ES2238325T3

ES2238325T3 - Procedimiento y dispositivo para cortar rapidamente una pieza de trabajo de material de rotura fragil por medio de rayos laser.

Info

Publication number: ES2238325T3
Application number: ES00977435T
Authority: ES
Inventors: Bernd Hoetzel
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1999-10-29
Filing date: 2000-10-27
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2020-10-27
Also published as: JP2003512943A; US6800831B1; WO2001032349A1; DE50009936D1; KR100510775B1; JP2006150984A; DE19952331C1; CN1414893A; EP1224053B1; KR20020047311A; AU1515601A; EP1224053A1; ATE291985T1; CN1181946C

Abstract

Procedimiento para cortar rápidamente una pieza de trabajo de material de rotura frágil por medio de rayos láser a lo largo de una línea de corte prefijada de cualquier contorno, con los pasos siguientes: - generación de rayos láser, - guiado acoplado de los rayos láser enfocados sobre la línea de corte, sin fusión del material, - conformación del respectivo rayo láser de tal manera que la respectiva sección transversal del rayo que actúa como mancha focal sobre la superficie de la pieza de trabajo a cortar corresponda a una forma y distribución de intensidad predeterminadas, - generación de un movimiento relativo entre los rayos láser y la pieza de trabajo a lo largo de la línea de corte, con inducción de una tensión termomecánica, caracterizado porque los rayos láser guiados en forma acoplada son guiados uno tras otro hacia la línea de corte o porque los rayos láser guiados en forma acoplada son guiados hacia la línea de corte en forma total o parcialmente superpuesta y se aplica así unaalta potencia de láser a la pieza de trabajo a cortar, sin que se funda dicha pieza de trabajo, y porque se insufla seguidamente un medio refrigerante fluido para la refrigeración subsiguiente del segmento calentado de la línea de corte, incrementando al propio tiempo la tensión termodinámica hasta más allá de la resistencia a la rotura de la pieza de trabajo.

Description

Procedimiento y dispositivo para cortar rápidamente una pieza de trabajo de material de rotura frágil por medio de rayos láser.

La invención se refiere a un procedimiento y un dispositivo para cortar rápidamente una pieza de trabajo de material de rotura frágil, especialmente de vidrio, vitrocerámica o cerámica, por medio de rayos láser a lo largo de una línea de corte de cualquier contorno. Una aplicación preferida es el corte rápido de vidrio plano.

Los procedimientos convencionales de partición de vidrio se basan en generar primero por medio de un diamante o una ruedecilla de corte una traza de rayado en el vidrio para romper a continuación el vidrio por medio de una fuerza mecánica exterior a lo largo del sitio debilitado así generado. En estos procedimientos es desventajoso el hecho de que, debido a la traza de rayado, se sueltan partículas (esquirlas) de la superficie que se pueden depositar sobre el vidrio y conducir allí, por ejemplo, a arañazos. Asimismo, se pueden producir los llamados desconchamientos en el canto del corte, los cuales conducen a un borde no plano del vidrio. Además, las microfisuras producidas durante el rayado en el canto del corte conducen a una capacidad de solicitación mecánica reducida, es decir, a un riesgo de rotura incrementado.

Un método para evitar tanto esquirlas como desconchamientos y microfisuras consiste en partir el vidrio sobre la base de una tensión térmicamente generada. En este caso, una fuente de calor que está dirigida hacia el vidrio es movida a velocidad fija con relación al vidrio y se genera así una tensión térmica tan alta que el vidrio forma fisuras. La propiedad necesaria de la fuente de calor consistente en poder posicionar la energía térmica localmente, es decir, con una precisión mejor de un milímetro, lo que corresponde a las precisiones de corte típicas, es satisfecha por radiadores de infrarrojos, quemadores de gas especiales y en particular láseres. Los láseres se han acreditado e impuesto a causa de su buena capacidad de enfoque, su buena capacidad de control de la potencia y la posibilidad de conformación del rayo y, por tanto, la distribución de la intensidad sobre el vidrio.

Este procedimiento de corte con rayo láser, que, debido a un calentamiento local por el rayo láser enfocado, en combinación con una refrigeración desde fuera, induce una tensión termomecánica hasta más allá de la resistencia a la rotura del material, ha sido dado a conocer por varios documentos.

El procedimiento conocido por el documento WO 93/20015 utiliza un rayo láser con una forma elíptica, dotado de una mancha de refrigeración subsiguiente. Este procedimiento muestra buenos resultados en el rayado en línea recta de material en placa no metálico, pero no puede asegurar un rayado de alto valor y alta precisión a lo largo de un contorno curvado. Además, el procedimiento citado presenta una reducida estabilidad del desarrollo del corte a una elevada densidad de radiación y a altas velocidades de corte.

Para optimizar las condiciones de calentamiento del material a lo largo de la línea de corte, el calentamiento se efectúa según el documento WO 96/20062 por medio de un haz de radiación calorífica en cuya sección transversal, que discurre a través del centro del haz, se distribuye la densidad de la potencia de radiación disminuyendo desde la periferia hacia el centro. Se emplea un haz de rayos elíptico que produce una distribución de la temperatura en forma de un anillo elíptico.

Los inconvenientes de estos procedimientos conocidos se evitan con el procedimiento según el documento EP 0 872 303 A2, que prevé una mancha focal con un contorno de forma de U o de V que se abre en la dirección de corte y con una distribución característica de la intensidad. Este problema ha dado buenos resultados en la práctica para la realización de cortes rectos. Es posible partir también limpiamente grandes espesores de pieza de trabajo. En la realización de cortes de forma libre, es decir, cortes con cualquier contorno, también curvado, se tiene que generar una distribución de la intensidad de forma de U o de V curvada, adaptada al contorno de la línea de corte, y se tiene que seguir al contorno en unión de la refrigeración subsiguiente. Esto requiere especialmente un acoplamiento del mecanismo de escaneo generador de la mancha focal con un sistema de control de trayectoria, lo que trae consigo un coste de control y de ajuste no despreciable.

Se ha dado a conocer por el documento DE 44 11 037 C2 un procedimiento de corte con rayo láser para cortar vidrios huecos, que trabaja con un rayo láser estacionario fuertemente concentrado en un punto, que genera una zona de tensión térmica todo alrededor del vidrio hueco giratorio. Seguidamente, se enfría a lo largo de la zona de tensión introducida, en todo el perímetro del vidrio hueco, con una niebla de agua pulverizada descargada de una boquilla y se logra así, en unión de una fisura de arranque mecánica o térmicamente generada, una partición del borde del vidrio hueco.

Se ha dado a conocer por el documento DE 43 05 107 A1 un procedimiento de corte con rayo láser en el que el rayo láser está conformado de modo que su sección transversal presenta una forma alargada en la superficie de la pieza de trabajo, y en el que la relación de la longitud y la anchura de la sección transversal producida del rayo se puede ajustar por medio de un diafragma en la trayectoria del rayo láser.

Asimismo, se conocen procedimientos para cortar vidrio por medio de varios rayos láser.

La patente GB-PS 1,433,463 describe un procedimiento en el que se trabaja con dos rayos láser, empleándose el primer rayo láser con baja energía para el precalentamiento y empleándose el segundo rayo láser con alta energía para el corte propiamente dicho por medio de fusión del vidrio.

En el procedimiento descrito en el documento DE-AS 1 244 346 se utiliza más de un rayo láser en el mismo corte, entre otras cosas, para generar cantos perfilados durante el corte con láser y los distintos rayos láser forman ángulos diferentes con la superficie del vidrio. La patente US 3,453,097 correspondiente describe un procedimiento para cortar vidrio por medio de varios rayos láser conducidos en forma acoplada hacia la línea de corte.

El procedimiento de corte con rayo láser primeramente citado se ha acreditado, por los más diferentes motivos, como el procedimiento más superior y se ha impuesto en la práctica. La invención parte también de éste. La capacidad de corte que se puede lograr con el procedimiento primeramente citado y la capacidad de utilización del procedimiento vienen condicionadas especialmente por la efectiva inducción de una tensión termomecánica a lo largo de la línea de corte en la pieza de trabajo a cortar, la distribución de la intensidad en el rayo láser y la clase de refrigeración. La inducción rápida y al mismo tiempo efectiva - necesaria para el corte - de una tensión termomecánica a largo de la línea de corte queda garantiza sólo en medida insuficiente con los procedimientos conocidos. Debido a la ineficaz inducción de la tensión termomecánica se han impuesto límites al requisito de velocidades de corte cada vez mayores.

El cometido de la presente invención consiste en proporcionar un procedimiento y un dispositivo para cortar una pieza de trabajo de material de rotura frágil, especialmente de vidrio, vitrocerámica o cerámica, por medio de rayos láser a lo largo de una línea de corte prefijada de cualquier contorno, de modo que, sin que se presenten microfisuras, desconchamientos o esquirlas, se haga posible una alta precisión de corte y fidelidad de contorno, así como un corte rápido.

Este problema se resuelve con un procedimiento según la reivindicación 1.

Según las medidas de la reivindicación 1, el corte rápido de una pieza de trabajo de material de rotura frágil por medio de rayos láser a lo largo de una línea de corte prefijada de cualquier contorno se efectúa con los pasos siguientes:

-: generación de rayos láser,

-: guiado acoplado de los rayos láser enfocados sobre la línea de corte, sin fusión del material,

-: conformación del respectivo rayo láser de tal manera que la respectiva sección transversal que actúa como mancha focal sobre la superficie de la pieza de trabajo a cortar corresponda a una forma y distribución de intensidad predeterminadas,

-: generación de un movimiento relativo entre los rayos láser y la pieza de trabajo a lo largo de la línea de corte, con inducción de una tensión termomecánica, en donde

los rayos láser guiados en forma acoplada son guiados uno tras otro hacia la línea de corte o los rayos láser guiados en forma acoplada son conducidos hacia la línea de corte en forma total o parcialmente superpuesta y se aporta así una alta potencia de láser a la pieza de trabajo a cortar, sin que se funda esta pieza de trabajo. A continuación, se aplica un medio refrigerante fluido para la refrigeración subsiguiente del segmento calentado de la línea de corte, aumentando al mismo tiempo la tensión termomecánica hasta más allá de la resistencia a la rotura del material.

Se logran cantos de partición limpios que no contienen microfisuras ni desconchamientos o esquirlas.

El procedimiento según la invención permite la inducción rápida y efectiva de una tensión termomecánica a lo largo de una línea de corte de cualquier contorno. Sorprendentemente, se ha visto que se pueden aportar altas potencias de láser a la pieza de trabajo a cortar, sin que esta pieza de trabajo de funda. Al mismo tiempo, la velocidad de corte ha podido ser incrementada en hasta un 100% con respecto a procedimientos actuales.

Así, se pueden conseguir sin dificultades velocidades de corte de hasta 200 m/min.

En particular, para aportar altas potencias de láser a la pieza de trabajo sin que ésta se funda al mismo tiempo, es ventajoso que los rayos láser guiados en forma acoplada y especialmente en paralelo sean conducidos uno tras otro hacia la línea de corte. Es posible así que los rayos láser sean conducidos uno tras otro a corta distancia o bien que los rayos láser sean conducidos hacia la línea de corte en forma total o parcialmente superpuesta.

Los respectivos rayos láser se conforman preferiblemente de tal manera que las secciones de los rayos que actúan como manchas focales sobre la superficie de la pieza de trabajo a cortar correspondan cada vez a la misma forma y a la misma distribución de la intensidad.

Además, los rayos láser se conducen de preferencia paralelamente entre sí hacia la línea de corte, perpendicularmente a la superficie de la pieza de trabajo o al menos bajo el mismo ángulo con ésta.

Al cortar vidrio hay que cuidar especialmente de que no se sobrepase la temperatura de transformación T_{G} del vidrio correspondiente.

Si se aplica una microfisura al comienzo de la línea de corte, la fisura sigue a la línea de corte con mucha precisión.

Preferiblemente, los respectivos rayos láser son rayos de uno o varios láseres de CO o de CO_{2}, siendo sintonizable de manera especialmente preferida la longitud de onda del láser y pudiendo adaptarse así ésta al respectivo máximo de absorción del material a cortar. Cuanto mejor pueda adaptarse la longitud de onda del láser al máximo de absorción del material a cortar, tanto más efectiva será la inducción de una tensión termomecánica y tanto más alta puede elegirse también la velocidad de corte.

El medio refrigerante fluido se insufla preferiblemente de arriba abajo sobre la pieza de trabajo.

Medios refrigerantes fluidos preferidos son gases refrigerantes, preferiblemente aire frío, o una mezcla de aire y agua.

En una ejecución preferida de la invención se ajusta y regula la temperatura del medio refrigerante fluido. De manera especialmente preferida, se enfría adicionalmente el medio refrigerante fluido. Esto puede efectuarse, por ejemplo, por medio de al menos un elemento Peltier. Se hace posible así una conducción reproducible del proceso en condiciones regulables y controlables.

En otra ejecución de la invención se conforma el rayo láser por medio de una o varias boquillas concéntricas y/o elípticas.

Se pueden emplear todas las formas de rayo láser y disposiciones de boquilla que hagan posible una refrigeración eficaz.

En principio, se pueden emplear todas las formas de rayo láser predeterminadas y distribuciones de intensidad ligadas a ellas sobre la pieza de trabajo a cortar.

Se prefieren especialmente el contorno de forma de U o de V del rayo láser, descrito en el documento EP 0 872 303 A2, y la distribución de intensidad ligada al mismo.

Además, el láser de CO o de CO_{2}, como también cualquier otro láser que sea suficientemente absorbido por el material, es adecuado para la fusión y redondeamiento finales del canto roto con aristas vivas.

El procedimiento según la invención es adecuado especialmente para cortar materiales de rotura frágil a base de vidrio, vitrocerámica o cerámica, pudiendo cortarse ventajosamente también materiales relativamente gruesos, por ejemplo vidrio plano con un espesor de 30 mm.

El procedimiento según la invención es adecuado especialmente para cortar piezas de trabajo de vidrio plano de cualquier contorno, especialmente para cortar discos de forma circular o de forma de corona circular. Tales discos de vidrio de forma de corona circular se emplean preferiblemente como vidrio de substrato para medios de memoria magnéticos y ópticos.

Respecto del dispositivo para cortar rápidamente una pieza de trabajo de material de rotura frágil por medio de rayos láser a lo largo de una línea de corte de cualquier contorno, se han previsto:

-: una o varias fuentes de láser para generar rayos láser,

-: medios ópticos para el guiado acoplado de los rayos láser enfocados sobre la línea de corte, sin fundir el material,

-: medios para conformar el respectivo rayo láser de tal manera que la respectiva sección transversal del rayo que actúa como mancha focal sobre la superficie de la pieza de trabajo a cortar corresponda a una forma y distribución de intensidad predeterminadas,

-: una disposición de accionamiento para generar un movimiento relativo entre los rayos láser y la pieza de trabajo a lo largo de la línea de corte con inducción de una tensión termomecánica,

-: los medios ópticos para el guiado acoplado de los rayos láser permiten un guiado acoplado de los rayos láser enfocados y situados a corta distancia uno tras otro hacia la línea de corte o los medios ópticos para el guiado acoplado de los rayos láser permiten un guiado acoplado de los rayos láser enfocados y total o parcialmente superpuestos hacia la línea de corte para aportar así una alta potencia de láser a la pieza de trabajo a cortar, sin que se funda dicha pieza de trabajo, y

-: medios para insuflar un medio refrigerante fluido para la refrigeración subsiguiente del segmento calentado de la línea de corte, incrementando al propio tiempo la tensión termomecánica hasta más allá de la resistencia a la rotura del material.

Es posible a este respecto que los medios ópticos para el guiado acoplado de los rayos láser permitan un guiado acoplado de los rayos láser de tal manera que los rayos láser sean conducidos hacia la línea de corte enfocados y separados uno de otro o bien total o parcialmente superpuestos.

Asimismo, se han previsto preferiblemente medios para aplicar una microfisura al comienzo de la línea de corte.

Preferiblemente, el láser es un láser de CO_{2} cuya longitud de onda corresponde al máximo de absorción espectral del material a cortar. Este láser de CO_{2} emite luz en el dominio infrarrojo lejano a una longitud de onda de 10,6 \mum. Esta radiación calorífica muestra considerables peculiaridades al actuar sobre materia. Así, es fuertemente absorbido por la mayoría de los materiales transparentes en el dominio de la luz visible.

La circunstancia de la fuerte absorción en vidrio es empleada para cortar vidrio. A un coeficiente de absorción de 10^{3}cm^{-1} se absorbe un 95% de la potencia en una capa de 30 \mum de espesor.

Si se deben cortar materiales cuyos máximos de absorción se encuentran en una longitud de onda de aproximadamente 5 \mum, se ofrece el empleo de un láser de CO como fuente de láser.

En principio, pueden emplearse todos los medios predeterminados para generar, conformar y guiar un rayo láser, que sean adecuados para inducir una tensión termomecánica por debajo de la temperatura de fusión de la pieza de trabajo a cortar.

Según otra forma de ejecución, el chorro de gas para soplar libremente la porción de la superficie de la pieza de trabajo sobre la cual incide el rayo láser es un chorro de aire.

Se explican seguidamente con más detalle ejemplos de formas de ejecución de la invención.

Para cortar rápidamente una pieza de trabajo de material de rotura frágil por medio de rayos láser a lo largo de una línea de corte prefijada de cualquier contorno se generan cada vez tres rayos láser que, guiados en forma acoplada, se enfocan sobre la línea de corte, sin fundir el material. Los rayos láser son conducidos de preferencia perpendicularmente a la superficie de la pieza de trabajo. Los rayos láser se conforman de tal manera que la respectiva sección transversal que actúa como mancha focal sobre la superficie de la pieza de trabajo a cortar corresponda a una forma y distribución de intensidad predeterminadas. La respectiva sección transversal de los rayos posee un contorno de forma de V y la distribución de intensidad ligada al mismo. Por el contrario, la respectiva sección transversal de los rayos que actúa como mancha focal presenta un contorno de forma lineal.

Generando un movimiento relativo entre los tres rayos láser acoplados y la pieza de trabajo a lo largo de la línea de corte se induce una tensión termomecánica en la pieza de trabajo. Es esencial a este respecto que los rayos láser acoplados paralelos sigan lo más exactamente posible a la línea de corte prefijada. Siguiendo a los rayos láser, se incrementa la tensión termomecánica hasta más allá de la resistencia a la rotura del material de trabajo mediante el insuflado de un medio refrigerante fluido para la refrigeración subsiguiente (mancha de refrigeración) del segmento calentado de la línea de corte.

Los tres rayos láser paralelos son guiados aquí al mismo tiempo hacia la línea de corte, de preferencia uno tras otro.

Claims

1. Procedimiento para cortar rápidamente una pieza de trabajo de material de rotura frágil por medio de rayos láser a lo largo de una línea de corte prefijada de cualquier contorno, con los pasos siguientes:

-: generación de rayos láser,

-: conformación del respectivo rayo láser de tal manera que la respectiva sección transversal del rayo que actúa como mancha focal sobre la superficie de la pieza de trabajo a cortar corresponda a una forma y distribución de intensidad predetermi- nadas,

-: generación de un movimiento relativo entre los rayos láser y la pieza de trabajo a lo largo de la línea de corte, con inducción de una tensión termomecánica,

caracterizado porque los rayos láser guiados en forma acoplada son guiados uno tras otro hacia la línea de corte o porque los rayos láser guiados en forma acoplada son guiados hacia la línea de corte en forma total o parcialmente superpuesta y se aplica así una alta potencia de láser a la pieza de trabajo a cortar, sin que se funda dicha pieza de trabajo, y porque se insufla seguidamente un medio refrigerante fluido para la refrigeración subsiguiente del segmento calentado de la línea de corte, incrementando al propio tiempo la tensión termodinámica hasta más allá de la resistencia a la rotura de la pieza de trabajo.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque se aplica una microfisura al comienzo de la línea de corte.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque se emplea como respectivo rayo láser el rayo de un láser de CO o de CO_{2}.

4. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque se emplea como respectivo rayo láser el rayo de un láser sintonizable.

5. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el medio refrigerante fluido es insuflado de arriba abajo sobre la pieza de trabajo.

6. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque se efectúa la refrigeración insuflando un gas refrigerante, preferiblemente aire frío.

7. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque se efectúa la refrigeración insuflando una mezcla de aire y
agua.

8. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque se ajusta y regula la temperatura del medio refrigerante flui-
do.

9. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque se enfría el medio refrigerante fluido.

10. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque se enfría el medio refrigerante fluido por medio de al menos un elemento Peltier.

11. Dispositivo para cortar rápidamente una pieza de trabajo de material de rotura frágil por medio de rayos láser a lo largo de una línea de corte prefijada de cualquier contorno, que comprende:

-: una o más fuentes de láser para generar rayos láser,

-: medios ópticos para el guiado acoplado de los rayos láser enfocados sobre la línea de corte, sin fusión del material,

caracterizado porque los medios ópticos para el guiado acoplado de los rayos láser permiten un guiado acoplado de los rayos láser hacia la línea de corte con dichos rayos enfocados y situados a corta distancia uno tras otro, o porque los medios ópticos para el guiado acoplado de los rayos láser permiten un guiado acoplado de los rayos láser hacia la línea de corte con dichos rayos enfocados y total o parcialmente superpuestos, y se puede aportar así una alta potencia de láser a la pieza de trabajo a cortar, sin que se funda dicha pieza de trabajo, y porque están previstos medios para insuflar un medio refrigerante fluido para la refrigeración subsiguiente del segmento calentado de la línea de corte, incrementando al propio tiempo la tensión termomecánica hasta más allá de la resistencia a la rotura del material.

12. Dispositivo según la reivindicación 11, caracterizado por medios para aplicar una microfisura al comienzo de la línea de corte.

13. Dispositivo según la reivindicación 11 ó 12, caracterizado porque una o más fuentes de láser son láseres de CO o de CO_{2}.

14. Dispositivo según al menos una de las reivindicaciones 11 a 13, caracterizado porque una o más fuentes de láser son sintonizables.

15. Dispositivo según al menos una de las reivindicaciones 11 a 14, caracterizado porque los medios para insuflar un medio refrigerante fluido permiten un insuflado de arriba abajo.

16. Dispositivo según al menos una de las reivindicaciones 11 a 15, caracterizado porque los medios para insuflar un medio refrigerante fluido permiten un insuflado de un gas refrigerante, preferiblemente un insuflado de aire frío.

17. Dispositivo según al menos una de las reivindicaciones 11 a 16, caracterizado porque los medios para insuflar un medio refrigerante fluido permiten un insuflado de una mezcla de aire y agua.

18. Dispositivo según al menos una de las reivindicaciones 11 a 17, caracterizado porque la temperatura del medio refrigerante fluido es ajustable y regulable.

19. Dispositivo según al menos una de las reivindicaciones 11 a 18, caracterizado por medios para enfriar el medio refrigerante fluido.

20. Dispositivo según la reivindicación 19, caracterizado porque los medios para enfriar el medio refrigerante fluido contienen al menos un elemento Peltier.