玻璃激光切割技術(shù)的對(duì)比研究

玻璃激光切割技術(shù)的對(duì)比研究

1玻璃的激光切割技術(shù)激光切割技術(shù)是一種成熟的工業(yè)加工技術(shù)。金屬是激光切割的主要對(duì)象,其它可以進(jìn)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(shè)備約有幾十萬臺(tái),而用于玻璃切割的激光設(shè)備包括實(shí)驗(yàn)室設(shè)備在內(nèi)也不過只有幾十臺(tái)。實(shí)際上,早在20世紀(jì)70年代,關(guān)于激光切割玻璃的研究就已經(jīng)展開。從原理上講,玻璃對(duì)紅外激光的吸收遠(yuǎn)比金屬好,而且玻璃是熱的不良導(dǎo)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(shù)應(yīng)該比金屬更早應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。但玻璃的激光切割市場(chǎng)卻一直沒有發(fā)展起來。究其原因可能是因?yàn)椴ＡУ那懈畋容^容易,傳統(tǒng)的金剛石刀輪或硬質(zhì)合金刀輪玻璃切割技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得很成熟,工藝簡(jiǎn)便且成本低廉,足以滿足通常的玻璃切割的要求。時(shí)至今日,玻璃的應(yīng)用日益廣泛,某些方面的應(yīng)用對(duì)切割質(zhì)量和切割成品率的要求非常嚴(yán)格,傳統(tǒng)的玻璃切割技術(shù)已逐漸不能滿足生產(chǎn)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(jīng)達(dá)到了20mm以上,而用于平板顯示方面的玻璃最薄已經(jīng)達(dá)到0.4mm,有些應(yīng)用于電子產(chǎn)品的玻璃甚至達(dá)到0.05mm。過薄或過厚的玻璃采用機(jī)械切割都會(huì)影響切割的成品率?，F(xiàn)在人們對(duì)玻璃的激光切割技術(shù)已經(jīng)研究得很透徹,激光切割的優(yōu)越性也逐漸為人們所認(rèn)識(shí)。近年來已經(jīng)出現(xiàn)了一些用于工業(yè)生產(chǎn)的玻璃切割設(shè)備,如德國(guó)Grenzebach公司的浮法玻璃在線激光切割設(shè)備;德國(guó)H2B公司的平板玻璃切割設(shè)備;美國(guó)FononDSS公司用于平板顯示方面的玻璃激光切割設(shè)備等。玻璃的激光切割技術(shù)與傳統(tǒng)的切割技術(shù)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(xiàn)劃傷并且將玻璃破碎的可能性減小到最低程度。當(dāng)激光技術(shù)用于浮法玻璃生產(chǎn)線的在線切割時(shí),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(yùn)用激光技術(shù)切裁1~25mm厚的玻璃不會(huì)產(chǎn)生任何應(yīng)力問題,也沒有任何調(diào)節(jié)誤差。此外,由于通過激光切割的玻璃耐斷裂的強(qiáng)度較高,所以,在許多情況下不再需要對(duì)玻璃進(jìn)行鋼化處理。從應(yīng)用的情況看,玻璃的激光切割技術(shù)可能會(huì)在平板顯示、汽車玻璃和浮法玻璃生產(chǎn)等領(lǐng)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(shù)一種材料能否進(jìn)行激光加工很大程度上取決于材料對(duì)該波長(zhǎng)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(dāng)波長(zhǎng)在5μm以上時(shí),玻璃對(duì)光有非常高的吸收效率,所以波長(zhǎng)為10.6μm的CO2激光器非常適用于玻璃的激光切割。事實(shí)上,當(dāng)今世界上絕大多數(shù)的玻璃激光切割設(shè)備都是采用功率在100~500W之間的封離型CO2激光器。波長(zhǎng)在1μm左右的半導(dǎo)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(duì)于波長(zhǎng)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(duì)波長(zhǎng)約為1μm的激光的吸收屬于體吸收。而對(duì)于CO2激光器發(fā)出的波長(zhǎng)為10.6μm的激光,由于玻璃的高吸收效率,其進(jìn)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(shù)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(yīng)力切割方式通過玻璃對(duì)激光的吸收,局部急劇升溫產(chǎn)生應(yīng)力,應(yīng)力變化產(chǎn)生裂紋從而導(dǎo)致玻璃沿著激光掃描方向開裂。在切割過程中要嚴(yán)格控制溫度的上升不能達(dá)到玻璃的軟化點(diǎn)。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(jìn)行后處理。所以現(xiàn)在玻璃的激光切割方式都是采用應(yīng)力切割。1.2玻璃切割的特性現(xiàn)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(gè)功率區(qū)間的CO2激光器技術(shù)已經(jīng)非常成熟,可以選擇的產(chǎn)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(jiǎn)單,操作方便,使用起來就象高功率燈泡一樣簡(jiǎn)單。板條放電的封離型CO2激光器有2個(gè)適于此應(yīng)用的重要特點(diǎn)。首先,這種激光器光束質(zhì)量好,聚焦特性高,可以被聚焦到很小的點(diǎn),從而顯著地提高加工效率和切割質(zhì)量;更重要的是,板條放電技術(shù)CO2激光器的輸出絕對(duì)靈活可控,輸出的脈沖能量、脈寬以及重復(fù)頻率等都可被實(shí)時(shí)控制,而不影響光束的聚焦。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)對(duì)于實(shí)際的玻璃切割來說非常重要,它意味著激光加工的參數(shù)可以根據(jù)不同種類、不同厚度的玻璃的溫度特性進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化。GSI公司的SLC150SD型DCCO2激光是專門針對(duì)玻璃切割應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。該產(chǎn)品的關(guān)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(huì)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力場(chǎng),溫度急劇變化所產(chǎn)生的應(yīng)力將使玻璃產(chǎn)生裂紋并向厚度方向擴(kuò)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(shí)現(xiàn)出色的切割邊緣,光滑而又平整。切割時(shí)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(dá)到玻璃的軟化點(diǎn)。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(duì)不同品種的玻璃進(jìn)行激光切割需要對(duì)激光器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)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(gè)因素:激光器的輸出功率、玻璃的厚度以及玻璃熱膨脹系數(shù)。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(shù)德國(guó)H2B公司采用YAG圓盤激光器制造了玻璃的激光切割設(shè)備。在該設(shè)備上采取了MLBATM(MultipleLaserBeamAbsorption)技術(shù),在玻璃下面和激光頭之間設(shè)置了反射器,使激光光束可以反復(fù)多次在玻璃體內(nèi)穿過,提高了激光的利用率。該激光切割設(shè)備可以切割平板玻璃和玻管。對(duì)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(duì)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(xiàn)有玻璃激光切割設(shè)備2.1在線激光切割玻璃德國(guó)Grenzebach公司是世界領(lǐng)先的玻璃機(jī)械制造公司,該公司開發(fā)出了世界上第1臺(tái)浮法玻璃在線激光切割設(shè)備。該公司的技術(shù)來源于一項(xiàng)名為L(zhǎng)IST(LaserInducedScoringbyTension)的研究項(xiàng)目,意為激光導(dǎo)致的應(yīng)力切割。研究之初,該公司試驗(yàn)了2種激光解決方案,一種是波長(zhǎng)約為1μm的半導(dǎo)體激光器或Nd∶YAG激光器;另一種是波長(zhǎng)為10.6μm的CO2激光器。對(duì)于波長(zhǎng)約為1μm的半導(dǎo)體激光器或Nd∶YAG激光器,激光可以透過玻璃,玻璃對(duì)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(duì)外界條件要求較高,必須把工件放在穩(wěn)定的平臺(tái)上,任何機(jī)械力、熱力或內(nèi)部的應(yīng)力都可能對(duì)切割形狀和質(zhì)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(shè)備已經(jīng)在2006年率先應(yīng)用于德國(guó)的“E-GLASS”浮法玻璃生產(chǎn)線。在浮法玻璃的生產(chǎn)過程中,玻璃液在錫槽內(nèi)的傳動(dòng)是在左右兩端拉邊機(jī)的拉邊輪的牽引和帶動(dòng)作用下完成的。拉邊輪的輪緣有一周小齒,隨著拉邊機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng),通過這些小齒對(duì)玻璃液的咬合,使得玻璃液被不斷向前推進(jìn),同時(shí)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(jīng)過退火窯冷端時(shí),需要進(jìn)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(jìn)行的。對(duì)于厚度較大的玻璃,掰邊有時(shí)并不能徹底完成,還需要經(jīng)過一道人工掰邊的工序。現(xiàn)有的機(jī)械切割和掰邊的過程中存在一些問題,如切割產(chǎn)生橫向微裂、產(chǎn)生粉末和碎片導(dǎo)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(chǎn)生安全問題;玻璃內(nèi)部產(chǎn)生不均勻應(yīng)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(xiàn)在以下幾個(gè)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(chǎn)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(qiáng)度。Grenzebach公司稱激光切割玻璃的新技術(shù)將為浮法玻璃的生產(chǎn)提供新的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。Grenzebach公司還有其它一些激光玻璃切割設(shè)備應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn),如為德國(guó)“perfecta-fenster”公司研制的切割高硼硅玻管的激光設(shè)備。應(yīng)用傳統(tǒng)工藝切割高硼硅玻管難度很大,而激光切割技術(shù)則具有很高的效益。Grenzebach公司研制的激光切割設(shè)備可以切割的高硼硅玻璃厚度范圍為2~12mm,玻管長(zhǎng)度為4000mm。2.2zwlcttm技術(shù)FononDSS公司擁有自己的專利:零寬度激光切割技術(shù)ZWLCTTM(ZeroWidthLaserCuttingTechnologyTM)。所謂的ZWLCTTM技術(shù)采用的也是CO2激光器對(duì)玻璃進(jìn)行切割,在原理上并沒有什么特別。該公司的激光切割設(shè)備主要面向平板顯示領(lǐng)域,已經(jīng)有了8代線大尺寸玻璃的激光切割設(shè)備。從圖14中可以看到,當(dāng)玻璃基板尺寸達(dá)到5代線以上時(shí),激光切割設(shè)備對(duì)傳統(tǒng)刀輪切割設(shè)備就已經(jīng)有了價(jià)格優(yōu)勢(shì)。2.3韓國(guó)esselteco。1.納米玻璃激光機(jī)2.4玻璃板熱壓m和雙組分液如圖2德國(guó)H2B公司的圓盤激光器玻璃激光切割設(shè)備原理如圖3所示。該公司的圓盤激光器玻璃激光切割機(jī)采用了MLBA(MultipleLaserBeamAbsorption)技術(shù),用戶在一個(gè)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(shí)間可節(jié)省50%。整個(gè)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(diǎn)令MLBA成為加工敏感程度較高的玻璃產(chǎn)品的理想之選,同時(shí)切邊具有高品質(zhì),不會(huì)出現(xiàn)微裂痕,大幅增加了玻璃的穩(wěn)定性,生產(chǎn)的耗損也減至最少。H2B公司的另一先進(jìn)技術(shù)是TubocutTM技術(shù),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(yùn)用,做出的切邊的質(zhì)量可媲美MLBA技術(shù)。H2B公司現(xiàn)已推出MLBACutter2000×2500設(shè)備用于玻璃切割,其具體參數(shù)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(shù)將得到應(yīng)用玻璃的激光切割技術(shù)與傳統(tǒng)的刀輪切割技術(shù)相比具有很大的優(yōu)越性。但工業(yè)領(lǐng)域?qū)μ娲鷤鹘y(tǒng)成熟工藝的新技術(shù)的接受歷來都非常慎重。雖然玻璃的激光切割現(xiàn)在已經(jīng)有了定型的工業(yè)設(shè)備,但這些設(shè)備想要推廣使用并為用戶所接受還需要一定的時(shí)間。預(yù)計(jì)玻璃的激光切割設(shè)備將會(huì)首先在平板顯示領(lǐng)域得到普