侵权投诉
订阅
纠错
加入自媒体

用CO2激光实现无缝玻璃切割

2008-02-03 10:01
安娜PARKER
关注

  作者:Mohammed Naeem,GSI 集团激光事务部

    玻璃的激光切割技术早已不是什么新技术,各种研究机构都实现了出色的切割效果。GSI集团激光事业部在用 CO2 激光束实现无缝可控玻璃切割,以及其他易碎性材料的直线切割方面,已经获得数项专利。激光束玻璃切割采用可控玻璃开裂技术,并将加热与冷却相结合,不仅能实现高质量的切割边缘,还能尽可能地减少微裂问题。无缝激光玻璃切割步骤包括:
 用激光束加热玻璃表面;
 玻璃表层的压缩应力加大,但不损坏其表面;
 用冷却剂冷却切割线表面;
 温度的骤然变化使玻璃表面产生较高的张应力;
 最终在玻璃板上形成初裂。 

    目前,玻璃的种类繁多,而且其应用也非常广泛[1],小到几微米的小型光学过滤器、笔记本电脑平板显示器所的 19 英寸玻璃衬底,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,玻璃的应用五花八门。玻璃产业可分为五个不同领域,见表1。 

    最常见的玻璃类型为钠钙玻璃,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。 

    不管应用在哪里,随着设备越来越小型化,对激光玻璃切割的需求也越来越多,因为传统工艺已经很难满足微裂及边缘质量方面的要求。平板电视、笔记本电脑以及便携式电话快速发展,这些产品中的 LCD 和 PDP 需求也在快速增长。采用传统工艺时,切割边缘需要进行大量的打磨和抛光处理,这样才能去除边缘的不平整问题。激光玻璃切割采用可控玻璃开裂技术,并将加热与冷却相结合,不仅能实现高质量的切割边缘,而且还尽可能减少了微裂问题。通过使用激光技术,无需额外的边缘加工技术就能去除微裂,不仅提高了工作效率,而且改进了边缘加工质量,从而带来了可观的经济优势。此外,省略打磨和抛光工艺后,制造成本也可降低 75% 左右。


表1:玻璃类型
 


    玻璃切割介绍 
    过去,由于玻璃本身固有的物理性质,很难用激光对其进行加工。当用激光加工玻璃时,必须解决几大技术难题。首先是激光的波长选择问题。不仅光谱的可见光部分可穿透大多数玻璃,而且光谱中大部分不可见光也可穿透多种玻璃,从而限制了可用激光的波长选择范围。不过实际上,在某些应用中,这种穿透特性也是一种优势,比方说在“背面加工”领域,激光束可以穿过大块衬底以加工远端的材料。在大多数情况下,激光波长的选择在红外(IR) 与紫外(UV)之间。迄今为止,所有激光切割都采用 CO2 激光,因为CO2 激光具备较高的光吸收特性。硼硅玻璃从 5000nm (5?m) 就开始全面吸收CO2 激光。
通过CO2激光和喷水的可控加热与冷却处理,CO2 激光切割会在玻璃表面上形成微裂(约为玻璃板厚度的六分之一)[2]。加热源和冷却源的存在会产生一个应力场,它在形成裂缝前可立即削弱玻璃,从而形成一条光滑而笔直的裂缝(见图1)。

 
图1:辅助式CO2玻璃切割示意图 


    只要仔细控制玻璃的温度分布图,采用激光加工工艺便可实现出色的切割边缘,光滑而又平整。激光加工技术的优势在于,工艺过程中既不损耗材料,也不产生颗粒,而且切割质量非常高(见图2)。激光切割系统经过精心优化,可实现稳定的直线切割。激光切割系统包括100W的光束或椭圆激光加热源(尺寸约为2mm×20mm),主轴与切割方向一致,细水雾中心间距约为18mm。这样,表面加热可达80oC,能以0.5m/s的速率在 2mm 厚的玻璃上稳定地实现直线切割。

    激光切割技术可避免侧面裂缝,不仅边缘的冲击强度加强,整体组件强度通常也能提高 80%,从而显著改善了部件避免加工损坏的能力。材料强度的提高减少了损坏与损失的可能性,也减少了由于潜在的产品瑕疵而过早的在现场出现故障的问题。这对产品设计而言是一大优势,设计者不仅可以使用更轻、更薄的材料,而且还不影响产品使用寿命,甚至还能延长使用寿命。


    激光玻璃切割系统 

    平均功率为 100~500W(取决于玻璃的厚度)的 CO2 激光系统非常适用于无缝切割应用。GSI的DC CO2激光产品系列的新成员 SLC150SD 激光系统,专门针对玻璃切割应用而设计。该产品的关键特性在于,能生成近似高顶礼帽 (top-hat)式的输出模式图,且稳定性很好。这种激光系统基于现有的、经过验证的 SLC200S 激光器,其独特之处在于将激光管的输出与不同模式相结合,从而产生所需的加工激光束。 

    假设一个激光管为环形 (donut) 模式,另一个为低功率的高斯模式。两个激光管为正交极性,相结合则会产生稳定可控的激光束,具备有效的随机极性,类似高顶礼帽模式(见图 3)。 
    
    在这种模式下,激光功率通常为180W,而标称的功率为 150W。这种CO2激光系统具有很高的效率,有助于降低生产成本,而且采用密封形式,几乎不需要太多的维护。这种类型的激光系统通常采用激光管制造商提供的专用高电压、低电流电源供电。

 

    小结 
    激光无缝切割技术超越了传统的玻璃切割/分离技术,通过适当结合加热和冷却工艺,激光束可在玻璃上精确加热一条直线,随后再喷射冷气或气/液混合物加以冷却。这种热诱张力会产生精确的玻璃裂隙,从而实现高质量的切割边缘。这种工艺的主要优势在于:

 精度高;
 不产生微裂、破碎或碎片问题;
 玻璃的边缘抗破裂性极高;
 玻璃边缘也保持了光学性能;
 无需冲洗、打磨、抛光,从而降低了制造成本;
 可在洁净室中进行操作;
 不会造成材料损耗。


图2切割边缘质量比较 
 
 
 
图3激光玻璃切割系统(SLC150SD)与典型的激光束图形

参考文献
1. Hermanns, C., Laser separation of flat glass, Proceeding of the Third International WLT- Conference on Lasers in Manufacturing 2005, Munich, June 2205, pp 805- 807
2. KONDRATENKO, V.S., 1977, Method of splitting non-metallic materials, in U S Patent 5,609,284, Fornon Technology Ltd.
3. PTG Europe (Fonon Group), PTG Europe GmbH P/O Box 25A-1184 Vienna, Austria

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

发表评论

0条评论,0人参与

请输入评论内容...

请输入评论/评论长度6~500个字

您提交的评论过于频繁,请输入验证码继续

暂无评论

暂无评论

文章纠错
x
*文字标题:
*纠错内容:
联系邮箱:
*验 证 码:

粤公网安备 44030502002758号