TWI314488B - Verfahren zum trennen flacher werkstucke aus keramik - Google Patents

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）