激光切割玻璃技术

      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。
　　
　　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。
　　
　　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。
　　
　　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-Insititut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。
　　
　　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=7.2x10-6、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。
　　
　　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。