玻璃的激光切割技術(shù)

1概述玻璃是一種重要的產(chǎn)業(yè)材料，應(yīng)用在國民經(jīng)濟(jì)的諸多行業(yè)，如汽車業(yè)、建筑業(yè)、醫(yī)療、顯示器、電子產(chǎn)品等，小到幾微米的小型光學(xué)過濾器、筆記本電腦平板顯示器的玻璃襯底，大到汽車業(yè)或建筑業(yè)等大規(guī)模制造領(lǐng)域所用的大尺寸的玻璃板。玻璃種類繁多，常見的為鈉鈣玻璃，也稱為堿性玻璃，主要用于汽車業(yè)、建筑業(yè)及家用器具領(lǐng)域，一般厚度為1.6～10mm。厚度為1mm或不足1mm的玻璃稱為硼硅玻璃或者非堿性玻璃，主要用于平板顯示器與電子產(chǎn)品領(lǐng)域。玻璃顯著的特點(diǎn)是硬脆性，給加工帶來很大的困難。傳統(tǒng)的玻璃切割采用硬質(zhì)合金或金剛石刀具，其切割流程一般為：首先用金剛石刀尖或硬質(zhì)合金砂輪或高硬度金屬輪，在玻璃的表面劃出一條刻痕，再采用機(jī)械手段將玻璃沿著刻痕線分割開。用砂輪或機(jī)械輪在玻璃上進(jìn)行刻劃的過程中，產(chǎn)生沿著切割方向的切向張力，從而可使玻璃沿著劃痕裂開。這種方法切割的結(jié)果是：邊緣不平滑、有微小裂痕，材料上殘存不對(duì)稱邊緣應(yīng)力及殘留碎屑等。對(duì)于很多應(yīng)用，碎屑和局部應(yīng)力所造成的微小裂痕將造成器件的失靈，所以必須進(jìn)行切后邊緣的打磨與拋光，以強(qiáng)化邊緣。另外，機(jī)械輪加工中還需要輔助劑輔助切割，輔助劑也有可能粘在成品邊緣，需要過水清洗或超聲波清洗等處理。后續(xù)處理工序以及低成品率（發(fā)生不確定的裂痕）等都將增加成品玻璃制品的造價(jià)。當(dāng)今，對(duì)于玻璃制品的質(zhì)量要求越來越高，必須實(shí)現(xiàn)更為精密、細(xì)致的加工結(jié)果，因?yàn)閭鹘y(tǒng)工藝已經(jīng)很難達(dá)到無微裂紋及邊緣質(zhì)量方面的要求，所以迫切需要玻璃切割的技術(shù)創(chuàng)新。激光切割技術(shù)已經(jīng)成熟，在金屬板材與管材、有機(jī)板材與管材等材料的切割方面，獲得了成功的應(yīng)用，使傳統(tǒng)的制造技術(shù)得到了很大程度的改造與提升。而玻璃是無機(jī)材料，熱傳導(dǎo)率很低，從理論上講用激光加工應(yīng)該有較好的結(jié)果。這也就使得激光切割玻璃的技術(shù)發(fā)展起來。2激光切割玻璃的原理激光切割玻璃的方法從原理上可以分為兩種：一種是熔融（蒸發(fā)）切割法，另一種是裂紋控制法。（1）熔融切割法利用玻璃處在軟化的溫度下具有較好的塑性和延展性，用聚焦的CO2激光或者紫外激光照射到軟化的玻璃表面，激光具有的較高的能量密度會(huì)導(dǎo)致玻璃融化，然后用氣流吹走熔融的玻璃，產(chǎn)生溝槽，從而實(shí)現(xiàn)玻璃的熔融切割。（2）裂紋控制法這是一種常用的激光切割方法。1、對(duì)玻璃表面進(jìn)行激光加熱，較高的能量會(huì)使該處的溫度急劇升高，表面產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，但該壓應(yīng)力不會(huì)使玻璃產(chǎn)生破裂；2、對(duì)該區(qū)域進(jìn)行急劇的冷卻，一般采用冷卻氣體或者冷卻液，急劇的降溫會(huì)使玻璃表面產(chǎn)生較大的溫度梯度和較大的拉應(yīng)力，這個(gè)拉應(yīng)力會(huì)使玻璃表面沿著預(yù)定劃線的方向開始破裂，實(shí)現(xiàn)玻璃的切割。3用于切割玻璃的激光選擇現(xiàn)在切割玻璃加工工藝一般都是選用CO2激光器。選擇適宜的激光器，考慮的因素包括波長、輸出功率、光束模式、靈活性、費(fèi)用、可靠性以及是否利于系統(tǒng)集成等。CO2激光器發(fā)射的激光波長為10.6m，而玻璃能強(qiáng)烈地吸收波長10.6m的激光，幾乎所有的激光能量都被玻璃表面15m吸收層所吸收，所以玻璃激光切割系統(tǒng)都配置CO2激光器。關(guān)于激光功率正如前述，不需要很高，平均功率為100～500W（取決于玻璃的厚度）的CO2激光器都適用于玻璃切割應(yīng)用。具體的器件可根據(jù)不同的情況，選擇封離型玻璃管CO2激光器或CO2射頻激光器。封離型玻璃管CO2激光器技術(shù)成熟，完全封離，不需要?dú)怏w補(bǔ)充，不需要維修和定期維護(hù)，能滿足玻璃切割的基本要求，且成本低，經(jīng)濟(jì)而實(shí)用；射頻激光器的光束模式好，外型尺寸較小，集成簡(jiǎn)單，操作方便，激光器的輸