激光切割的基本原理是利用激光引致的應(yīng)力使玻璃“分離”,激光束聚焦成很小的光點(diǎn),使焦點(diǎn)處達(dá)到很高的功率密度。這是光束輸入的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)被材料反射、傳導(dǎo)或擴(kuò)散的部分,材料很快加熱至汽化程度,蒸發(fā)形成孔洞。隨著光束與材料相對(duì)線性移動(dòng),使孔洞連續(xù)形成密度很窄的切縫。如圖所示,激光切割時(shí)的情景。
由于玻璃本身固有的物理性質(zhì),很難用激光對(duì)其進(jìn)行加工。當(dāng)用激光加工玻璃時(shí),必須解決幾大技術(shù)難題。首先是激光的波長(zhǎng)選擇問(wèn)題。不僅光譜的可見(jiàn)光部分可穿透大多數(shù)玻璃,而且光譜中大部分不可見(jiàn)光也可以穿透多種玻璃,從而限制了可用激光的波長(zhǎng)選擇范圍。不過(guò)實(shí)際上,在某些應(yīng)用中,這種穿透特性也是一種優(yōu)勢(shì),比如說(shuō)在“背面加工”領(lǐng)域,激光束可以穿過(guò)大塊襯底以加工遠(yuǎn)端的材料。在大多數(shù)情況下,激光波長(zhǎng)的選擇在紅外(IR)與紫外(UV)之間。迄今為止,所有激光切割都采用CO2激光,因?yàn)镃O2激光具備有較高的光吸收特性。硼硅玻璃從5000nm就開(kāi)始全面吸收CO2激光。
通過(guò)噴水的可控加熱與冷卻處理,CO2激光切割會(huì)在玻璃表面上形成微裂(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),它在形成裂縫前可立即削弱玻璃,從而形成一條光滑而筆直的裂縫。
只要仔細(xì)控制玻璃的溫度分布,采用激光加工工藝便可實(shí)現(xiàn)非常好的切割邊緣,光滑而又平整。激光加工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于,工藝過(guò)程中既不損耗材料,也不產(chǎn)生顆粒,而且切割質(zhì)量非常高。激光切割系統(tǒng)經(jīng)過(guò)精心優(yōu)化,可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的直線切割。激光切割系統(tǒng)包括100W的光束或橢圓激光加熱源(尺寸約為2mm*20mm),主軸與切割方向一致,細(xì)水霧中心間距約為18mm。這樣,表面加熱可達(dá)80℃,能以0.5m/s的速率在2mm厚的玻璃上穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)直線切割。通過(guò)聚焦光路在玻璃表面形成橢圓形的聚焦點(diǎn),橢圓的聚焦焦點(diǎn)保證了激光能量在切割線兩側(cè)均勻的和最優(yōu)化的分布。玻璃強(qiáng)烈的吸收10.6um的激光,所以幾乎所有的激光能量都被玻璃表面15um吸收層所吸收,相對(duì)玻璃表面移動(dòng)激光光點(diǎn)形成所需的切割線。選擇合適的移動(dòng)速度,保證既有足夠的激光熱量在玻璃上形成局部的應(yīng)力紋樣分布(設(shè)定的切割線),同時(shí)又不會(huì)將玻璃融化。激光切割中另一個(gè)關(guān)鍵部件是淬火氣(水)嘴,隨著激光光點(diǎn)的移動(dòng),淬火氣(水)嘴將冷空氣(水)吹到玻璃表面,對(duì)受熱區(qū)域進(jìn)行快速淬火,玻璃將沿著應(yīng)用最大的方向產(chǎn)生斷裂,從而將玻璃沿著設(shè)定的方向分離。
激光切割技術(shù)可避免側(cè)面裂縫,不僅邊緣的沖擊強(qiáng)度加強(qiáng),整體組件強(qiáng)度通常也能提高80%,從而顯著改善了部件避免加工損壞的能力。材料強(qiáng)度的提高減少了損壞與損失的可能性,也減少了由于潛在的產(chǎn)品瑕疵而過(guò)早得在現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)故障問(wèn)題。這對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)而言是一大優(yōu)勢(shì),設(shè)計(jì)者不僅可以適用更輕、更薄的材料,而且還不影響產(chǎn)品使用壽命,甚至還能延長(zhǎng)使用壽命。
選擇不同的激光功率、光點(diǎn)掃描速度等加工參數(shù),應(yīng)力引致的斷裂深度可達(dá)100um到數(shù)毫米,意味著使用激光法可一步切割深度為100um到數(shù)毫米的玻璃。這個(gè)過(guò)程依賴于熱致機(jī)械應(yīng)力,斷裂深度和切割速度與材料本身的線膨脹系數(shù)很有關(guān)系。一般說(shuō)來(lái),適用于激光法進(jìn)行切割的玻璃的線膨脹系數(shù)最小應(yīng)為3.2*10-6K-1,所幸的是,多數(shù)普通玻璃都滿足這個(gè)要求。
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