运用裂痕管理法德金属玻璃激光切割工艺

运用裂痕管理法德金属玻璃激光切割工艺 文章来源：中国切割机网

　
　　引言　玻璃作为一种脆性材料，质地均匀、透明度好、表面光滑、耐腐蚀，因此，在科学研究与工农业生产中得到了广泛的应用。尤其是近年来，随着IT产业的迅速发展，液晶显示器和等离子体显示器等高科技电子产品应运而生，对玻璃制品切割质量的要求越来越高。
　　传统的方法是先用金刚石或硬金属轮在玻璃表面划线，然后用机械的方法折断，容易导致切削粉末的飞溅、切割边缘不规则、微裂纹的产生甚至玻璃的破碎，切割边表面质量很差，常需二次加工，并且可能影响玻璃的强度和功能。而用激光切割玻璃则能避免这些问题，同时还具有切缝窄、割缝边缘垂直度好、切割面光滑无毛刺、热影响区小等优点。
　　1激光切割玻璃的原理激光切割玻璃的方法从原理上可以分为两种：一种是熔融（蒸发）切割法，另一种是裂纹控制法。熔融切割法的切割效果较差，极易在切口断面形成热裂纹，使材料强度大大降低，并且由于激光烧蚀作用产生的重凝物会污染基片。而裂纹控制法具有切缝平直、无碎屑、无显微裂纹等优点。
　　应用裂纹控制法的玻璃激光切割是利用激光加热玻璃表面，使被加热处的温度急剧升高，在玻璃内产生较大的压应力，随着激光的移动，被加热处的玻璃在空气对流下冷却，产生残余拉应力，如果该应力超过了玻璃的断裂强度，裂纹就扩展进而达到断裂。
　　该应力为：σf2Eγfπc姨（1）式中：γf为材料断裂表面能；E为弹性模量；c为裂纹长度。
　　玻璃对激光的吸收有两种典型形式：一种是表面吸收形式，另一种是体吸收形式。从图1可以看出：当波长在5μm以上时，玻璃对光的吸收率非常高，波长为10.6μm的CO2激光易在玻璃表面被全部吸收。
　　因此，利用CO2激光切割玻璃时，裂纹从表面开始扩展，切口质量差，切割玻璃的厚度有限，且不能切割多层玻璃，切割时裂纹不好控制。而波长为1064nm的YAG激光可穿透玻璃，玻璃对激光能量的吸收是体吸收形式，玻璃的开裂是均匀通透的，基于体吸收的YAG激光切割玻璃方法不仅可得到更好的切割质量，而且还可切割多层玻璃、夹层玻璃和玻璃管，一次完成切割，无需二次加工，同时除了进行直线切割还可以划出任意的曲线。
　　2试验装置与方法2.1试验装置使用国产连续Nd：YAG激光器，波长1064nm，光纤输出大功率300W，激光焦斑直径0.6mm.利用2400倍光学显微镜和扫描电镜观察试件。平板钠钙玻璃尺寸为70mm×50mm×2.5mm，试验装置如2.2试验方法激光功率、激光扫描速度和激光光斑大小是影响玻璃切割质量主要的3个因素。通过固定光斑直径、激光扫描速度，改变激光功率的单因素试验方法，确定不同光斑直径和扫描速度时佳切割质量所需的激光功率。根据试验结果分析了3个参数对切割质量的影响以及它们之间的联系，33试验结果及分析3.1激光切割与机械法切割玻璃切口质量的对比可以看出：利用YAG激光切割钠钙玻璃得到的切口切缝平直、无碎屑、无显微裂纹，而用机械法切割钠钙玻璃板得到的切口有明显的碎屑且切缝不平直，其表面还存在压溃层，压溃层中存在崩碎的碎屑，严重影响了切割质量。由切口表面粗糙度可知，YAG激光切割的玻璃表面粗糙度为2.9nm；机械划切法切割的玻璃表面粗糙度为26.5nm，可见YAG激光切割方法比机械划切法具有明显的质量优势。
　　3.2激光参数对切割质量的影响3.2.1激光功率对切割质量的影响对于一定的光斑大小和切割速度，总存在佳的激光功率值使得裂纹扩展稳定，得到的玻璃切口平直，质量好。而低于此值，玻璃不开裂或开始不开裂，只在玻璃末端沿激光扫过轨迹突然爆裂开一条短裂纹，且此裂纹不平直（如图5所示）。高于此值，玻璃上下表面先出现裂纹，中间再开裂，从而导致切口呈凹凸状，并且能量越大，切口质量越差，甚至出现玻璃以一定的动能爆裂开，切口产生玻璃碎屑的现象。其原因总结为当激光功率过低时，玻璃吸收的激光能量所产生的残余拉应力小于裂纹扩展的断裂强度，因此，裂纹不沿激光轨迹扩展；而当激光功率过高时，玻璃内部的温度场温度很高，玻璃上下表面由于直接接触空气，在自然对流条件下迅速冷却，产生足够大的拉应力使裂纹扩展，而中间部分由于冷却较慢，产生拉应力较慢，故裂纹扩展滞后于上下表面，如此不均匀的开裂导致玻璃切口质量低下。
　　3.2.2激光扫描速度对切割质量的影响激光扫描速度越高，切割玻璃所需要的激光功率就越高，且近似呈线性比例关系。但不能通过增加激光功率无限制地提高激光扫描速度，因为当激光扫描速度增加到一定值以后，裂纹扩展速度不稳定，从而导致切口质量降低。试验中发现：当激光扫描速度增加到15mm/s后，裂纹突然加速扩展，导致玻璃切口凹凸不平，质量比较差。
　　3.2.3激光光斑大小对切割质量的影响激光光斑越大，切割玻璃所需要的激光功率就越高。通常，切割玻璃选用较大的光斑来降低温度场从而减少玻璃的烧蚀熔融，实现基于裂纹控制法的玻璃激光切割。试验中发现：当激光光斑直径小于1.0mm时，会产生熔融切割；当大于1.0mm时，可以实现基于裂纹控制法的玻璃激光切割，且明显可见玻璃切口上下表面无烧蚀熔融现象，质量很好.
　　（a）上表面（b）下表面（a）Uppersurface（b）Lowersurface3.2.4佳切割参数通过调节激光功率、扫描速度、光斑大小等参数可得到YAG激光切割平板钠钙玻璃的佳切割参数（如图7所示）。激光功率随激光扫描速度基本呈线性比例增加，随着激光光斑直径的增大，曲线的斜率也增大。
　　3.3多层玻璃、玻璃管和曲线轨迹切割YAG激光可以用于切割多层玻璃和夹层玻璃量比上层玻璃的好，这是由于下层玻璃比上层玻璃吸收的激光能量小，不产生烧蚀熔融现象。此外，YAG激光还可以切割曲线和管状玻璃，且切割质量都很好。
　　4结论（1）玻璃对YAG激光是体吸收形式，在玻璃的整个厚度裂纹通透开裂，YAG激光切割玻璃切口平直、光滑、无毛刺与微裂纹。激光功率、激光光斑大小和激光扫描速度是影响切割质量的重要参数。
　　（2）对于一定的光斑大小和切割速度，总存在佳的激光功率值使得裂纹扩展稳定，得到的玻璃切口平直，质量好。激光扫描速度存在上限，当扫描速度过高，就会导致裂纹的不稳定扩展，从而影响切割质量。通过选择较大的光斑可以使得切口上下表面质量都得到提高。
　　（3）为保证佳切割质量，激光功率应随激光扫描速度和光斑大小的增大而增大。相对一定的激光扫描速度和光斑大小，总存在佳的激光功率值使玻璃切口质量佳。
　　　
　

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