玻璃激光切割新技术

玻璃激光切割新技术 玻璃激光切割新技术 玻璃激光切割新技术 王菲王哲 (天津市激光技术研究所300l92) 科学论坛 ?I [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 中图分类号:TL643文献标识码:A文章编号:1009914X(2010)330423O1 1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,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1.6,lOmm.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.玻璃显着的特点是硬脆性,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 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 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激光切剖玻璃的新方法 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[. 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 ,适用于激光法进行切割的玻璃的膨胀系数最小应为3.2×i0 系.一般说来 ,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100um到数mm,所以使用激 光法可一步切割厚度为lOOum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玻璃激光切翻系统 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.C0激光器发射 的激光波长为i0.6um,而玻璃能强烈地吸收波长i0.6um的激光,几乎所有 的激光能量都被玻璃表面15um吸收层所吸收,所以玻璃激光切割系统都配 置cO,激光器.关于激光功率正如前述,不需要很高,平均功率为lO0~500W (取决于玻璃的厚度)的cO..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cO,激光器或cO射频激光器.封离型 玻璃管C0,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 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ,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i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. 5um.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%, 从而显着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.,Laserseparationofflatglass,Proceedingof theThirdInternati0na1wLT—ConferenceonLasersinManufacturing 2005,Munich,June2205,PP805807 [2]KONDRATENKO,V.S.,1977,Methodofsplittingnon—meta]?c materialS,inUSPatent5,609,284,FornonTechnologyLtd. 科技博览l423