玻璃的激光切割技術

1 概述

玻璃是一種重要的產業材料，應用在國民經濟的諸多行業，如汽車業、建築業、醫療、顯示器、電子產品等，小到幾微米的小型光學過濾器、筆記本電腦平板顯示器的玻

璃襯底，大到汽車業或建築業等大規模製造領域所用的大尺寸的玻璃板。玻璃種類繁多，最常見的為鈉鈣玻璃，也稱為鹼性玻璃，主要用於汽車業、建築業及家用器具領域，一般厚度為1.6～10mm。厚度為1mm或不足1mm的玻璃稱為硼硅玻璃或者非鹼性玻璃，主要用於平板顯示器與電子產品領域。

玻璃顯著的特點是硬脆性，給加工帶來很大的困難。傳統的玻璃切割採用硬質合金或金剛石刀具，其切割流程一般為：首先用金剛石刀尖或硬質合金砂輪或高硬度金屬輪，在玻璃的表面划出一條刻痕，再採用機械手段將玻璃沿著刻痕線分割開。用砂輪或機械輪在玻璃上進行刻劃的過程中，產生沿著切割方向的切向張力，從而可使玻璃沿著劃痕裂開。這種方法切割的結果是：邊緣不平滑、有微小裂痕，材料上殘存不對稱邊緣應力及殘留碎屑等。對於很多應用，碎屑和局部應力所造成的微小裂痕將造成器件的失靈，所以必須進行切後邊緣的打磨與拋光，以強化邊緣。另外，機械輪加工中還需要輔助劑輔助切割，輔助劑也有可能粘在成品邊緣，需要過水清洗或超聲波清洗等處理。後續處理工序以及低成品率（發生不確定的裂痕）等都將增加成品玻璃製品的造價。

當今，對於玻璃製品的質量要求越來越高，必須實現更為精密、細緻的加工結果，因為傳統工藝已經很難達到無微裂紋及邊緣質量方面的要求，所以迫切需要玻璃切割的技術創新。激光切割技術已經成熟，在金屬板材與管材、有機板材與管材等材料的切割方面，獲得了成功的應用，使傳統的製造技術得到了很大程度的改造與提升。而玻璃是無機材料，熱傳導率很低，從理論上講用激光加工應該有較好的結果。這也就使得激光切割玻璃的技術發展起來。

2 激光切割玻璃的原理

激光切割玻璃的方法從原理上可以分為兩種：一種是熔融（蒸發）切割法，另一種是裂紋控制法。

（1）熔融切割法

利用玻璃處在軟化的溫度下具有較好的塑性和延展性，用聚焦的CO2激光或者紫外激光照射到軟化的玻璃表面，激光具有的較高的能量密度會導致玻璃融化，然後用氣流吹走熔融的玻璃，產生溝槽，從而實現玻璃的熔融切割。

（2）裂紋控制法

這是一種常用的激光切割方法。第一步，對玻璃表面進行激光加熱，較高的能量會使該處的溫度急劇升高，表面產生較大的壓應力，但該壓應力不會使玻璃產生破裂；第二步，對該區域進行急劇的冷卻，一般採用冷卻氣體或者冷卻液，急劇的降溫會使玻璃表面產生較大的溫度梯度和較大的拉應力，這個拉應力會使玻璃表面沿著預定劃線的方向開始破裂，實現玻璃的切割。

3 用於切割玻璃的激光選擇

現在切割玻璃加工工藝一般都是選用CO2激光器。選擇適宜的激光器，考慮的因素包括波長、輸出功率、光束模式、靈活性、費用、可靠性以及是否利於系統集成等。CO?激光器發射的激光波長為10.6μm，而玻璃能強烈地吸收波長10.6μm的激光，幾乎所有的激光能量都被玻璃表面15μm吸收層所吸收，所以玻璃激光切割系統都配置CO2激光器。關於激光功率正如前述，不需要很高，平均功率為 100～500W（取決於玻璃的厚度）的CO2激光器都適用於玻璃切割應用。具體的器件可根據不同的情況，選擇封離型玻璃管CO2激光器或CO2射頻激光器。封離型玻璃管CO2激光器技術成熟，完全封離，不需要氣體補充，不需要維修和定期維護，能滿足玻璃切割的基本要求，且成本低，經濟而實用；射頻激光器的光束模式好，外型尺寸較小，集成簡單，操作方便，激光器的輸出靈活可控，輸出的脈衝能量、脈寬以及重複頻率等都可被實時控制，而不影響光束的聚焦，因而激光加工的參數可以根據不同種類、不同厚度的玻璃的特性進行實時優化。

4 CO2激光切割技術的特點

（1）切割質量好。 切口寬度窄（一般為0.1～0.5mm）、精度高（一般孔中心距誤差0.1～0.4mm，輪廓尺寸誤差0.1～0.5mm）、切口表面粗糙度好（一般Ra為12.5～25μm），切縫一般不需要再加工即可焊接。

（2）切割速度快。 例如採用2kW激光功率，8mm厚的碳鋼切割速度為1.6m/min；2mm厚的不鏽鋼切割速度為3.5m/min，熱影響區小，變形極小。

（3）清潔、安全、無污染大大改善了操作人員的工作環境。 當然就精度和切口表面粗糙度而言，CO?激光切割不可能超過電加工；就切割厚度而言難以達到火焰和等離子切割的水平。但是就以上顯著的優點足以證明：CO?激光切割已經和正在取代一部分傳統的切割工藝方法，特別是各種非金屬材料的切割。它是發展迅速，應用日益廣泛的一種先進加工方法。

5、激光切割玻璃的優越性

激光引致應力切割技術超越了傳統的玻璃切割/分離技術，通過適當的加熱和冷卻工藝，激光束可在玻璃上精確加熱一條直線或曲線，隨後再噴射冷氣或氣液混合物加以冷卻。這種熱誘張力會產生精確的玻璃裂隙，從而實現高質量的切割邊緣。這種切割方法的主要優勢在於：精度高；不產生微裂紋、破碎或碎片問題；玻璃的邊緣抗破裂性極高；玻璃邊緣保持了光學性能；無需沖洗、打磨、拋光，從而降低了製造成本；不會造成材料損耗等。

激光切割玻璃具備加工速度快、精度高、參數設置簡單等明顯優勢，成為大批量加工的選擇。因為激光是非接觸工具，沒有磨損問題，從而可保證持續、均勻的切割厚度和邊緣質量。權威測量顯示，平均粗糙度（Ra）小於0.5μm。因為邊緣質量優秀以及自然回火效應，激光切割的邊緣強度非常高，與機械法加工後又打磨的樣品相比，邊緣強度提高30%左右。 激光切割避免了側面裂縫，不僅邊緣的抗衝擊強度增強，整體組件強度通常能提高80%，從而顯著改善部件抗損壞的能力。材料強度的提高減少了損壞與損失的可能性，也減少了由於潛在的產品瑕疵而過早的在現場出現故障的問題。這對產品設計而言是一大優勢，設計者不僅可以使用更輕、更薄的材料，而且還不影響產品使用壽命。

6、激光切割玻璃技術的用途

玻璃激光切割新技術推廣並移植到大批量的生產線中，經過了長時間的工程應用驗證，不僅得到了技術可行的充分證明，而且取得了明顯的經濟效益。可以用於大量地生產各種各樣的小玩具、飾品、擺掛件和生活用的玻璃製品。在下述的情況下，如：存在玻璃破碎危險的產品的生產；電子行業中用於裝有玻璃的通訊移動產品的製造；包含薄玻璃易碎部件的產品，如感測器、觸控板或玻璃外殼，又如：研發新產品，需要新的加工手段來實現創新特徵；希望減少加工步驟來降低生產成本；現有的生產遇到經濟壓力需要巨大的生產方式改良等，玻璃激光切割新技術都成為首選。

玻璃激光切割是一項創新技術，已在電子、汽車、建築行業得到應用（顯示器、手機平板的屏幕、汽車的車窗、擋風玻璃等），同時該技術能用在加工其他易碎材料，如製造電子行業晶圓的陶瓷材料，其他半導體行業常見的材料等都有望成為激光引致應力切割加工的對象。在節能減排要求的大環境下，下一個最具潛力的應用行業將是太陽能產業。 相信激光切割技術會越來越成熟，激光切割玻璃的技術的發展也將會越來越好。

來源：建築玻璃與工業玻璃

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