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玻璃的激光切割技术,你知道多少?
2018-01-12 11:50作者: 来源:建筑玻璃与工业玻璃 1292
1、概述
 
玻璃是一种重要的产业材料,应用在国民经济的诸多行业,如汽车业、建筑业、医疗、显示器、电子产品等,小到几微米的小型光学过滤器、笔记本电脑平板显示器的玻璃衬底,大到汽车业或建筑业等大规模制造领域所用的大尺寸的玻璃板。玻璃种类繁多,常见的为钠钙玻璃,也称为碱性玻璃,主要用于汽车业、建筑业及家用器具领域,一般厚度为1.6~10mm。厚度为1mm或不足1mm的玻璃称为硼硅玻璃或者非碱性玻璃,主要用于平板显示器与电子产品领域。
 
玻璃显著的特点是硬脆性,给加工带来很大的困难。传统的玻璃切割采用硬质合金或金刚石刀具,其切割流程一般为:首先用金刚石刀尖或硬质合金砂轮或高硬度金属轮,在玻璃的表面划出一条刻痕,再采用机械手段将玻璃沿着刻痕线分割开。用砂轮或机械轮在玻璃上进行刻划的过程中,产生沿着切割方向的切向张力,从而可使玻璃沿着划痕裂开。这种方法切割的结果是:边缘不平滑、有微小裂痕,材料上残存不对称边缘应力及残留碎屑等。对于很多应用,碎屑和局部应力所造成的微小裂痕将造成器件的失灵,所以必须进行切后边缘的打磨与抛光,以强化边缘。另外,机械轮加工中还需要辅助剂辅助切割,辅助剂也有可能粘在成品边缘,需要过水清洗或超声波清洗等处理。后续处理工序以及低成品率(发生不确定的裂痕)等都将增加成品玻璃制品的造价。
 
当今,对于玻璃制品的质量要求越来越高,必须实现更为精密、细致的加工结果,因为传统工艺已经很难达到无微裂纹及边缘质量方面的要求,所以迫切需要玻璃切割的技术创新。激光切割技术已经成熟,在金属板材与管材、有机板材与管材等材料的切割方面,获得了成功的应用,使传统的制造技术得到了很大程度的改造与提升。而玻璃是无机材料,热传导率很低,从理论上讲用激光加工应该有较好的结果。这也就使得激光切割玻璃的技术发展起来。

激光切割玻璃
 
2、激光切割玻璃的原理
 
激光切割玻璃的方法从原理上可以分为两种:一种是熔融(蒸发)切割法,另一种是裂纹控制法。
 
(1)熔融切割法
 
利用玻璃处在软化的温度下具有较好的塑性和延展性,用聚焦的CO2激光或者紫外激光照射到软化的玻璃表面,激光具有的较高的能量密度会导致玻璃融化,然后用气流吹走熔融的玻璃,产生沟槽,从而实现玻璃的熔融切割。
 
(2)裂纹控制法
 
这是一种常用的激光切割方法。1、对玻璃表面进行激光加热,较高的能量会使该处的温度急剧升高,表面产生较大的压应力,但该压应力不会使玻璃产生破裂;2、对该区域进行急剧的冷却,一般采用冷却气体或者冷却液,急剧的降温会使玻璃表面产生较大的温度梯度和较大的拉应力,这个拉应力会使玻璃表面沿着预定划线的方向开始破裂,实现玻璃的切割。
 
3、用于切割玻璃的激光选择
 
现在切割玻璃加工工艺一般都是选用CO2激光器。选择适宜的激光器,考虑的因素包括波长、输出功率、光束模式、灵活性、费用、可靠性以及是否利于系统集成等。CO₂激光器发射的激光波长为10.6μm,而玻璃能强烈地吸收波长10.6μm的激光,几乎所有的激光能量都被玻璃表面15μm吸收层所吸收,所以玻璃激光切割系统都配置CO2激光器。关于激光功率正如前述,不需要很高,平均功率为100~500W(取决于玻璃的厚度)的CO2激光器都适用于玻璃切割应用。具体的器件可根据不同的情况,选择封离型玻璃管CO2激光器或CO2射频激光器。封离型玻璃管CO2激光器技术成熟,完全封离,不需要气体补充,不需要维修和定期维护,能满足玻璃切割的基本要求,且成本低,经济而实用;射频激光器的光束模式好,外型尺寸较小,集成简单,操作方便,激光器的输出灵活可控,输出的脉冲能量、脉宽以及重复频率等都可被实时控制,而不影响光束的聚焦,因而激光加工的参数可以根据不同种类、不同厚度的玻璃的特性进行实时优化。
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