用于切割脆硬材料的方法和系统与流程

本发明总体上涉及激光加工领域，具体而言涉及用于切割脆硬材料的方法和系统。

背景技术：

用于切割脆硬材料的一种常规方法是刀具切割法，但是刀具切割法的缺点是精确度低，刀具磨损大。

用于切割脆硬材料的另一种常规方法是激光切割法，其中完全借助于激光辐射来分离脆硬材料。激光切割法由于其精准性以及极小的切割器具磨损而被越来越普遍地使用，而且随着近年来手机、平板计算机等大屏幕设备的兴起，激光切割法被越来越多地用于切割诸如薄玻璃之类的脆硬材料。例如名称为“激光加工方法和激光加工设备”的中国专利申请CN102814591A公开了一种这样的激光切割法，其中将激光入射到加工物的表面上并且附近聚光使得聚光点附近的加工物气化或熔化，从而在切割起始面上形成起始热去除区，然后在之前的热去除区上继续照射激光并聚光，使得聚光点附近的加工物气化或熔化，从而形成后续热去除区，并使后续热去除区沿预定路径连续分布从而形成后续热去除线。但是常规的激光切割法所具有的缺点是，难以以满意的精度和低成本切割工件、尤其是曲面工件，因为在采用激光完全分离脆硬材料的过程中很有可能产生过量或偏离的烧蚀。

用于切割脆硬材料的又一种常规方法是激光与机械结合的切割法，其中首先用激光进行一次或多次划片，然后借助于外力将脆硬材料分离。例如名称为“一种全自动激光划片设备”的中国专利申请CN201520297677公开了另一种这样的激光与机械结合切割法，其中首先在借助于激光辐射在材料表面烧蚀划片，然后利用机械方法施加外力，使得材料沿激光烧蚀划片路径分离。然而，常规的激光与机械结合的切割法的缺点是，激光切割和机械分离的分界点难以掌握，如果激光烧蚀深度较低，则需要借助于较大机械力来分离脆硬材料，从而易于造成材料断裂或损伤，而烧蚀深度过高又会产生上述激光切割法 的缺点。因此该切割法的精度不高，流程也不易控制。

技术实现要素：

本发明的任务是提供用于切割脆硬材料的方法和系统，借助于该方法或系统，可以以较高精度和低成本加工工件、尤其是三维曲面工件。

在本发明的第一方面，该任务通过一种用于切割脆硬材料的方法来解决，该方法包括下列步骤：

借助于缺陷产生方法沿切割路径在脆硬材料中产生多个在脆硬材料的厚度方向上不连续的缺陷；以及

沿切割路径分离脆硬材料。

借助于根据本发明的方法，至少可以实现以下优点：(1)通过在脆硬材料中产生多个在其厚度方向上不连续的缺陷以分离脆硬材料，可以避免纯激光切割法的切割精度低的缺点，因为通过合适地空间分布所述缺陷，不仅可以减少烧蚀量并避免不必要的烧蚀，而且可以精确地定义各种形状、例如曲线或曲面切割路径；(2)空间分布的缺陷与常规激光与机械组合法中脆硬材料一部分被去蚀、一部分相连相比，更容易地促进材料的分离过程，因为在空间分布的缺陷的情况下，材料的分离过程更加均匀和规则，而不易发生不期望的断裂、损伤和损耗，而且通过合适地、例如均匀和密集地空间分布缺陷，可以容易地进一步促进分离过程。由此，借助于根据本发明的方法，可以以高度可控性、较高精度、较少不期望的材料损伤、极少的材料损耗和较低成本实现脆硬材料的切割。

在本发明的一个扩展方案中规定，所述缺陷产生方法包括下列各项至少之一：热处理、振动、光束、电子束、粒子束、离子束、以及声波。借助于该扩展方案，可以以多种方式产生所述缺陷，而不仅限于激光。

在本发明的另一扩展方案中规定，所述缺陷包括下列各项至少之一：脆硬材料的折射率的变化、空间密度的变化、局部材料损坏、以及空隙。借助于该扩展方案，可以根据加工需要产生不同形式的缺陷。

在本发明的一个优选方案中规定，所述缺陷定义曲线形的切割路径和/或曲面形的切割路径。借助于该优选方案，可以以高精度和低成 本实现曲线或曲面形状的工件的加工。

在本发明的一个扩展方案中规定，通过改变下列各项至少之一来提高脆硬材料的切割质量或效率：缺陷大小、缺陷形状、缺陷长度、缺陷排列、缺陷之间的水平或垂直距离、以及缺陷在脆硬材料的延伸方向上的重合程度。借助于该扩展方案，可以容易地提高切割质量或效率。

在本发明的一个优选方案中规定，所述缺陷产生方法是激光辐射，其中激光辐射入射到脆硬材料上所产生的光斑为圆形或非圆形。圆形激光斑为本领域常见光斑，而非圆形激光斑与圆形激光斑相比可以产生不同参数的缺陷，而且可以影响微裂纹的分布，例如如果使激光辐射在脆硬材料中产生缺陷的去蚀路径与非圆形光斑的长度方向重合，则可以使微裂纹尽可能沿着去蚀路径分布，从而减少其它方向上的不期望的微裂纹。

在本发明的一个扩展方案中规定，非圆形光斑包括下列形状之一或其组合：椭圆形、正方形、长方形、环形、以及同心圆形。

在本发明的一个优选方案中规定，所述缺陷是沿切割路径一次或多次扫描脆硬材料产生的。在一次扫描的情况下，例如可以在扫描的过程中在脆硬材料的厚度方向上相继产生多个空间上分布的不连续的缺陷，这例如可以通过在同一扫描过程中在厚度方向上相对移动缺陷产生装置和脆硬材料、或者在激光切割情况下调整激光引导装置的焦距来实现。而在多次扫描的情况下，例如可以在同一次扫描的过程中，生成位于脆硬材料的某一厚度处的多个缺陷，而在下一次扫描过程中，生成位于另一厚度处的多个缺陷，这可以通过在不同扫描过程中分别在厚度方向上相对移动缺陷产生装置和脆硬材料、或者在激光切割情况下分别调整激光引导装置的焦距来实现。

在本发明的一个扩展方案中规定，通过下列方式至少之一来分离脆硬材料：压力、真空、机械力、声波振动、电磁辐射、以及化学腐蚀。借助于该扩展方案，可以根据加工需要灵活地选择分离工艺。

在本发明的第二方面，前述任务通过一种用于切割脆硬材料的系统来解决，该系统包括：

缺陷产生装置，其被配置为在脆硬材料中产生缺陷；

移动装置，其被配置为使缺陷产生装置和脆硬材料在脆硬材料的 厚度方向上相对移动，使得缺陷产生装置沿切割路径在脆硬材料中产生多个在脆硬材料的厚度方向上不连续的缺陷；以及

分离装置，其被配置为沿切割路径分离脆硬材料。

借助于根据本发明的系统，同样可以实现结合根据本发明的方法所述的优点。

在本发明的一个扩展方案中规定，所述缺陷产生装置包括下列各项至少之一：热处理装置、振动装置、光束发射装置、电子束发射装置、粒子束发射装置、离子束发射装置、以及声波发射装置。借助于该扩展方案，可以以多种方式产生所述缺陷，而不仅限于激光。

在本发明的另一扩展方案中规定，所述缺陷包括下列各项至少之一：脆硬材料的折射率的变化、空间密度的变化、局部材料损坏、以及空隙。借助于该扩展方案，可以根据加工需要产生不同形式的缺陷。

在本发明的一个优选方案中规定，所述移动装置包括下列各项之一：多轴联动装置、以及机器手臂。

在本发明的一个优选方案中规定，所述缺陷是沿切割路径一次或多次扫描脆硬材料产生的。在一次扫描的情况下，例如可以在扫描的过程中相继在脆硬材料的厚度方向上产生多个空间上分布的不连续的缺陷，这例如可以通过在同一扫描过程中借助于移动装置在厚度方向上相对移动缺陷产生装置和脆硬材料、或者在激光切割情况下调整激光引导装置的焦距来实现。而在多次扫描的情况下，例如可以在同一次扫描的过程中，生成位于脆硬材料的某一厚度处的多个缺陷，而在下一次扫描过程，生成位于另一厚度处的多个缺陷，这可以通过在不同扫描过程中分别借助于移动装置在厚度方向上相对移动缺陷产生装置和脆硬材料、或者在激光切割情况下分别调整激光引导装置的焦距来实现。

在本发明的一个扩展方案中规定，所述分离装置包括下列各项至少之一：压力分离装置、真空分离装置、机械力分离装置、声波振动分离装置、电磁辐射分离装置、以及化学腐蚀分离装置。借助于该扩展方案，可以根据加工需要灵活地选择分离工艺。

附图说明

下面参考附图根据多个实施例来进一步阐述本发明。附图：

图1示出了根据本发明的方法的一个具体实施例的示意图，其中借助于激光辐射沿切割路径一次扫描脆硬材料以切割脆硬材料；

图2示出了根据本发明的方法的另一具体实施例的示意图，其中借助于激光辐射沿切割路径多次扫描脆硬材料以切割脆硬材料；以及

图3示出了在根据本发明的方法中使用的不同的激光辐射的光斑。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的方法的一个具体实施例的示意图，其中借助于激光辐射101沿切割路径105单次扫描脆硬材料104以切割脆硬材料104。在此，应当指出，尽管在图1中，缺陷产生方法被示为通过由激光引导装置102(例如聚焦镜或扫描镜)发射的激光辐射101在脆硬材料104中产生两组缺陷106A和106B，但是这仅仅是示意性的，其它缺陷产生方法也是可设想的，例如热处理、振动、光束、电子束、粒子束、离子束、以及声波等等，并且这些缺陷产生方法是公知的，在此就不加以赘述。而且，其它组数的缺陷106A和106B也是可设想的，例如三组缺陷、四组缺陷等等。

如图1所示，激光辐射101在经激光引导装置102引导(例如进行光导、聚焦和射束成形等等)以后入射到脆硬材料104上，入射的激光辐射101在脆硬材料104中产生在脆硬材料的厚度方向107(参见图1中的黑色双箭头)上不连续的缺陷106A和106B。在此，应当指出，在本发明中，缺陷仅仅是在脆硬材料的厚度方向(例如垂直方向)上不连续、例如缺陷106A和106B在厚度方向107上具有一定间距，但是缺陷在脆硬材料的延伸方向(例如水平方向)上既可以不连续(如缺陷106A)、也可以连续或重合(如缺陷106B)。

图1中的缺陷106A和106B例如可以通过如下方式产生：在激光辐射101沿切割路径105单次扫描脆硬材料104的过程中，当水平扫描至脆硬材料上的特定点时，缺陷产生装置、如激光引导装置102发出激光辐射101并在脆硬材料104中产生第一厚度处的缺陷、例如缺陷106A，然后在水平方向上不移动(例如在切割直线或曲线时)或少量移动的情况下(例如在切割曲面时，其中缺陷产生装置可以在水平方向上相对于脆硬材料移动一定量，使得所烧蚀出的缺陷定义曲面)， 诸如多轴联动装置或机械手臂之类的移动装置(未示出)使缺陷产生装置与脆硬材料104在脆硬材料104的厚度方向107上相对移动、或者激光引导装置102调整激光焦距，使得缺陷产生装置在脆硬材料104中产生第二厚度处的缺陷、例如缺陷106B。应当指出，缺陷106A和106B的产生顺序仅仅是示例性的，二者的产生顺序可以互换。

在此，还应当指出，尽管在图1中缺陷106A或106B分别被示为相同形状、相同大小和相同间距的，但是这仅仅示例性的，在其它实施例中，缺陷106A或106B可以具有不同形状、不同大小和不同间距，而且在扫描过程中，诸如光斑重合程度之类的参数也可以改变。前述参数的改变例如可以通过改变光路及光路元件、移动装置的运动参数、激光束参数来实现并加以优化。

借助于根据本发明的方法，至少可以实现以下优点：(1)通过在脆硬材料104中产生多个在其厚度方向上不连续的缺陷106A和106B以分离脆硬材料104，可以避免纯激光切割法的切割精度低的缺点，因为通过合适地空间分布所述缺陷106A和106B，不仅可以减少烧蚀量并避免不必要的烧蚀，而且可以精确地定义各种形状、例如曲线或曲面切割路径；(2)空间分布的缺陷106A和106B与常规激光与机械组合法中脆硬材料一部分被去蚀、一部分相连相比，更容易地促进材料的分离过程，因为在空间分布的缺陷106A和106B的情况下，脆硬材料104的分离过程更加均匀和规则，而不易发生不期望的断裂和损伤，而且通过合适地、例如均匀和密集地空间分布缺陷106A和106B，可以容易地进一步促进分离过程。

图2示出了根据本发明的方法的另一具体实施例的示意图，其中借助于激光辐射201沿切割路径205多次扫描脆硬材料204以切割脆硬材料204。在此，应当指出，尽管在图2中示出了激光辐射201沿切割路径205三次扫描脆硬材料204并生成在在厚度方向上207分布(即处于不同厚度处)的三组缺陷206A、206B和206C，但是这仅仅是示例性的，其它次数和缺陷组的数目也是可设想的。

在此，图1的实施例与图2的实施例的主要不同之处在于，缺陷206A、206B和206C分别是在不同扫描中生成的。

图2中的缺陷206A、206B和206C例如可以通过如下方式产生：在激光辐射201沿切割路径205第一次扫描脆硬材料204的过程中， 当水平扫描至脆硬材料上的特定点、例如扫描点208时，缺陷产生装置、如激光引导装置202发射激光辐射201并在脆硬材料204中产生第一厚度处的缺陷、例如缺陷206A，然后缺陷产生装置(或脆硬材料204)继续水平移动以沿切割路径205扫描脆硬材料204，直到生成全部的缺陷206A；在第二次扫描中，移动装置(未示出)使缺陷产生装置与脆硬材料204在厚度方向207上相对移动、或者激光引导装置202调整激光焦距，使得缺陷产生装置在脆硬材料204中产生第二厚度处的缺陷、例如缺陷206B，然后缺陷产生装置(或脆硬材料204)继续水平移动以沿切割路径205扫描脆硬材料204，直到生成全部的缺陷206B；在第三次扫描中，移动装置(未示出)使缺陷产生装置与脆硬材料204在厚度方向207上相对移动、或者激光引导装置202调整激光焦距，使得缺陷产生装置在脆硬材料204中产生第三厚度处的缺陷、例如缺陷206C，然后缺陷产生装置(或脆硬材料204)继续水平移动以沿切割路径205扫描脆硬材料204，直到生成全部的缺陷206C。应当指出，缺陷206A、206B和206C的产生顺序仅仅是示例性的，三者的产生顺序可以交换。

在此，还应当指出，尽管在图2中缺陷206A、206B或206C分别被示为相同形状、相同大小和相同间距的，但是这仅仅示例性的，在其它实施例中，缺陷206A、206B或206C可以具有不同形状、不同大小和不同间距，而且在扫描过程中，诸如光斑重合程度之类的参数也可以改变。此外，诸如多次扫描路径的间距、多次扫描路径的形状、多次扫描路径相邻路径的光斑位置偏移量之类的参数也可以改变。前述参数的改变例如可以通过改变光路及光路元件、移动装置的运动参数、激光束参数来实现并加以优化。

在图2的实施例中，同样可以实现高切割精度、低材料损伤和低成本的优点。

图3示出了在根据本发明的方法中使用的不同的激光辐射的光斑301-308，其中光斑301-308是在激光辐射作用于脆硬材料时形成的。

光斑301-308既可以是圆形的、例如圆形光斑301，也可以是非圆形的、例如椭圆形光斑302、正方形光斑303和矩形光斑304，还可以是多个相同或不同光斑的组合、例如六个圆形光斑的组合305、六个椭圆形光斑的组合306、两个圆形光斑的组合307和两个椭圆形光斑 的组合308。

应当指出，尽管图3示出了多种形状的光斑以及光斑组合，但是这些形状以及组合光斑中光斑的数目仅仅是示例性的，在其它实施例中，其它形状和光斑的其它数目也是可设想的，并且其它组合也是可想到的，例如圆形光斑与椭圆形光斑的组合。

虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是对本领域技术人员显而易见的是，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。