玻璃的激光切割技术.doc

玻璃激光切割新技术
王菲王哲
（天津市激光技术研究所300192）
［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

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[1]，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1.6～10mm。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。玻璃显著的特点是硬脆性，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。
激光切割玻璃的新方法
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［2］。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3.2×10-6K-1，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100μm到数mm，所以使用激光法可一步切割厚度为100μm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。
玻璃激光切割系统
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。CO2激光器发射的激光波长为10.6μm，而玻璃能强烈地吸收波长10.6μm的激光，几乎所有的激光能量都被玻璃表面15μm吸收层所吸收，所以玻璃激光切割系统都配置CO2激光器。关于激光功率正如前述，不需要很高，平均功率为100～500W（取决于玻璃的厚度）的CO2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CO2激光器或CO2射频激光器。封离型玻璃管CO2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