玻璃激光切割技術的對比研究

玻璃激光切割技術的對比研究

1玻璃的激光切割技術激光切割技術是一種成熟的工業(yè)加工技術。金屬是激光切割的主要對象,其它可以進行激光切割的材料還有塑料、陶瓷、硅片以及玻璃等。目前全球用于切割金屬材料的激光切割設備約有幾十萬臺,而用于玻璃切割的激光設備包括實驗室設備在內也不過只有幾十臺。實際上,早在20世紀70年代,關于激光切割玻璃的研究就已經展開。從原理上講,玻璃對紅外激光的吸收遠比金屬好,而且玻璃是熱的不良導體,玻璃切割所需要的激光功率比金屬要低得多,所以玻璃的激光切割技術應該比金屬更早應用于工業(yè)生產。但玻璃的激光切割市場卻一直沒有發(fā)展起來。究其原因可能是因為玻璃的切割比較容易,傳統(tǒng)的金剛石刀輪或硬質合金刀輪玻璃切割技術已經發(fā)展得很成熟,工藝簡便且成本低廉,足以滿足通常的玻璃切割的要求。時至今日,玻璃的應用日益廣泛,某些方面的應用對切割質量和切割成品率的要求非常嚴格,傳統(tǒng)的玻璃切割技術已逐漸不能滿足生產的要求。如作為TFT-LCD基板的耐高溫、高硬度硼硅玻璃和用于汽車方面的鋼化玻璃等。從玻璃厚度方面而言,浮法玻璃的厚度已經達到了20mm以上,而用于平板顯示方面的玻璃最薄已經達到0.4mm,有些應用于電子產品的玻璃甚至達到0.05mm。過薄或過厚的玻璃采用機械切割都會影響切割的成品率?，F在人們對玻璃的激光切割技術已經研究得很透徹,激光切割的優(yōu)越性也逐漸為人們所認識。近年來已經出現了一些用于工業(yè)生產的玻璃切割設備,如德國Grenzebach公司的浮法玻璃在線激光切割設備;德國H2B公司的平板玻璃切割設備;美國FononDSS公司用于平板顯示方面的玻璃激光切割設備等。玻璃的激光切割技術與傳統(tǒng)的切割技術相比具有很多的優(yōu)越性,激光切割出來的玻璃邊緣光滑、無橫向微裂、無碎片,避免了在板材上出現劃傷并且將玻璃破碎的可能性減小到最低程度。當激光技術用于浮法玻璃生產線的在線切割時,由于不需要二次掰邊,所以原板玻璃的利用率得到了明顯提高。運用激光技術切裁1~25mm厚的玻璃不會產生任何應力問題,也沒有任何調節(jié)誤差。此外,由于通過激光切割的玻璃耐斷裂的強度較高,所以,在許多情況下不再需要對玻璃進行鋼化處理。從應用的情況看,玻璃的激光切割技術可能會在平板顯示、汽車玻璃和浮法玻璃生產等領域率先得到推廣。2玻璃激光切分原理2.1玻璃的激光切割技術一種材料能否進行激光加工很大程度上取決于材料對該波長激光的吸收。圖1是厚度為3.88mm的2種玻璃的吸收光譜。從圖1中可以看出,當波長在5μm以上時,玻璃對光有非常高的吸收效率,所以波長為10.6μm的CO2激光器非常適用于玻璃的激光切割。事實上,當今世界上絕大多數的玻璃激光切割設備都是采用功率在100~500W之間的封離型CO2激光器。波長在1μm左右的半導體激光器和Nd∶YAG激光器也可用于激光切割,但其切割原理不同于CO2激光器。從圖1中可以看出,厚度為3.88mm的超白玻璃對于波長約為1μm的激光透過率約為80%,吸收不足20%;而綠玻璃的吸收率要高得多,約有80%。玻璃對波長約為1μm的激光的吸收屬于體吸收。而對于CO2激光器發(fā)出的波長為10.6μm的激光,由于玻璃的高吸收效率,其進入玻璃表面的深度不足幾十微米,在玻璃表面就被完全吸收。玻璃的激光切割技術在原理上不同于金屬的激光切割。玻璃的激光切割是一種應力切割方式通過玻璃對激光的吸收,局部急劇升溫產生應力,應力變化產生裂紋從而導致玻璃沿著激光掃描方向開裂。在切割過程中要嚴格控制溫度的上升不能達到玻璃的軟化點。而金屬的激光切割則采用的是熔融切割方式。在玻璃激光切割研究的早期采取的也是熔融切割方式,但切割效果并不好,切割后的邊緣還需要進行后處理。所以現在玻璃的激光切割方式都是采用應力切割。1.2玻璃切割的特性現在用于玻璃激光切割的激光器大多采用封離型CO2激光器,輸出功率在100~500W之間。這個功率區(qū)間的CO2激光器技術已經非常成熟,可以選擇的產品很多。例如,Coherent公司的K-150型激光器,外型尺寸只有99mm×20mm×16.5mm,重量只有94kg,使用壽命超過10000h,集成簡單,操作方便,使用起來就象高功率燈泡一樣簡單。板條放電的封離型CO2激光器有2個適于此應用的重要特點。首先,這種激光器光束質量好,聚焦特性高,可以被聚焦到很小的點,從而顯著地提高加工效率和切割質量;更重要的是,板條放電技術CO2激光器的輸出絕對靈活可控,輸出的脈沖能量、脈寬以及重復頻率等都可被實時控制,而不影響光束的聚焦。這個優(yōu)點對于實際的玻璃切割來說非常重要,它意味著激光加工的參數可以根據不同種類、不同厚度的玻璃的溫度特性進行實時優(yōu)化。GSI公司的SLC150SD型DCCO2激光是專門針對玻璃切割應用而設計的。該產品的關鍵特性在于,能生成近似高頂禮帽(top-hat)式的輸出模式圖,且穩(wěn)定性很好。如圖3所示,通過CO2激光和噴水的可控加熱與冷卻處理,CO2激光切割會在玻璃表面形成微裂(約為玻璃板厚度的1/6)。加熱源和冷卻源的存在會產生一個應力場,溫度急劇變化所產生的應力將使玻璃產生裂紋并向厚度方向擴展,從而形成一條光滑而筆直的裂縫。只要精確控制玻璃的溫度分布,采用激光加工工藝便可實現出色的切割邊緣,光滑而又平整。切割時并非激光的功率越高越好,要注意不能使玻璃表面的溫度達到玻璃的軟化點。不同種類玻璃的軟化溫度相差很大,TFT-LCD用的玻璃軟化溫度約為900℃,而普通鈉鈣玻璃的軟化溫度則只有600℃。所以對不同品種的玻璃進行激光切割需要對激光器的參數進行調整。通常不能使激光以最小的光斑聚焦在玻璃表面,而要采用離焦的方法使激光聚焦于玻璃板下方幾厘米處,使玻璃板上的光斑呈橢圓形。決定激光切割的速度有3個因素:激光器的輸出功率、玻璃的厚度以及玻璃熱膨脹系數。在玻璃表面溫度相同的情況下,大光斑、高輸出功率的切割速度要高于小光斑、低輸出功率的情況。1.3玻璃面激光切割技術德國H2B公司采用YAG圓盤激光器制造了玻璃的激光切割設備。在該設備上采取了MLBATM(MultipleLaserBeamAbsorption)技術,在玻璃下面和激光頭之間設置了反射器,使激光光束可以反復多次在玻璃體內穿過,提高了激光的利用率。該激光切割設備可以切割平板玻璃和玻管。對于工件的切割是一次性完成的,一般不再需要折斷工序。激光對切割線有非常好的控制,不僅可以直線切割,也可以自如地在玻璃上切割出任意形狀的曲線。2現有玻璃激光切割設備2.1在線激光切割玻璃德國Grenzebach公司是世界領先的玻璃機械制造公司,該公司開發(fā)出了世界上第1臺浮法玻璃在線激光切割設備。該公司的技術來源于一項名為LIST(LaserInducedScoringbyTension)的研究項目,意為激光導致的應力切割。研究之初,該公司試驗了2種激光解決方案,一種是波長約為1μm的半導體激光器或Nd∶YAG激光器;另一種是波長為10.6μm的CO2激光器。對于波長約為1μm的半導體激光器或Nd∶YAG激光器,激光可以透過玻璃,玻璃對于激光能量的吸收是體吸收方式,玻璃的開裂是通透的。這種方法可以直線切割也可以劃出任意的曲線,但其對外界條件要求較高,必須把工件放在穩(wěn)定的平臺上,任何機械力、熱力或內部的應力都可能對切割形狀和質量造成影響,所以這種激光切割方法用于玻璃的在線切割存在較大的難度。最終該公司選擇了CO2激光器,切割原理如圖2所示。該公司開發(fā)出的浮法玻璃在線激光切割設備已經在2006年率先應用于德國的“E-GLASS”浮法玻璃生產線。在浮法玻璃的生產過程中,玻璃液在錫槽內的傳動是在左右兩端拉邊機的拉邊輪的牽引和帶動作用下完成的。拉邊輪的輪緣有一周小齒,隨著拉邊機的轉動,通過這些小齒對玻璃液的咬合,使得玻璃液被不斷向前推進,同時也在玻璃左右端面上各自形成了一排嚙合的咬痕。為了除去咬痕,玻璃經過退火窯冷端時,需要進行縱向切割,然后直到掰邊的階段才能真正的除去這些不平整的邊緣。掰邊是通過掰邊輪以撞擊的方式進行的。對于厚度較大的玻璃,掰邊有時并不能徹底完成,還需要經過一道人工掰邊的工序?，F有的機械切割和掰邊的過程中存在一些問題,如切割產生橫向微裂、產生粉末和碎片導致玻璃表面劃傷;掰邊過程中斷裂邊緣不垂直還需要二次掰邊;碎片飛濺產生安全問題;玻璃內部產生不均勻應力等。激光切割則有效地避免了這些問題。激光切割的優(yōu)越性主要體現在以下幾個方面:(1)由于不需要二次掰邊節(jié)約了材料;(2)在切割過程中不產生粉末和碎片節(jié)省了清洗工序;(3)切割邊緣由于自然回火具有很高的強度。Grenzebach公司稱激光切割玻璃的新技術將為浮法玻璃的生產提供新的質量標準。Grenzebach公司還有其它一些激光玻璃切割設備應用于實際生產,如為德國“perfecta-fenster”公司研制的切割高硼硅玻管的激光設備。應用傳統(tǒng)工藝切割高硼硅玻管難度很大,而激光切割技術則具有很高的效益。Grenzebach公司研制的激光切割設備可以切割的高硼硅玻璃厚度范圍為2~12mm,玻管長度為4000mm。2.2zwlcttm技術FononDSS公司擁有自己的專利:零寬度激光切割技術ZWLCTTM(ZeroWidthLaserCuttingTechnologyTM)。所謂的ZWLCTTM技術采用的也是CO2激光器對玻璃進行切割,在原理上并沒有什么特別。該公司的激光切割設備主要面向平板顯示領域,已經有了8代線大尺寸玻璃的激光切割設備。從圖14中可以看到,當玻璃基板尺寸達到5代線以上時,激光切割設備對傳統(tǒng)刀輪切割設備就已經有了價格優(yōu)勢。2.3韓國esselteco。1.納米玻璃激光機2.4玻璃板熱壓m和雙組分液如圖2德國H2B公司的圓盤激光器玻璃激光切割設備原理如圖3所示。該公司的圓盤激光器玻璃激光切割機采用了MLBA(MultipleLaserBeamAbsorption)技術,用戶在一個操作步驟便可切斷或作輪廓切割厚度為0.2~24mm的玻璃板,或者多層的玻璃。通常不再需要最后的折斷步驟,加工時間可節(jié)省50%。整個工作過程十分潔凈又無須直接接觸,也不需使用任何液體,所以無污染之虞。以上各特點令MLBA成為加工敏感程度較高的玻璃產品的理想之選,同時切邊具有高品質,不會出現微裂痕,大幅增加了玻璃的穩(wěn)定性,生產的耗損也減至最少。H2B公司的另一先進技術是TubocutTM技術,它使用YAG激光高效切割玻璃管或空心玻璃。在此工藝中激光束和工件有特別的配置,使激光能量得到有效運用,做出的切邊的質量可媲美MLBA技術。H2B公司現已推出MLBACutter2000×2500設備用于玻璃切割,其具體參數如下:玻璃尺寸:2000×2500mm最大切割速度:40m/min切割精度:0.05mm/m玻璃厚度:0.7~24mm3玻璃的激光切割技術將得到應用玻璃的激光切割技術與傳統(tǒng)的刀輪切割技術相比具有很大的優(yōu)越性。但工業(yè)領域對替代傳統(tǒng)成熟工藝的新技術的接受歷來都非常慎重。雖然玻璃的激光切割現在已經有了定型的工業(yè)設備,但這些設備想要推廣使用并為用戶所接受還需要一定的時間。預計玻璃的激光切割設備將會首先在平板顯示領域得到普