专利名称：利用算出的射束光点长度分离扁平的陶瓷工件的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于借助激光通过热引起的应力分离基本上扁平的陶瓷工件的方法。
背景技术：
在基于热引起的应力的分离中通过在材料中短时的和局部的加热和/或散热产生一温度梯度，其引起应力，后者导致裂纹形成。通过形成一完全穿透材料的裂纹可以实现分离或通过形成一深裂纹并紧接着通过机械力作用实现分离。
由现有技术已知许多这种方法，其通过不同的措施拟优化方法结果，它特别在于分离边缘的高质量。虽然在专利文献中描述的方法一般总是应该可应用于脆性、非金属材料并从而也可应用于陶瓷，但所描述的各实施例限于玻璃，这参阅以下说明是可理解的。
大约在1964年申报的专利DE 1244246首次提到通过热引起的应力分离玻璃。将一激光束以微小的射束横截面并从而高的能量密度沿一设有辐射吸收层的平板玻璃的表面引导(激光线)，由其通过传热导致从表面起沿激光线加热玻璃。可看出，在这种情况下不取决于玻璃加热的绝对值，而取决于玻璃中横向于激光线的温度梯度，它特别可通过接在加热后的冷却来达到。那时已确认，为了形成必需的温度梯度不必要将玻璃加热到其熔化温度，并且因于热裂缝产生的分离面的质量相对于通过玻璃熔化的是不同的。
以后的公开文件从事该基础方法的优化以便提高分离速度，改善分离线的线导向的精度(分离精度)和分离边缘的表面的精度(边缘质量)。
如1992年WO 93/20015中所指出的，在这种方法中的分离精度由于以下原因直到那时都是不够的
在射束光点已沿激光线离开边缘的时刻在玻璃板边缘上开始形成裂缝。在该区域内，在玻璃板的边缘与射束光点之间形成一复杂的热应力分布，其首先只引起压应力，但它尚未导致裂纹的形成。利用冷却剂的出现，这导致一突然的散热，形成拉应力，它从此时起当超过玻璃的抗拉强度时导致裂纹形成。在裂缝向前移动的过程中材料在裂纹两侧的边缘被相互压开，因此形成机械应力，它促进裂缝的继续扩展。在裂缝接近到板边界时，裂缝相对于激光线弯曲，这在该文献中通过玻璃板中热应力的非对称性来解释。
按照WO 93/20015中指出的公式来选择确定的方法参数指望改善的分离精度和分离速度，按照该公式应该形成一特定方向的深裂缝和深度。按照该公式根据一椭圆形射束横截面的长度和宽度(如其由SU-A-1231813已知的)、一比例系数(其由玻璃的热物理和机械的特性以及辐射功率密度确定)、射束光点与冷却区的间距以及所要求的裂缝深度(其由工件的材料厚度确定)来选择相对速度。虽然未如此明显地提到，应用该公式的参数选择来最终用于产生一尽可能确定的局部分布的热应力。
以后的专利特别是进一步开发射束光点的几何形状，其拟优化能量输入。在这方面各实施例分别借助于玻璃进行说明。
例如在WO 96/20062中代替至今常用的能量密度在射束光点中的高斯分布建议一种能量密度分布，它由周边向中心逐渐降低(椭圆形环)。EP 0 872 303建议一种射束光点形状，其具有一按照u形或V形曲线的能量密度分布。
现有技术力求产生沿激光线均匀的热应力并且经由特定的能量密度分布影响分离裂纹的质量，这是为人们从要加工无内应力的非晶质的材料出发的一个标志，如其符合许多玻璃品种的那样。
在对结晶的材料如陶瓷实施方法时人们必须由此出发，即不仅通过引起的热应力的短时和局部的形成来确定规定工艺流程的过程应力，而且内应力也有助于过程应力。特别是当较大的内应力沿所要求的分离线的路线变化时，已知的方法不可能达到期望的分离质量。对于开头所提到的在工件末端分离线向激光线那边的弯曲的问题所述的方法也没有给出尝试解决方案，这被本申请人理解为内应力的问题。
在已知的方法中除忽视内应力之外，这些方法据说一般可应用于全部的脆性非金属的材料，起始裂缝的必要性是另一提示，即该方法实际上并不适用于陶瓷。
例如对于WO 96/20062中描述的方法建议，在受辐射的部分被冷却以前，在材料表面上沿要求的分离线设置一切口(起始裂缝)。虽然在技术中切口并不是新的并且常常在板的热切割方法中实行，但结合所指出的方法产生一种新的效果，亦即一很精确的切割导向和边缘的高质量。在EP 0448168、WO 02/48059和DE 19955824中同样将起始裂纹称为基本的特征。
本申请人从实际经验知道，为通过热引起的应力分离玻璃存在起始裂缝必定是必要的。在诸方法描述中在任何情况下并未提到这样的作为必要的前提的起始裂纹并且也未在任何情况下设置，这归因于人们实际上从一机械切割的边缘起开始分离，该边缘基本上具有许多微观裂纹。然后将这样的微观裂缝之一用作为起始裂缝，它作为分离裂纹蔓延。但如果人们在该用激光切割的分离边缘上设置一个第二分离断面，则在保持过程参数时代替所要求的定向的裂纹形成只导致加热和紧接着的冷却，而不形成一裂缝，这归因于该边缘没有可用作起始裂缝的微观裂缝。在DE 100 41 519中很明显地显示出起始裂纹的必要性，其公开一种用于在若干矩形板中分离一玻璃平板的方法。其中明显的为专家所已知的是，它为了分离玻璃板，从通过热引起的应力形成的分离边缘出发，必定需要一起始裂纹。
除力图使过程持续时间达到沿激光线的均匀加热和起始裂纹的强制设置之外，如果在安置切边模的边缘上没有微观裂纹，则本申请人已发现为一缺陷，即为什么已知的方法通常无疑不能应用于分离陶瓷的原因。基本上在考虑到熔化温度和待分离材料以及给定的射束光点几何形状和在射束光点中的能量密度分布，经由激光器功率的优化的参数组合进行加热，其促成射束光点的长度和进给速度，这导致足够高的应力，起始裂纹借助该应力蔓延。
在指出的现有技术中没有说明，为通过待分离材料的特性选择射束光点的长度而向上限定的公差或在其考虑中如何最好地选择该长度。
事实上根据速度不仅可以用小的而且可以用大的射束光点长度(约2-50mm)分离玻璃，并且当要切割不同的玻璃时不必匹配射束光点长度。
相反对于陶瓷，则本申请人的实验已表明，可以有射束光点长度的范围不仅是很小的而且对于不同的陶瓷也是不同的，借其在陶瓷中产生要求的裂纹。
如以上所述，在指出的现有技术中没有实施例，在其中明确地说可以分离陶瓷。
实际中通过机械锯或借助激光器通过所谓的“划线”分离陶瓷，“划线”也错误地称为“裂纹”。在这里不涉及实际的裂纹，而涉及沿一条线的袋孔形式的材料去除量。一种用于实施这种型式方法的激光加工装置由ProCom Systemhaus公司的产品说明资料和Ingenieurunternehmen有限公司的的名称为CNC300是已知的。
通过材料的熔化和蒸发产生很高的应力，其可以导致组织中微观裂纹的形成。
该方法不可能用于强烈夹紧的陶瓷。其形成一不确定的杂乱的裂面。因蒸发残渣的沉积造成工件表面的污染也是决定性的缺点。
发明内容
本发明的目的在于，找到一种基于借助热引起的应力分离材料的方法，该应力沿一分离线导致裂纹形成，借其在扁平的陶瓷工件中可以以高的过程速度产生确定深度的深裂纹，借此确定地降低陶瓷沿该分离线的抗弯强度，以便紧接着可以用确定的力作用沿该分离线分离工件。
本发明的目的对于分离扁平的陶瓷工件的方法利用权利要求1的特征来达到。
各有利的实施形式描述于诸从属权利要求中。
由于本申请人的原来的假定，只有当过程中的过程参数经考虑到工件的内应力加以改变时才可以按目的分离附带着应力的陶瓷，依此本申请人已找到，为了可有意义地改变参数、激光器功率和进给速度，如何得到一足够大的过程窗口。在这方面到达的认识是，它作为基本的参数必须根据工件的热导率(WLF)及其厚度确定射束光点长度并且为此已找到一适用的公式。在相应选定的射束光点长度时，为了调节激光器功率和进给速度(过程速度)得到一足够大的过程窗口，从而在过程窗口内可以针对性改变这些参数或可以容忍因工件表面不平度引起的例如激光器功率或入射的辐射密度的变动。也已表明，当工件的内应力与为了在工件内形成一裂纹必须产生的应力相比是微小的时，在相应的射束光点长度下针对性改变过程参数不一定是必要的。
在制造陶瓷工件时在不同的生产阶段，在再处理或装配中多半产生机械应力。特别是在不均匀的加热或冷却时(例如陶瓷烧制后的冷却，用于表面处理或涂层的热的再处理)和由于收缩将应力“冻结”于工件内或其导致持久的形状变化。这些应力特别可以这样来解释，即由于陶瓷晶粒(碎块)与熔化相(杂质)的不同的热膨胀系数和与其相关的组织结构的不同的膨胀以及陶瓷(陶瓷晶粒和杂质)与涂层材料之间的不同的热膨胀系数造成的。此外，由于在成型或工件的机械加工如边缘的机械切割时的强烈的机械力可能向材料中产生附加的内应力。
通常人们不可能算出内应力，而限于实验确定。
本发明的第一构思是，特别对具有高的或沿所要求的分离线强烈变化的内应力的工件，在分离过程开始以前沿要求的分离线检测工件的内应力。首先在测量技术上实现这种检测，然后可以按照许多测量和使测量结果符合于工件沿所要求的分离线的一相应的表面弯曲，而且通过反应到内应力上的工件弯曲的肉眼比较得出结论。
有利地应该在一工件配料的两个样品上实施内应力测定，其中在第二样品上的检测用于确认第一样品的结果。如果各结果在预定的公差限内是相同的，则人们可以由此出发，即该配料的其他的工件沿分离线也具有一可比较的应力分布。所谓配料的工件应该被理解为这样的工件，即它在完全相同的制造条件和在必要时完全相同的处理条件下制造和处理，并且具有相同的尺寸、特别是相同的材料厚度。
也可以通过试验在实验上求得内应力。
为了在陶瓷中得到通过整个工作的深度不变的深裂纹，重要的是，引起的应力与内应力的总和达到临界的断裂应力(发生裂纹形成的应力)的范围。现在虽然可以求得待分离陶瓷板沿所要求的分离线的内应力，并且一般由陶瓷板的制造者获得允许的断裂应力，但由此得出的待引起的应力通常并不作为沿激光线的路线的函数来调节。
引起的热应力是许多过程参数和材料参数的函数，亦即激光辐射的功率；射束光点中的功率密度分布；射束光点的面积和形状；射束光点和工件之间的相对速度；工件的材料特性；冷却剂的热物理特性；冷却横截面的面积和形状及其到射束横截面的间距。
因此仍有可能经过许多试验求得参数组合，这些组合引起一热应力，该应力与内应力总和产生所要求的深裂纹。
在给定的工件材料特性、同样在分离过程内不能改变的冷却剂特性以及在过程期间难以改变的射束横截面和冷却剂横截面的情况下，为了实验的变化保持特别是激光辐射的功率和进给速度。为了对此具有足够大的公差(过程窗口)，而不根据由于过高的辐射功率或过小的进给速度引起的过高的能量输入导致材料过热，其导致杂质的熔化，必须相应地选出对于过程不变的各个参数。
当射束横截面沿射束导向(进给)的方向具有尽可能大的延伸(射束光点长度)时达到最大的过程窗口，亦即射束光点长度越大公差越大，在该公差内可以改变激光辐射的进给速度和功率。
由于材料内在所有的方向上发生均匀的传热，通过一较大的射束光点长度促进向深度的较高的热量输入。虽然对于玻璃在技术可能性的范围内几乎可选择任何长的射束光点长度，但对于陶瓷该长度是受限的。其原因是材料的热导率(WLF)。虽然玻璃的WLF只有微小的变化，例如浮法玻璃0.8W/mK到硼硅玻璃1.2W/mK，但陶瓷的WLF不仅达到玻璃的10倍至20倍而且大于100倍，例如ALN180W/mK。这种情况在加热区(射束光点)的几何形状中、特别在其沿进给速度方向的长度中予以注意。
在这里给出本发明的第二构想。
通过待分离材料的热导率确定最大的有意义的射束光点长度。热导率越高，射束光点长度必须越短，以使尽可能少的热从分离线侧向传入邻接的区域内。但同时射束光点长度应尽可能大，以便如上说明的那样具有一个大的过程窗口，在该过程窗口中可以改变进给速度和激光器功率。在各实施例中对于不同热导率的材料定出各个射束光点长度，如其对于相关的材料是最好的，因此尽可能地大，以便得到一大的过程窗口，但也必需尽量地小以便保持微小的侧向散热。本申请人借助许多试验开发了一个公式，借其根据热导率(WFL)和材料厚度求得一最优的射束光点长度。该射束光点长度的调节导致一大的过程窗口，在其中可以足够地改变激光器功率和进给速度，以便根据内应力改变或调节沿分离线引起的热应力。根据工件内的内应力可以在过程窗口内找到对于激光器功率和进给速度的适当的参数组合。其中当应力状态沿激光线强烈变动时可以经由工艺流程改变这些参数，或者其对于工件例如由于不同的再处理而具有不同的内应力的工件可以进行不同的调节。
同样当方法参数的改变不是必要的时，因为内应力是小的或沿要求的分离线的分布并不强烈地变动，借助本发明的公式选择射束光点长度是重要的，以便按要求得到一分离裂纹。较大的射束光点长度在其他不变的方法参数时并不导致所要求的分离质量或甚至并不发生分离过程，因为通过传热并不能达到必需的温度梯度。较短的射束光点长度导致较长的过程持续时间或导致明显的交互作用(蒸发，材料表面的熔化)。因此利用本发明确定的射束光点长度可以达到最高可能的过程速度。由于大的过程窗口，激光器功率的变动并不影响方法。同样在入射到工件上的射束光点中的能量密度的变动并不产生影响。当焦点到工件表面的相互间距沿激光线改变时，因为例如工件表面是不平的，则产生这样的能量密度变动，试验已得出，算出的射束光点长度的达到10％的偏差并不导致重要的影响。
在过程实施中对内应力的根本考虑不仅提供附带有内应力的陶瓷的能再现的分离的可能性，而且可以针对性地产生机械应力以支持分离过程。这样例如非氧化的陶瓷，其中由于高的热导率几乎不能引起热应力，在分离过程中在机械上可以这样预加应力，即只再施加微小的热应力就已导致裂纹形成。
通过考虑到内应力，在分离陶瓷时通过一深裂纹和接着的机械力作用是可能的，所要的力作用保持在一小的公差范围内。必要的断裂力一方面不应过小，以免过早的意外的断裂；但也不应过大，以便沿分离线保护地和用小的能耗地断裂陶瓷。
将特别是薄的工件有利地固定在工件支座上进行测量，其对于随后的分离过程也用作为支座。因此也同时检测因固定在支座上的夹紧而形成的应力。
本发明的第三构想涉及裂纹的导入。
为了分离陶瓷工件针对性地产生一起始裂纹是多余的。正如许多试验所表明的，裂纹形成始终沿晶粒边界开始，在晶粒边界处由于陶瓷晶体和包含它的熔化相的不同的膨胀系数在制造和重新加热时形成应力最大值，或者在物质转移处，其在陶瓷烧制时通过晶粒接触形成并构成薄弱点。于是裂纹在激光线(射束光点通过的线)的区域内沿晶粒边界扩展。虽然裂纹在玻璃的非晶质组织中总是从一起始裂纹开始直线扩展，但在结晶的陶瓷中裂纹形成和扩展微观地看沿晶粒边界或薄弱点呈波状进行。射束光点宽度应该至少具有最大晶粒直径的宽度。
以下借助附图参考各实施例更详细地说明本发明。
具体实施例方式
在第一实施例中，要将包括96％的氧化铝、具有热导率24W/mK和厚度0.63mm的陶瓷板在中心分离。
借助本发明的公式l＝8×d×24/WLF，其中l是射束光点的长度，WLF是待分离陶瓷的热导率数值和d是待分离陶瓷工件的厚度，算出5mm的射束光点长度，并且调准一具有约5mm的射束光点长度和约1mm的射束光点宽度的射束光点。在60瓦的激光器功率和100mm/s的速度时，射束光点以该速度导过工件，产生一深裂纹，肉眼是不能看到该裂缝的。在一紧接着的80-120MPa范围内的力作用下工件沿分离线被断裂。此外，在该工件或相同配料的工件中由相同的参数选择产生的深裂纹可用相同的力作用分离。激光器功率3％的变动和沿工件对角线的0.75mm的高度差(它们导致入射的辐射密度的变动)处于过程窗口内并因此是不成问题的。试验已表明，在该射束光点椭圆长度和60W的激光器功率时进给速度可在50mm/s与150mm/s之间改变，此外不改变其他的方法参数。在100mm/s的进给速度时激光器功率可在54W与66W之间改变。
在第二实施例中，要分离包括氧化锆、具有热导率2.4W/mK和厚度也为0.63mm的陶瓷板。射束光点的长度选为50mm，所选择的进给速度和激光器功率相当于第一实施例的。该激光器功率和进给速度的改变按照第一实施例是可能的，而不可能确定对裂纹形成的影响。
在第三实施例中，要分离按照第一实施例的陶瓷，其设有沉积的铜结构、具有很高的内应力，该应力在过程实施中不再是可忽视的。该陶瓷中的内应力在未涂层的边缘区域内明显小于在铜结构的区域内。在射束光点和材料厚度的其他的相同的参数时为了沿各结构之间的一条线分离陶瓷，或者不变地调准激光器功率而沿激光线改变进给速度，或者不变地调准进给速度而沿激光线改变激光器功率。
这样例如在60W的激光器功率时将进给速度在自由的边缘区域内开始调准到100mm/s，然后在涂层的区域内降到70mm/s并在离开涂层的区域时重新提高到100mm/s。该两个进给速度处在过程窗口内，该窗口是为该陶瓷材料和该工件厚度求得的射束光点长度(见第一实施例)。
代替在不变的激光器功率时改变进给速度，也可以在不变的进给速度时改变激光器功率。这样可以例如在不变的100mm/s的进给速度时，以60W的激光器功率开始，首先供给自由的区域，然后以66W在各结构之间的一条线上供给结构化的区域，并且最终重新以60W的激光器功率供给自由的区域，以便产生所要求的分离裂纹。
权利要求
1.一种用于通过激发一由应力产生的分离裂纹来分离扁平的陶瓷工件的方法，该应力通过借助激光沿一要求的分离线的短时和局部的加热和借助一种冷却剂的随其后的短时和局部的散热形成，其中激光辐射在工件上形成一射束光点，该射束光点的沿分离线方向的射束光点长度大于其垂直于该方向的射束光点宽度，其中根据工件的热导率及其材料厚度将射束光点长度调准成，使该射束光点长度按所需的那样小，以便尽管有热传导仍可达到为产生分离裂纹所必需的温度梯度；但也尽可能地大，借此达到尽可能快的加热并从而达到高的过程速度。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，射束光点长度由下列公式算出l＝8×d×24/WLF其中l为射束光点的长度，WLF为待分离陶瓷的热导率数值和d为待分离的陶瓷工件的厚度。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了开始分离过程，并不产生起始裂纹。
4.按照权利要求1至3之一项所述的方法，其特征在于，在分离过程开始以前沿所要求的分离线检测工件的内应力，并且将分离过程中的功率或速度考虑到内应力、与位置相关地加以控制，使得沿分离线的热应力和内应力的总和达到为裂纹形成所必需的断裂应力。
5.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将工件在预加应力的情况下固定在一工件支座上，以便借此附加地产生支持过程应力的应力。
6.按照权利要求1或2之一项所述的方法，其特征在于，为了测量内应力将工件固定在工件支座上，工件在分离过程中也以同样的方式固定在该支座上。
全文摘要
本发明涉及一种用于通过激发一由应力产生的分离裂纹来分离扁平的陶瓷工件的方法，该应力通过借助激光沿一要求的分离线的短时和局部的加热和借助一种冷却剂的随其后的短时和局部的散热形成，其中射束光点长度由下列公式算出l＝8×d×24/WLF，其中l射束光点的长度，WLF待分离陶瓷的热导率，d待分离的陶瓷的厚度，从而由激光在工件上产生的射束光点长度根据陶瓷的热导率和工件的厚度来选择，并且特别是对于具有高的内应力的工件改变例如激光器功率或工艺流程中的进给速度，以便对引起的热应力的强度加以影响。
文档编号B23K26/40GK1798631SQ200480014965
公开日2006年7月5日 申请日期2004年7月2日 优先权日2003年7月2日
发明者J·魏瑟尔, S·阿克, R·乌尔曼 申请人:詹诺普蒂克自动化技术有限公司