工程公司的型 錄’名稱為CNC300。 精耆將材㈣化及蒸發,可將很大的應力引人。它們 會在組織中造成微裂痕形成。 k種方法不能用於受於高應力的陶瓷。它只會造成不 =定的龜裂(Wildbrueh)。主要的缺點還有會m氣殘留 物沈積而使工作物表面污染。 本毛明❼目的在於提供一種根據熱引發的應力將材 切斷的方法,該熱應力使得裂痕沿切斷線形成,藉此方 可在陶曼構成的平坦工作物中以高程序速度切出一 / 的深裂縫,俾使陶兗沿此切線線的抗彎 地: 少,俾隨後施以-定力量將工作物沿此切斷線切:也減 方法Π明:在一種將陶竟構成的工作物切斷的 '、j用申凊專利範圍第i項的特點達成。 有利的實施例係在附屬項中敘述。 依本申請人所知,受應力的陶£只有當程序參 慮工作物的自身應力下作改變]能依目的作切 : 請人設法對於重要的可改變的參數射功率盘進申 度--有約大的程序與工作物的導熱能力(WLF;、的= 10 1314488 以及其厚度,且為此找 了對應選設時,就有2的:序;;。斑長度作 及進送速度(程序J 」以調整雷射功率 孔範圍内依標的改變,者參數可在該程序窗 ‘ 或者參數(例如雷射功率或發生之 锆又的變動(例如由於工作物表面不平坦所致)可 情:=Γ。事實也顯示,在對應的光束斑長度的 所雨的物中的自身應力比起在工作物中形成裂縫 的^變 小時’則並不絕對需要將程序參數依標 =造m作物時,在不同的生產階段中,在後處 安裝時’基本上會發生機械應力。特別是當加熱或 冷卻不均勻時(例如在陶究燃燒後冷卻,作表面處理用的 熱後處理作業’或用於施覆鍍層之處理)以及由於收縮時, 應力被「珠結」到工作物中,或導致殘留之變形。這些應 力的原因係由於陶究顆粒〔碎片(Seherben)〕不同的熱膨服 系數以及組織構造之相關的不同的膨脹以及陶冑(陶竟顆 ^與雜質)與鑛覆材料之間不同的熱膨脹係數所致。此外, 當成形時或工具加i (例如將邊緣作機械㈣)由於強力 機械力量,而會使附加的自身應力加入材料中。 廷些自身應力一般不能計算,但可有限地作實驗測定。 本發明的第一構想為:特別是當工作物有很大的自身 應力時或其自身應力沿所要的切斷線有很大變化時,在切 斷程序開始之前,將工作物沿所要之切斷線的自身應力檢 出初步這種檢出作業可用量技術達成。其次可作許多測 j314488 量以及將測量結果和沿所要之切斷線之工作物的表面曲度 相關聯,也可利用目測法比較工作物的曲度而追溯到自身 應力。 自身應力的測量作業要有利地在—批工作物的二個樣 品作,其中在第二樣品的檢出作業用於確認第一樣品的結 果。如果這些結果在預設的容許誤差限度内係相等者,則 吁認為這-批工作物中的其他工作物沿著切斷線也有相當 的應力走勢圖,「一批工作物中的工作物」一詞係指這: 工作物在相同製造條件下製造(可能還有相同加工條件; 加工)’且具有相同尺寸,特別是相同材料厚度者。 自身應力也可利用實驗求出。 為了在整個工作物範圍中在陶究内達到一條具值定深 度的深裂痕’有-點很重要的:該引發的應力加上自 力要達到臨界破壞應力(在此應力時用形成裂痕)。此時 固然可將所要切斷的陶£板之沿所要之切斷線的自身庫力 求出,且容許的破壞應力一般 " 又資田表化陶瓷板者的經驗得 到’然而由此達成之所要引發的應力並不能隨時地當作在 雷射線上的路徑函數作調整。 引發的熱應力係為許多程序參數與材料參數的函數 •雷射光束的功率 •光束斑中的功率密度分佈 •光束斑的形狀與面積 •光束斑與工作物之間的相對速度 •工作物的材料性質 1314488 冷卻劑的熱物理性質 在冷卻橫截面的形狀與面積以及距光束橫截面的距離。 斷程序Γ作物㈣設㈣性質(該卫作物_地在一切
7截Π不能改變的冷卻劑的性質以光束橫截面與冷卻劑 才買截面(它們太叙皮、? I 中很難改變)對於-實驗保持一定, 特別疋雷射光束的功率與進送速度。對此,為了要有夠大 的間隙空間(程庠龠3丨、 有多勺大 太小使能量加入太而:不會由於光束功率太高或速度 夕而4成材料發熱(這會導致雜質熔 )’故需對應地選設對於程序為—定的參數。 々果光束沿光束導進(進送)的方向有儘量大 Γ長度),則達到最大之程序窗孔;換言之,光束斑長产! 越大,則㈣”越大(進送速度與雷射光束的功率可在 此間隙空間中變化)。 由於材料中的熱功率沿所有方向均勻作用,因此光束 斑長度較大’可使較多熱進入深處。雖然在玻璃的場合, 光束斑長度在技術可能的範圍内幾乎可選設成任意長度, ::陶瓷的場合’長度就受限制。其原因係為材料的熱傳 $月匕力(WLF )。雖然玻璃的WLF只會猶微變動,例如從 Floatglas 〇.8 W/mK ’到删矽酸塩玻璃的,但陶宽 的WLF則可變動得很大,達到玻璃的iq〜倍以及大的 1〇〇倍’例如ALN 180 w/mK。此狀況在加熱區域(光束斑) 的4何性裊。特別是在其長度的場合就進送速度方面加以 考慮。 此處說明本發明第二構想。 13 1314488 最大之有效的光束斑係利用所要切斷的材料的導熱能 力決定。I熱能量越大,則光速斑長度須越短,俾使儘量少 的熱從切斷線側向導離到鄰界的區域。但同時該光束斑長 度又要儘量大,俾能如所述,有很大的程序窗孔,使料 速度與雷射功率能在窗孔中變化。在這些實施例中,對於 不同導熱能力的材料給予光束斑長度,這些光束斑長度二 如對该材料係最適當,因此也要所需地儘量小,俾使側向 熱導離量保持很小。本申請人利用多數實驗發展出一公 式,藉之可依熱傳導能力(WLF)材料厚度而定求出最佳 的光束斑長度。調整此光束斑可造成很大的程序窗孔,在 其中該雷射功率與進送速度可充分地變化,俾將在切斷線 謝所引發的熱應力依自身應力而定作 材料中的自身應力而定,可找屮,炉皮& 案斑m w &出在私序自孔中對於雷射功 率與進送速度適當的參數組合。 雷射線變動很大’則這此失數了果该應力性質沿 只二參數可沿程序過程 它們可對於工作物作不同 个1“勺5周整’舉例而t,該工作物由 於不同的後處理而有不同的自身應力。 下勿由 即使不須改變程序參數,但因為自身應力很小或者在 所要的切斷線的走勢中變動 〆 的么”… 不大’因此絕對要利用本發明 的“選§又先束斑長度’俾因應目的而得到一條切斷裂 痕,否則,當程序參數恆宏拄± J條切斷裂 数民疋時,較大的光東 t、止 成所要的切斷品質,或者切斷程序 長度不“ 光束斑長度會造成較長的程 J生。較短的 ^ M ( ^ ^ ^ 功間或运成可看得出的交替 作用咖表面的_炫解),因此利用本發明測定的 14 1314488 光束斑長度可達到儘量高的程序速度。雷射功率的變動, 由於程序窗孔很大,故不會影響程序,同樣地照到工作物 上的光束斑的影響能量密度的變動也不會造成影響。這種 能量密度的變動係在沿雷射線之進點距工作物表面的相對 距離改變時發生者,因為(舉例而言)卫作物表面不平坦, 研究顯示,計算的光束斑長度偏差即使達1〇%也不會有 顯的影響。 在實施此程序時,將自身應力基本上列入考慮,則不 但可使具有自身應力的m夠以可重視的如帅㈣叫 方式切斷’而且也可依標的施機械應力以幫助切斷的程 序。因此’舉例而t,非氧化物式的陶瓷(由於熱傳導能 力高’很難將熱力應引人其中)纟切斷程序時可受機械預 應力,使得只要還很少的熱應加入時已形成裂痕。 藉著將自身應力列作考慮,可在切斷陶竟時(藉著來 成一條深裂痕’然後施力)將所需之施力保持在很:的誤 差範圍1需的破壞力量一方面不能太小,以防止提前音 外地斷裂,但也不能太大,俾使陶m斷線漂二 且只花很少的能量。 辦 特収薄的工作物可有利地固定在卫作物承座 U age上,則量’該承座也用於作隨後切斷程序的承座, 如此,由於固定在承座上因夾緊產生的應力也可—同檢出。 本發明的第三構想在於將裂痕引入。 將條起始裂痕依標的加A,對☆要將陶 物切斷的情形而士,俦1右 、作 。又有必要者。如許多試驗所顯示者, 15 1314488 裂痕始終沿顆粒界限開始形成(在此顆粒界限由於陶变結 晶與其周圍的炫化相的膨脹係數不同,在製造及再加熱 時,造成最大應力)或者在材料過渡區開始形成(在陶竞 加熱時,由於接觸而形成這些過渡區,它們是較脆弱的位 置)。如&,裂痕遂沿顆粒界限在雷射線區域(光束斑掃 掠過的幻中擴展。雖然在玻璃的非晶質組織中裂痕往往 從-條起始裂痕開始呈直線擴展,但在晶質的陶竟中,裂 痕的形成與擴⑽顯微鏡看)係沿顆粒界限或脆弱位置 呈波狀發展,光束斑寬度至少要等於最大顆粒直徑的寬度。 本發明在以下利用實施例詳細說明。 【實施方式】 在第-實施例中’陶竞盤由96%氧化銘構成,熱傳導 能力24W/mK,厚冑〇.63mm,它要從中央切斷。 利用本發明的公式:㈣xdx24/WLF (其中{為光束斑 長度)’ WLF為所要切斷的陶瓷,d為所要切斷的陶:是段 的厚度)计算得光束斑長度5mm,並調整光束斑使光束斑長 又約5mm光速斑寬度約i mm,在雷射功率瓦特及速度 二。毫米/秒’將光束斑經該工作物導進,產生一條深裂痕, 匕用眼睛看不出來,隨後在80〜120MPa範圍施力時,工作 物沿切斷線斷裂。其他的與此工作物中或這些工作物同— 批的材料利用相同的參數產生的深痕可用相同的施力作用 刀斷田射功率變3% ,沿工作物的對角線範圍的高度差為 mm(匕們會使得雷射線的光束密度變動)這些值都在程 序由孔之内,因此不會有問題。研究顯示,在這種光束斑 16 1314488 的橢圓長度以及60W的雷射功率的人 年的%合,進送速度可在 50mm/s與150mm/s變化(其他程庠! 布序參數不變的場合)。當進 送速度1〇〇mm/S時’雷射功率可在54〜卿之間變化 在第二實施例中,所要切斷的陶究盤由氧化 其熱傳導能力2.4W/mK,厚度同揭Λ A。古 又』樣〇·63毫米。光束斑長度 選设成5Omm,所選設之進送速声彻 、逯度與雷射功率同第一實施 例,該雷射功率與進送速度可依第一實施例變化,而 對裂痕的形成有影響。 在第三實施例中要將第—實施例的陶竟切斷,它設有 鑛覆上去的銅構造’且具有很高的自身應力,這是在實施 該程序時不能再忽視者,陶究中的自身應力在未㈣的邊 緣區域係遠小於在銅構造的區域中者。當光束斑的其他參 數,持樣要丄著構造間的一條線將陶曼切斷,該材 料厚度调整成-疋,且進送逮度可沿雷射變化或將進送速 度調成m吏雷射功率可沿雷射線變化。 如此,舉例而言,當雷射功率60W時,進送速度在自 由的邊緣區域開始調整到1G(Ws,然後在鍍覆的區域減少 到7〇職/s,然後在離開錄覆區域時再增加到H)0 mm/s,這 種進运速度都在程序f孔内,該程序窗孔係對於該陶堯 :斗及工作物厚度之所求出的光束斑長度設定者(見第—實 Μ,)。如;J;在恆定雷射功率將進送速度作變化,也可以在 疋的進送速度將雷射功率變化。因此,舉例而言,在1 〇〇 的值定進送速度時,開始用歸的雷射功率最先在 自由邊緣區域·鈇鉍 …、後在構造間的一線上以66W在構造化區 17 1314488 域,最後再在自由邊緣C區域施以60W的雷射功率,以產 生所要之切斷裂痕。 【圖式簡單說明】 (無) 【主要元件符號說明】 (無) 18
Claims (1)
1314488 十、申請專利範圍: 著種將陶㈣成的工作物切斷的方法,係利用雷射沿 ::斤要的切斷線作時間性及局部的發熱然後作時間性 的冷卻造成應力,產生—條切斷裂痕,其中該雷 方 工作物上形成一光束斑’其光束斑長度沿切斷線 方向係大於垂直於該来击 具# 於該先束斑長度方向的光束斑寬度,其特 徵在·該光束斑長度由以下公式計算: ^ = 8xdx24/WLF 其中鹆光束斑長度,WLF為所要切斷的陶竟的熱傳導 能力值’d為所要切斷的陶£卫作物的厚度,俾依該工作物 的熱傳導能力及材料厚度而^將光束μ寬度作調整,使之 如所需之小’以使之儘管熱加入,仍能達成所需的溫度梯 度以產生該切斷線’但又要儘可能地大,以使熱儘量快地 加入並達成高程序速度,且不產生起始裂痕以開始作切斷 程式,且在切斷程序開始時’將工作物沿所要之切斷線的 自身應力檢出,並考慮到該自身應力在切斷過程時將功率 或速度依地點而定作控制,使沿著切斷線的熱應力與自身 應力總和達到形成裂痕所需之破壞應力。 2 ·如申請專利範圍第1項之方法,其中: 該工作物在預應力下保持在一工作物承座上,俾另外 產生幫助程序應力的附加應力。 3.如申睛專利範圍第1項之方法,其中: 將工作物固定在工作物承座上,該工作物在切斷裡序 時也以相同方式保持住。 19 1314488 七、 指定代表圖: (一) 本案指定代表圖為:第(無)圖。 (二) 本代表圖之元件符號簡單說明: (無) 八、 本案若有化學式時,請揭示最能顯示發明特徵的化學式: (無)
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