脆性材料中的超声引发的裂纹传播的制作方法

专利名称：脆性材料中的超声引发的裂纹传播的制作方法
脆性材料中的超声引发的裂纹传播
背景技术：
发明领域
本申请涉及脆性材料的片材的分离，更具体来说，涉及通过对施加于脆性 材料的超声能量作出响应，引发沿刻划线的裂纹并使裂纹沿刻划线传播。
相关领域描述
人们通常采用两种技术对玻璃、无定形玻璃、玻璃-陶瓷或陶瓷材料之类的 脆性材料的片材进行切割或成形，以形成具有所需构型或几何形状的片材。
第一种常规的方法包括用金刚石或钨电极尖之类的硬质器件对片材进行 机械划线，对所述脆性材料的表面进行刻划，然后通过对施加于该材料的弯曲 力矩作出响应，使得沿所述刻划线断裂。通常所述弯曲力矩是通过对刻划线周 围的脆性材料进行物理弯曲而施加的。但是这种方法通过弯曲力矩对片材引起 了显著的能量，因此不适于该材料的某些构型或制造方法。这种分离方法还经 常会沿新形成的边缘产生扭曲的锯齿形状。
第二种常规的技术包括激光划线，例如US 5,776,220所述。常规激光划线包 括用连续波激光对脆性材料的局部区域进行加热，然后通过施加制冷剂(例如 气体)或液体(例如水)使被加热的区域立刻骤冷。用激光划线的材料的分离可以 如机械划线那样通过弯曲而进行机械断裂来完成，或者通过第二束更高能量的 激光来完成。通过使用第二束更高能量的激光可以在不产生弯曲的情况下进行 分离。但是这种分离很慢，经常难以控制裂纹的传播。第二束激光还会产生热 裂纹，引起高的残余应力。
因此人们需要可重复的均匀的分离，该种分离不需要弯曲脆性材料的片材, 同时使对片材的操作最小化。人们还需要在垂直成形(拉制法)或水平成形(例如 浮法玻璃)的过程中减少扰动分离现象(disturbance separation)。人们还需要减少 在弯曲引起的分离中通常存在的扭弯的锯齿形扭曲。人们需要在无需对材料进 行物理弯曲或者引入极高温度梯度的条件下，沿刻划线对脆性材料进行分离。人们特别需要从连续移动的脆性材料带材上分离下矩形片材(pane)，同时减少 所带来的可能沿该带材向上游传播的扰动。
发明简述
本发明提供了在无需施加显著的弯曲力矩或者冲击负荷的情况下，对脆性 材料的分离。本系统还提供了从连续运动的脆性材料带材上可重复而均匀地分 离脆性材料的矩形片材，同时还减少引入所述带材的扰动。本系统还允许对脆 性材料的片材进行分离，同时减少在通过弯曲力矩进行的分离中通常观察到的 扭曲的锯齿形状。
本系统可用来分离静态的、独立的或固定的材料片材。然而，己经发现特 别适合用来从材料带材上分离下矩形片材，还发现可以从移动的玻璃带材上分 离下矩形玻璃片材。
通常对所述脆性材料施加超声能量以沿着之前形成的刻划线形成裂纹，并 使得裂纹沿着之前形成的刻划线传播。通常在刻划线的局部区域内施加超声能 量，该超声能量是在刻划线处施加的，或者在该材料的相反面施加的。
在另一种构造中，通过在施加超声能量之前对刻划线施加横向负荷来促进 脆性材料沿刻划线的分离。通过施加负荷，片材被张紧，能够使得在局部位点 施加的超声能量有效地传播。通过选择超声能量的频率、超声能量的振幅以及 横过刻划线的张力，本系统可用来分离许多种脆性材料。
在目前的用来从连续玻璃带材分离矩形玻璃片材的构造中，本发明减少了 能够在带材中向上游迁移的不利扰动的引入。本发明允许在不会像现有技术的 系统那样带来显著的弯曲力矩或冲击负荷的条件下，从带材上分离矩形片材。 因此，减少了在带材中向上游迁移的能量。
下文的详细说明中描述了本发明其它的特征和优点， 一部分对于本领域技 术人员来说，通过阅读描述可以显而易见地了解，或者可以通过实施本文描述 的本发明来了解。出于描述的目的，下文讨论了玻璃制造。但是应当理解所附 权利要求书中限定和说明的本发明不限于于此，除非权利要求将脆性材料定义 为玻璃。
应当理解以上概述和以下详述都仅仅是用来示例说明本发明，用来提供理 解下面要求的本发明性质和特征的概况或框架。另外，上面列出的本发明的方 面，以及本文讨论的和下文要求的本发明优选实施方式和其它的实施方式均可独立实施或者以任意的和总体的组合的形式来实施。
用附图来帮助进一步理解本发明，附图结合入本说明书中，构成本说明书 的一部分。


了本发明的各种实施方式，与描述文字一起用来揭示本发 明的原理和操作。应当注意图中所显示的各种特征不一定按比例绘制。实际上, 为了清楚讨论，尺寸可以任意地放大或縮小。
附图简述
图l是用来形成脆性材料的带材的设备的透视示意图。
图2是从熔融玻璃制造设备延伸出的带材的正视示意图。
图3是施加在所述带材上的超声能量的侧视示意图。
图4是通过施加超声能量进行分离的脆性材料水平片材的侧视示意图。
图5是通过将施加超声能量和施加与刻划线相横切的负荷结合起来进行分
离的脆性材料片材的侧视图。
发明详述
在以下详述中，出于解释而非限制的目的，列出了揭示具体细节的示例性 的实施方式，以便充分理解本发明。但是对于本领域普通技术人员来说，通过 得益于本说明书，他们可以显而易见地了解，可以在不背离本文所揭示的具体 细节的前提下以其它实施方式实施本发明。另外，可以省略众所周知的装置、 方法和材料，以免混淆本发明的描述。
本发明提供了在无需对脆性材料进行弯曲或冲击的前提下，通过超声引起 的脆性材料分离。在一种构造中，本发明提供了从移动的材料带材上分离脆性 材料的矩形片材，选择的构型减少了能够在所述带材中向上游传播的扰动的引 入。出于描述的目的，本发明首先阐述从移动的玻璃带材上分离矩形玻璃片材。
图1是熔融法中通常使用的种类的玻璃制造设备10的示意图。该设备10包 括成形溢流槽(isopipe)12,其将熔融玻璃(未显示)接收在凹腔ll中。所述熔融玻 璃从凹腔ll的上部边缘流过，沿溢流槽12的外部边缘向下流动到根部14，形成 玻璃的带材20。所述玻璃的带材20在离开根部14之后，横贯固定的边缘辊16。 从而形成脆性材料的带材20，其具有从根部14延伸到自由末端22的长度。
这种下拉片材或熔融法见述于美国专利第3,338,696号(Dockerty)和美国专 利第3,682，609号(Dockerty)，这些专利参考结合入本文。因此省略了详细描述，
以免混淆对示例性实施方式的描述。但是应当注意，可以将其它种类的玻璃制 造设备与本发明结合使用。对于玻璃成形领域的技术人员，己知可以用许多方 法来完成这种结构，例如采用层叠下拉，狭缝下拉和层叠熔融法。
在熔融法中，或者在其它种类的玻璃制造设备中，当玻璃带材20从溢流槽
12向下移动的时候，带材从根部14处的柔软状态(例如50毫米厚的液体)转化为 例如末端22处的厚约0.03-2.0毫米的刚性玻璃带材。
在所述带材20的形成过程中，带材从根部14处的液态转化为带材末端22处 的位于下游的固态。在发生转化的玻璃中引入扰动，可能会造成制得的固态玻 璃中产生不希望有的不均匀性。通常，从带材上分离下矩形片材的时候，会以 波浪或扭曲的形式向带材的固体部分引入显著的能量。这种扭曲会向上游迁 移，迁移到带材熔融部分向固态部分转化的位置。随着扭曲在带材的转化部分 中耗散，会以无法控制的方式引入不均匀结构和非线性结构，从而会减小之后 的矩形片材的均一性。
出于定义的目的，当带材20从根部14下降的时候，带材以描述带材运动的 速度矢量运动，形成具有大体平坦的第一侧面32(通常称为A面)和大体平坦的第 二侧面34(通常称为B)的基本平坦物体。在某些构造中，如图2所示，带材20包括 侧向的凸楞或隆起部分36，这些部分的尺寸是设定的，用来与固定的辊16接合， 或者在带材从溢流槽12移动的过程中控制表面。关于带材20,术语"相对"或"相 对的"表示同时在所述带材的第一侧面和第二侧面上接触。
术语"上游"表示带材20上到根部14的相关点。术语"下游"表示到带材20的 末端22的相关点。
从带材20上分离矩形片材24的操作在与根部14相距特定距离的范围内、沿 着在带材的至少一个侧面上形成的刻划线26进行。也即是说，在稳定的操作参 数下，玻璃带材20在与根部14相距大体固定距离处达到大体预定的固体状态, 从而可以进行分离。
本发明的系统包括划线组件40,超声施加器60和载荷组件80。 划线组件40用来在带材20的第一侧面32上形成刻划线26。所述划线组件40 包括划线器42以及成某种构型的刻划砧台44。出于描述的目的，所述划线器42 和刻划砧台44描述为在图2所示的共用滑架100上运动，而图3中为了清楚起见 省略了该滑架。所述滑架100可相对于框架102运动，可以通过任意的各种机械 结构使得滑架运动，以便与带材20的速度矢量相匹配，这些机械结构包括机械
装置或电动机械装置，例如电动机、齿条和小齿轮。
因此，划线器42将会沿着带材20的运动方向、以与带材匹配的速度矢量移
动。当划线器42沿与带材20移动方向相同的方向平移的时候，会沿着与带材移 动方向横切的方向形成刻划线26。
划线器42可以是本领域中众所周知的任意种类的构型，包括但不限于激光 器、砂轮、针尖或刀尖，包括金刚石、碳化物、锆或钨。
对于要求与带材20接触以形成刻划线26的划线器42的构型，划线器还可在
縮进的非接触位置和伸出的与带材接触的位置之间运动。
对于接触的划线器，划线器42与刻划砧台44协同作用，沿带材20的第一表 面32形成刻划线26。
通常，刻划线的深度约为片状材料、带材20厚度的10%。因此，对于厚度 约为0.7-1.3毫米的带材20，刻划线26的深度约为70-130微米。对于用于显示器 系统或基材的矩形玻璃片材，带材的厚度通常为0.4-3.0毫米，因此刻划线26的 深度可约为40-300微米。然而，应当理解，不同的材料、操作温度和超声施加 装置60可能需要相对于带材20的厚度调节刻划线26的深度。
在从带材20分离矩形片材24的时候，刻划线26是线形的，延伸过凸楞36之 间的带材。因此，刻划线26具有沿刻划线的长度延伸的纵向尺寸。
超声施加装置60使超声能量与带材20结合。超声施加装置是可在市场上购 得的产品，例如购自本田电子公司(Honda Electronics)的USW 335 Minicutter,或 者购自声能和材料有限公司(Sonics & Materials, Inc.)的VC-2515型和VC-505型 超声处理器。可使用许多种机械装置来产生超声能量。例如，可以使用晶体振 荡器或磁致伸縮调制器，例如处于强交变磁场中的镍棒。超声施加装置60包括 用来向带材20引入超声能量的耦合器62。耦合器62可以具有任意多种构型，例 如为刀片或叶片，刀口或针尖。已经发现一种令人满意的耦合器62具有长度约 为6毫米的叶片。己经发现该超声施加装置60的令人满意的额定功率约为30W。 然而，根据带材20的具体材料，刻划线26的深度以及横向负荷的大小，超声施 加装置60的额定功率可约为10-300瓦。
通常超声能量为超声振动的形式。超声振动的频率约为15-400千赫。然而, 应当理解，可使用高于400千赫的较高的频率，例如约为700千赫-1.2兆赫，预期 其包括在术语超声之中。在一些文献中，提到将大约700千赫至1.2兆赫的频率 称为兆频超声频率(megasonic frequency)。应当理解这种频率包括在术语超声之内。宜使用超声频率，这种超声频率在听觉范围以外，由于具有高频和较低的 振幅，如下文所述，其不会导致带材20发生足够高振幅的振动，因此不会在带 材中产生不希望有的扭曲。还应理解可以使用超声范围之外的低于15千赫的频
率。振动的振幅通常在大约20-100微米范围之内，令人满意的范围约为40-80微
米。然而，应当理解振动的具体振幅部分是由脆性材料的组成和尺寸、以及耦 合器62的构型决定的。
使用图2和图3显示的载荷组件80在带材20上施加与刻划线的纵向尺寸横 切的负荷或作用力L。也即是说，该负荷沿着带材20移动的方向。在从带材20 上分离矩形片材24的结构中，负荷是沿着速度矢量V的方向的。然而，预期横 向的负荷(或张力)可以是施加在带材20上的负荷或作用力矢量的分量。
在一种构型中，载荷组件80还与刻划线26下游的带材20接合，在矩形片材 24从带材20分离的时候，对矩形片材24的去除进行控制。在美国专利第 6,616，025号中描述了代表性的载荷和矩形片材接合组件80以及相关的传输装 置，所述专利参考结合入本文中。
载荷组件80包括矩形片材接合部件82，例如低真空吸盘。应当理解可以使 用其它装置例如夹持器来接合矩形片材。可以根据矩形片材24的尺寸、厚度和 重量来改变矩形片材接合部件82的数量。
所述载荷组件80可使用任意的各种机械装置施加横跨刻划线26的负荷。例 如，可以将气动或液压的活塞或汽缸与矩形片材接合部件相连，以施加与带材 20的速度矢量平行或同延的作用力。较佳的是，所述载荷组件80可以施加横跨 刻划线26的可控制且可调节的横向作用力。根据刻划线26的长度以及分离的材 料，通常的负荷数值可约为2-50磅。通常宜通过例如载荷组件施加足够的张力， 以提高裂纹传播的效率。
应当理解所述载荷组件80可以在形成刻划线26之前或之后与带材20接合。
可以通过硬线或无线方式，以可操纵的方式将控制器90与划线组件40,超 声施加装置60以及载荷组件80中的至少一种连接，以使得部件的操作相同步。 所述控制器卯可以是嵌入一个部件中的处理器。或者所述控制器90可以是专用 的处理器或计算机，通过编程使得能够对划线组件40，超声施加装置60和载荷 组件80进行共同控制，以提供从带材20上分离矩形片材24。也即是说，控制器 卯可以允许对刻划线26的形成、对刻划线施加横向张力、以及施加超声能量的 操作进行排序。
在操作中，划线组件40形成横跨带材30的第一侧面32的刻划线26。然后, 使耦合器62到达与带材20的第二侧面34邻近的位置或者与该第二侧面34接触， 对带材20施加超声能量(通常为超声振动的形式)。通过接触带材20,耦合器62 向带材提供较高效率的能量传输。耦合器可以在略处于刻划线上游的位置或者 略处于刻划线下游的位置，与带材20上和刻划线26相背的第二侧面34接触。通 常与耦合器62的接触位置约处于刻划线26下游l-20毫米处。将耦合器62施加于 片材未刻划的侧面。耦合器62与带材20相接触的具体位置部分取决于耦合器的 几何形状。通常耦合器62的宽度为0.1-20毫米。对于窄的耦合器62,例如宽O.l 毫米的耦合器，耦合器应当与具有约0.1毫米的刻划线26的带材20的未刻划侧面 接触。使用较大的耦合器时，宜使得耦合器62的中心接触刻划线26的背面。预 期耦合器62可以在刻划线26的垂直位置大约1毫米之内与带材20相接触。也即 是说，对于下降的带材20,如果刻划线26以给定的高度水平延伸，则耦合器62 会在该给定高度的大约l毫米之内，与带材20的未刻划侧面接触。预期随着耦 合器62尺寸的减小，刻划线26与耦合器接触位置之间的距离应当减小。
超声能量沿刻划线26引起了裂纹，并使得裂纹随后沿所述刻划线传播。根 据超声振动的振幅，刻划线26的深度，对刻划线横向施加的张力的大小，以及 带材20的组成，裂纹可以沿着刻划线，传播从大约刻划线深度的五倍至15-20英 寸的距离，或者在整个刻划线长度上传播。在选定的构造中，裂纹可以传播超 过刻划线26的长度。
还应理解耦合器62可以在带材的刻划过的侧面(第一侧面32)上与带材20相 接触。耦合器62接触位置与带材20相对于刻划线26位置的垂直间距如上文所 述。尽管这些使超声能量与带材20耦合的位置使得沿着刻划线26产生裂纹，并 且发生裂纹的传播，但是可能会产生不希望有的碎屑。因此，为了减少碎屑的 产生，耦合器62优选与带材20未刻划的侧面相接触。
还考虑可使单个或多个耦合器62同时或依次地与带材20接触，以使得裂纹 沿刻划线26的局部部分传播。但是，由于由多个引发点造成的裂纹可能沿略微 不同的脆性材料平面延伸，人们认为在施加足够的超声能量的时候，宜结合施 加足够的与刻划线26横切的负荷，使得裂纹从单独的引发点沿整个刻划线长度 传播。另外，优选在裂纹传播过程中连续地施加超声能量。
参见图4，将刻划后的玻璃片20'置于水平表面上，通过施加超声，对片材 20'未刻划的侧面施以超声能量。在图5中，用夹具18将所述玻璃片20'夹在基材
上，沿着与刻划线26的长度横切的方向施加负荷L。
理论上，认为超声施加装置60将低振幅的振动传输至带材20。如果带材20 张紧，则振动能够有效传播，在玻璃中存在缺陷的位置(例如刻划线26处)引起裂纹。
参照具体例子，进一步说明本发明，但是并不对本发明构成限制，见第一 实施例，在厚度为0.7毫米的玻璃片中形成了深70微米的刻划线26。因此，刻划 线的深度为基材厚度的10%。如图4所示，该玻璃片支承在水平表面上，玻璃片 的刻划过的侧面与所述水平表面相接触。将超声施加装置60设置在与所述玻璃 片接触的位置，其位置基本与刻划线26相背，所述装置60具有长约6毫米的刀 片耦合器62，以20千赫的频率操作。得到的裂纹传播距离约为5-6厘米。当刻划 线26的深度约为玻璃片厚度的5%、且施加相同的20千赫的振动、使用长6厘米 的耦合器的时候，不会产生裂纹，因此也不会有裂纹传播。因此，当不对带材 施加张力的时候，似乎存在刻划线26的阖值深度，以使得裂纹对施加的20千赫 的超声能量作出响应而发生传播。
在第二个例子中，在尺寸约为1.3米X1.1米、厚0.7毫米的矩形玻璃片中形 成了刻划线26。刻划线的深度为70微米(玻璃片厚度的10%)，在玻璃片的宽度 上延伸。刻划后的玻璃片垂直取向，刻划线26水平延伸，对刻划线下方的玻璃 片施加6磅的负荷。使用与实施例1相同的超声施加装置60，该装置60在20千赫 的频率下操作，同时使用与玻璃片的未刻划侧面相接触的耦合器62。从单个引 发点产生了沿刻划线26的裂纹，并沿着刻划线26的整个长度传播，同时没有可 观察到的扭曲的锯齿形状。
在第三实施例中，在尺寸约为1.3米X1.1米、厚0.7毫米的矩形玻璃片中形 成了刻划线26。刻划线的深度为70微米(玻璃片厚度的10%)，在玻璃片的宽度 上延伸。刻划后的玻璃片垂直取向，刻划线26水平延伸，不施加与刻划线26横 切的外加张力。也即是说，不对所述玻璃片施加张力。所述玻璃片的重量与第 二实施例的玻璃片相同。只是玻璃片的重力方向与刻划线26横切。使用的超声 施加装置60与实施例2相同，其在20千赫的频率下操作，耦合器62与玻璃片的未 刻划侧面相接触。沿刻划线26产生了裂纹，并沿刻划线26传播大约0.7米，然后 停止。因此，推测必须施加与刻划线26横切的横向负荷，或者施加更高的超声 振动，才能使得裂纹沿着刻划线的整个长度传播。
尽管已经结合本发明的具体示例性实施方式描述了本发明，但是很显然，
本领域技术人员通过以上描述可以进行许多替代、改良和改变。因此，本发明 包括所有这些落入所附权利要求书的精神和宽泛范围之内的替代、改良和改
权利要求
1.一种分离脆性材料片材的方法，该方法包括对具有刻划线的片材施加足够的超声能量，以引发沿着所述刻划线的裂纹，并使得该裂纹沿着所述刻划线传播。
2. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使用超声振动 作为超声能量。
3. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述方法还包括施加足够的超 声能量，使得裂纹的传播距离至少为所述刻划线深度的五倍。
4. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述方法还包括对所述片材的刻划过的侧面施加超声能量。
5. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述方法还包括直接对所述刻划线施加超声能量。
6. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述方法还包括对所述片材未 刻划的表面施加超声能量。
7. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述方法还包括对所述片材施 加与所述刻划线长度横切的张力。
8. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述方法还包括施加频率约大 于20千赫的超声能量。
9. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述施加足够的超声能量的操 作包括使所述片材接触振动部件。
10. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使得形成的刻 划线长度至少为刻划线深度的五倍。
11. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述方法还包括形成作为移动 的带材的所述片材。
12. —种分离脆性材料的片材的方法，该方法包括 在所述片材中形成刻划线；对所述片材施加与所述刻划线的长度横切的张力；对所述片材施加超声能量，以引发沿刻划线的裂纹，并使得该裂纹沿刻划 线传播。
13. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括形成深度约 为所述片材厚度10%的刻划线。
14. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括施加超声振 动形式的超声能量。
15. —种用来分离片材的设备，该设备包括-划线组件，其在所述片材中形成刻划线；超声施加装置，其使得超声能量与所述片材耦合，以引发沿所述刻划线的 裂纹，以及使得该裂纹沿所述刻划线传播；与所述划线组件和超声施加装置连接的控制器，所述控制器选择用来在形 成刻划线之后，使超声能量与所述片材耦合。
16. 如权利要求15所述的设备，其特征在于，所述设备还包括载荷组件， 其用来施加与所述刻划线的长度横切的作用力。
17. 如权利要求15所述的设备，其特征在于，所述超声施加装置包括刀片 形式的耦合器。
18. 如权利要求15所述的设备，其特征在于，所述超声施加装置包括刀口 形式的耦合器。
19. 如权利要求15所述的设备，其特征在于，所述超声施加装置包括针尖 形式的耦合器。
20. 如权利要求15所述的设备，其特征在于，所述超声施加装置给予所述 脆性材料以超声振动。
全文摘要
通过对之前刻划过的片材施加超声能量，沿刻划线分离脆性材料的片材。所述脆性材料可以为移动的带材的形式，施加与刻划线横切的负荷，以促进沿刻划线的裂纹传播。
文档编号B26F3/00GK101193731SQ200680020755
公开日2008年6月4日 申请日期2006年5月1日 优先权日2005年5月6日
发明者L·尤克雷辛克 申请人:康宁股份有限公司