玻璃物體的銳緣的鈍化方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及玻璃物體的加工方法，特別涉及玻璃物體的銳緣的鈍化方法。本發(fā)明可用于涉及鈍化邊緣的玻璃加工的各種工業(yè)中。
【背景技術】
[0002]加工玻璃邊緣的傳統(tǒng)機械方法和化學方法可能在玻璃板中產(chǎn)生微裂，特別是可能在玻璃邊緣處產(chǎn)生微裂，從而使玻璃的強度降低一個數(shù)量級。
[0003]—種替代性的加工方法是激光倒角。激光的特征在于單色光的相干長度大。激光被用于很多工業(yè)和醫(yī)藥應用。激光的重要技術應用包括例如光譜學、激光測距，且激光還用于金屬、陶瓷和玻璃的精密切割和焊接加工。
[0004]W003015976A1公開了一種玻璃基質(zhì)的邊緣的倒角方法，該方法包括:用第一聚焦激光束依次處理玻璃邊緣，該第一聚焦激光束具有低熱能密度、具有相對于玻璃邊緣定位成一角度的橢圓形熱斑，其中當玻璃基質(zhì)沿進給方向移動時，在對玻璃基質(zhì)在邊緣附近的部分進行預熱之后，第一激光斑對邊緣進行熔化和倒角，然后由第二激光束對基質(zhì)進行加熱，第二激光束的熱斑的形狀是沿玻璃介質(zhì)的移動方向伸長的橢圓形。從而在不產(chǎn)生小裂紋的情況下減輕殘余應力。但是，該方法難于實踐，且在這樣短的時間內(nèi)不可能進行玻璃的“回火”(即消除由熔化玻璃而產(chǎn)生的熱應力)。
[0005]最相關的現(xiàn)有技術是文獻RU2163226C1教示的物體銳緣的鈍化方法，該方法包括通過一束光束的一部分或通過兩束分離的光束之一來將邊緣的至少一個表面加熱到不超過該材料熔點的溫度，并通過該光束的另一部分或通過第二束單獨的光束來加熱物體邊緣的另一表面。用于加熱的激光束在材料表面上呈橢圓的截面形狀。該方法的缺點包括:可能的殘余熱應力引起的強度減小，和在進行分離時可能脫落材料碎片(chip)，以及由于每個處理斑中功率密度分布不同(均勻分布僅在理論上存在)而導致該過程的可控性低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種玻璃物體銳緣的鈍化方法，該方法確保更好的產(chǎn)品質(zhì)量、增加玻璃物體的加工速度，同時提供具有最小的需求尺寸的倒角(該尺寸在整個處理長度上恒定)，并增加產(chǎn)品的強度。
[0007]該目的是通過根據(jù)本發(fā)明的玻璃物體銳緣的鈍化方法來實現(xiàn)，該方法包括用呈環(huán)形截面的聚焦激光束來處理玻璃邊緣，同時相對移動玻璃物體和/或光束，所述處理包括用激光束將玻璃邊緣加熱到大于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的溫度，即T>Tg。
[0008]此處的“環(huán)形截面的光束”指的是由共軸透鏡產(chǎn)生的光束，該共軸透鏡將實心截面的光束轉(zhuǎn)化為呈環(huán)形截面的光束。一種示例性的光束轉(zhuǎn)化器是由兩個鏡椎體(即外椎體和內(nèi)椎體，稱為“軸棱鏡”)構(gòu)成的組件。
[0009]玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg是聚合材料的基本性質(zhì)之一。在溫度低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時，聚合材料處于更加硬且脆的狀態(tài)；當超過該溫度時，材料大致間歇地轉(zhuǎn)化成塑性狀態(tài)。為此，材料的熱膨脹系數(shù)也會明顯增加。由于材料的散布性質(zhì)(傳播性質(zhì)，spreadcharacteristic)以及各種技術的應用，很難精確地確定玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。對于大多數(shù)工業(yè)玻璃，Tg在400°C _600°C的范圍內(nèi)。
[0010]在本發(fā)明中，激光束的環(huán)形截面是對玻璃物體進行倒角的決定因素，其防止玻璃表面的損壞和碎片化。最重要的是，由于在邊緣附近區(qū)域中的熱應力，該激光束在這些區(qū)域中產(chǎn)生所需形狀和尺寸的回火玻璃區(qū)域，從而能夠在玻璃上在脆性斷裂處形成帶有圓化或鈍化端的倒角。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的方法允許在邊緣附近區(qū)域中產(chǎn)生帶有熱應力的硬化玻璃部，熱應力的量級和方向能夠在玻璃上在脆性斷裂處形成帶有圓化端的倒角。
[0012]在以大于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度進行加熱從而在玻璃物體的銳緣上產(chǎn)生硬化部時，會脫落碎片并影響質(zhì)量。這就是為什么根據(jù)本發(fā)明的呈環(huán)形截面的光束要在邊緣附近區(qū)域中產(chǎn)生硬化部分，而使碎片的尖端保留更多的彈性，因此碎片在整個過程期間保持其完整性。從而保留和保持了倒角的預定幾何形狀。
[0013]優(yōu)選地，激光束被引導為，使其軸線與一平面成20° -70°的角度，該平面是面向激光束的玻璃表面的延續(xù)。若超過下限則大部分(多達70%)的光束將會被反射，且無法實現(xiàn)碎片化和倒角的條件，而高于上限時則會形成凹槽而非倒角。
[0014]優(yōu)選地，所述角度處于與玻璃物體和/或光束的移動矢量相垂直的平面中。
[0015]激光束的軸線還可被引導為，與垂直于玻璃物體和/或光束的移動矢量的平面成0° -30°的角度。
[0016]優(yōu)選地，該處理是用沿所述玻璃物體和/或光束的移動方向伸長的環(huán)形激光束來實施的，從而產(chǎn)生呈伸長環(huán)形的熱斑。這確保了以最佳功率密度(P，瓦特/平方毫米)將更大量的熱能(W，瓦特)引入材料中的附加效果，從而增加加工效率。
[0017]用激光束進行的處理優(yōu)選包括以碎片的形式去除玻璃材料，從而對玻璃邊緣進行倒角，而倒角的尺寸由熱斑的短軸、熱斑處輻射功率密度W(瓦特/平方厘米)、以及暴露時間τ (s)限定。
[0018]在對物體邊緣進行處理之后，可以向加熱區(qū)供應冷卻劑。
[0019]根據(jù)以下參照附圖對多個優(yōu)選實施例的描述，將會顯現(xiàn)本發(fā)明的其它優(yōu)點和特征。
【附圖說明】
[0020]下文將參照附圖根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例來更詳細地描述本發(fā)明，在附圖中:
[0021]圖1是示出用激光束對玻璃邊緣進行處理、以及將光束的方向限定到玻璃表面的平面的示意圖；
[0022]圖2是示出根據(jù)本發(fā)明進行處理的玻璃邊緣中發(fā)生的現(xiàn)象的剖視圖；
[0023]圖3示出根據(jù)本發(fā)明進行處理時在玻璃上產(chǎn)生的倒角的剖面形狀；
[0024]圖4示出根據(jù)本發(fā)明進行處理的玻璃中發(fā)生的熱應力；
[0025]圖5以對比圖示出不同形狀的熱斑處發(fā)生的熱分裂(thermal cleavage)的性質(zhì)；
[0026]圖6示出用于產(chǎn)生橢圓截面形狀的激光束的多個透鏡的設置；
[0027]圖7示出用于產(chǎn)生呈不同環(huán)徑的環(huán)形截面形狀的激光束的內(nèi)鏡椎體和外鏡椎體的可選位置；以及
[0028]圖8示出柱形透鏡的示例性設置。
【具體實施方式】
[0029]根據(jù)本發(fā)明(見圖1)，一種玻璃物體的銳緣的鈍化方法包括:用呈環(huán)形截面的聚焦的激光束2處理玻璃物體I的邊緣，同時相對移動玻璃物體和/或光束。用激光束進行的處理包括將玻璃邊緣4加熱到大于玻璃轉(zhuǎn)化溫度的溫度，即T>Tg。這樣引起玻璃材料以碎片3的形式從玻璃物體I的邊緣4去除，從而形成倒角。
[0030]另外如圖1中所示，在一個實施例中，激光束2(其熱斑優(yōu)選呈環(huán)形橢圓)以相對于平面3呈一定角度地被引導至待倒角的玻璃I的邊緣處，平面3是玻璃I的面向激光束2的表面的延續(xù)。在正常情況下，激光束優(yōu)選以恒定速度和恒定焦距以直線沿著玻璃I的邊緣移動。但是，當具有例如帶有圓角的形狀的玻璃物體在進行處理時，激光束能夠以不同速度和改變的熱斑尺寸在角部區(qū)域中移動，從而維持穩(wěn)定的加熱條件。
[0031]在所示的實施例中，熱斑的環(huán)形橢圓(圖1中示意性示出)的長軸為Ilmm且短軸為3_。在該實施例中，激光束以45°的角度被引導至玻璃邊緣處。
[0032]為提供環(huán)形橢圓的熱斑，使用了圖6中示意性示出的透鏡系統(tǒng)，該透鏡系統(tǒng)具體由兩個鏡椎體組成:內(nèi)錐體5 (稱為“軸棱鏡”)以及截頭的外錐體6。
[0033]圖7示出作為軸棱鏡6相對于外錐體5的位置的函數(shù)而變化的產(chǎn)生的環(huán)形光束的直徑。例如在圖6示出的實施例中，如果這些錐體的頂點在同一平面中(即它們之間的距離為Omm)，則從錐體6發(fā)出的環(huán)形光束的截面的外徑將會是8mm。相應地，如果距離為2mm，則直徑為12mm，而距離為4mm則直徑為16mm。該系統(tǒng)還可以包括一對柱形透鏡8，其中一個柱形透鏡在一個平面中壓縮環(huán)形光束，而另一個透鏡在另一個平面中壓縮環(huán)形光束，從而改變環(huán)形橢圓的軸線尺寸。圖8示出柱形透鏡8的相互旋轉(zhuǎn)(改變角度α)對熱斑的形狀的改變。所示的系統(tǒng)還包括:源探測器9、軸棱鏡探測器10、以及焦點探測器11。
[0034]使用帶有透鏡系統(tǒng)(將實心截面的光束轉(zhuǎn)化為呈環(huán)形截面的光束的共軸圓錐透鏡、以及將環(huán)形拉伸為橢圓的柱狀透鏡)的系統(tǒng)同時提供了呈環(huán)形且沿玻璃物體和/或光束的移動方向伸長的激光束。然而，本領域技術人員應認識到，將激光束轉(zhuǎn)化為橢圓形和環(huán)形的光學系統(tǒng)的其它實施例也是可行的。
[0035]正如所述，大多數(shù)商業(yè)玻璃的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg在400°C -600°C的范圍內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明，加熱優(yōu)選提供650°C -680°C的溫度，隨后用液/氣混合物來冷卻。
[0036]在對表面進行更強烈的加熱時，可能發(fā)生蒸發(fā)(材料的升華)；因此可接受的范圍是:高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度且低于蒸發(fā)溫度。
[0037]下文將會描述在玻璃邊緣處產(chǎn)