热边缘精整的制作方法

专利名称：热边缘精整的制作方法
技术领域：
本时期涉及对玻璃板的热边缘精整和退火，更具体来说涉及对玻璃片的边缘进行激光精整，然后进行退火，以减少沿所述边缘的残余拉伸应力，因此减少下游缺陷和质量问题。
背景技术：
一种已知的对玻璃板进行机械分割和精整的方法需要切割工艺，例如刻划轮进行机械刻划，并通过将玻璃板折弯使裂纹扩展而机械分割，以及边缘精整工艺，例如磨光。机械刻划通常以湿法工艺进行。机械刻划、分割和边缘精整产生的玻璃碎屑附着在玻璃板的表面。然后需要对玻璃片进行清洗以消除玻璃碎屑在玻璃板表面造成的污染。这需要在刻划、折断和边缘精整工艺之后清洗玻璃板，会提高制造工艺的成本，因此希望能够消除该污染原因，即机械刻划、折断和边缘精整工艺。
机械边缘精整通常包括磨光和抛光步骤，该边缘精整也在玻璃板边缘产生表面损坏。表面下的损坏包括在边缘的有害裂纹，这些损坏产生弱化点，降低玻璃边缘的强度。玻璃板破坏通常是由玻璃板边缘上的瑕疵滋生的，因此，边缘的强度越高(即，瑕疵越少)，玻璃板在加工和处理过程中破裂的可能性越小。边缘强度是利用韦氏分布测定的统计质量，玻璃板破裂的可能性随玻璃板尺寸增大而增加。因此，尤其需要对非常大尺寸的玻璃板(如边缘长度大于约1米，1. 5米或2米)提高边缘
强度(以及减少沿边缘的瑕疵和弱化点)。
人们已知能够清洁地切割玻璃片的方法，例如使用激光进行玻璃刻划和分离，
以及/或者使用激光切割玻璃。例如，参见美国专利第6,713,730号；第6,204,472号；第6,327,875号；第6,407,360号；第6,420,678号；第6,541,730号和第6，112,967
号。但是，热工艺(包括使用激光束进行玻璃刻划或玻璃切割的工艺)会在玻璃中产生很高的残余应力，这是因为在刻划/分割过程中，玻璃的局部即边缘被加热至高于其应变点的温度。不希望存在这些残余边缘应力，因为它们会导致玻璃在随后的加工、运输和使用过程中发生破坏。此外，它们可能限制或者妨碍下游处理，例如将玻璃板切割成较小的尺寸，因为残余应力可能引起质量问题，如不能接受的龟裂和碎裂。人们可以使用辐射加热器，通过局部加热处理(退火)工艺减少残余应力。但是，玻璃的光学性质即红外不透明性限制了通过辐射加热器可以达到的应力释放效果。
总之，通过常规的机械或激光刻划和分割工艺获得的玻璃板具有为"直角"和相对尖锐的边缘(图1)。"直龟"边缘是不希望的，需要进一步精整，因为尖锐角(在边缘表面与端表面的交接线处形成)是高应变点，容易在冲击或摩擦中损坏。这种边缘损坏产生缺陷，在玻璃板处于张力条件下时这些缺陷能使裂纹在玻璃板上扩展，以及产生可能污染玻璃表面的碎屑。降低边缘损坏的风性的常规方法是通过用砂轮对边缘倒角使玻璃板的边缘圆化，这种方法是一种湿法，会产生颗粒并污染玻璃。
激光边缘精整是一种清洁的方法，但是激光精整会在边缘引起高残余应力并可能对玻璃板强度产生负面影响。因此，当采用激光边缘精整时在下游处理中存在质量问题。
因此，需要一种对玻璃进行清洁边缘精整的方法和设备，这种方法和设备不会沿边缘引入不能接受量的残余拉伸应力、瑕疵或缺陷。
发明概述
本发明涉及利用激光前操作和激光后操作对玻璃的切割边缘进行激光精整，与没有进行前操作和后操作的激光精整相比，这些操作结合起来用来减小沿边缘的残余拉伸应力。本发明方法还提供能够与制造大尺寸和小尺寸玻璃板的连续制造工艺或间歇工艺相容的可重复的均一的工艺，并可用于室温条件或升温条件(如玻璃板在炉子或玻璃韧化炉加热)的玻璃板。
本发明方法是一种清洁的干式方法，该方法不需要对玻璃板表面保护，不需要随后对玻璃板清洁。产生的边缘具有光滑抛光的光洁度，基本上没有表面损坏。因此，釆用本发明进行处理的玻璃板相比于进行机械磨光和抛光边缘的玻璃板，具有提高的抗冲击损坏性。此外，采用本发明处理的玻璃板相比于进行机械磨光和抛光边缘的玻璃板具有提高的抗连续加载条件下的断裂性，并且基本上没有碎片和颗粒。本发明能够使边缘的残余拉伸应力小于3000 psi，小至2500 psi，甚至小至1000 psi，如下面讨论的。
在本发明的一个实施方式中，对具有尖角边缘玻璃板进行精整的热边缘精整法包括以下步骤将玻璃板的至少一个边缘加热至升高的温度，在该升高温度下用激光束热处理该至少一个边缘以使其圆化，并进行精整，对该至少一个边缘退火， 减小边缘精整过程中产生的瞬时应力。
在本发明的另一个实施方式中，对玻璃板的边缘进行精整的热边缘精整法包 括以下步骤对玻璃板的边缘进行预加热，用激光设备对边缘进行单程激光精整， 使边缘变为非尖锐形状，通过从边缘的侧面以及从与边缘垂直的位置加热边缘，从 而对边缘进行退火。
在本发明的另一个实施方式中，对具有边缘的玻璃板进行热精整的设备包括 至少一个用于加热玻璃板边缘的第一热源，激光器装置，其结构能产生适于对边缘 进行圆化和精整的激光束，在边缘处于升高温度时以单程的方式将边缘圆化和精整 为单一连续，或完全圆角(full radius)而非"平直"的点，和至少一个第二热源， 用于对边缘退火，以减小激光器装置对边缘精整期间产生的瞬时应力。
在以下的详细描述中提出了本发明的附加特征和优点，其中的部分特性和优 点对本领域的技术人员而言由所述内容而容易理解，或通过按照本文所述实施本发 明而被认可。出于说明的目的，以下讨论用于描述玻璃制造。但是应当理解，由所 附权利要求书限定的本发明的范围不限于这些具体说明，将脆性材料限定为玻璃 的权利要求除外。
应理解前面的一般性描述和以下的详细描述都只是对本发明的示例，用来提
供理解下文要求的本发明的性质和特性的总体评述或框架。上面列出的本发明的优 选实施方式和其他实施方式将在下面讨论，这些实施方式可以单独或以任意组合和
全组合方式使用。
包括的附图提供了对本发明的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构 成说明书的一部分。附示说明了本发明的一些实施方式，并与说明书一起用来 说明本发明的原理和操作。应当注意的是，附图中所示的各种特征不一定是按比例 绘制的。实际上，为了能够清楚地进行讨论，尺寸可以任意放大或縮小。


图1是具有尖角的切割边缘的玻璃板的侧视图。
图1A、 1B和1C是与图1类似的侧视图，但示出激光边缘处理后的玻璃边缘， 图1A所示边缘具有均匀或基本的圆角，图1B所示边缘具有通过平直线相连的均匀 圆角化的角，图1C所示边缘具有通过平直线相连的两个不同圆角。
图2是显示玻璃板边缘进行激光处理的示意图。图3示意地显示由激光束产生的图案，图3是简单椭圆形高斯激光束，图3A 是截面图。
图3B和3C示意地显示由改进的D-型激光束产生的图案，该激光束分别具有 以25/25/50和20/20/60混合的TEM10/TEM01/TEM00模式。
图4是与图1A中的边缘类似的边缘的侧视截面图，但显示赂微蘑薛化的边缘 材料。
图5是显示本发明方法的流程图，包括对玻璃预热，对玻璃边缘激光处理和 对边缘退火。
图6、 6A、 6B和6C是位于玻璃板边缘周围的加热器的侧视图，图6显示预热 步骤，图6A显示在加热边缘的同时进行激光处理步骤，图6B和6C显示对玻璃板 边缘进行退火的备选加热器设置。加热器可以定位和定向为加热至少一个边缘，一 般通过其定位限制对热玻璃板的其余部分的加热。
图7是具有经过激光处理和退火的相邻边缘的玻璃板的透视图，所示的两个 边缘在玻璃板的90°角处相接。
发明详述
在以下的详述中，为了说明而非限制，给出了说明具体细节的示例性实施方 式，以提供对本发明的充分理解。对于本领域普通技术人员显而易见的是，在从本 说明书获益后，可以以不同于本文详述的其它实施方式实施本发明。另外，本文会 省去对于众所周知的装置、方法和材料的描述，以免使得本发明的描述难以理解。
本发明方法包括提供玻璃板50，该玻璃板具有至少一个包括尖角52和53的 切割边缘51(图1)，并采用热边缘精整技术(如激光器)对边缘进行圆化(图2-3C)， 形成均匀圆角化的边缘51A(图1A)，对称边缘(如两个圆角与一平直线形成的边缘 51B)(图1B)，不对称边缘(如图1C)，或者抛物线或其他形状的边缘(未示出)。此 外，预期曲率中心与玻璃板边缘51的中心不相符。本发明的方法还包括通过以下 方式降低激光边缘精整后的玻璃板中的残余应力在进行激光精整之前进行局部预 热步骤(步骤60)，在激光精整过程中任选的局部加热步骤(步骤61)，以及在激光 精整之后的局部热处理/退火步骤(步骤63)(图5、 6和6A-6D)。
参见图2，形成激光图案/点56的激光束55定位为与玻璃板的边缘50正交， 激光点56的边缘延伸超出玻璃板的边缘50，以保证即使在玻璃板50的边缘位置 变化时的激光处理。激光点56相对圆形更优选椭圆形， 为椭圆形能提供更高的处理速度。预期任意的光束轮廓都可以用于边缘精整，例如，S-型，d-型等，但是 由简单高斯形光束进行光束形状改进更够更佳地达到更好的处理均一性和稳定性。
图3显示与典型高斯光束的能量分布相关的高峰值能量。这会比其他光束轮廓产生 更高的应力，因此是不希望的。图3(和图3A)的的椭圆形光束55可以釆用众所周 知的方法，例如利用硒化锌折射光学器件和反射光学器件，使光束侧向扩展为椭圆 形而获得。轮廓可以在商业可得的C02激光器中获得，装置激光器可产生D型和Q 型激光。图3B和3C显示了椭圆形的D-型激光束55A和55B,它们分别具有以 25/25/50和20/20/60混合的TEM10/TEM01/TEM00模式。另一种有益的光束形状是 D型光束，该光束具有大礼帽的外形，在光束宽度上提供均匀加热。
玻璃板50在激光束55下面移动，并且/或者通过例如使用飞点光学器件 (flying optics)使得激光束55沿玻璃板50的边缘51横向通过。如果在边缘51 施加足够的热通量，玻璃熔化，表面张力迫使可流动地玻璃成为圆化边缘，主要在 与玻璃板50限定的平面垂直的方向。通过控制输入的热通量和停留时间，就可以 控制圆化的程度。加热不充分会导致不充分的圆化。过度加热可能引起玻璃在由垂 直于边缘的两个表面限定的平面上溢流。.这种现象称作蘑菇化。在玻璃板50的平 面内的"蘑菇化"57(图4)最小(小于0.5微米)。可以通过改变工艺参数，例如施 加的激光功率、激光停留时间，来调节曲率半径。通量取决于激光功率、光束伸长 和移动速度。例如，可以使用200-600 W或者约350 W功率，40-100毫米或者约 60毫米的拉长的光束，以约60-150毫米/秒或者以100毫米/秒的移动速度操作。 应理解，拉长的光束在平行于边缘51的方向的长度大于垂直于边缘51方向的长度。
如果不采用本发明的局部加热步骤(下面详细描述)，边缘处理在从玻璃边缘 51向着玻璃板50中心的最初1-2毫米距离内产生高局部应力(例如，大于5000 psi)。这种高应力值会在边缘中引起破裂。
因此，通过本发明的局部边缘预热和边缘退火(图5和6-6C)步骤，尽可能减 小如上所述原本可能由激光边缘处理产生的边缘应力。首先，将边缘51预热至约 350-450°C，或者约40(TC，然后进行激光边缘精整。加热边缘51和相邻区域，相 邻区域是玻璃板中距边缘约75-150毫米或约100毫米的区域，可以通过设置加热 器，例如侧面加热器70和71，任选的正交定位的端部加热器72(图6)来实现。可 以使用任意合适的加热器，例如，IR辐射加热器，该加热器具有电阻加热元件或 天然气/空气燃烧器。通过预热步骤60尽可能减小由于在玻璃边缘施加激光束 55而产生的瞬时应力。预热之后，边缘51在步骤61通过激光束进行激光处理，
8同吋玻璃板保持在升高的温度下(图6A)。在激光处理期间，任选使用侧面加热器 73和74以保持最佳温度，例如，使与边缘相邻的区域的温度保持为约350-45(TC， 或者约40(TC，边缘51中或周围的材料保持最佳热量分布或梯度。
激光处理之后，玻璃板边缘51进行退火步骤处理。在退火区的加热器包括相 对的侧面加热器75和76，还包括正交定位、与边缘51对齐的端部加热器78，如 平面端部加热器77或者弧形加热器78。加热器75-77(或加热器75、 76和78)形 成一凹面或包围形状地设置，由控制器密切小心地控制玻璃的温度，以达到最佳冷 却。最佳冷却速度将取决于玻璃的CTE、玻璃化转变温度、应变点、退火点、杨氏 模量和所需的残余应力，本领域的技术人员将能容易地确定。在激光边缘抛光后控 制边缘51的冷却速度而进行退火。通过使用侧面加热器、顶部加热器、带状燃烧 器和/或玻璃板50和应力带宽度的二次激光加热，可以实现局部边缘退火。局部化 加热产生具有瞬时的残余应力的局部化区域。当采用这种方法时，观察到玻璃中的 残余应力区域或"带"，这就是应力带。
通过在高于玻璃退火点的温度启动退火过程，并利用慢冷却速度例如小于约 13(TC-20(TC，或者约15(TC/分钟，可以最大程度地减小边缘的峰值应力。注意到， 加热器70-72和/或加热器73-74和/或加热器75-77 (和/或加热器75, 76， 78)是 可移动支承的，并且/或者用于燃烧器的气体/空气流和受最佳温度控制的热量控制 该方法的预热、激光处理和退火步骤。
精整的产物中应力的量级由对矩形玻璃板的四条边进行精整的能力和通过刻 划测试的能力决定，刻划测试中对玻璃刻划和分割，边缘没有因为刻划压力而沿高 应力线发生破裂则为通过。根据使用商业可得的装置如DIAS-160(T装置(应力光 学公司(StrainOptics, Inc))，采用标准操作过程测试得到读数，测试显示图5 的方法产生的边缘的残余拉伸应力可以小于3000 psi，更优选小于2500 psi，甚 至小于IIOO psi。图5中的附图标记具有以下含义
60:在施加激光束之前用侧面加热器和顶部加热器预热玻璃；
61:在整个边缘位于侧面加热器之间的情况下，在预热温度下时对边缘进行 激光处理；
62:将经过激光处理的边缘移动至局部加热区，加热边缘至高于退火点的温 度；和
63:以收控的冷却速度将边缘从退火点冷却至低于应变点。(透视图)，在 该圆化角两条精整的边缘在玻璃板上汇合形成圆角化(radiused)或者圆化的90。角 (沿边缘51形成圆角，也在由这些边缘的结合点形成的"尖端"或角80处形成圆 角。因此，不需要单独的角切割来使玻璃板的角圆化。
尽管上文已经结合本发明的具体示例性实施方式进行了描述，但是很明 显，本领域技术人员可以通过从上述内容受益而进行许多的替代、改良和变化。 因此，本发明应包括落入所附权利要求书的宽泛的精神和范围之内的所有这些 替代、改良和变化。
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权利要求
1.一种对脆性材料板进行边缘精整的方法，该方法包括以下步骤a)将所述板的边缘预热至升高的温度；b)用激光进一步加热所述预热的边缘；和c)对边缘退火以降低残余应力。
2. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述预热步骤包括提供至少一 个热源，该热源的定位和定向设置用来加热至少一个边缘， 一般定位为限制玻 璃板的其余部分的加热。
3. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，预热步骤包括提供至少一个热源，该热源定位为与至少一个边缘正交并间隔开。
4. 如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述预热步骤包括在用激光器加热边缘的步骤之前和期间都对边缘进行加热。
5. 如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，退火步骤包括提供 会聚在至少一个边缘的至少一侧的热源。
6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述退火步骤还包括在至少一 个边缘的相背侧提供热源。
7. 如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，热源包括辐射加热器。
8. 如权利要求l-5中任一项所述的方法，其特征在于，热源包括可调节的 燃烧器。
9. 如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，用激光器进一步加 热所述预热的边缘的步骤还包括将激光能量会聚成基本为椭圆形横截面的光 束。
10. 如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，用激光器进一步 加热所述预热的边缘的步骤导致玻璃板的边缘具有从该边缘的一侧延伸至边 缘的另一侧的单一完全圆角。
11. 如权利要求l-9中任一项所述的方法，其特征在于，用激光器进一步 加热所述预热的边缘的步骤导致边缘具有一个以上的从脆性材料板的第一表 面延伸到其第二表面的单一圆角。
12. 如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，用激光器进一步加热所述预热的边缘的步骤包括将激光器装置定位为与边缘正交并且位于由 该玻璃板限定的同一平面内。
13. 如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述预热步骤、 进一步加热步骤和退火步骤的设定形式能将沿边缘的残余应力降低至低于3000 psi。
14. 如权利要求13所述的方法，其特征在于，预热步骤、进一步加热步骤 和退火步骤的设定形式能将沿边缘的残余应力降低至低于2500 psi。
15. 如权利要求13所述的方法，其特征在于，预热步骤、进一步加热步骤 和退火步骤的设定形式能将沿边缘的残余应力降低至低于1100 psi。
16. —种用来对玻璃板的边缘进行精整的热边缘精整方法，该方法包括以 下步骤a) 对玻璃板边缘进行预热；b) 以单程方式对边缘进行激光精整，使其成为非尖锐形状；和c) 从边缘的相背侧以及与边缘正交的方向加热边缘，以对边缘进行退火。
17. 如权利要求16所述的方法，其特征在于，激光精整的步骤包括同时对 玻璃板的至少两条边缘进行激光精整。
18. —种对玻璃板进行热精整的设备，该设备包括 至少一个第一热源，其用于对玻璃板的边缘进行预热；a) 激光器装置，其结构设置能产生适于对边缘进行圆化和精整以使边缘形 成单一的连续完全圆角的激光束；b) 至少一个第二热源，用于对边缘进行退火，以降低激光器装置对边缘精 整期间产生的应力。
19. 如权利要求18所述的设备，其特征在于，所述至少一个第一热源包括 设置在玻璃板的边缘的相背侧的侧面加热器和定位与该边缘正交的端面加热器。
全文摘要
一种热边缘精整方法，该方法包括对玻璃板的至少一个切割边缘进行预热，在连续加热玻璃的同时对该边缘激光精整，从与该边缘正交的位置以及该玻璃板的平面内精整为单一连续完全圆角，并对该边缘局部退火以降低边缘的激光处理/热处理产生的残余应力。采用该方法能显著降低边缘应力，例如小于3000psi，更优选小于2500psi，以及沿处理的边缘起始的1毫米内低至1000psi。
文档编号B23K26/00GK101646524SQ200880010128
公开日2010年2月10日 申请日期2008年2月5日 优先权日2007年2月23日
发明者G·N·库德瓦, L·乌克兰采克, N·D·卡瓦拉奥三世, S·S·朱彼, Z·-S·常, 小野俊彦 申请人:康宁股份有限公司