玻璃的激光切割技术.doc

玻璃激光切割新技术王 菲 王 哲（天津市激光技术研究所 300192）摘要 文章首先介绍了玻璃的应用领域和种类，传统的切割方法及存在的问题，继而提出了激光引致应力切割新方法及机理，探讨了玻璃激光切割系统的组成与选择，对新方法的优势进行了评价，并对其应用前景进行了分析。关键词 玻璃 切割 激光 引致应力41、 前言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1，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，最常见的为钠钙玻璃，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1.610mm。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 (FPD) 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。2、 激光切割玻璃的新方法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。激光切割属于热加工，材料的去除是气化与熔化的过程。作者从事激光切割多年，早期曾用高功率（KW级以上）激光多次进行了切割玻璃的实验，因功率高对玻璃造成了不容忽视的热影响，以致融化局部材料或产生无规律的开裂，而且切割边缘很难保证整齐、平滑，因而不能实际的工程应用。随着激光加工工艺研究的不断深入与创新，一种应用较低功率的激光，便能使玻璃分离并可控的玻璃激光切割新技术出现，这一技术不对玻璃造成融化等热影响，其基本原理是利用激光引致的应力使玻璃分离。这种可控的切割新技术实施过程为： 用激光束加热玻璃表面；玻璃表层的压缩应力加大，但不损坏其表面；用冷却剂冷却切割线表面；温度的骤然变化使玻璃表面产生较高的张应力，从而导致玻璃的开裂2。 与传统的机械切割工具不同，激光束的能量以一种非接触的方式对玻璃进行切割。该能量对工件的特定部位进行加热，之后紧接着进行快速冷却，使玻璃内部产生垂直向的应力带，在该方向形成一条光滑而笔直的裂缝。因为裂缝是受热而产生，并非机械力作用的结果，所以不会有碎屑和微裂纹出现，因而激光切割的边缘强度大幅提升，且免除了后续的加工。因为切割过程依赖于热致应力，切割效果与材料本身的膨胀系数有很大关系。一般说来，适用于激光法进行切割的玻璃的膨胀系数最小应为3.210-6K-1，所幸的是，多数普通玻璃都满足这一要求。选择不同的激光功率、光点扫描速度等加工参数，应力引致的断裂深度可达100m到数mm，所以使用激光法可一步切割厚度为100m到数mm的玻璃。影响切割速度的因素有：玻璃的厚度、材料的热膨胀系数以及激光器的输出功率。相比之下，硬质金属轮切割同样厚度同种玻璃的速度比激光快些，但这种差异可被激光切割所带来的经济性和质量优势所弥补。可以相信，加工过程的进一步优化及采用更高输出功率的激光，都会容易地将加工速度大幅提高。 3、 玻璃激光切割系统首先是选择适宜的激光器，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10.6m，而玻璃能强烈地吸收波长10.6m的激光，几乎所有的激光能量都被玻璃表面15m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 100500W（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。玻璃激光切割系统经过精心设计，是自动化的成套设备，组成包括：激光器、机床部分、光路部分、冷却装置、数控部分等。因为裂痕是精确地沿着激光光束所划出的痕迹分离，所以可实现稳定的直线切割，也可以切划出非常精确的曲线图案，并都能达到很高的重复性。 4、激光切割玻璃的优越性 激光引致应力切割技术超越了传统的玻璃切割/分离技术，通过适当的加热和冷却工艺，激光束可在玻璃上精确加热一条直线或曲线，随后再喷射冷气或气液混合物加以冷却。这种热诱张力会产生精确的玻璃裂隙，从而实现高质量的切割边缘。这种切割方法的主要优势在于：精度高；不产生微裂纹、破碎或碎片问题；玻璃的边缘抗破裂性极高；玻璃边缘保持了光学性能；无需冲洗、打磨、抛光，从而降低了制造成本；不会造成材料损耗等。激光切割玻璃具备加工速度快、精度高、参数设置简单等明显优势，成为大批量加工的选择。因为激光是非接触工具，没有磨损问题，从而可保证持续、均匀的切割厚度和边缘质量。权威测量显示，平均粗糙度（Ra）小于0.5m。 因为边缘质量优秀以及自然回火效应，激光切割的边缘强度非常高，与机械法加工后又打磨的样品相比，边缘强度提高30%左右。 激光切割避免了侧面裂缝，不仅边缘的抗冲击强度增强，整体组件强度通常能提高 80%，从而显著改善部件抗损坏的能力。材料强度的提高减少了损坏与损失的可能性，也减少了由于潜在的产品瑕疵而过早的在现场出现故障的问题。这对产品设计而言是一大优势，设计者不仅可以使用更轻、更薄的材料，而且还不影响产品使用寿命。5、激光切割玻璃的应用 玻璃激光切割新技术推广并移植到大批量的生产线中，经过了长时间的工程应用验证，不仅得到了技术可行的充分证明，而且取得了明显的经济效益。在下述的情况下，如：存在玻璃破碎危险的产品的生产；电子行业中用于装有玻璃的通讯移动产品的制造；包含薄玻璃易碎部件的产品，如传感器、触控板或玻璃外壳，又如：研发新产品，需要新的加工手段来实现创新特征；希望减少加工步骤来降低生产成本；现有的生产遇到经济压力需要巨大的生产方式改良等，玻璃激光切割新技术都成为首选。玻璃激光切割是一项创新技术，已在电子、汽车、建筑行业得到应用，同时该技术能用在加工其他易碎材料，如制造电子行业晶圆的陶瓷材料，其他半导体行业常见的材料等都有望成为激光引致应力切割加工的对象。在节能减排要求的大环境下，下一个最具潜力的应用行业将是太阳能产业。 参考文献 1. Hermanns, C., Laser separation of flat glass, Proceeding of the Third International WLT- Conference on Lasers in M