玻璃的激光切割技术

玻璃的激光切割技术摘要激光加工技术是一种先进制造技术，而激光切割是激光加工应用领域的一部分，激光切割是当前世界上先进的切割工艺。

由于它具备精密制造、柔性切割、异型加工、一次成形、速度快、效率高等优点。

激光能割大多数金属材料和非金属材料。

而本文主要讲述激光切割玻璃技术的原理、应用还有它在国内外的发展。

关键词激光切割、CO₂激光、玻璃1、激光切割技术简介[1]激光切割是激光加工行业中最重要的一项应用技术。

它占整个激光加工业的70%以上。

激光切割与其他切割方法相比，最大区别是它具有高速、高精度及高适应性的特点。

同时还具有割缝细、热影响区小、切割面质量好、切割时无噪声、切割过程容易实现自动化控制等优点。

激光切割板材时，不需要模具，可以替代一些需要采用复杂大型模具的冲切加工方法，能大大缩短生产周期和降低成本。

因此，目前激光切割已广泛地应用于汽车、机车车辆制造、航空、化工、轻工、电器与电子、石油和冶金等工业部门中。

激光切割主要是CO₂激光切割，是用聚焦镜将CO₂激光束聚焦在材料表面使材料熔化，同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料，并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动，从而形成一定形状的切缝。

激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。

激光束聚焦成很小的光点其最小直径可小于0.1mm，使焦点处达到很高的功率密度可超过106W／cm2)。

这时光束输入（由光能转换）的热量远远超过被材料反射、传导或扩散部分，材料很快加热至汽化湿度，蒸发形成孔洞。

随着光束与材料相对线性移动，使孔洞连续形成宽度很窄（如0.1mm左右）的切缝。

切边热影响很小，基本没有工件变形。

切割过程中还添加与被切材料相适合的辅助气体。

钢切割时得用氧作为辅助气体与溶融金属产生放热化学反应氧化材料，同时帮助吹走割缝内的熔渣。

切割聚丙烯一类塑料使用压缩空气，棉、纸等易燃材料切割使用惰性气体。

进入喷嘴的辅助气体还能冷却聚焦透镜，防止烟尘进入透镜座内污染镜片并导致镜片过热。

大多数有机与无机都可以用激光切割。

在工业制造占有分量很重的金属加工业，许多金属材料，不管它具有什么样的硬度，都可进形无变形切割。

当然，对高反射率材料，如金、银、铜和铝合金，它们也是好的传热导体，因此激光切割很困难，甚至不能切割。

激光切割无毛刺，皱折、精度高，优于等离子切割。

对许多机电制造行业来说，由于微机程序的现代化激光切割系统能方便切割不同形状与尺寸的工件，它往往比冲切、模压工艺更被优先选用；尽管它加工速度慢于模冲，但它没有模具消耗，无需修理模具，还节约更换模具时间，从而节省加工费用，降低产品成本，所以从总体上讲在经济上更为合算。

另一方面，从如何使模具适应工件设计尺寸和形状变化角度看，激光切割也可发挥其精确、重现性好的优势。

作为层叠模具的优先制造手段，由于不需要高级模具制作工，激光切割运转费用也并不昂贵，因此还能显著地降低模具制造费用。

激光切割模具还带来的附加好处是模具切边会产生一个浅硬化层，提高模具运行中的耐磨性。

激光切割的无接触特点给圆锯片切割成形带来无应力优势，由此提高了使用寿命。

激光切割机与传统的切割方式相比不仅价格低，消耗低，并且因为激光加工对工件没有机械压力，所以切割出来产品的效果，精度以及切割速度都非常良好。

并且还具有操作安全，维修简单等特点。

激光切割的应用领域非常广泛，比如汽车行业、计算机、电气机壳、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、压克力、弹簧垫片、2mm以下的电子机件用铜板、一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、1mm以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钦合金等等。

近年来，激光切割的新应用层出不穷，令人耳目一新。

激光切割技术的原理在激光束能量作用下（氧助切割机制下，还要加上喷氧气与到达燃点的金属发生放热反应放出的热量），材料表面被迅速加热到几千乃至上万度（℃）而熔化或汽化，随着汽化物逸出和熔融物体被辅助高压气体（氧气或氮气等惰性气体）吹走，切缝便产生了。

脉冲激光适用于金属材料，连续激光适用于非金属材料，后者是激光切割技术的重要应用领域。

该技术采用激光束照射到钢板表面时释放的能量来使不锈钢熔化并蒸发。

激光源一般用CO₂激光束，工作功率为500～2500瓦。

该功率的水平比许多家用电暖气所需要的功率还低，但是，通过透镜和反射镜，激光束聚集在很小的区域。

能量的高度集中能够进行迅速局部加热，使不锈钢蒸发。

此外，由于能量非常集中，所以，仅有少量热传到钢材的其它部分，所造成的变形很小或没有变形。

利用激光可以非常准确地切割复杂形状的坯料，所切割的坯料不必再作进一步的处理。

从二十世纪七十年代以来随着CO₂激光器及数控技术的不断完善和发展，目前已成为工业上板材切割的一种先进的加工方法。

2、激光切割玻璃的应用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，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是：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。

这也就使得激光切割玻璃的技术发展起来。

激光切割玻璃的原理激光切割玻璃的方法从原理上可以分为两种：一种是熔融（蒸发）切割法，另一种是裂纹控制法。

（1）熔融切割法利用玻璃处在软化的温度下具有较好的塑性和延展性，用聚焦的CO₂激光或者紫外激光照射到软化的玻璃表面，激光具有的较高的能量密度会导致玻璃融化，然后用气流吹走熔融的玻璃，产生沟槽，从而实现玻璃的熔融切割，如图2-1所示。

[2]（2）裂纹控制法这是一种常用的激光切割方法，这种方法进行玻璃切割的原理如图2-2所示。

第一步，对玻璃表面进行激光加热，较高的能量会使该处的温度急剧升高，表面产生较大的压应力，但该压应力不会使玻璃产生破裂；第二步，对该区域进行急剧的冷却，一般采用冷却气体或者冷却液，急剧的降温会使玻璃表面产生较大的温度梯度和较大的拉应力，这个拉应力会使玻璃表面沿着预定划线的方向开始破裂，实现玻璃的切割。

[2]3、激光切割玻璃国内外的发展由于激光激光束具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性，激光在其产生之日起就被各行业给予较大期望，用于切割的激光方面的研究也比较早，激光切割玻璃的工艺经历了熔融法、裂纹控制法的研究发展。

熔融切割法提出比较早，上世纪60年代Hafner[3]采用几个固定的激光束以一定的角度入射到预热玻璃上，熔化玻璃，然后用辅助气流嘴吹走粘在热玻璃上的熔融玻璃从而产生斜切口，但切口比较粗糙。

Chul[4]在他的专利中主张用聚集激光束并把玻璃预热到540-680℃范围内的办法来切割板材玻璃，并详细介绍了熔融玻璃条的切割情况；他发现，用CO₂激光器切割处于这个温度范围内的玻璃可以避免裂纹的产生，这种方案对功率的要求比较高，若要提高切割速度，应该增大激光器的功率，但是要切割厚玻璃，功率就得按厚度的平方增加。

后来Finaueane和Blaek[5]用一台600w的CO₂激光器和一台MF400CNC激光器切割机对彩色玻璃进行了切割，研究了激光参数对切割质量的影响。

据发现，250W的脉冲激光器可以提供最佳的综合结果，切割速度可达6mm/s。

在19世纪70年代，Lumley等人率先提出了应用激光诱导张应力控制裂纹扩展技术分离脆性材料的思想。

他们利用 CO₂激光作用区由于快速加热和冷却而产生的张应力，成功地用30W激光器以20mm/s的速度切割了一个厚度为1mm的显微幻灯片。

1997年，Kondrateko等人通过在激光照射后对材料表面喷射冷水加以急速冷却，以达到加快裂纹扩展速度、改善切割质量的目的，进一步改进了切割工艺。

2007年，台湾的Yen-Liang Kuok和Jennings Lin[6]使用了一个由CO₂线形激光和ND-YAG 脉冲激光构成的多束激光系统来切割钠钙玻璃板。

先用CO₂线形激光预热玻璃板然后用ND-YAG 脉冲激光加热在玻璃板上产生混合应力状态。

通过分析玻璃板被切割的应力分布并用有限元法进行热弹性分析得出结果：裂纹区的应力场由复杂的应力状态所导致并且裂缝的状态受脉冲激光的影响很大。

通过使用脉冲激光照射玻璃板在切割方向形成大的剪切应力可以得到好的切割质量。

在国内，也有一些大学和研究机构进行了裂纹控制法切割的研究，2006年，华中科技大学的许国良、李迎霞[7]等人采用双光束CO₂激光的玻璃切割技术对平板显示器进行了切割（如图3-1），分析了产生较大热应力的区域，建立了玻璃的激光切割数学模型，并对单、双光束激光的玻璃切割过程进行了热应力数值模拟。

最后得出结论，采用双光束CO₂激光切割方法使热影响区的温度场更加均匀，温度梯度减小，应力减小，从而可以避免产生不可控裂纹。

用于切割玻璃的激光选择现在切割玻璃加工工艺一般都是选用CO₂激光器。

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。