激光切割玻璃技术说明.ppt

CO2激光切割玻璃;简介 ;背景;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 ;激光划线;激光分割;在某公司的研究中，使用平均输出功率为140W的CO2激光器（从俄罗斯购买的封离型CO2玻璃管激光器），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冷却，随着激光光斑的移动，喷水（气）头嘴将冷空水（气）吹到玻璃表面，对受热区域进行快速冷却，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，且裂痕不宜太深太长，越微小越好。 ;加工深度：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。 ;边缘质量?;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。;?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。 ;厚度和切割速度?;曲线切割 ;应用 ;激光的选择 ;就波长来说，必须使用中红外波长的激光以确保被玻璃有效地吸收。CO2?激光器的波长为10.6um，是在这个波长段内唯一适合于工业加工用的高功率激光器。多年以来，CO2?激光器的制造商们一直着眼于开发高功率的器件（1000W以上）用于金属板材的切割等。这种器件的功率太高，激光器也太庞大，需要消耗昂贵的激光气体，操作起来较复杂，并需要不断的维修，完全不适合用于玻璃切割。????所幸的是，封离型CO2?激光器技术已发展成熟，输出功率范围在10到数百瓦，适合于处理非金属材料。完全封离，不需要气体补充，不需要维修和定期维护。采用所谓的“板条放电”技术，提高单位体积的功率水平，缩小器件的尺寸。比如，我们使用的Coherent?公司K-150?（150W?CO2?激光器），外型尺寸只有99mm?x20mm?x16.5mm，重量只有94kg，使用寿命超过10,000小时，集成简单，操作方便，使用起来就象高功率的灯泡一样简单。?;板条放电的封离型CO2?激光器有两个适合于此应用的重要特点。第一，这种激光器光束质量好，聚焦特性高，可以被聚焦到很小的点，从而显著地提高加工效率和切割质量。更重要的是，板条放电技术CO2?激光器的输出绝对灵活可控，输出脉冲能量、脉宽、以及重复频率等都可被实时控制，而不影响光束的聚焦。这个优点对于真实的玻璃切割来说是非常重要的，意味着激光加工的参数可以根据不同种类、不同厚度的玻璃的温度特性进行实时优化。 ;结论?