激光行業(yè)飛速發(fā)展，激光切割技術(shù)已經(jīng)較為成熟。目前，該技術(shù)還融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、檢測技術(shù)和材料加工技術(shù)等，成為了復(fù)合型高新技術(shù)。激光切割工藝的應(yīng)用以前多局限于金屬材料，現(xiàn)在逐步擴(kuò)展到了木材、塑料、紙張和玻璃等非金屬材料領(lǐng)域。伴隨著制造工業(yè)的發(fā)展和現(xiàn)代生產(chǎn)要求的提高，玻璃加工行業(yè)對質(zhì)量和效率的把控也變得更加嚴(yán)格。
對于行業(yè)提出的一些新工藝需求，傳統(tǒng)機(jī)械鉆孔工藝已經(jīng)無法滿足。例如太陽能背板玻璃的鉆孔加工、手機(jī)蓋板玻璃的鉆孔與切割、顯示玻璃的鉆孔與切割、石英玻璃與鍍膜玻璃的精密加工、超薄玻璃的精密鉆孔與異形切割、微孔加工。激光鉆孔因其高精度、高速度、高質(zhì)量、高效率等獨(dú)特優(yōu)勢成為玻璃鉆孔的首選設(shè)備，在玻璃加工行業(yè)具有十分廣闊的應(yīng)用前景。
圖1：玻璃中形成的微裂紋連接成線
532nm波長納秒激光器玻璃切割
與傳統(tǒng)機(jī)械切割工具不同，激光束的能量以一種非接觸的方式對玻璃進(jìn)行切割。激光切割玻璃的方法從原理上可以分為兩種，熔融切割法和裂紋控制法。但當(dāng)玻璃厚度超過1mm時，兩種工藝方法都很難做到一步切割，加工玻璃時容易出現(xiàn)爆裂。
圖2：玻璃切割順序自下而上
因此，基于532nm波長納秒激光器的玻璃切割集中致力于如何優(yōu)化應(yīng)用工藝方法，降低玻璃崩邊率，提高玻璃成品率，實(shí)現(xiàn)高效切割。
本次實(shí)驗(yàn)采用的是532nm波長40W綠光激光器。針對玻璃材質(zhì)，實(shí)驗(yàn)人員采用了微裂紋掃描切割法，通過短脈沖激光聚焦后從玻璃下表面逐層掃描至上表面。玻璃內(nèi)部在高能量密度激光的作用下形成微裂紋連接成線，最終實(shí)現(xiàn)玻璃激光切割，如圖1所示。
由于玻璃微裂后會有細(xì)小粉塵碎渣，如果由上向下進(jìn)行切割，粉塵碎渣會積累在縫隙中影響能量的散發(fā)，玻璃就會碎裂、爆裂。得益于玻璃本身優(yōu)異的透光性，可將光斑聚焦在玻璃下表面，自下而上進(jìn)行層層切割，切割位置下方放置抽風(fēng)機(jī)。在重力和吸力的作用下，玻璃碎渣和粉塵可以正常掉落，不影響玻璃切割，如圖2所示。
圖3：過線（螺旋線）切割示例
多線切割
保證粉塵碎渣順利被抽出，僅僅從下向上切割是不夠的。本實(shí)驗(yàn)使用的激光器單線切割線寬不到100μm，需要多線切割增加縫寬形成足夠抽出粉塵的通道，每一層的線圈間距由激光器功率和玻璃厚度作出相應(yīng)調(diào)整。同時，部分文獻(xiàn)表明由內(nèi)到外或由外到內(nèi)，以及多線間距的優(yōu)化會有效減少外邊緣的崩邊大小。多線也包含平行線和或螺旋線，本次實(shí)驗(yàn)使用螺旋線作為示例，如圖3所示。
圖4：加工參數(shù)設(shè)置不當(dāng)導(dǎo)致殘品
加工參數(shù)優(yōu)化
主要影響切割效果的參數(shù)有標(biāo)刻速度、開光延時、關(guān)光延時、拐點(diǎn)延時、激光頻率、激光脈寬、激光能量占空比、螺旋線的半徑、螺旋線間距和深雕層高。以標(biāo)刻速度為例，參數(shù)本身直接影響切割效率，如果速度過快會導(dǎo)致單點(diǎn)深度不足，沒能從下往上有效切割，內(nèi)部熱量堆積，玻璃就會爆裂；反之，如果速度過慢，能量堆積會導(dǎo)致粉塵未掉落時被重新融化，同樣會導(dǎo)致玻璃爆裂等，如圖4所示。
圖5：實(shí)驗(yàn)設(shè)備
實(shí)驗(yàn)過程
本實(shí)驗(yàn)采用菲鐳泰克公司的E15-G動態(tài)聚焦振鏡系統(tǒng)，標(biāo)刻精度高，高速標(biāo)刻下變形量小，標(biāo)配XY2-100通用協(xié)議，接口開放，可兼容市面上絕大多數(shù)控制卡；采用數(shù)字脈寬調(diào)制驅(qū)動技術(shù)，響應(yīng)速度快、溫漂小，可以滿足此次實(shí)驗(yàn)要求。同時，實(shí)驗(yàn)人員還搭配使用華日40W綠光固態(tài)激光器，可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)圓孔或異形玻璃的打孔切割。相對于傳統(tǒng)的機(jī)械切割而言，這套設(shè)備加工效率高、維護(hù)成本低、熱影響小。實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖5所示。
圖 6：實(shí)驗(yàn)軟件界面
圖 7：軟件參數(shù)設(shè)置界面
實(shí)驗(yàn)軟件介紹
本次實(shí)驗(yàn)用的是LenMark_3DS標(biāo)刻軟件，是一款專門為激光標(biāo)刻設(shè)計(jì)的應(yīng)用軟件，具有圖形編輯和多種標(biāo)刻功能，與Lenmark_Driver控制卡及掃描振鏡配合使用，能滿足各種高精度、高速激光加工的要求。軟件主界面如圖6所示。
用戶可以自由設(shè)定標(biāo)刻速度、開光延時、關(guān)光延時、拐點(diǎn)延時、激光頻率、激光脈寬、激光能量等參數(shù)。軟件內(nèi)還可以設(shè)置Z向深度，這就決定了玻璃切割的厚度。配合163的場鏡，焦深一般設(shè)置在±4mm，可以切割8mm左右的玻璃。具體設(shè)置如圖7所示。
圖 8：實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)
實(shí)驗(yàn)參數(shù)及結(jié)論
本實(shí)驗(yàn)采用2mm鍍膜玻璃和5mm白玻璃。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，標(biāo)刻速度、延時、頻率等參數(shù)影響激光單點(diǎn)脈沖是否能將裂縫連成一條線。同時能量大小影響切割效率，能量大一些，標(biāo)刻速度就可以快一些。但當(dāng)能量增大時，激光掃過的區(qū)域熱影響效應(yīng)將更明顯，崩邊碎裂會更大。因此，對于加工商來說，就是效率與邊緣質(zhì)量的權(quán)衡問題。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果足以證明，無論是光滑曲線還是折角直線，激光切割都能連續(xù)精準(zhǔn)地完成目標(biāo)切割，崩邊量<150μm，單雙層涂層也能輕松剝除。相信隨著人們對激光技術(shù)的認(rèn)識更深入一個層次，激光技術(shù)會在加工領(lǐng)域大放光彩。
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