激光切割玻璃解決方案

    加工有機(jī)玻璃的激光機(jī)切割速度快、精度高，定位準(zhǔn)確�？缮a(chǎn)工藝禮品、面板鏡片機(jī)箱、模型玩具、廣告燈箱招牌展示用品、包裝盒等。①切割效果好：切口不用火拋，非常光滑、光亮，沒(méi)有鋸齒紋，可一次性切割壓克力厚度20mm②激光管質(zhì)量好、壽命長(zhǎng)：國(guó)產(chǎn)機(jī)中較好的激光管，不但性能穩(wěn)定，壽命也很長(zhǎng)(約8~14個(gè)月)，功率85W，包用半年③整機(jī)性能卓越：可每天24小時(shí)連續(xù)不停機(jī)工作，臺(tái)灣原裝導(dǎo)軌，準(zhǔn)確耐用④切割速度快：如用于切割3mm厚度的壓克力板材

　　激光應(yīng)用于切割和焊接薄金屬板已有30年了，通過(guò)聚焦光束局部地加熱材料。這種方法靈活性好，經(jīng)濟(jì)效益高，在很多工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域大放異彩。其實(shí)玻璃有比金屬更低的熱傳導(dǎo)，所以激光應(yīng)該可以順理成章地應(yīng)用于玻璃的切割。事實(shí)上，一些公司早在70年代即開(kāi)始發(fā)展成套系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)使用的是千瓦輸出功率水平的CO2激光器。但是，因?yàn)楣β仕礁�，�?duì)玻璃造成不容忽視的熱影響，以致融化局部材料，所以當(dāng)時(shí)的激光切割技術(shù)難以保證整齊、平滑的切割邊緣，在許多應(yīng)用場(chǎng)合中，仍然需要打磨切割邊緣。同時(shí)，當(dāng)時(shí)CO2激光器的價(jià)格非常昂貴，令人生畏。

　　激光引致分離

　　近來(lái)，一些工程人員和學(xué)者發(fā)現(xiàn)了應(yīng)用較低功率的激光器使玻璃分離，同時(shí)不對(duì)玻璃造成融化等熱影響的玻璃切割方法。這種方法說(shuō)來(lái)復(fù)雜，涉及細(xì)節(jié)技術(shù)很多，其基本原理是利用激光引致的應(yīng)力使玻璃"分離"。期間，得益于封離型CO2激光器技術(shù)的發(fā)展和成熟，激光切割玻璃技術(shù)更顯得經(jīng)濟(jì)、實(shí)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(guò)聚焦光路在玻璃表面形成橢圓型的聚焦點(diǎn)，橢圓的聚焦焦點(diǎn)保證了激光能量在切割線(xiàn)兩側(cè)的均勻的和較優(yōu)化的分布。玻璃強(qiáng)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(duì)玻璃表面移動(dòng)激光光點(diǎn)形成所需的切割線(xiàn)。選擇合適的移動(dòng)速度，保證既有足夠的激光熱量在玻璃上形成局部的應(yīng)力紋樣分布(設(shè)定的切割線(xiàn))，同時(shí)又不會(huì)將玻璃融化。

　　激光切割中另一個(gè)關(guān)鍵部件是淬火氣(水)嘴，隨著激光光點(diǎn)的移動(dòng)，淬火氣(水)嘴將冷空氣(水)吹到玻璃表面，對(duì)受熱區(qū)域進(jìn)行快速淬火，玻璃將沿著應(yīng)力較大的方向產(chǎn)生斷裂，從而將玻璃沿著設(shè)定的方向分離。

　　需要說(shuō)明的是，為了引發(fā)玻璃產(chǎn)生斷裂，需要首先用機(jī)械法在切割線(xiàn)的起點(diǎn)劃出微小的起始裂痕。

　　選擇不同的激光功率、光點(diǎn)掃描速度等加工參數(shù)，應(yīng)力引致的斷裂深度可達(dá)100微米到數(shù)毫米，意味著使用激光法可一步切割深度為100微米到數(shù)毫米的玻璃。

　　因?yàn)檫@個(gè)過(guò)程依賴(lài)于熱致機(jī)械應(yīng)力，斷裂深度和切割速度與材料本身的膨脹系數(shù)很有關(guān)系。一般說(shuō)來(lái)，適用于激光法進(jìn)行切割的玻璃的膨脹系數(shù)較小應(yīng)為3.2x10-6K-1，所幸的是，多數(shù)普通玻璃都滿(mǎn)足這個(gè)要求。

　　結(jié)果和應(yīng)用

　　與傳統(tǒng)的機(jī)械切割法相比，這種新的方法有幾個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)。首先，這是一步即可完成的、干燥的加工過(guò)程。邊緣光滑整齊，不需要后續(xù)的清潔和打磨。并且，激光引致的分離過(guò)程產(chǎn)生高強(qiáng)度、自然回火的邊緣，沒(méi)有微小裂痕。使用這種方法，避免了不可預(yù)料的裂痕和殘破，降低了次品率，提高了產(chǎn)量。

　　邊緣質(zhì)量

　　定性地描述在一張1.5毫米厚的玻璃片上三個(gè)不同的切痕之間的動(dòng)態(tài)差異。玻璃切割的邊緣干凈沒(méi)有裂片和裂痕，不需要后續(xù)處理工序。因?yàn)榧す馐欠墙佑|工具，沒(méi)有工具的磨損問(wèn)題，從而可保證持續(xù)、均勻的切割厚度和邊緣質(zhì)量。作為比較，3(b)顯示了使用金屬輪進(jìn)行切割的邊緣，可以看到沿著切割線(xiàn)存在各種殘余張力成份。3(c)是金剛石砂輪切割的結(jié)果，可看到很多微小的裂痕，對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，需要打磨切割邊緣。

　　為了定量地評(píng)價(jià)邊緣質(zhì)量，根據(jù)ISO3274，應(yīng)使用Stylus輪廓測(cè)量?jī)x對(duì)激光切割的邊緣進(jìn)行測(cè)量。權(quán)威測(cè)量顯示，平均粗糙度(Ra)小于0.5微米。

　　邊緣強(qiáng)度

　　因?yàn)檫吘壻|(zhì)量，以及加熱/淬火過(guò)程中的自然回火效應(yīng)，激光切割的邊緣強(qiáng)度非常高。Jena的Otto-Schott-Insititut研究所根據(jù)DIN5230011參數(shù)做了獨(dú)立的測(cè)試，相關(guān)數(shù)據(jù)已公開(kāi)發(fā)布。采用這種新方法，與機(jī)械法加工后又打磨的樣品相比，邊緣強(qiáng)度提高了30%左右。

　　厚度和切割速度

　　限制切割速度的有3個(gè)因素：玻璃的厚度、材料的熱膨脹系數(shù)、以及激光器的輸出功率。在這個(gè)測(cè)試中，我們使用150W輸出功率的CO2激光器切割a=7.2 x 10-6、厚度為1.1mm的玻璃，直線(xiàn)切割，速度為500mm/秒。作為比較，硬質(zhì)金屬輪切割同樣厚度同種玻璃的速度可達(dá)1500mm/秒。但是，即使是在注重速度的應(yīng)用中，這種差異也將被激光切割所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)性和質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)所彌補(bǔ)。同時(shí)，我們都相信，進(jìn)一步的加工過(guò)程優(yōu)化以及采用更高輸出功率的激光器進(jìn)行切割都會(huì)容易地將加工速度提高2至3倍。

　　曲線(xiàn)切割

　　因?yàn)榱押凼菧?zhǔn)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(zhǔn)確的曲線(xiàn)圖案。事實(shí)上，我們所做的實(shí)驗(yàn)也證明了無(wú)論直線(xiàn)或是曲線(xiàn)，激光切割都能連續(xù)地、準(zhǔn)確地完成設(shè)定圖案，重復(fù)性可達(dá)+50μm。所以激光可以進(jìn)行曲線(xiàn)和三維圖形的準(zhǔn)確切割。

　　應(yīng)用

　　長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)，激光引致的分離技術(shù)將在許多玻璃的切割應(yīng)用中取代機(jī)械法。近期，激光切割已在下述的三個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中顯示強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，它們是：CRTS，平板顯示，以及汽車(chē)的風(fēng)擋玻璃等的切割等。

　　有些應(yīng)用需要對(duì)玻璃進(jìn)行特殊的后續(xù)處理，比如，某些安全玻璃元件須經(jīng)溫度硬化處理，以及多數(shù)帶硅鍍層的平板顯示器元件必須經(jīng)過(guò)溫度退火等。激光引致分離法也配合這些特殊的后處理，我們用激光法切割了100個(gè)4mm厚的玻璃片，在特殊熱處理過(guò)程中，沒(méi)有一片被破壞。