本發(fā)明總體上涉及激光加工領(lǐng)域，具體而言涉及用于切割脆硬材料的方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

用于切割脆硬材料的一種常規(guī)方法是刀具切割法，但是刀具切割法的缺點是精確度低，刀具磨損大。

用于切割脆硬材料的另一種常規(guī)方法是激光切割法，其中完全借助于激光輻射來分離脆硬材料。激光切割法由于其精準(zhǔn)性以及極小的切割器具磨損而被越來越普遍地使用，而且隨著近年來手機、平板計算機等大屏幕設(shè)備的興起，激光切割法被越來越多地用于切割諸如薄玻璃之類的脆硬材料。例如名稱為“激光加工方法和激光加工設(shè)備”的中國專利申請CN102814591A公開了一種這樣的激光切割法，其中將激光入射到加工物的表面上并且附近聚光使得聚光點附近的加工物氣化或熔化，從而在切割起始面上形成起始熱去除區(qū)，然后在之前的熱去除區(qū)上繼續(xù)照射激光并聚光，使得聚光點附近的加工物氣化或熔化，從而形成后續(xù)熱去除區(qū)，并使后續(xù)熱去除區(qū)沿預(yù)定路徑連續(xù)分布從而形成后續(xù)熱去除線。但是常規(guī)的激光切割法所具有的缺點是，難以以滿意的精度和低成本切割工件、尤其是曲面工件，因為在采用激光完全分離脆硬材料的過程中很有可能產(chǎn)生過量或偏離的燒蝕。

用于切割脆硬材料的又一種常規(guī)方法是激光與機械結(jié)合的切割法，其中首先用激光進(jìn)行一次或多次劃片，然后借助于外力將脆硬材料分離。例如名稱為“一種全自動激光劃片設(shè)備”的中國專利申請CN201520297677公開了另一種這樣的激光與機械結(jié)合切割法，其中首先在借助于激光輻射在材料表面燒蝕劃片，然后利用機械方法施加外力，使得材料沿激光燒蝕劃片路徑分離。然而，常規(guī)的激光與機械結(jié)合的切割法的缺點是，激光切割和機械分離的分界點難以掌握，如果激光燒蝕深度較低，則需要借助于較大機械力來分離脆硬材料，從而易于造成材料斷裂或損傷，而燒蝕深度過高又會產(chǎn)生上述激光切割法 的缺點。因此該切割法的精度不高，流程也不易控制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的任務(wù)是提供用于切割脆硬材料的方法和系統(tǒng)，借助于該方法或系統(tǒng)，可以以較高精度和低成本加工工件、尤其是三維曲面工件。

在本發(fā)明的第一方面，該任務(wù)通過一種用于切割脆硬材料的方法來解決，該方法包括下列步驟：

借助于缺陷產(chǎn)生方法沿切割路徑在脆硬材料中產(chǎn)生多個在脆硬材料的厚度方向上不連續(xù)的缺陷；以及

沿切割路徑分離脆硬材料。

借助于根據(jù)本發(fā)明的方法，至少可以實現(xiàn)以下優(yōu)點：(1)通過在脆硬材料中產(chǎn)生多個在其厚度方向上不連續(xù)的缺陷以分離脆硬材料，可以避免純激光切割法的切割精度低的缺點，因為通過合適地空間分布所述缺陷，不僅可以減少燒蝕量并避免不必要的燒蝕，而且可以精確地定義各種形狀、例如曲線或曲面切割路徑；(2)空間分布的缺陷與常規(guī)激光與機械組合法中脆硬材料一部分被去蝕、一部分相連相比，更容易地促進(jìn)材料的分離過程，因為在空間分布的缺陷的情況下，材料的分離過程更加均勻和規(guī)則，而不易發(fā)生不期望的斷裂、損傷和損耗，而且通過合適地、例如均勻和密集地空間分布缺陷，可以容易地進(jìn)一步促進(jìn)分離過程。由此，借助于根據(jù)本發(fā)明的方法，可以以高度可控性、較高精度、較少不期望的材料損傷、極少的材料損耗和較低成本實現(xiàn)脆硬材料的切割。

在本發(fā)明的一個擴展方案中規(guī)定，所述缺陷產(chǎn)生方法包括下列各項至少之一：熱處理、振動、光束、電子束、粒子束、離子束、以及聲波。借助于該擴展方案，可以以多種方式產(chǎn)生所述缺陷，而不僅限于激光。

在本發(fā)明的另一擴展方案中規(guī)定，所述缺陷包括下列各項至少之一：脆硬材料的折射率的變化、空間密度的變化、局部材料損壞、以及空隙。借助于該擴展方案，可以根據(jù)加工需要產(chǎn)生不同形式的缺陷。

在本發(fā)明的一個優(yōu)選方案中規(guī)定，所述缺陷定義曲線形的切割路徑和/或曲面形的切割路徑。借助于該優(yōu)選方案，可以以高精度和低成 本實現(xiàn)曲線或曲面形狀的工件的加工。

在本發(fā)明的一個擴展方案中規(guī)定，通過改變下列各項至少之一來提高脆硬材料的切割質(zhì)量或效率：缺陷大小、缺陷形狀、缺陷長度、缺陷排列、缺陷之間的水平或垂直距離、以及缺陷在脆硬材料的延伸方向上的重合程度。借助于該擴展方案，可以容易地提高切割質(zhì)量或效率。

在本發(fā)明的一個優(yōu)選方案中規(guī)定，所述缺陷產(chǎn)生方法是激光輻射，其中激光輻射入射到脆硬材料上所產(chǎn)生的光斑為圓形或非圓形。圓形激光斑為本領(lǐng)域常見光斑，而非圓形激光斑與圓形激光斑相比可以產(chǎn)生不同參數(shù)的缺陷，而且可以影響微裂紋的分布，例如如果使激光輻射在脆硬材料中產(chǎn)生缺陷的去蝕路徑與非圓形光斑的長度方向重合，則可以使微裂紋盡可能沿著去蝕路徑分布，從而減少其它方向上的不期望的微裂紋。

在本發(fā)明的一個擴展方案中規(guī)定，非圓形光斑包括下列形狀之一或其組合：橢圓形、正方形、長方形、環(huán)形、以及同心圓形。

在本發(fā)明的一個優(yōu)選方案中規(guī)定，所述缺陷是沿切割路徑一次或多次掃描脆硬材料產(chǎn)生的。在一次掃描的情況下，例如可以在掃描的過程中在脆硬材料的厚度方向上相繼產(chǎn)生多個空間上分布的不連續(xù)的缺陷，這例如可以通過在同一掃描過程中在厚度方向上相對移動缺陷產(chǎn)生裝置和脆硬材料、或者在激光切割情況下調(diào)整激光引導(dǎo)裝置的焦距來實現(xiàn)。而在多次掃描的情況下，例如可以在同一次掃描的過程中，生成位于脆硬材料的某一厚度處的多個缺陷，而在下一次掃描過程中，生成位于另一厚度處的多個缺陷，這可以通過在不同掃描過程中分別在厚度方向上相對移動缺陷產(chǎn)生裝置和脆硬材料、或者在激光切割情況下分別調(diào)整激光引導(dǎo)裝置的焦距來實現(xiàn)。

在本發(fā)明的一個擴展方案中規(guī)定，通過下列方式至少之一來分離脆硬材料：壓力、真空、機械力、聲波振動、電磁輻射、以及化學(xué)腐蝕。借助于該擴展方案，可以根據(jù)加工需要靈活地選擇分離工藝。

在本發(fā)明的第二方面，前述任務(wù)通過一種用于切割脆硬材料的系統(tǒng)來解決，該系統(tǒng)包括：

缺陷產(chǎn)生裝置，其被配置為在脆硬材料中產(chǎn)生缺陷；

移動裝置，其被配置為使缺陷產(chǎn)生裝置和脆硬材料在脆硬材料的 厚度方向上相對移動，使得缺陷產(chǎn)生裝置沿切割路徑在脆硬材料中產(chǎn)生多個在脆硬材料的厚度方向上不連續(xù)的缺陷；以及

分離裝置，其被配置為沿切割路徑分離脆硬材料。

借助于根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)，同樣可以實現(xiàn)結(jié)合根據(jù)本發(fā)明的方法所述的優(yōu)點。

在本發(fā)明的一個擴展方案中規(guī)定，所述缺陷產(chǎn)生裝置包括下列各項至少之一：熱處理裝置、振動裝置、光束發(fā)射裝置、電子束發(fā)射裝置、粒子束發(fā)射裝置、離子束發(fā)射裝置、以及聲波發(fā)射裝置。借助于該擴展方案，可以以多種方式產(chǎn)生所述缺陷，而不僅限于激光。

在本發(fā)明的另一擴展方案中規(guī)定，所述缺陷包括下列各項至少之一：脆硬材料的折射率的變化、空間密度的變化、局部材料損壞、以及空隙。借助于該擴展方案，可以根據(jù)加工需要產(chǎn)生不同形式的缺陷。

在本發(fā)明的一個優(yōu)選方案中規(guī)定，所述移動裝置包括下列各項之一：多軸聯(lián)動裝置、以及機器手臂。

在本發(fā)明的一個優(yōu)選方案中規(guī)定，所述缺陷是沿切割路徑一次或多次掃描脆硬材料產(chǎn)生的。在一次掃描的情況下，例如可以在掃描的過程中相繼在脆硬材料的厚度方向上產(chǎn)生多個空間上分布的不連續(xù)的缺陷，這例如可以通過在同一掃描過程中借助于移動裝置在厚度方向上相對移動缺陷產(chǎn)生裝置和脆硬材料、或者在激光切割情況下調(diào)整激光引導(dǎo)裝置的焦距來實現(xiàn)。而在多次掃描的情況下，例如可以在同一次掃描的過程中，生成位于脆硬材料的某一厚度處的多個缺陷，而在下一次掃描過程，生成位于另一厚度處的多個缺陷，這可以通過在不同掃描過程中分別借助于移動裝置在厚度方向上相對移動缺陷產(chǎn)生裝置和脆硬材料、或者在激光切割情況下分別調(diào)整激光引導(dǎo)裝置的焦距來實現(xiàn)。

在本發(fā)明的一個擴展方案中規(guī)定，所述分離裝置包括下列各項至少之一：壓力分離裝置、真空分離裝置、機械力分離裝置、聲波振動分離裝置、電磁輻射分離裝置、以及化學(xué)腐蝕分離裝置。借助于該擴展方案，可以根據(jù)加工需要靈活地選擇分離工藝。

附圖說明

下面參考附圖根據(jù)多個實施例來進(jìn)一步闡述本發(fā)明。附圖：

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的一個具體實施例的示意圖，其中借助于激光輻射沿切割路徑一次掃描脆硬材料以切割脆硬材料；

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的另一具體實施例的示意圖，其中借助于激光輻射沿切割路徑多次掃描脆硬材料以切割脆硬材料；以及

圖3示出了在根據(jù)本發(fā)明的方法中使用的不同的激光輻射的光斑。

具體實施方式

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的一個具體實施例的示意圖，其中借助于激光輻射101沿切割路徑105單次掃描脆硬材料104以切割脆硬材料104。在此，應(yīng)當(dāng)指出，盡管在圖1中，缺陷產(chǎn)生方法被示為通過由激光引導(dǎo)裝置102(例如聚焦鏡或掃描鏡)發(fā)射的激光輻射101在脆硬材料104中產(chǎn)生兩組缺陷106A和106B，但是這僅僅是示意性的，其它缺陷產(chǎn)生方法也是可設(shè)想的，例如熱處理、振動、光束、電子束、粒子束、離子束、以及聲波等等，并且這些缺陷產(chǎn)生方法是公知的，在此就不加以贅述。而且，其它組數(shù)的缺陷106A和106B也是可設(shè)想的，例如三組缺陷、四組缺陷等等。

如圖1所示，激光輻射101在經(jīng)激光引導(dǎo)裝置102引導(dǎo)(例如進(jìn)行光導(dǎo)、聚焦和射束成形等等)以后入射到脆硬材料104上，入射的激光輻射101在脆硬材料104中產(chǎn)生在脆硬材料的厚度方向107(參見圖1中的黑色雙箭頭)上不連續(xù)的缺陷106A和106B。在此，應(yīng)當(dāng)指出，在本發(fā)明中，缺陷僅僅是在脆硬材料的厚度方向(例如垂直方向)上不連續(xù)、例如缺陷106A和106B在厚度方向107上具有一定間距，但是缺陷在脆硬材料的延伸方向(例如水平方向)上既可以不連續(xù)(如缺陷106A)、也可以連續(xù)或重合(如缺陷106B)。

圖1中的缺陷106A和106B例如可以通過如下方式產(chǎn)生：在激光輻射101沿切割路徑105單次掃描脆硬材料104的過程中，當(dāng)水平掃描至脆硬材料上的特定點時，缺陷產(chǎn)生裝置、如激光引導(dǎo)裝置102發(fā)出激光輻射101并在脆硬材料104中產(chǎn)生第一厚度處的缺陷、例如缺陷106A，然后在水平方向上不移動(例如在切割直線或曲線時)或少量移動的情況下(例如在切割曲面時，其中缺陷產(chǎn)生裝置可以在水平方向上相對于脆硬材料移動一定量，使得所燒蝕出的缺陷定義曲面)， 諸如多軸聯(lián)動裝置或機械手臂之類的移動裝置(未示出)使缺陷產(chǎn)生裝置與脆硬材料104在脆硬材料104的厚度方向107上相對移動、或者激光引導(dǎo)裝置102調(diào)整激光焦距，使得缺陷產(chǎn)生裝置在脆硬材料104中產(chǎn)生第二厚度處的缺陷、例如缺陷106B。應(yīng)當(dāng)指出，缺陷106A和106B的產(chǎn)生順序僅僅是示例性的，二者的產(chǎn)生順序可以互換。

在此，還應(yīng)當(dāng)指出，盡管在圖1中缺陷106A或106B分別被示為相同形狀、相同大小和相同間距的，但是這僅僅示例性的，在其它實施例中，缺陷106A或106B可以具有不同形狀、不同大小和不同間距，而且在掃描過程中，諸如光斑重合程度之類的參數(shù)也可以改變。前述參數(shù)的改變例如可以通過改變光路及光路元件、移動裝置的運動參數(shù)、激光束參數(shù)來實現(xiàn)并加以優(yōu)化。

借助于根據(jù)本發(fā)明的方法，至少可以實現(xiàn)以下優(yōu)點：(1)通過在脆硬材料104中產(chǎn)生多個在其厚度方向上不連續(xù)的缺陷106A和106B以分離脆硬材料104，可以避免純激光切割法的切割精度低的缺點，因為通過合適地空間分布所述缺陷106A和106B，不僅可以減少燒蝕量并避免不必要的燒蝕，而且可以精確地定義各種形狀、例如曲線或曲面切割路徑；(2)空間分布的缺陷106A和106B與常規(guī)激光與機械組合法中脆硬材料一部分被去蝕、一部分相連相比，更容易地促進(jìn)材料的分離過程，因為在空間分布的缺陷106A和106B的情況下，脆硬材料104的分離過程更加均勻和規(guī)則，而不易發(fā)生不期望的斷裂和損傷，而且通過合適地、例如均勻和密集地空間分布缺陷106A和106B，可以容易地進(jìn)一步促進(jìn)分離過程。

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的另一具體實施例的示意圖，其中借助于激光輻射201沿切割路徑205多次掃描脆硬材料204以切割脆硬材料204。在此，應(yīng)當(dāng)指出，盡管在圖2中示出了激光輻射201沿切割路徑205三次掃描脆硬材料204并生成在在厚度方向上207分布(即處于不同厚度處)的三組缺陷206A、206B和206C，但是這僅僅是示例性的，其它次數(shù)和缺陷組的數(shù)目也是可設(shè)想的。

在此，圖1的實施例與圖2的實施例的主要不同之處在于，缺陷206A、206B和206C分別是在不同掃描中生成的。

圖2中的缺陷206A、206B和206C例如可以通過如下方式產(chǎn)生：在激光輻射201沿切割路徑205第一次掃描脆硬材料204的過程中， 當(dāng)水平掃描至脆硬材料上的特定點、例如掃描點208時，缺陷產(chǎn)生裝置、如激光引導(dǎo)裝置202發(fā)射激光輻射201并在脆硬材料204中產(chǎn)生第一厚度處的缺陷、例如缺陷206A，然后缺陷產(chǎn)生裝置(或脆硬材料204)繼續(xù)水平移動以沿切割路徑205掃描脆硬材料204，直到生成全部的缺陷206A；在第二次掃描中，移動裝置(未示出)使缺陷產(chǎn)生裝置與脆硬材料204在厚度方向207上相對移動、或者激光引導(dǎo)裝置202調(diào)整激光焦距，使得缺陷產(chǎn)生裝置在脆硬材料204中產(chǎn)生第二厚度處的缺陷、例如缺陷206B，然后缺陷產(chǎn)生裝置(或脆硬材料204)繼續(xù)水平移動以沿切割路徑205掃描脆硬材料204，直到生成全部的缺陷206B；在第三次掃描中，移動裝置(未示出)使缺陷產(chǎn)生裝置與脆硬材料204在厚度方向207上相對移動、或者激光引導(dǎo)裝置202調(diào)整激光焦距，使得缺陷產(chǎn)生裝置在脆硬材料204中產(chǎn)生第三厚度處的缺陷、例如缺陷206C，然后缺陷產(chǎn)生裝置(或脆硬材料204)繼續(xù)水平移動以沿切割路徑205掃描脆硬材料204，直到生成全部的缺陷206C。應(yīng)當(dāng)指出，缺陷206A、206B和206C的產(chǎn)生順序僅僅是示例性的，三者的產(chǎn)生順序可以交換。

在此，還應(yīng)當(dāng)指出，盡管在圖2中缺陷206A、206B或206C分別被示為相同形狀、相同大小和相同間距的，但是這僅僅示例性的，在其它實施例中，缺陷206A、206B或206C可以具有不同形狀、不同大小和不同間距，而且在掃描過程中，諸如光斑重合程度之類的參數(shù)也可以改變。此外，諸如多次掃描路徑的間距、多次掃描路徑的形狀、多次掃描路徑相鄰路徑的光斑位置偏移量之類的參數(shù)也可以改變。前述參數(shù)的改變例如可以通過改變光路及光路元件、移動裝置的運動參數(shù)、激光束參數(shù)來實現(xiàn)并加以優(yōu)化。

在圖2的實施例中，同樣可以實現(xiàn)高切割精度、低材料損傷和低成本的優(yōu)點。

圖3示出了在根據(jù)本發(fā)明的方法中使用的不同的激光輻射的光斑301-308，其中光斑301-308是在激光輻射作用于脆硬材料時形成的。

光斑301-308既可以是圓形的、例如圓形光斑301，也可以是非圓形的、例如橢圓形光斑302、正方形光斑303和矩形光斑304，還可以是多個相同或不同光斑的組合、例如六個圓形光斑的組合305、六個橢圓形光斑的組合306、兩個圓形光斑的組合307和兩個橢圓形光斑 的組合308。

應(yīng)當(dāng)指出，盡管圖3示出了多種形狀的光斑以及光斑組合，但是這些形狀以及組合光斑中光斑的數(shù)目僅僅是示例性的，在其它實施例中，其它形狀和光斑的其它數(shù)目也是可設(shè)想的，并且其它組合也是可想到的，例如圓形光斑與橢圓形光斑的組合。

雖然本發(fā)明的一些實施方式已經(jīng)在本申請文件中予以了描述，但是對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，這些實施方式僅僅是作為示例示出的。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到眾多的變型方案、替代方案和改進(jìn)方案而不超出本發(fā)明的范圍。所附權(quán)利要求書旨在限定本發(fā)明的范圍，并藉此涵蓋這些權(quán)利要求本身及其等同變換的范圍內(nèi)的方法和結(jié)構(gòu)。