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利用激光进行玻璃切割的研究一引言玻璃作为一种脆性材料，质地均匀、透明度好、表而光滑、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來，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牛，対玻璃制品切割质量的要求越來越高玻璃的 应用已经非常广泛，而切割玻璃又是其中比较关键的技术，由于激光激光束具有高亮度、高 方向性、高单色性和高相干性，利用激光来切割玻璃相对传统方法具有无可比拟的优势，因 此，激光在玻璃切割中将会扮演非常重要的角色二激光切割玻璃的主要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就是利用玻璃处在软化的温度下具有较好的塑性和延展性，用聚焦的C02 激光或者紫外激光照射到软化的玻璃表面，激光具冇的较高的能量密度会导致玻璃融化，然 后用气流吹走熔融的玻璃，产生沟槽，从而实现玻璃的熔融切割，如图2-1所示⑴融化层林如图2-1熔融切割法的切割原理图裂纹控制法切割玻璃是玻璃工业上的-•种常用的激光切割方法，这种方法进行玻璃切割的原理如图2-2第一步，对玻璃表面进行激光加热，较高的能量会使该处的温度急剧升高,衣面产生较大的压应力，但该压应力不会使玻璃产牛•破裂；第二步，对该区域进行急剧的冷 却，一般采用冷却气体或者冷却液，急剧的降温会使玻璃表面产牛较大的温度梯度和较大的 拉应力，这个拉应力会使玻璃表面沿着预定划线的方向开始破裂，实现玻璃的切割山。

第一步 激光加热激光加热第二步 冷却图2-2裂纹控制法的切割原理图三 激光切割玻璃的国内外发展情况rti于激光激光束具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性，激光在其产牛ZFI起就 被各行业给予较大期望，用于切割的激光方面的研究也比较早，激光切割玻璃的工艺经历了 熔融法、裂纹控制法的研究发展，经历了单光束到多光束的发展，下面简单介绍一下熔融切割法提出比较早，上世纪60年代Hafner121釆用几个固处的激光束以一处的角度 入射到预热玻璃上，熔化玻璃，然后用辅助气流嘴吹走粘在热玻璃上的熔融玻璃从而产生斜 切口，但切口比较粗糙Chui⑶在他的专利中主张用聚集激光束并把玻璃预热到540-680C范围内的办法來切割板材玻璃，并详细介绍了熔融玻璃条的切割情况，他发现，用CO?激光器切割处于这个温 度范闌内的玻璃町以避免裂纹的产生，这种方案对功率的耍求比较高，若要提高切割速度, 应该增人激光器的功率，但是要切厚玻璃，功率就得按厚度的平方增加后來Finaueane和Blaek⑷用一台600w的CO ?激光器和一台MF400CNC激光器切割机对彩色玻璃进行了切割，研究了激光参数对切割质量的影响据发现，250W的脉冲激光器可 以提供最佳的综合结果，切割速度可达6mm/so在19世纪70年代，Lumley151等人率先提出了应用激光诱导张应力控制裂纹扩展技 术分离脆性材料的思想。

他们利用CO?激光作用区山于快速加热和冷却而产牛•的张应力， 成功地用30W激光器以20mm/s的速度切割了一个厚度为1mm的显微幻灯片1997年，Kondrateko161^人通过在激光照射后对材料表面喷射冷水加以急速冷却，以 达到加快裂纹扩展速度、改善切割质量的目的，进一步改进了切割工艺2007年，台湾的Yen-Liang Kuo和Jehnming Lin171使用了一个山CO?线形激光和Nd-YAG脉冲激光构成的多束激光系统来切割钠钙玻璃板先用CO?线形激光预热玻璃板然 后用Nd-YAG脉冲激光加热在玻璃板上产生混介应力状态通过分析玻璃板被切割的应力分 布并用冇限元法进行热弹性分析得出结果：裂纹区的应力场由复杂的应力状态所导致并ft裂 缝的状态受脉冲激光的影响很大通过使用脉冲激光照射玻璃板在切割方向形成大的剪切应 力可以得到好的切割质量在国内，也冇一些大学和研究机构进行了裂纹控制法切割的研究，2006年，华中科技 大学的许国良、李迎霞⑻等人采用双光束CO?激光的玻璃切割技术对平板显示器进行了切 割（如图3-1）,分析了产牛较大热应力的区域，建立了玻璃的激光切割数学模型，并对单、 双光束激光的玻璃切割过程进行了热应力数值模拟。

最厉得出结论，采用双光束CO?激光切 割方法使热影响区的温度场更加均匀，温度梯度减小，应力减小，从而可以避免产生不可控 裂纹2009年哈尔滨工业大学的王杨、蔡娜⑼等利用YAG激光进行了控制裂纹法的玻璃切割, YAG激光切割的玻璃切口平直光滑、无碎們毛刺、无显微裂纹，质量明显好于机械法和金刚 石砂轮切割得到的切口质量，虽然提出了 YAG激光切割过程中的两种轨迹偏移，得出了产 生轨迹偏移的原因并提出了相应的改善方式，但还没冇找到消除轨迹偏移的具体扌酋施四激光切割玻璃存在的主要问题対于熔融法來说，其主耍缺陷在丁如果不能很好的控制玻璃的温度就会在切口断血形成 热裂纹，使材料强度大大降低，表1侨容易冇熔渣残留，并巳由于激光烧蚀作用产生的重凝物 会污染基片就目前來看，裂纹控制法主要分为基于CO2激光的切割和基于YAG激光的切割，二者的 激光吸收机制不同，玻璃对CO?激光的吸收是表面吸收，波长为10.6 um的CO?激光易在 玻璃表而被全部吸收因此，利用CO?激光切割玻璃时，裂纹从表而开始扩展，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，主要用来切割直线型或 曲率半径较大的玻璃材料。

而波长为1064 nm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町 得到更好的切割质量，而口还可切割多层玻璃、夹层玻璃和玻璃管，此种方法也不能进行 曲率较小图形的切割，其最大缺陷是效率低下，由于玻璃对YAG激光的吸收不到10%,所以 切割时需要的功率相对就比较人，并且切割速度也非常慢，与一•般CO?激光切割相比，其切 割速度不到10min/s,而C02激光切割速度一般都在200mm/s以上〔⑼五本人的研究情况本人课题研究的一部分是利用紫外激光进行薄玻璃的切割，下面做一下简单介绍紫外激光相对于其他激光具有光斑小（10-50期）、光束质量好等优点，在精细加工中具 有一定的优势，我们实验室现有的美国OPTOWAVE （光波）公司的AWave355系列355nm三倍频 全固态调Q紫外激光器，具有波长短、玻璃的吸收高、光束冑径小等优点，非常适合较薄玻 璃板的熔融法切割，目前本人利用此台激光器进行了 1価以下的曲玻璃的切割实验，切割结 果主要受激光功率、加工速度、激光频率、光斑大小的影响，以0.5nun厚的普通玻璃的切割 为例,本人找到的最佳切割参数为功率6W,速度100mm/s、频率lOOKhz、光斑直径0.01mm。

在此参数下得到的结果相对较好，边缘的微裂纹较少，切口较平滑，为进一步减少微裂纹的 产生，本人设计了利用加热板将玻璃加热到一定温度再进行切割的方案，加热后玻璃整体温度升高，应力减小，利用熔融法切割，本人试验得到的结果较加热前有相当的改善参考文献IU 焦俊科，王新兵，李又平.激光切割玻璃的研究进展.玻璃.2007(4)[2] W. Hafner, Method of working glass with absorbent by a laser beam [P]・ USP(1965):3453097.⑶ Granger K . Chui. Method cutting glass with a laser [P) .USP( 1975):3885943.[4] M.A..Finucane, L.Black CO9 laser cutting of stained glass [J]・ The International Journal of Advanced Manufae-turning technology. 1996, 12(1):47一59.[51 R. M. Lumley・ Controlled Separation of Brittle Materials Using a Laser,Ceramic Bulletin. 1969,48: 850-854.[6J V. S・ Kondratenko. Method of Splitting Non-metallic Materials. 1997, USPatent:5,609,284.[7] Yen-Liang Kuo, Jehnming Lin. Laser Cleaving on Glass Sheets with Multiple Laser Beams. Optics and Laser in Engineering. 2008,46: 388〜395[8] 许国肚，李迎霞等.采用双光束CO激光的玻璃切割过程数值模拟.华中科技大学学报. 2007, 35 (01)： 88-90[9] Na Cai, Lijun Yang, Yang Wang, Zhongguo Tian. The Experimental Research of YAG Laser Cutting Soda-lime Glass Sheets with Controlled Fracture・ The 10lh Conference on Machining & Advanced Manufacturing Technology・ 2009 ・110]杨立军等：应用裂纹控制法的钠钙玻璃YAG激光切割技术.红外与激光工程201039 (3) •。