陶瓷制品的局部表面上釉的制作方法

专利名称：陶瓷制品的局部表面上釉的制作方法
技术领域：
本发明涉及陶瓷的领域，更具体地说，涉及陶瓷制品的局部上釉技术，根据本发明的技术在修复釉料缺陷方面是特别有用的。
许多商业陶瓷制品涂有通常称作为釉料的光滑的、玻璃状的陶瓷面层。仅举例来说，如浴盆，洗涤槽和洗手间器皿那样的，通常在商业贸易中称作白色(卫生)陶瓷的陶瓷卫生设备，在基层陶瓷结构上涂有釉料。这种制品上的釉料对于审美和实用原理而言是很重要的。在釉层中的缺陷，例如裂缝或裂纹能够损坏制品的外观且也产生清洁上的困难，腐蚀和在使用上其它的功能问题。因此，在釉层中的显著的缺陷使制品变成卖不掉的，并且需要或是使制品报废，否则进行返工，以修补釉层。
通常返工工艺包括施加一粉末状材料或玻璃材料，这些材料具有与待修补的釉层类似的成分，继之以重烧制整个的制品。实质上，重烧制工艺包括通常用来形成釉层的烧制工艺的重复，也就是把整个制品加热到釉层的回流温度以上，继之缓慢，逐渐的冷却制品。这样的重烧制工序的成本占原制品成本的较大部分。因而，陶瓷工业长久以来一直在寻找一种较切合实际的修补方法。
曾经试图用非陶瓷材料，例如涂料或环氧树脂来修补釉料的缺陷。这些方法免除了重烧制工序，但造成有关化学相容性，修补料与原釉料的色彩匹配和修补料的耐用性方面的其它困难。布罗克韦等人的美国专利4，338，114和海内肯等人的美国专利4，731，254公开了使用激光束来熔化在裂纹，伤痕或其它缺陷周围的玻璃制品的局部区域，从而使玻璃局部熔化，而修复该制品。这两个专利显然都要求在受到激光束作用之前把整个制品预热到约软化温度。这可减少在由激光进行局部加热时和接着的局部加热区域冷却时产生的热应力。这种预热要求是一个十分明显的缺点。因此，预热和在预热后所需的缓慢冷却基本上和不经激光处理的重烧制加工一样昂贵。
珀蒂邦的美国专利4，814，575和相应的珀蒂邦等人，在材料科学工程A122篇545-548页(1989)中的文章“陶瓷涂层的激光表面处理”，揭示了在透平机叶片和柴油机部件上所用的(方法)激光处理氧化锆涂层的方法，一般，激光同表面上的任一点相互作用明显地少于1秒，而通常小于0.1秒。在珀蒂邦文章中所作的最终的结论是除了在处理由氧化铝粉所提供的“随氧化锆的化学改变的反应处理方法”外，即使使用象氧化锆那样的相当坚硬的材料，也产生了不规则微裂缝。很明显，这一著作没有提供它的工艺技术可应用于在白色陶瓷工业中所使用的那种普通陶瓷，特别是可应用于把釉料施加于白色陶瓷那样的制品的任一建议。
因而，仍然需要改进局部上釉于陶瓷制品表面的方法和装置，尤其是局部再上釉于具有釉料缺陷的白色陶瓷那样的制品的方法和装置。
本发明将说明这些要求本发明的一个方面涉及局部上釉于陶瓷制品表面的方法。在这个公开中所用的术语“陶瓷”大体指的是无机非金属材料。陶瓷包括陶器，瓷器，耐火材料，建筑粘土产品，搪瓷，水泥，玻璃，玻璃-陶瓷，电光陶瓷，珐琅，陶瓷碳化物、硼化物和氮化物，铁电陶瓷和非硅酸盐玻璃那样的材料，但不限于此。此外，本文中使用的术语“陶瓷”还包括相当数量的陶瓷材料和其它材料，例如与金属-陶瓷组分结合在一起的复合材料。根据本发明的这一方面的方法最好包括使待上釉位置上的陶瓷材料熔化的步骤，该步骤是通过把本文中称作“熔化辐射能”的辐射能施加于所述上釉位置的制品表面周围的熔融区域;然后，使所述熔融区域退火的步骤，该步骤是通过进一步地把本文中称作“退火辐射能”的辐射能施加到绕所述熔融区域的表面周围的退火区域。退火辐射能延迟熔融区域的冷却且限制在冷却过程时在邻近熔融区域的制品中产生的热应力。最好，在冷却过程中，退火辐射能可有效地把热应力限制到小于制品表面上的陶瓷材料的断裂应力，因此，可在表面上不产生裂缝情况下完成冷却。根据本发明的这一方面的方法最好还包括在熔化工序前，即施加熔化辐射能之前，通过把本文中称作“预热辐射能”的其它辐射能施加到围绕熔融区域的表面的预热区域而进行预热熔融区域的工序，从而预热熔融区域且在熔化工序过程中限制靠近熔融区域的制品中的热应力。最好，使制品的体积(平均)度不受辐射能的影响的区域部分的温度保持在远低于陶瓷材料表面的熔融温度，以及，通常是低于任一玻璃材料的退火和软化温度。最佳，使制品的体积温度保持在室温左右，总的来说在本方法中制品是不整个加热的。
本发明的这方面情况结合了热应力的实现可通过恰当控制辐射的应用而得以成功地控制。最好是，退火区域和预热区域大于熔融区域。也就是说，退火辐射能和预热辐射能最好作用于比熔化辐射能要大的表面区域上，使预热和退火辐射能不仅对熔融区域本身起作用，而且也对熔融区域周围的区域起作用。退火辐射能最好具有低于熔化辐射能的能量密度(或释能密度)。预热辐射能也可以具有低于熔化辐射能的能量密度。在退火工序时可以逐渐地减小退火辐射能的能量密度，而在预热工序中，预热辐射能可以逐渐地增加。于是，包括待上釉的区段的区域可以首先在相当大的区段上承受低的但逐渐增加的能量密度的预热辐射能，然后，仅在很小的熔融区域中承受足以引起局部熔化的相当高能量密度的熔化辐射能，接着，在相当大的退火区域上承受能量密度逐渐地减少的退火辐射能。
以另一种方式来说，随着时间而改变作用于表面的给定区域的辐射条件就有可能使表面达到熔化温度，再回复到室温而不产生有害的热应力。
熔化和退火工序可以使用定向的单束辐射能照射在制品表面的确定位置上加以实现。光束的外形随时间而变化，因此，在熔化工序时，光束具有相当高的能量密度，在退火工序，光束具有低的能量密度。最好，在熔化工序光束具有相当小的熔化光束直径，而至少在退火工序的最后作用部分，光束具有较大的光束直径。同一光束还可以进行预热工序，在预热的情况下，光束最好具有相当大的预热光束直径，而且在预热工序的初始作用部分，预热光束直径大于熔化光束直径。光束的外形可通过改变把光束射向表面上的光学部件的焦点而进行变化，以在预热和退火工序时使光速散焦，在熔化工序时则使光束更窄地聚焦。最好，在熔化工序的光束直径为约10毫米或不到10毫米，最佳约0.1至5.0毫米，而产生熔解的熔化区域光束应具有相等或较小的直径。退火光束直径，而因此退火区域的直径最好在约1毫米和15毫米之间，但在各个情况中，它们的直径大体上大于在熔化工序时的光速直径。预热光束直径和预热区域与退火光束直径和退火区域具有可比(较的)尺寸。在熔化工序时辐射能最好具有约至少200瓦/厘米2的能量密度，而在退火工序时所施加的辐射能最好具有小于200瓦/厘米2的时间平均能量密度。最好，在退火工序时所采用的能量密度在这工序中可逐渐地下降到零。退火工序最好具有相当长的持续时间，较佳在约0.5和10秒之间，最佳在1和5秒之间。熔化工序一般是相当短的，最佳在约0.1-10秒之间。预热工序持续时间一般具有等于或小于退火工序的持续时间，通常最好在约0.25和2.5秒之间。这样，为处理每个表面部位所需要的时间通常明显地小于15秒，在正常情况下小于约5秒。
熔化和退火工序可在连续或半连续的基础上，采用辐射能光束和待加工的工件之间的相对运动加以实施。这种布置应用了至少一可调整的辐射能光束，它包括在熔融区域中相当高熔化能量密度的熔化辐射能，还包括在紧靠熔融区域但偏离第一方向的退火区域中，其能量密度比熔化能量密度小的退火辐射能。陶瓷制品的表面相对于至少一辐射能光束在第一方向中进行移动，使表面的连续部位通过熔融区域，接着通过退火区域。最好，至少一束射线进一步包括在紧靠熔融区域但偏离第二方向的熔融区域的预热区域中，其预热能量密度小于熔化能量密度的预热辐射能。因而，通过熔融和退火区域的各个表面部份在进入熔融区域之前将首先通过预热区域。预热和熔融区域最好是邻接的且熔融和退火区域也可以是邻接的。预热，熔融和退火区域都可以具有单一辐射能光束的部分，例如在第一和第二方向具有大体上能量密度的高斯分布的光束。实施移动工序使各个表面部分在约2和10秒之间的过渡时间之间通过预热，熔融和退火区域。最好，这种通过由单一光束或多光束所划定的通过预热，熔融和退火区域的过渡时间可提供具有以上规定的持续时间的预热，熔化和退火工序。
所处理的陶瓷材料最好在其表面上具有釉料那样的可熔的玻璃状材料，并且在熔化工序持续过程中的熔化陶瓷材料包括落入熔融区域内的釉料的部分。当釉料具有类似小裂纹和孔的缺陷性质，熔融材料将在此缺陷上封接且提供具有完整、连续的釉料外表。在或紧靠受辐射能照射区域的表面上，可以以粉末状玻璃质材料或玻璃料的形式提供添加材料。添加材料最好随制品材料本身一起熔化。釉料和/或添加玻璃质材料基本上可包括用作陶瓷制品的装饰和/或卫生目的的任一釉料，例如一些与普通玻璃状组合物结合选自由SiO2，Al2O3，B2O5，PbO和钠、钾、钙、镁、铬，磷和锆的氧化物组成的组中的成分。
本发明的另一方面，提供进行上述工序的装置。


图1是根据本发明的一个实施例的示意立面视图;
图2是一图1的装置操作的所述步骤的示意透视图;
图3是一根据本发明的另一实施例装置的局部图解透视图;
图4是一表示光束中的能量分布的图表;
图5是一另一种光束布置的示意视图。
根据本发明的一个实施例的装置设有一激光器10。该激光器用来发射一频带波长范围内的光线，至少有一部分波长由呈现于待处理的工件表面的材料加以吸收，而这种材料则处于固体状态。对于惯用的白色陶器和其它陶瓷上所选用的那样的釉料而言，可强烈地吸收红外光谱区的波长，因而是最好的。高功率红外激光器包括YAG或钇-铝石榴石激光器和二氧化碳激光器。钇-铝石榴石激光器一般波长控制在10.6微米，而二氧化碳激光器一般波长控制在10.6微米。这两种激光器的随便哪一种都可以加以采用。最好是用二氧化碳激光器，因为这种激光器是比较便宜的并容易买到的。一种适用的二氧化碳激光器是由罗得岛瓦力克，Surgilase公司用商标SURGILASE进行出售。
激光器10设有一可变聚焦光学(透镜)系统12和使可变聚焦透镜系统的部件移动的装置14。在图1中示意地示出了一种简易、可移动的和单透镜部件的透镜系统12。实际上，可变聚焦光学系统可包含较复杂的光学部件结构，例如一多部件可变焦距透镜或可变几何结构反射镜的结构。通常用作可变能量密度部件或前述Surgilase激光单元的显微外科连接器类型的可变聚焦系统都可以加以利用。移动装置14装有恰当的伺服电动机，线性执行机构等，以便控制可变聚焦透镜系统12的可运动部件。
处理装置进一步包括一工件支座16，此支座适用于与透镜系统12以预选空间关系支承待处理的制品。透镜系统的构形和支座16的位置是可选择的，因此当工件W由工件支座16加以固定时，与透镜系统12有预选空间关系的工件表面S处于预选的焦平面F上。光学系统12被布置成当该系统处在如图1的实线所示的第一位置时，从激光器10中所发射出的光束18将沿着射束轴26进行投射且使光束聚焦在射束轴26周围的焦平面F和表面S上的有一相当窄的圆点20上，而当透镜系统12处在图1中以虚线12示意地所示的第二位置时，光束18将沿着同一射束轴26进行投影，但使光束稍微散焦，因而覆盖在射束轴26的周围的焦平面F和表面S上有一稍微比较大的圆点22。激光器10和移动装置14是与定时和控制设备24连接的，该设备具有适合于以预选程序驱动移动装置和激光器且适合于在每个这样的操作循环期间控制由发射光速18的激光器10所施加的总功率的特点。最可取是该定时和控制设备与激光器10布置成可接通和断开激光器10，并且可用光束18的连续改变总辐射功率来控制激光器。
在一种根据本发明的一实施例的方法中，工件W旋转在如前所述的支座16上，而其顶面S处在前述焦平面F上，工件的顶面则大体上与射束轴26垂直延伸。如附图所示，工件W具有一陶瓷材料的基层28和一覆盖在基层上且形成工件的顶面S的釉层30。一般来说，釉层厚度约在0.05毫米和0.5毫米之间，最好厚度至少约0.1毫米，而下面的基层28比釉层要厚许多倍。釉层30基本上由玻璃状的、透明(上釉)的陶瓷材料构成。这种材料一般包括选自由SiO2，Al2O3，B2O5，PbO，Na2O，K2O，CaO，MgO和其混合物组成的组中的一种或多种组分，但不限于那些组分还可包括象颜料或遮光剂那样的其它成分。一常用的、易加工的上釉材料类型是通常被称为重烧制釉的类型。
釉层30的材料最好具有根据从下表1所示的参数的物理性能。
表1性能合乎要求的最佳的重烧制温度=1500℃=1200℃密度任何值 2.3克/厘米3线性膨胀系数 =10-5/℃ 约3.0×10-6/℃或少于此热传导性 =0.1瓦/厘米℃ 约.035瓦/厘米-℃或少于此在表1中所涉及的重烧制温度是顶层材料将流动和“自合拢”的温度，以便在短的时间周期中把缝隙或裂缝闭合起来。这里重烧制温度就相当于材料的粘度降至低于3000泊的温度。
基层28大体上可与表面釉层30相容的任一材料结合。如以下再进一步描述，在加工期间产生的作用实质上限于釉层30的顶面，即在距顶面约1毫米内的釉层30的部分。在顶面釉层30大体上具有比这个间距要大的厚度的地方，由顶面上局部加热所引起的热膨胀那样的作用基本上不会扩展到基层中，反之，在基层中的热传导那样的作用不会明显地影响加热和冷却过程。那么，基层材料的性质对加工来说是不重要的。顶层30厚度为小于约0.1毫米，因此，加热过程将大体上与基层28互相配合，于是基层最好应具有以上作为顶层所要求的物理性能。典型的基层包括如用作普通白色陶器的粘土/长石/燧石混合料那样的硅铝酸盐/硅石(二氧化硅)陶瓷，以及铸铁和象用丙烯类作背衬的涂釉的表面材料那样的复合材料，对该背衬材料而言，AMERICAST
为美国标准公司的注册商标。
如图2所示，被处理的工件在釉层30中具有裂纹或裂缝32形式的缺陷。一修补材料或玻璃料34被放置在位于和紧靠缺陷32的工件顶面S上。玻璃料可以包括象存在于工件顶层30中的相同材料或与顶层的材料在化学和物理方面相容的其它材料，以便这两种材料在熔融状态下互相接触时不产生不希望的化学反应。最好，玻璃料以及玻璃料和顶层材料的任一中间混合物具有接近于顶层材料自身的物理性能(包括膨胀系数)。玻璃料的重烧制温度和/或玻璃料和顶层材料混合物的重烧料温度可以低于相应的顶层材料自身的重烧制温度。对于玻璃料的重烧制温度基本上没有下限(不同于制成品的使用温度)。制成品的美学特点是重要的，故可以选择具有与顶层材料匹配的良好色彩的修补材料。
工件是与光学装置12对准的，从而使需要加工的工件表面S的一部分与射束轴26直线对准。如图2所示，这部分可以包括缺陷32的一部分。定时和控制设备24驱动移动设备14以把光学装置带动到第二或散焦的位置12’，并启动激光器发射出预热辐射能光束。开始，将这一预热辐射能聚焦围绕射束轴26的比较大的区域或圆点22上，施加到预热区上的预热辐射能直径大体上等于光速直径，也就是大体上与圆点22的直径相等。
这一辐射能光束可大体上具有能量密度的高斯分布，为此，光束的能量密度随离开轴26的距离而逐渐的减少，而不是尖锐下降或中止。在那种情况下，可取光束的半径作为能量密度是其峰值l/e倍的点，即在那点上能量密度为在光束中心的能量密度的0.368倍。这样，光束的直径，而因此由光束照射的圆点直径可被看作为光束半径的二倍。用这种方式所计算出的直径在本公开中称之为“l/e直径”。除非另有规定，与在这个公开中有关的光束直径为l/e光束直径。此外，在本公开中使用的、与不均匀能量密度的辐射光束有关的术语“能量密度”意指在光束直径内的平均能量密度。
因而，在本预热加工步骤的初始区段时，将预热辐射能旋加于与圆点22有共同边界的顶面上的预热区。预热光束的直径，而因此预热圆点或区域22的直径在开始预热阶段时最好在约1毫米和15毫米之间，最佳在约2毫米和10毫米之间。在预热阶段连续进行时，定时和控制设备使激光器启动以逐渐地增加其总的功率输出，并驱动移动装置14，使装置从其第二位置12’逐渐地移动到第一位置12，从而使光束的聚焦点从大的圆点22逐渐地变窄到相当狭窄的圆点20。于是，在预热阶段工件的顶面上光束范围内的平均能量密度将逐渐地增加。能量密度一般以很低的值，近似零开始，在本预热阶段逐渐地增加到约每平方厘米200瓦。同时，光束的直径从初始预热光束直径减小到最终预热光束直径，该直径等于以下所讨论的熔化光束直径。最好，预热阶段的持续时间为0.25至2.5秒左右。
在预热阶段后，紧接着就开始熔化工序。在熔化工序中，定时和控制设备驱动移动装置，使光学装置12保持在其第一位置或窄圆点位置，从而维持来自激光器10的聚焦在光束通路周围的相当小直径圆点20上的光束。这样，工件表面上的光束直径得以维持在小于10毫米左右，最好在0.1毫米和4毫米之间的熔化光束直径，为此，来自激光器10的光束大体上施加在与圆点20有共同边界的相当小直径熔化区。在这个加工步骤中，定时和控制设备使激光器10保持在相当高的。恒定的总功率输出。这样，在熔化区内施加了相当高的和恒定的能量密度。在这个加工过程中，在工件顶面的熔化区20范围内的顶层30材料和修补材料34达到它们的回流温度，使其熔化和在表面上形成一连续的液相。这个加工过程一般约持续0.1至1秒，最佳持续约0.5秒。最好，用于这个加工期间的能量密度为每平方厘米200瓦以上，最佳为在每平方厘米约200和400瓦之间。在熔化工序中总功率最好是在约5和20瓦之间，输入熔化区的总能量最好约2.5至10焦耳(J)。用于熔化工序的总功率和能量密度不应太大，从而引起工件顶层材料或修补材料的较易挥发成分的明显蒸发。不过，一般，熔融材料实质上具有比固体材料要低的光束辐射能的吸收性。熔融材料倾向于吸收较小部分的入射辐射能和反射较大部分的入射能。这往往会提供自限制作用并防止熔融材料的过热。因为在熔化过程中，在熔化区和紧接地在熔化区周围的表面是处在高温，而在那些远离熔化区的顶层30的部分处于材料的体积温度(按体积计算的平均温度)，即室温，所以在诸顶层30的部分中存在明显的温度差。在预热工序期间，供给予预热区的表面的能量能缓和温度梯度并能防止因熔化工序的热应力而开裂。尽管本发明不受任何操作理论限制，但还是相信在熔化区内的熔解会使热应力解除。
紧接熔化工序后的退火工序中，定时和控制设备促动移动设备14，并开始将光学装置12从其第一或窄聚焦位置移动到其第二位置或宽聚焦位置，以便逐渐地增加投射在工件顶面上的光束的直径，因此，到这一退火工序工序结时，光束已达到一最终退火光束直径，它大体上大于在熔化工序中所应用的熔化光束直径。最好，在退火工序的结束时的退火光束的直径约在1毫米和15毫米之间，最好约在2毫米和12毫米之间。最佳，退火光束直径约为熔化光束直径的1.2至2.0倍，而预热光束直径近似地与退火光束直径一样。于是，在退火工序时，施加在退火区，同时也施加在圆点22邻近的辐射能是大于熔化区和围绕熔化区的辐射能。此外，在这一退火工序过程中，从激光器10输出的总能量逐渐地减少。因此，在退火工序时，能量密度按熔化工序时所施加的程度逐渐地减少。最好，在工序的退火阶段时，时间平均能量密度大大地小于200瓦/厘米2。在退火工序中，能量密度逐渐地减小到零。较为满意方式，退火工序具有约0.5秒至10秒的持续时间，最好约2.5秒的持续时间。在退火工序持续过程中，熔化区冷却且固化在熔化工序所形成的液相。在工序的退火阶段时，施加于退火区域的辐射能缓和(调节了)熔化区域和周围区域的冷却速率;此外减少了在冷却过程中所出现的热应力。在以上讨论的较佳条件下，退火辐射能可有效地在顶层材料的抗张和抗压强度下分别保持拉伸和压缩冷却应力。因此，在冷却期间出现的热应力不会引起顶层和新构成的固相的开裂。尽管相对于(根据)这个加工步骤使用术语“退火”，但本发明并不受任何操作理论限制。根据这个加工步骤所使用的术语“退火”不应被理解为正如在传统的，大量退火加工期间可能发生的那样的必定要求，退火步骤包括逐渐的流动和应力的松弛。
一旦结束了退火工序，就可在工件的另一部分上重复加工。例如，工件可通过移动相对于射束轴26的支座16而移位。
在图3中示出了根据本发明另外一实施例的装置。这个装置包括一与以上所述的激光器10类似的激光器110和一固定的聚焦光学系统112，该光学系统布置成使激光器110的光束沿着固定的光轴126发射并使光束聚焦到一焦平面上固定直径D的圆点121上，因而，固定的聚焦光学系统提供了相当于圆点121的熔化区域内的高能量密度。可是，由于光束的能量分布大体为高斯分布和大体上对称于射束轴126的圆柱形分布，聚焦光束在熔化区域121的周围的一较宽的边缘区域125中具有较大的能量密度。一些能量落入一与熔化区域121邻接的退火区域127，并从此以图3中的箭头“+X”所表示的第一方向移动。这一能量的另一部分落在一与熔化区域121邻接的预热区域129，且从此以图3中箭头“-X”所表示的第二反方向移动。同样，光束的另一部分能量落入侧面区域131，且从熔化区域以与第一和第二方向横切的侧向移动。侧面区域131是与预热，熔化和退火区域邻接的。尽管为清楚的表示起见，在图3中明显地示出了限定边界的一些区域，但应该注意到这些区域会彼此逐渐地合并在一起。在每一退火区域127和预热区域129中的平均能量密度是低于熔化区域121中的平均能量密度。图4是一图表，该图表表明光束中的辐射能量密度是在按+X和-X方向离开光束通路126的距离的函数。图中曲线133则表示能量密度。
本装置进一步包括一工件支座116和一与支座116连接的线性驱动器140。驱动器140用来移动支座，并因而使位于其上的任一工件以预定的移动速度在第一或+X方向移动。
根据本发明另一实施例方法中，工件W安装在支座116上且通过驱动器140以预定的、大体上不变的移动速率移动。这种运动使工件表面掠过辐射能光束，因此，工件表面的各个部分首先通过光束的预热区域129，然后通过熔化区域121，最后通过退火区域127。于是，在工件表面的任一区域进入熔化区域121之前，工件的表面区段和工件表面的毗连区段已经由于承受到光束预热区域129中的相当低的能量密度预热辐射而进行预热。在各个表面区段通过光束的熔化区域121时，这一区段承受光束熔化区域中的相当高的能量密度熔化辐射，随后，使工作表面上的材料进入到其回流温度。同时，自光束的熔化区域中的正在处理的表面区段附近的横向位移的表面区段受到侧面区域131中的附加的、相当低的能量密度辐射。在各个表面区段受到熔化区域121的熔化辐射能之后，这个表面的区段进入退火区域127，此处，这样的区段以及周围的表面的较大退火区区域受到相当低的能量密度退火辐射。参阅图4，如人们所了解的那样，当工件各个表面区段以+X方向运动时，(如图4中所示的从右至左)，这个区段在通过预热区域129时，会受到逐渐增加的能量密度，在它通过退火区域127时会受到逐渐减少的能量密度。
在本方法的预热和退火工序大致起到以上参考图1和图2所讨论的那些工序同样的作用。在这种情况下，预热和退火工序的重要参数;例如在上述工序中所施加的辐射能强度，相对于时间的强度变化率和上述工序持续时间可通过由激光器110和光学系统112施加的光束的特性以及通过移动工作表面的速度加以调节。为了加工具有以上讨论的性质的材料，光束最好具有约在5和25瓦之间的总功率，最佳约在10和20瓦之间，以及约0.5厘米的l/e直径。横切射束轴的第一方向的表面移动速率最好是约0.5至2.0毫米/秒，最佳约1.2毫米/秒。通过l/e光束直径的过渡时间，即传送过熔化区域121的时间最好是约在0.2和2.0秒之间。在理论上，光束的高斯能量分布延伸到无穷大距离。因此，预热和退火工序可被认为是无穷大持续时间。但是，实际上，光束边缘区域125的外部边界可被看作处于约等于光束l/e半径的2.5倍。这样，预热区域129可被看作从约X＝1.25D延伸到X＝-D/2，而退火区域127可被看作从X＝+D/2延伸到X＝1.25D，式中X是距射束轴的间距，而D是l/e光束直径。按照传送过这些区段的时间计算预热和退火工序的持续时间，应该是在约0.5秒和10秒之间。较好的约在2秒和4秒之间。
正如将很容易地理解的那样，可以利用许多以上讨论的特征进行改变和组合而不脱离本发明，应看作本权利要求所规定的范围。在图3的布置中，辐射能光束工件表面之间的相对移动是通过移动工件而使光束相对于静止的基准框架保持不动而达到的。确切地说，可通过使工件保持不动和移动光束，如使光束直射在反射镜上和使反射镜逐渐移动，或通过使用柔性波导管或通过使用在激光外科器械的关节杆中所采用的反射镜组合达到同样的效果。在图3的布置中，辐射能大体上作为单一和高期光束加以应用，射束轴垂直于工件表面的平面，因此，光束形成了一如图所示的圆形对称式样。不过，由光束在表面上所形成的圆点并不总需要圆形的，代替的可以是椭圆形的或不对称的，在那里射束轴线是与工件表面的平面相倾斜。实际上辐射能不必以单一光束方式加以应用。如图5所示，可以提供多束光束200，202和204并分别发射到熔融，预热和退火区域。再之，由光束204所限定的退火区以一个方向偏离由光束200所限定的熔融区域，而由光束202所限定的预热区域以相反方向偏离光束200限定的熔融区域。同样，在这个示图中，光速被画成具有清晰限定的边界。事实上，各种光束的边缘区域会重叠在熔融区域中。如附图所示，光束202具有比光束204稍小的直径，以提供比退火时间要短的预热时间。
在另一变换型式中，可省去预热工序。这样，在图1和2那样的可变光束布置中，光束可以以其熔化型式开始发射，而如图3-5所示的流线型光束布置，就可省略光束的预热区域。这种变换型式通常是不希望的，因为在熔化工序的始初部分持续过程中这会使材料实质上受到较高的热应力。但是，在材料具有特别有利的特性，例如很低的热膨胀系数和/或很高的强度场合，这些材料有时可以承受得住热应力。此外，在图1和2的布置中，在工件表面上的光束聚焦可通过使工件朝向式远离光学系统来进行调节。
上述所讨论的方法是用来修补在釉料中的缺陷。可采用同样的方法把釉料上到局部的区域中。例如，具有对比色彩的玻璃料可以熔化到釉料中以在上釉表面上提供局部材料。这些技术可用于工件表面而不是釉料上。例如，所处理的制品可以是一种固体的玻璃板或其它玻璃状材料。
由于对以上所述的特征可以用来做这样和那样的变化和组合而不脱离本权利要求所规定的发明，所以前述最佳实施例的说明应该被认为举例说明而不是限制权利要求中所规定的发明。
权利要求
1.一种陶瓷制品的局部上釉方法，其特征在于包括使上釉位置上的陶瓷材料熔化的步骤，该步骤是通过把熔化辐射能施加到所述上釉位置周围的制品表面上的熔融区域(20)；然后，使所述熔融区域的所述制品表面退火的步骤，该步骤是通过氢退火辐射能施加到所述熔融区域周围的所述表面上的退火区域(22)，从而延缓所述熔融区域的冷却，在该冷却过程中，把接近所述熔融区域的所述制品中产生的热应力限制到小于所述制品的所述表面上的陶瓷材料的断裂应力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括预热所述熔融区域的步骤以便进行在所述熔化步骤前，通过把预热辐射能施加到所述熔融区域周围的所述表面上的预热区域(22)，以预热所述熔融区域，从而在进行所述熔化步骤时，限制靠近所述熔融区域中的制品的热应力。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于在所述步骤持续过程中，使所述制品保持在低于其退火温度的体积温度。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于在所述步骤持续过程中，所述制品的所述体积温度约为室温。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述熔化辐射能提供一熔融能量密度，以及在于所述施加退火辐射能的步骤包括施加所述退火辐射能的步骤，以提供一低于所述熔融能量密度的退火能量密度。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于施加所述预热辐射能的步骤包括施加预热辐射能的步骤，以提供一低于所述熔融能量密度的预热能量密度。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述的预热区域(22)大于所述熔融区域，而所述退火区域(22)大于所述熔融区域。
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于施加预热辐射能，施加熔化辐射能和施加退火辐射能的所述预热，熔化和退火步骤都包括把辐射能光束照射到所述制品表面的所述位置上，因而，在至少所述预热步骤的一部分持续时间中所述位置上的光束具有预热光束直径(d)，然后在所述熔化步骤持续过程中使熔化光束直径小于所述预热光束直径，接着在至少所述退火步骤的一部分持续时间中使退火光束直径大于所述熔化光束直径。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述熔化光束直径约10毫米或小于10毫米。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于所述的退火光束直径在约1和15毫米之间，所述预热光束直径在约1和15毫米之间。
11.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述熔融辐射能具有至少约200瓦/厘米2的能量密度。
12.根据权利要求3所述的方法，其特征在于进一步包括在所述退火步骤持续过程中逐渐减小所述辐射能光束的功率的步骤。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于所述退火步骤具有约0.5和10秒之间的持续时间，所述熔化步骤具有约0.1和1.0秒之间的持续时间和所述预热步骤具有约0.25和2.5秒之间的持续时间。
14.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述预热步骤还包括逐渐增加所述辐射能光束的能量密度的步骤。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述熔化和退火工序进一步包括至少提供一辐射能光束的工序，所述辐射能包括在熔融区域(121)中按熔融能量密度的所述熔化辐射能和包括按退火能密度的所述退火辐射能，它小于与所述熔融区域邻接的，但偏离第一方向的退火区域(127)中的所述熔化能量密度，并且使所述制品的表面以相对于至少所述的一种光束的第一方向运动，所述表面的部分通过所述熔融区域，然后通过所述退火区域。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于所述至少一种光束进一步包括按预热能量密度的预热辐射能，它小于与所述熔融区域邻接，但偏离与所述第一方向相反的第二方向的预热区域(129)中的所述熔化能量密度，由此所述表面的各个部分将在通过所述熔融区域之前通过所述预热区域。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征还在于所述预热区域和所述熔融区域是邻接的，所述熔融区域和所述退火区域也是邻接的。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于所述预热、熔融和退火区域都是单光束的区段，这些区段在所述第一和第二方向具有大体上能量密度的高斯分布，且实施所述移动工序，使得所述表面的各个区段在约0.25和2.5秒之间的过渡时间中通过所述光束。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于所述光束具有约1至10毫米之间的l/e光速直径和约5至10瓦的功率。
20.根据权利要求1或15所述的方法，其特征还在于所述的制品在所述表面上具有玻璃状材料，所述玻璃状材料在熔化工序中被熔解的。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于还包括在所述缺陷的表面上放置玻璃料(34)的工序，所述玻璃料在所述熔化工序持续过程中被熔化且与所述玻璃状材料熔合在一起。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征还在于所述玻璃状材料是一种釉料，所述上釉位置包括一在所述釉料中具有缺陷的所述表面的区域，而在所述退火工序后所述熔融的玻璃料和釉料共同形成一覆盖所述缺陷的固相。
23.根据权利要求20所述的方法，其特征还在于所述玻璃材料是一种釉料，所述上釉位置包括一在所述釉料中具有缺陷的所述表面区域，在所述退火工序后，所述熔融釉料形成一覆盖所述缺陷的固相。
24.一种处理陶瓷制品的装置，其特征在于包括支承陶瓷工件的机构(16);用于提供辐射能光束且使所述辐射能光束照射到所述工件的表面上的机构(10)，使所述表面上的光束具有一个或多个光束尺寸和分布;以及调节所述光束指向的机构(14)，以便在所述表面上的光束首先具有预热光束的尺寸，然后，具有小于预热光束的尺寸的熔化光束尺寸，接着，具有大于所述熔化光束尺寸的退火光束的尺寸。
25.根据权利要求24所述的装置，其特征在于所述调节机构和布置是这样的，即将所述光束尺寸从所述预热光束尺寸调整到所述熔化光束尺寸时，以逐渐地增加所述光束的总功率，以及将所述光束尺寸从所述熔化光束尺寸调整到所述退火光束尺寸时以逐渐地减小所述光束的总功率。
26.一种处理陶瓷制品表面的装置，其特征在于包括提供至少一辐射能光束的机构(110)，辐射能包括熔化区域中按熔融能量密度的熔融辐射能，还包括按退火能量密度的退火辐射能，它小于与所述熔化区域邻接的，但偏离第一方向的退火区域(127)中的所述熔融能量密度;以及支承陶瓷制品的机构(116);和提供所述至少一道光束和由支承件支承的所述陶瓷制品之间的相对运动的机构(140)，因而，所述制品的表面可相对于至少一道光束而运动，且所述陶瓷制品表面的连续区段通过所述熔化区域，然后通过所述退火区域。
27.根据权利要求26所述的装置，其特征在于提供至少一道光束的机构进一步包括提供预热能量密度的预热辐射能的机构，该预热能量密度小于与所述熔化区域邻接的，但偏离与所述第一方向相对的第二方向的预热区域(124)中的所述熔融能量密度，从而所述表面的区段将在通过所述熔化区域之前经过所述预热区域。
全文摘要
一种陶瓷制品表面，例如白色陶瓷的上釉表面在熔化工序中受到激光器所发射的红外线光束那样的辐射能作用，以使表面上的材料产生局部熔化。在熔化工序后，该表面，最好在围绕熔融区域的较大表面上或在低的能量密度下进一步由辐射能照射以限制熔融区域和周围邻接区域的冷却速率，从而防止热应力引起的开裂。熔融区域和其周围区域在熔化工序前立即用附加辐射能进行加热，因此进一步限制熔化工序时的热应力。本方法可用作修补釉彩缺陷及用作装饰。
文档编号C04B41/86GK1090834SQ9312158
公开日1994年8月17日 申请日期1993年12月30日 优先权日1993年2月9日
发明者丹尼尔E·默尼克 申请人:勒脱吉尔州立大学