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    切割

    激光切割技術在玻璃材料中的應用

    追光行者 來源:舜宇奧來技術2024-08-05 我要評論(0 )   

    1960年5月16日,美國年輕的物理學家梅曼成功研制出人類歷史上的第一臺激光器—紅寶石激光器,它能產生頻率單一、方向高度集中的光—激光。激光是20世紀以來,繼原子能、...


     

    1960年5月16日,美國年輕的物理學家梅曼成功研制出人類歷史上的第一臺激光器—紅寶石激光器,它能產生頻率單一、方向高度集中的光—激光。激光是20世紀以來,繼原子能、計算機、半導體之后,人類的又一重大發明,被稱為“最快的刀”、“最準的尺”、“最亮的光”和“奇異的激光”。自此,激光作為一種先進的加工技術迅速發展起來,并在各個領域中得到廣泛應用。

     

     

    圖1-機械切割(金橙子科技公眾號)

     

    圖2-玻璃激光切割(建筑玻璃與工業玻璃公眾號)

     

    尤其在玻璃切割行業中,傳統的玻璃機械切割技術已逐漸不能滿足生產所需的對高效率、高質量和異形加工的要求,而具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性的激光開始受到越來越多廠家的青睞。

     

    接下來,文章將從玻璃材料的特性、激光基本參數、激光光源的種類以及玻璃激光切割的原理等內容進行具體展開,歡迎閱讀。

     

    玻璃材料的特性

     

    物理特性:玻璃的物理特性非常特別,是其能夠區別于其他材料的重要特點。首先,玻璃是一種非晶態固體,這意味著它的原子結構并不規則,不具備傳統晶體材料所具有的長程有序結構。其次,由于沒有晶體結構的限制,玻璃具備非常高的抗拉強度和抗壓強度,也具有高度的抗腐蝕性能和耐高溫性能。但由于玻璃結構是一種非晶態固體,導致玻璃并非是一個理想的能量狀態,它易于發生變形、斷裂。 

     

    圖3-晶態和非晶態固態結構(百度) 

     

    圖4-玻璃作為AR光波導襯底應用

     

    光學特性:玻璃材料的光學特性主要表現在具有高透過率、低反射率、低吸收率、低色散度及非常高的光學折射率及均勻性,這些優良特性對于制造精密光學器件非常重要,是玻璃成為優良的半導體材料的主要原因,例如在AR行業可作為光波導的基底材料。

     

    激光的基本參數

     

    這里為大家,簡單介紹下激光的一些光學和性能的評價參數。

     

    基本參數

    含義

    脈沖寬度

    簡稱“脈寬”,指單個脈沖的持續時間,單位有:微秒(us)、納秒(ns)、皮秒(ps)、飛秒(fs)等,一般指峰值高度一半時的透射峰寬度

    重復頻率

    指1秒內重復發出的脈沖個數,單位是赫茲(Hz)

    單脈沖能量

    指單個脈沖攜帶的激光能量,單位是焦耳(J)

    峰值功率

    指單個脈沖所能達到的最高功率,單位是瓦特(W)

    平均功率

    指單位時間內輸出的激光能量,是脈沖能量和重復頻率的乘積,單位是瓦特(W)

    光束質量

    (M2

    又稱光束的衍射倍率因子或質量因子,它是實際光束的束腰寬度和遠場發散角的乘積與理想光束(基模高斯光束)的束腰寬度和遠場發散角的乘積之比。M2值的大小反映了激光束的空間尺寸、聚焦能力和光學質量。當M2值越小時,表示激光束的質量越好,聚焦能力越強,光束越集中,M2的理想值為1

     

    激光光源(激光器)的種類

     

    激光器作為激光設備的核心部件,是加工光束產生的源頭,主要由工作物質、激勵能源和光學諧振腔三個部分組成。

     

    其中工作物質是激光器的核心,只有能實現能級躍遷的物質才能作為激光器的工作物質。工作物質決定了激光器能夠輻射的激光波長,它需要具備實現粒子數反轉的能力,才能讓受激輻射得以發生。

     

    激勵能源也稱為泵浦源,其作用是給工作物質以能量,即將原子從低能級激發到高能級的外界能量。能源類型有光能源、熱能源、電能源、化學能源等。

     

    圖5-光學諧振腔作用原理(百度百科)

     

    光學諧振腔通常由兩個相互平行的反射鏡組成,其中一個反射率接近100%,另一個則為部分反射,使得光子在腔內往復振蕩,不斷引起受激輻射,最終形成激光輸出。主要有三個作用,使工作物質的受激輻射連續進行;不斷給光子加速;限制激光輸出的方向。

     

    根據工作物質的物態,激光器的種類大體可分為: 

     

    激光器種類

    工作物質

    固體激光器

    金屬離子摻雜晶體(Nd:YAG、Nd:YVO4)

    氣體激光器

    氦氖、二氧化碳、氮氣、KrF、XeF等

    液體激光器

    有機熒光染料溶液、含稀土金屬離子的無機化合物溶液

    半導體激光器

    砷化鎵(GaAs)、硫化鎘(CdS)、磷化銦(InP)等

    自由電子激光器

    在空間周期變化磁場中高速運動的定向自由電子束

     

    就作業效果而言,使用相同波長相同功率的激光器,其脈寬越窄,峰值功率越高,加工效果就會越精細。激光器的能量換算遵循以下公式:

     

    公式:峰值功率(MW)= 脈沖能量(E)÷脈沖寬度(s) 

     

    例如,使用相同功率的355nm波長激光器對0.1mm厚度的不銹鋼薄片進行鉆孔。左圖是使用脈寬為3.3ns的激光器作業效果,右圖是使用200fs的激光器作業效果;對比可以看出,飛秒激光器的鉆孔作業效果明顯要好于納秒,使用飛秒激光器的孔邊界更清晰,熱影響更小,基本沒有熔渣。

     

    圖6-納秒激光鉆孔&飛秒激光鉆孔(金屬加工微信公眾號)

     

    玻璃激光切割技術的原理

     

    大體上可以分為熔融切割法和裂紋控制法。

     

    熔融切割法:利用玻璃的延展性和塑性,通過使用高能量的激光束照射到玻璃表面(一般為CO2激光束),利用高溫使玻璃融斷,同時氣流吹走熔融的玻璃碎屑,產生一道溝槽,并利用輔助的機械裝置沿著溝槽把玻璃掰斷,實現玻璃的切割分離。

     

    圖7-熔融法切割原理(《The laser as a tool》)

     

    裂紋控制法:在玻璃切割行業更為普遍,根據使用光束的不同,有不同的細分。比如,使用貝塞爾激光束切割+CO2裂片的工藝路線,其加工過程分兩步:① 制造微裂紋產生;② 引導微裂紋擴展。加工作業時,先使用具有超高功率密度的貝塞爾激光束,應用材料高溫氣化原理,使玻璃內部產生縱向納米通孔,再結合玻璃自身的硬脆特性,相鄰通孔間會自發延展出裂紋,形成表層橫向聯通裂紋;再使用非接觸式10.6um波長的CO2激光,應用玻璃對此波長光超高的表吸收特性,控制CO2激光束沿貝塞爾激光束產生的通孔軌跡掃描,使玻璃表層溫度急速升高,產生“熱漲”,以增加表層橫向聯通裂紋處的應力,從而引導表層橫向聯通裂紋縱向延展,直至玻璃斷裂分離。

     

     

    圖8-表層橫向聯通裂紋圖

     

     

    圖9-CO2玻璃裂片原理圖

     

    通過熔融切割法和裂紋控制法切割出來的玻璃產品的主要區別之一在于截面粗糙度。熔融切割出來的玻璃產品,截面呈琉璃狀,整體表現為亮面,粗糙度值<100nm;反觀,通過裂紋控制,使用貝塞爾激光束切割出的玻璃產品,因為截面改性更徹底,粗糙度值>200nm,整體表現為磨砂面。

     

    圖10-熔融法切割玻璃截面(羅悉激光公眾號)

     

    圖11-裂紋控制法切割玻璃截面(貝塞爾)

     

    玻璃激光切割技術的優勢

     

    相較于傳統的金剛石刀輪、砂輪,玻璃激光切割技術的優勢總結如下:

     

    項目

    激光切割

    傳統切割

    加工速度

    快,不受材料硬度影響

    慢,受材料硬度影響

    加工精度

    高,聚焦后的光束非常細

    中等,工具磨損會影響精度

    加工方式

    非接觸式加工,無機械應力

    接觸式加工,會產生機械應力

    邊緣質量

    邊緣平滑、無裂紋、且崩邊尺寸可控

    粗糙、存在微裂紋,需要后續研磨

    殘余應力

    較小,切割邊緣強度高

    較大,可能導致邊緣易碎裂

    異形切割

    支持,可精確切割復雜異形

    有限,僅支持大R角的曲線

    加工效率

    高,自動化程度非常高

    中等,多為半自動機臺

     

    技術展望

     

    隨著消費者市場對高精密玻璃產品需求的日益增長,尤其是在AR智能眼鏡等新興消費電子領域,激光切割技術憑借其無與倫比的精度和再現性,成為了滿足這些需求的理想解決方案。

     

    另一方面,隨著AR、VR智能設備等的不斷發展與市場落地,廠家對所用光學玻璃的成型切割與一致性方面的要求越來越高,不僅要求切割邊緣光滑,切割品質均衡,良品率高,還要求不能破壞光學玻璃表面的鍍膜。

     

    在未來,相信激光切割技術會越來越成熟,讓更多的企業和消費者受益于激光切割技術的快速發展。

     


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