玻璃切割方案原理

CO2激光用于切割玻璃
简介
现代高新技术的发展影响着玻璃加工工业的加工过程和最终产品的应用。

传统的玻璃和玻璃制品的切割方式是使用金刚石砂轮和高硬度金属轮的机械加工方法。

在这篇文章中，介绍一种使用激光器进行加工的新方法。

激光加工使用范围广，加工质量优秀，加工边缘强度高，并可在一步内完成全部的加工任务。

背景
传统的机械切割法的最大的缺点是需要对加工后的边缘进行再处理，及其所带来的产量低下问题。

在机械切割中，用砂轮或机械轮在玻璃上进行刻划，产生沿着切割方向的切向张力，从而使玻璃沿着划痕裂开。

这种方法所切割的边缘不平滑、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打磨并且/或者抛光，甚至进行热处理，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后续处理。

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。

激光应用于切割和焊接薄金属板已有30年了，通过聚焦光束局部地加热材料。

这种方法灵活性好，经济效益高，在很多工业应用领域大放异彩。

其实玻璃有比金属更低的热传导，所以激光应该可以顺理成章地应用于玻璃的切割。

事实上，一些公司早在70年代即开始发展成套系统，当时使用的是千瓦输出功率水平的CO2 激光器。

但是，因为功率水平高，对玻璃造成不容忽视的热影响，以致融化局部材料，所以当时的激光切割技术难以保证整齐、平滑的切割边缘，在许多应用场合中，仍然需要打磨切割边缘。

同时，当时CO2 激光器的价格非常昂贵，令人生畏。

激光引致分离
近来，一些工程人员和学者发现了应用较低功率的激光器使玻璃分离，同时不对玻璃造成融化等热影响的玻璃切割方法。

这种方法说来复杂，涉及细节技术很多，其基本原理是利用激光引致的应力使玻璃"分离"。

期间，得益于封离型CO2激光器技术的发展和成熟，激光切割玻璃技术更显得经济、实用。

在我们的研究中，使用平均输出功率为150W的CO2 激光器（Coherent 公司的K-150型），通过聚焦光路在玻璃表面形成椭圆型的聚焦点，椭圆的聚焦焦点保证了激光能量在切割线两侧的均匀的和最优化的分布。

玻璃强烈地吸收10.6微米的激光，所以几乎所有的激光能量都被玻璃表面15微米吸收层所吸收，相对玻璃表面移动激光光点形成所需的切割线。

选择合适的移动速度，保证既有足够的激光热量在玻璃上形成局部的应力纹样分布（设定的切割线），同时又不会将玻璃融化。

激光切割中另一个关键部件是淬火气（水）嘴，随着激光光点的移动，淬火气（水）嘴将冷空气（水）吹到玻璃表面，对受热区域进行快速淬火，玻璃将沿着应力最大的方向产生断裂，从而将玻璃沿着设定的方向分离。

需要说明的是，为了引发玻璃产生断裂，需要首先用机械法在切割线的起点划出微小的起始裂痕。

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100微米到数毫米，意味着使用激光法可一步切割深度为100微米到数毫米的玻璃。

因为这个过程依赖于热致机械应力，断裂深度和切割速度与材料本身的膨胀系数很有关系。

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3.2x10-6K-1，所幸的是，多数普通玻璃都满足这个要求。

结果和应用
与传统的机械切割法相比，这种新的方法有几个重要的优点。

首先，这是一步即可完成的、干燥的加工过程。

边缘光滑整齐，不需要后续的清洁和打磨。

并且，激光引致的分离过程产生高强度、自然回火的边缘，没有微小裂痕。

使用这种方法，避免了不可预料的裂痕和残破，降低了次品率，提高了产量。

边缘质量
定性地描述在一张1.5毫米厚的玻璃片上三个不同的切痕之间的动态差异。

玻璃切割的边缘干净没有裂片和裂痕，不需要后续
处理工序。

因为激光是非接触工具，没有工具的磨损问题，从而可保证持续、均匀的切割厚度和边缘质量。

作为比较，3（b）显示了使用金属轮进行切割的边缘，可以看到沿着切割线存在各种残余张力成份。

3（c）是金刚石砂轮切割的结果，可看到很多微小的裂痕，对于许多应用来说，需要打磨切割边缘。

为了定量地评价边缘质量，根据ISO3274，应使用Stylus 轮廓测量仪对激光切割的边缘进行测量。

权威测量显示，平均粗糙度（Ra）小于0.5微米。

边缘强度
因为边缘质量优秀，以及加热/淬火过程中的自然回火效应，激光切割的边缘强度非常高。

Jena 的Otto-Schott-Insititu
t 研究所根据DIN5230011 参数做了独立的测试，相关数据已公开发布。

采用这种新方法，与机械法加工后又打磨的样品相比，边缘强度提高了30%左右。

如果和不经过打磨的玻璃强度可以高1倍以上。

厚度和切割速度
限制切割速度的有3个因素：玻璃的厚度、材料的热膨胀系数、以及激光器的输出功率。

在这个测试中，我们使用150W 输出功率的CO2 激光器切割a=7.2 x 10-6 、厚度为1.1mm的玻璃，直线切割，速度为500mm/秒。

作为比较，硬质金属轮切割同样厚度同种玻璃的速度可达1500mm/秒。

但是，即使是在注重速度的应用中，这种差异也将被激光切割所带来的经济性和质量优势所弥补。

同时，我们都相信，进一步的加工过程优化以及采用更高输出功率的激光器进行切割都会容易地将加工速度提高2至3倍。

曲线切割
因为裂痕是精确地沿着激光光束所划出的痕迹, 激光引致的分离可以切划出非常精确的曲线图案。

事实上，我们所做的实验也证明了无论直线或是曲线，激光切割都能连续地、精确地完成设定图案，重复性可达+50μm。

所以激光可以进行曲线和三维图形的精确切割。

应用
长远来说，激光引致的分离技术将在许多玻璃的切割应用中取代机械法。

近期，激光切割已在下述的三个应用领域中显示强大的技术优势，它们是：CRTS，平板显示，以及汽车的风挡玻璃等的切割等。

有些应用需要对玻璃进行特殊的后续处理，比如，某些安全玻璃元件须经温度硬化处理，以及多数带硅镀层的平板显示器元件必须经过温度退火等。

激光引致分离法也配合这些特殊的后处理，我们用激光法切割了100个4mm 厚的玻璃片，在特殊热处理过程中，没有一片被破坏。

激光的选择
影响激光器选择的因素很多，包括波长、输出功率、灵活性、费用、可靠性、以及是否利于系统集成等。

幸运的是，封离型C O2 激光器技术已发展成熟，具备几乎所有适合于此应用领域的特征，使得激光引致的分离更经济和实用。

就波长来说，必须使用中红外波长的激光以确保被玻璃有效地吸收。

CO2 激光器的波长为10.6um，是在这个波长段内唯一适合于工业加工用的高功率激光器。

多年以来，CO2 激光器的制造商们一直着眼于开发高功率的器件（1000W以上）用于金属板材的切割等。

这种器件的功率太高，激光器也太庞大，需要消耗昂贵的激光气体，操作起来较复杂，并需要不断的维修，完全不适合用于玻璃切割。

所幸的是，封离型CO2 激光器技术已发展成熟，输出功率范围在10到数百瓦，适合于处理非金属材料。

完全封离，不需要气体补充，不需要维修和定期维护。

采用所谓的"板条放电"技术，提高单位体积的功率水平，缩小器件的尺寸。

比如，我们使用的Coherent 公司的K-150 型150W CO2 激光器，外型尺寸只有99mm x20mm x16.5mm，重量只有94kg，使用寿命超过10,000小时，集成简单，操作方便，使用起来就象高功率的灯泡一样简单。

板条放电的封离型CO2 激光器有两个适合于此应用的重要特点。

第一，这种激光器光束质量好，聚焦特性高，可以被聚焦到很小的点，从而显著地提高加工效率和切割质量。

更重要的是，板条放电技术CO2 激光器的输出绝对灵活可控，输出脉冲能量、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。

这个优点对于真实的玻璃切割来说是非常重要的，意味着激光加工的参数可以根据不同种类、不同厚度的玻璃的温度特性进行实时优化。