利用激光进行玻璃切割的研究

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1、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

2、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

3、，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

4、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在他的专利屮主张用聚集激光束并把玻璃预热到540-680°C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

5、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-LiangKuo和JehnmingLin171使用了一个山CO?线形激光和Nd-YA

6、G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

7、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

8、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