激光切割玻璃技術

【中玻網】激光應用于切割和焊接薄金屬板已有30年了，通過聚焦光束局部地加熱材料。這種方法靈活性好，經濟效益高，在很多工業應用領域大放異彩。其實玻璃有比金屬更低的熱傳導，所以激光應該可以順理成章地應用于玻璃的切割。
　　
　　事實上，一些公司早在70年代即開始發展成套系統，當時使用的是千瓦輸出功率水平的CO2激光器。但是，因為功率水平高，對玻璃造成不容忽視的熱影響，以致融化局部材料，所以當時的激光切割技術難以保證整齊、平滑的切割邊緣，在許多應用場合中，仍然需要打磨切割邊緣。同時，當時CO2激光器的價格非常昂貴，令人生畏。
　　
　　近來，一些工程人員和學者發現了應用較低功率的激光器使玻璃分離，同時不對玻璃造成融化等熱影響的玻璃切割方法。這種方法說來復雜，涉及細節技術很多，其基本原理是利用激光引致的應力使玻璃"分離"。期間，得益于封離型CO2激光器技術的發展和成熟，激光切割玻璃技術更顯得經濟、實用。
　　
　　在我們的研究中，使用平均輸出功率為150W的CO2激光器（Coherent公司的K-150型），通過聚焦光路在玻璃表面形成橢圓型的聚焦點，橢圓的聚焦焦點保證了激光能量在切割線兩側的均勻的和較優化的分布。玻璃強烈地吸收10.6微米的激光，所以幾乎所有的激光能量都被玻璃表面15微米吸收層所吸收，相對玻璃表面移動激光光點形成所需的切割線。選擇合適的移動速度，保證既有足夠的激光熱量在玻璃上形成局部的應力紋樣分布（設定的切割線），同時又不會將玻璃融化。
　　
　　激光切割中另一個關鍵部件是淬火氣（水）嘴，隨著激光光點的移動，淬火氣（水）嘴將冷空氣（水）吹到玻璃表面，對受熱區域進行快速淬火，玻璃將沿著應力非常大的方向產生斷裂，從而將玻璃沿著設定的方向分離。
　　
　　需要說明的是，為了引發玻璃產生斷裂，需要首先用機械法在切割線的起點劃出微小的起始裂痕。
　　
　　選擇不同的激光功率、光點掃描速度等加工參數，應力引致的斷裂高層度可達100微米到數毫米，意味著使用激光法可一步切割高層度為100微米到數毫米的玻璃。
　　
　　因為這個過程依賴于熱致機械應力，斷裂高層度和切割速度與材料本身的膨脹系數很有關系。一般說來，適用于激光法進行切割的玻璃的膨脹系數較小應為3.2x10-6K-1，所幸的是，多數普通玻璃都滿足這個要求。
　　
　　與傳統的機械切割法相比，這種新的方法有幾個重要的優點。首先，這是一步即可完成的、干燥的加工過程。邊緣光滑整齊，不需要后續的清潔和打磨。并且，激光引致的分離過程產生高度度、自然回火的邊緣，沒有微小裂痕。使用這種方法，避免了不可預料的裂痕和殘破，降低了次品率，提高了產量。
　　
　　定性地描述在一張1.5毫米厚的玻璃片上三個不同的切痕之間的動態差異。玻璃切割的邊緣干凈沒有裂片和裂痕，不需要后續處理工序。因為激光是非接觸工具，沒有工具的磨損問題，從而可保證持續、均勻的切割厚度和邊緣質量。作為比較，3（b）顯示了使用金屬輪進行切割的邊緣，可以看到沿著切割線存在各種殘余張力成份。3（c）是金剛石砂輪切割的結果，可看到很多微小的裂痕，對于許多應用來說，需要打磨切割邊緣。
　　
　　為了定量地評價邊緣質量，根據ISO3274，應使用Stylus輪廓測量儀對激光切割的邊緣進行測量。有地位測量顯示，平均粗糙度（Ra）小于0.5微米。邊緣強度因為邊緣質量，以及加熱/淬火過程中的自然回火效應，激光切割的邊緣強度非常高。Jena的Otto-Schott-Insititut研究所根據DIN5230011參數做了單獨的測試，相關數據已公開發布。采用這種新方法，與機械法加工后又打磨的樣品相比，邊緣強度提高了30%左右。
　　
　　限制切割速度的有3個因素：玻璃的厚度、材料的熱膨脹系數以及激光器的輸出功率。在這個測試中，我們使用150W輸出功率的CO2激光器切割a=7.2x10-6、厚度為1.1mm的玻璃，直線切割，速度為500mm/秒。作為比較，硬質金屬輪切割同樣厚度同種玻璃的速度可達1500mm/秒。但是，即使是在注重速度的應用中，這種差異也將被激光切割所帶來的經濟性和質量優勢所彌補。同時，我們都相信，進一步的加工過程優化以及采用更高輸出功率的激光器進行切割都會容易地將加工速度提高2至3倍。
　　
　　因為裂痕是準確地沿著激光光束所劃出的痕跡,激光引致的分離可以切劃出非常準確的曲線圖案。
　　
　　事實上，我們所做的實驗也證明了無論直線或是曲線，激光切割都能連續地、準確地完成設定圖案，重復性可達+50μm。所以激光可以進行曲線和三維圖形的準確切割。