利用激光进行玻璃切割的研究

利用激光进行玻璃切割的研究

一 引言

玻璃作为一种脆性材料，质地均匀、透明度好、表面光滑、耐腐蚀，因此在科学研究与工农业生产中得到了广泛的应用。尤其是近年来，随着IT产业的迅速发展，液晶显示器和等离子体显示器等高科技电子产品应运而生，对玻璃制品切割质量的要求越来越高。玻璃的应用已经非常广泛，而切割玻璃又是其中比较关键的技术，由于激光激光束具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性，利用激光来切割玻璃相对传统方法具有无可比拟的优势，因此，激光在玻璃切割中将会扮演非常重要的角色。

二 激光切割玻璃的主要原理

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。

熔融切割法就是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 CO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，如图2-1所示。

图 2-1 熔融切割法的切割原理图

裂纹控制法切割玻璃是玻璃工业上的一种常用的激光切割方法，这种方法进行玻璃切割的原理如图2-2。第一步，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; 第二步，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。

图 2-2 裂纹控制法的切割原理图

三 激光切割玻璃的国内外发展情况

由于激光激光束具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性，激光在其产生之日起就被各行业给予较大期望，用于切割的激光方面的研究也比较早，激光切割玻璃的工艺经历了熔融法、裂纹控制法的研究发展，经历了单光束到多光束的发展，下面简单介绍一下。

熔融切割法提出比较早，上世纪60年代Hafner采用几个固定的激光束以一定的角度入射到预热玻璃上，熔化玻璃，然后用辅助气流嘴吹走粘在热玻璃上的熔融玻璃从而产生斜切口，但切口比较粗糙。

Chul在他的专利中主张用聚集激光束并把玻璃预热到540-680℃范围内的办法来切割板材玻璃，并详细介绍了熔融玻璃条的切割情况，他发现，用CO激光器切割处于这个温度范围内的玻璃可以避免裂纹的产生，这种方案对功率的要求比较高，若要提高切割速度，应该增大激光器的功率，但是要切厚玻璃，功率就得按厚度的平方增加。

后来Finaueane和Blaek用一台600w的CO激光器和一台MF400CNC激光器切割机对彩色玻璃进行了切割，研究了激光参数对切割质量的影响。据发现，250W的脉冲激光器可以提供最佳的综合结果，切割速度可达

6mm/s。

在 19 世纪 70 年代，Lumley等人率先提出了应用激光诱导张应力控制裂纹扩展技术分离脆性材料的思想。他们利用 CO激光作用区由于快速加热和冷却而产生的张应力，成功地用 30W 激光器以 20mm/s 的速度切割了一个厚度为 1mm 的显微幻灯片。

1997 年，Kondrateko等人通过在激光照射后对材料表面喷射冷水加以急速冷却，以达到加快裂纹扩展速度、改善切割质量的目的，进一步改进了切割工艺。

2007 年，台湾的 Yen-Liang Kuo 和 Jehnming Lin使用了一个由CO线形激光和 Nd-YAG 脉冲激光构成的多束激光系统来切割钠钙玻璃板。先用CO线形激光预热玻璃板然后用 Nd-YAG 脉冲激光加热在玻璃板上产生混合应力状态。通过分析玻璃板被切割的应力分布并用有限元法

进行热弹性分析得出结果：裂纹区的应力场由复杂的应力状态所导致并且裂缝的状态受脉冲激光的影响很大。通过使用脉冲激光照射玻璃板在切割方向形成大的剪切应力可以得到好的切割质量。

在国内，也有一些大学和研究机构进行了裂纹控制法切割的研究，2006 年，华中科技大学的许国良、李迎霞等人采用双光束CO激光的玻璃切割技术对平板显示器进行了切割（如图3-1），分析了产生较大热应力的区域，建立了玻璃的激光切割数学模型，并对单、双光束激光的玻璃切割过程进行了热应力数值模拟。最后得出结论，采用双光束CO激光切割方法使热影响区的温度场更加均匀，温度梯度减小，应力减小，从而可以避免产生不可控裂纹。

图3-1采用双光束CO激光的玻璃切割过程

2009年哈尔滨工业大学的王杨、蔡娜等利用YAG激光进行了控制裂纹法的玻璃切割，YAG 激光切割的玻璃切口平直光滑、无碎屑毛刺、无显微裂纹，质量明显好于机械法和金刚石砂轮切割得到的切口质量，虽然提出了 YAG 激光切割过程中的两种轨迹偏移，得出了产生轨迹偏移的原因并提出了相应的改善方式，但还没有找到消除轨迹偏移的具体措施。

四 激光切割玻璃存在的主要问题

对于熔融法来说，其主要缺陷在于如果不能很好的控制玻璃的温度就会在切口断面形成热裂纹，使材料强度大大降低，表面容易有熔渣残

留，并且由于激光烧蚀作用产生的重凝物会污染基片。

就目前来看，裂纹控制法主要分为基于CO激光的切割和基于YAG激光的切割，二者的激光吸收机制不同，玻璃对CO激光的吸收是表面吸收，波长为10.6 μm 的CO激光易在玻璃表面被全部吸收。因此，利用CO激光切割玻璃时，裂纹从表面开始扩展,切口质量差，切割玻璃的厚度有限，且不能切割多层玻璃，切割时裂纹不好控制，主要用来切割直线型或曲率半径较大的玻璃材料。而波长为1064 nm 的YAG 激光可穿透玻璃，玻璃对激光能量的吸收是体吸收形式，玻璃的开裂是均匀通透的，基于体吸收的YAG激光切割玻璃方法不仅可得到更好的切割质量，而且还可切割多层玻璃、夹层玻璃和玻璃管，此种方法也不能进行曲率较小图形的切割，其最大缺陷是效率低下，由于玻璃对YAG激光的吸收不到10%，所以切割时需要的功率相对就比较大，并且切割速度也非常慢，与一般CO激光切割相比，其切割速度不到10mm/s，而CO激光切割速度一般都在200mm/s以上。

五 本人的研究情况

本人课题研究的一部分是利用紫外激光进行薄玻璃的切割，下面做一下简单介绍。

紫外激光相对于其他激光具有光斑小（10-50um）、光束质量好等优点，在精细加工中具有一定的优势，我们实验室现有的美国OPTOWAVE(光波)公司的AWave355系列355nm三倍频全固态调Q紫外激光器，具有波长短、玻璃的吸收高、光束直径小等优点，非常适合较薄玻璃板的熔融法切割，目前本人利用此台激光器进行了1mm以下的薄玻璃的切割实验，切割结果主要受激光功率、加工速度、激光频率、光斑大小的影响，以0.5mm厚的普通玻璃的切割为例，本人找到的最佳切割参数为功率6W，速度100mm/s、频率100Khz、光斑直径0.01mm。在此参数下得到的结果相对较好，边缘的微裂纹较少，切口较平滑，为进一步减少微裂纹的产生，本人设计了利用加热板将玻璃加热到一定温度再进行切割的方案，加热后玻璃整体温度升高，应力减小，利用熔融法切割，