激光切割增强玻璃的制作方法

本发明的示例性实施方案涉及使用激光器来切割热增强(例如热钢化)玻璃。在某些示例性实施方案中，玻璃可带涂层。热增强玻璃上的涂层可例如为多层低辐射(低e)涂层或抗反射(ar)涂层。在对玻璃进行热增强之前和/或之后，可将涂层施加到玻璃上(例如经由溅射沉积)。已发现，将激光束聚焦于拉伸应力区--热增强玻璃的中心区域(而非压缩应力区中)，提供了改善的切割特性，以避免和/或减少玻璃碎裂并提供干净的切割边缘。从激光器发射的波长可基于涂层的光谱特征来定制。在某些示例性实施方案中，切割的玻璃可用于诸如单片或绝缘玻璃(ig)建筑外窗、车窗、淋浴门等应用中。

背景技术：
和

技术实现要素：

涂覆制品在本领域中已知用于窗应用，诸如绝缘玻璃(ig)窗单元、车窗、单片窗和/或类似应用。示例性低e涂层公开于例如但不限于美国专利6,576,349、9,212,417、9,297,197、7,390,572、7,153,579、9,403,345、9,670,092、9,475,727、9,434,643、9,422,626、9,340,452、9,302,936、9,079,795、7,267,879、5,552,180和5,595,825中，这些专利的公开内容均据此以引用方式并入本文。此类低e涂层可设置在例如能够热增强(例如热钢化)的玻璃基底上。

热钢化钠钙硅基玻璃在本领域中是已知的。其用于需要安全性和/或提高的耐久性的应用之中。此类应用包括车窗、淋浴门、滑动门、住宅和商用窗等等。在破碎时，钢化玻璃破裂成小块而非大碎片，从而可以防止对人和动物造成严重损伤。

一般来讲，热回火通过对热玻璃强力空气淬冷来进行。玻璃通常使用至少580摄氏度，更优选地至少600摄氏度，并且最优选地至少620摄氏度的温度进行加热。玻璃可加热例如至少3分钟，更优选地至少5分钟，并且通常至少8分钟。热玻璃可为离开浮法线的退火炉的热玻璃，或者可为与浮法线不同的独立回火位置/设备中的热玻璃。在空气淬冷期间，玻璃表面比玻璃本体冷却得更快并且处于压缩状态。表面处玻璃密度增大所致的压缩应力赋予了钢化玻璃增大的强度。同时，玻璃内部保持处于张力下以抵消表面压缩。在整个玻璃厚度上的应力分布用抛物线表示(参见图2)。因此，热钢化玻璃的中心区域具有拉伸应力，而靠近钢化玻璃主表面的外部区域具有压缩应力。为了维持平衡，总表面压缩应力基本上等于玻璃内部的拉伸应力。

在现有的浮法玻璃生产实践中，玻璃需要在热回火之前被机械地切割成顾客限定的尺寸和形状，诸如被机械地划线并随后折断。常规地，试图用机械工具或激光器切割热钢化玻璃通常导致玻璃破裂成小片。

美国专利9,481,598公开了一种切割热增强玻璃的技术，并且以引用方式并入本文。'598专利公开了通过将脉冲激光束聚焦于压缩应力区域中的玻璃表面处来激光切割增强玻璃。'598专利第15栏第37-51行明确地教导了应当“避免将激光聚焦于拉伸应变区中…以避免造成不可控制地蔓延的缺陷或裂纹(avoidfocusingthelaserinthetensilestrainedregion…toavoidcreatingadefectorcrackthancanpropagateuncontrollably.)”。因此，'598专利教导了将激光束聚焦于靠近玻璃表面的压缩应力区域中，并且“避免”将光束聚焦于中心拉伸应力区域中。然而，已经发现，在真实的钢化玻璃中，将激光束聚焦于压缩应力区的玻璃表面处是失败的，因为一旦激光束引发表面裂纹，其就蔓延穿过玻璃的整个厚度，导致玻璃破裂。因此，'598专利所述的技术从实用观点来看行不通，因为其导致玻璃破裂。

因而，本领域中需要尽可能地在制造工艺中加工大玻璃料板，包括能够充分地切割热增强(例如热钢化)玻璃。例如，期望能够涂覆大尺寸玻璃板，然后对它们进行热回火，并且随后以不导致钢化玻璃破裂的方式切割镀膜热钢化玻璃板。

有一大类涂层将显著受益于能够在热回火之前沉积在退火的钠钙硅基浮法玻璃上，然后对镀膜玻璃进行热回火，并且随后用激光器切割镀膜钢化玻璃。此类涂层的示例包括低e涂层，其目标是反射近红外和/或中红外(ir)光以控制热量传递通过窗用玻璃产品，同时允许大量的可见光穿过。相比于(b)涂覆、切割至尺寸，并且随后回火，在经济上期望(a)涂覆玻璃，随后对镀膜玻璃进行回火，并且随后将镀膜钢化大玻璃板切割成所需的尺寸。

本发明的示例性实施方案涉及使用激光器来切割热增强(例如热钢化)玻璃。在某些示例性实施方案中，玻璃可涂覆有低e涂层或ar涂层。在对玻璃进行热增强之前和/或之后，可将涂层施加到玻璃上(例如经由溅射沉积)。对于切割热增强玻璃，已令人惊奇且意料不到地发现，将激光束聚焦于拉伸应力区--热增强玻璃的中心区域(而非压缩应力区中)，提供了改善的切割特性，以在切割期间避免和/或减少玻璃碎裂并提供干净的切割边缘。当提供涂层时，从激光器发射的波长可基于涂层的光谱特征来定制。在本发明的某些示例性实施方案中，激光器切割热增强(例如热钢化)镀膜玻璃的能力允许涂覆大玻璃板，然后对大镀膜玻璃板进行回火，并且随后将镀膜钢化大玻璃板切割成所需的尺寸。在某些示例性实施方案中，切割的钢化/镀膜玻璃可用于诸如单片或绝缘玻璃(ig)建筑外窗、车窗、淋浴门等应用中。

在本发明的示例性实施方案中，提供了一种切割热增强玻璃的方法，该方法包括：取得包括压缩应力区和拉伸应力区的热增强玻璃板，压缩应力区位于玻璃的第一主表面与拉伸应力区之间；切割热增强玻璃板，所述切割包括将激光束聚焦于热增强玻璃板的拉伸应力区中。

在本发明的一个示例性实施方案中，提供了一种制备涂覆制品(例如，用于窗户、滑动门、淋浴门等)的方法，该方法包括：在玻璃板的第一主表面上提供涂层；在玻璃板上提供涂层之后，对玻璃板进行热回火，以便提供包括压缩应力区和拉伸应力区的热钢化镀膜玻璃板，压缩应力区位于玻璃板的第一主表面与拉伸应力区之间；以及切割钢化镀膜玻璃板，所述切割包括引导激光束穿过钢化玻璃板的第一主表面，并且将激光束聚焦于钢化玻璃板的拉伸应力区中。

附图说明

图1是镀膜玻璃制品的剖视图，其示出热增强玻璃中的应力分布以及使用激光束切割镀膜玻璃的方法。

图2是示出热增强玻璃诸如热钢化玻璃中的应力分布的剖视图。

图3(a)是能够设置在图1-2中任一者的热增强玻璃基底上的示例性低e涂层的剖视图。

图3(b)是示出图3(a)的低e涂层的反射/透射特征的反射百分比与波长(nm)的图。

图4是能够设置在图1-2中任一者的热增强玻璃基底上的示例性抗反射(ar)涂层的剖视图。

具体实施方式

现在参考附图，其中类似的附图标号在若干视图中表示类似的部件。

本文的涂覆制品可用于应用诸如用于建筑或住宅应用的单片窗、ig窗单元、庭院门、车窗、淋浴门和/或包括切割的热增强玻璃的任何其他合适的应用。

本发明的示例性实施方案涉及使用激光器来切割热增强(例如热钢化)玻璃1。在本发明的示例性实施方案中，玻璃可经由浮法工艺制成，并因此可为钠钙硅基玻璃。一般来讲，热回火通过对热玻璃强力空气淬冷来进行。对于热回火，玻璃通常使用至少580摄氏度，更优选地至少600摄氏度，并且最优选地至少620摄氏度的温度进行加热。玻璃可加热例如至少3分钟，更优选地至少5分钟，并且通常至少8分钟。热玻璃可为离开浮法线的退火炉的热玻璃，或者可为与浮法线不同的独立回火位置/设备/加热炉中的热玻璃。在空气淬冷期间，玻璃表面比玻璃本体冷却得更快并且处于压缩状态3。表面处玻璃密度增大所致的压缩应力赋予了钢化玻璃增大的强度。同时，玻璃的内部或中心区域5保持处于张力下以抵消表面压缩。在整个玻璃厚度上的应力分布用抛物线表示(如图2所示)。如图2所示，拉伸应力区5可起始于从玻璃的上主表面进入玻璃约20-21％的路径，并且可终止于穿过玻璃1的厚度(t)约78％-80％的路径。换言之，压缩应力表面区3可邻近玻璃1的每个表面并且可向内延伸总玻璃厚度(t)的约20％-21％。如图1所示，介于玻璃的第一主表面6与拉伸应力区5之间的区域中的压缩应力区3的厚度为玻璃总厚度的约20％-21％(例如21％)。如本文所用，词语“约”是指该值或值的范围，加/减10％。拉伸应力区5的厚度可为玻璃1总厚度的约56％-60％(例如58％)，如图1所示。因此，如图1-2和4所示，热钢化玻璃1的中心区域5具有拉伸应力，而靠近钢化玻璃1的主表面的外部区域3具有压缩应力。为了维持平衡，总表面压缩应力基本上等于玻璃内部的张力/拉伸应力。热增强玻璃板1可为热钢化的，并且包括至少69mpa(至少10,000psi)的表面压缩。

本发明人发现了一种切割热增强(例如热钢化)玻璃1的方法而不使玻璃以不可控的方式破裂。已令人惊奇且意料不到地发现，将从激光器9发射的激光束7聚焦于拉伸应力区/区域5--热增强玻璃1的中心区域(而非压缩应力区中)，提供了改善的切割特性，以在切割期间避免和/或减少玻璃碎裂并提供干净的切割玻璃边缘。在本发明的某些示例性实施方案中，激光器切割热增强(例如热钢化)镀膜玻璃的能力允许涂覆大玻璃板，随后对大镀膜玻璃板进行回火，并且随后将镀膜钢化大玻璃板切割成所需的尺寸。聚焦于热增强玻璃的拉伸应力区5中的激光束7可在玻璃之内产生细长的微缺陷或长丝。长丝可例如为0.5-10μm宽和/或1-1000μm长，并且可垂直于两个主玻璃表面延伸。在某些示例性实施方案中，长丝可起始于拉伸区的界定上限之下(在拉伸区之内)，并且/或者终止于玻璃相反侧的拉伸区的另一界限/下限之前。理想的是，长丝两端应当尽可能靠近拉伸区的界限。虽然激光器可致使此类长丝在玻璃中形成，但在本发明的某些示例性实施方案中，在用激光束7照射玻璃1之后，玻璃1可以通过施加适度的机械力而完全分离/切割。

在某些示例性实施方案中，玻璃1可涂覆有低e涂层或ar涂层。在对玻璃进行热增强之前和/或之后，可将涂层11施加到玻璃上(例如经由溅射沉积)，但优选地在切割玻璃之前施加。一种示例性涂层11是包括至少一个(例如银或含银的)红外反射层的低e涂层，该红外反射层被夹置在至少诸如氧化锡、氮化硅、氧氮化硅、锡酸锌等等材料或包含这些材料的第一电介质层与第二电介质层之间。可用于涂层11的示例性低e涂层描述于例如但不限于美国专利6,576,349、9,212,417、9,297、197、7,390,572、7、153,579、9,403,345、9,670,092、9,475,727、9,434,643、9,422,626、9,340,452、9,302,936、9,079,795、7,267,879、5,552、180和/或5,595,825，这些专利的公开内容均据此以引用方式并入本文。低e涂层11的目的在于反射近红外和/或中红外(ir)光来控制热量传递通过窗用玻璃产品以例如减少热量传递到建筑物中，同时允许大量的可见光穿过窗用玻璃产品。相比于必须在回火之前切割玻璃，在商业和经济上有利的是能够涂覆玻璃，随后对镀膜玻璃进行回火，并且随后将镀膜钢化大玻璃板1切割成所需的尺寸。

当提供涂层时，从激光器9发射的波长(例如约250nm至1200nm)可基于涂层11的光谱特征来定制。图3(a)是能够设置在图1-2中任一者的热增强玻璃1上的示例性低e涂层11的剖视图。低e涂层的各种层示于图3(a)中。并且图3(b)是示出图3(a)的低e涂层11的反射/透射特征的反射百分比与波长(nm)的图。图3(b)示出涂层11在近红外光区是高度反射的，并且大部分在约400nm-640nm的光谱的可见光区内是透射的。可以从图3(b)所示的光谱看出，使用在近红外光区中操作的激光器将对于切割低e镀膜玻璃是不期望的，因为大部分激光辐射将被涂层11反射。某些示例性商用激光系统在1064nm下操作，并且因此对于切割低e镀膜玻璃是不优选的，至少从涂覆侧切割是不优选的。同时，由于玻璃生产/加工中使用的传送/辊方法，从玻璃基底的底部(从与涂层11相反的一侧)激光切割具有技术限制。并且将玻璃翻转以使涂覆侧朝下面临着一些挑战，诸如使刮擦涂覆表面的风险提高。此外，在某些情况下，玻璃1的两个表面可涂覆有低e叠层。因此，如下所讨论，当提供涂层时，从激光器9发射的波长可基于涂层11的光谱特征来定制。

在本发明的某些示例性实施方案中，热增强玻璃1的激光切割包括使用在涂层11基本上或大部分光学透明的波长下操作的短脉冲激光器9。例如，就低e涂层而言，激光器9可操作成使得在可见光区内发射光束7，在该可见光区中低e涂层被设计为透明的。例如，当切割涂覆有低e涂层的玻璃时，激光器9能够发射具有约390nm-700nm，更优选地约450nm-650nm，并甚至更优选地500nm-600nm的波长的光束7。一个示例是在可用于断丝化切割的双频(半波长)(例如1064nm)下操作的绿色激光器。示例性绿色波长为532nm。

光束7不仅聚焦于玻璃的内部区域，而且特别地聚焦在其拉伸区5(例如参见图1-2和4，其中拉伸区5是涵盖玻璃厚度约五分之三的钢化玻璃的中心区)。当光束7聚焦于存在拉伸应力的中心区5时，长丝朝向玻璃的相反表面形成。可能需要一根或多根长丝来覆盖整个拉伸区，这取决于玻璃的总厚度。

可提供一种用于镀膜热钢化玻璃1的短脉冲断丝化激光切割的方法，包括提供热钢化镀膜玻璃基底，其中涂层11的设计和激光操作波长被定制成提供激光束的最小或减小的反射以及激光束7在拉伸应力区5处聚焦的最大精度。这提供了在玻璃的拉伸区上形成单个长丝或多个(如果单程未覆盖拉伸区的整个厚度)断丝化图案。劈开激光器划片的玻璃可随后用于实现切割的玻璃片之间的完全分离。当例如切割低e涂层玻璃时，在某些示例性实施方案中，激光器9可为在约532nm下操作的皮秒短脉冲绿色激光器，或者在其他示例性实施方案中可为在约532nm下操作的飞秒短脉冲绿色激光器。在某些示例性实施方案中，激光器9可为紫外光激光器。

由于玻璃与空气之间光折射率的显著差异，大量的激光能可从玻璃基底反弹。就钢化玻璃1而言，由于钢化玻璃的表面区域处于压缩作用下，情况变得甚至更糟，并且折射率差因玻璃密度增大而甚至更大。这进一步增加了从玻璃反射的激光能的量并影响激光束聚焦的精度。为了解决该问题，在本发明的某些示例性实施方案中，抗反射(ar)涂层11设置在钢化玻璃1上(如图4中最佳示出)，以减小光学折射率差并且有利于精确地，或更精确地将激光能传递到拉伸区5以用于切割。可将ar涂层11在回火步骤之前施加到玻璃上。此类ar涂层11可像基本上光学透明的材料诸如氧化硅(例如sio2)的单个四分之一波长(qwl)层那样简单，如图4所示。qwl厚度取决于激光器的工作波长以及抗反射材料的折射率。对于532nm激光器，示例性涂层可为具有约1.46的折射率以及约80nm-100nm(例如约91nm)的估计qwl厚度的氧化硅(sio2)薄膜。对于1064nm激光器，该厚度可以近似加倍到约170nm-200nm(例如约182nm)。在另一个示例性实施方案中，抗反射涂层11可为使用多种方法中的任一种(诸如溅射沉积或甚至湿沉积)沉积在玻璃上的更复杂的多层涂层。使用数个薄膜(例如，对于折射率由高/低/高/低交替)导致玻璃和空气更好的光学匹配特性，并且进一步降低了反射光的量以及光束聚焦的不确定度。在另一个示例性实施方案中，抗反射涂层11可用于无机膜或有机膜的顶部，而且用来改善膜的机械和环境耐久性。单层或多层ar涂层的光学设计可被调节成更好地匹配激光器的波长。可用于涂层11的示例性ar涂层包括例如但不限于美国专利9,163,150、9,109,121、8,693,097、8,668,990、8,617,641、8,883,277、7,833,629、和/或8,372,513中所述的那些，这些专利的公开内容均据此以引用方式并入本文。

在某些示例性实施方案，可将单层抗反射涂层11在热回火之前或之后施加到热钢化玻璃1上，以利于激光能精确地传递到玻璃的拉伸区中(例如参见图4)。抗反射涂层11可具有介于空气折射率(约1)与玻璃折射率(约1.53)之间的折射率，更优选地约1.2至约1.5。ar涂层11的厚度可用下式计算：t＝λ/4n，其中λ为激光器9的工作波长，且n为ar涂层的折射率。

在本发明的示例性实施方案中，提供了一种切割热增强玻璃的方法，该方法包括：取得包括压缩应力区和拉伸应力区的热增强玻璃板，压缩应力区位于玻璃的第一主表面与拉伸应力区之间；切割热增强玻璃板，所述切割包括将激光束聚焦于热增强玻璃板的拉伸应力区中。

在紧接前述段落所述的方法中，激光束可被引导成使得在聚焦于拉伸应力区中之前穿过玻璃的第一主表面。

在前述两个段落中任一项所述的方法中，所述将激光束聚焦于拉伸应力区中可使得至少一根长丝至少在玻璃的拉伸应力区中形成。至少一根长丝可朝向与第一主表面相反的玻璃的第二主表面延伸。

根据前述三个段落中任一项所述的方法还可包括：在所述将激光束聚焦于热增强玻璃板的拉伸应力区中之后，施加机械力以便将所述板完全分离多块。

在前述四个段落中任一项所述的方法中，热增强玻璃板可为热钢化的。

在前述五个段落中任一项所述的方法中，该方法可包括经由至少580摄氏度(更优选地至少600摄氏度，并最优选地至少620摄氏度)的温度将玻璃加热至少5分钟(更优选地至少8分钟)，并且对加热的玻璃进行空气淬冷，以便提供热增强(例如热钢化)玻璃板。

根据前述六个段落中任一项所述的方法可包括从短脉冲激光器发射激光束。

在根据前述七个段落中任一项所述的方法中，介于玻璃的第一主表面与拉伸应力区之间的区域中的压缩应力区的厚度可为玻璃总厚度的约20％-21％。

在根据前述八个段落中任一项所述的方法中，拉伸应力区的厚度可为玻璃总厚度的约56％-60％。

在根据前述九个段落中任一项所述的方法中，激光束优选地不聚焦于玻璃的任何压缩应力区中。

在根据前述十个段落中任一项所述的方法中，在所述切割之前，可将涂层设置在玻璃基底的第一主表面上。涂层可为包括至少一个含银红外(ir)反射层的低e涂层，所述含银红外反射层位于至少第一电介质层与第二电介质层之间。相比于光谱的近红外光区，低e涂层可在可见光区中具有较高的可见光透射率。激光束适应于涂层，使得当提供此类低e涂层时，激光束可主要由光谱的可见光区内的波长组成。例如，激光束可主要由390nm-700nm，更优选地450nm-650nm，并且最优选地500nm-600nm(例如绿色激光束)的波长组成。

另选地，涂层可为抗反射(ar)涂层。此类ar涂层可包括至少一个含氧化硅层，并且/或者可基本上由在可见光谱中基本上透明的材料(例如sio2)的单个约四分之一波长的层组成。ar涂层的厚度(t)可近似以t＝λ/4n表征，其中λ为发射激光束的激光器的工作波长，并且n为ar涂层的折射率。ar涂层也可为多层涂层。有机材料层或含有机材料层可设置在玻璃与ar涂层之间。

在前述十一个段落中任一项所述的方法中，热增强玻璃板可为热钢化的，并且包括至少69mpa(至少10,000psi)的表面压缩。

虽然已经结合目前被认为是最实用和优选的实施方案描述了本发明，但应当理解，本发明不限于所公开的实施方案，而是相反，旨在涵盖包括在所附权利要求的实质和范围内的各种修改和等同布置。