激光切割玻璃技術(shù)

      激光應(yīng)用于切割和焊接薄金屬板已有30年了，通過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。
　　
　　近來，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。這種方法說來復(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兩側(cè)的均勻的和最優(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。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），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)力最大的方向產(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)過程依賴于熱致機(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。一般說來，適用于激光法進(jìn)行切割的玻璃的膨脹系數(shù)最小應(yīng)為3.2x10-6K-1，所幸的是，多數(shù)普通玻璃都滿足這個(gè)要求。
　　
　　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，激光引致的分離過程產(chǎn)生高強(qiáng)度、自然回火的邊緣，沒有微小裂痕。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。
　　
　　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，沒有工具的磨損問題，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)用來說，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?jī)?yōu)秀，以及加熱/淬火過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。
　　
　　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=7.2x10-6、厚度為1.1mm的玻璃，直線切割，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。
　　
　　因?yàn)榱押凼蔷_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精確的曲線圖案。
　　
　　事實(shí)上，我們所做的實(shí)驗(yàn)也證明了無論直線或是曲線，激光切割都能連續(xù)地、精確地完成設(shè)定圖案，重復(fù)性可達(dá)+50μm。所以激光可以進(jìn)行曲線和三維圖形的精確切割。