文档介绍：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。,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,-6K-1,所幸的是,多数普通玻璃都满