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基于532nm波長激光的玻璃切割工藝分享
材料來源:菲鐳泰克激光          

一、背景介紹

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)合型的高新技術(shù),激光切割以前多局限于金屬材料,現(xiàn)在也逐步擴(kuò)展到了木材、塑料、紙張和玻璃等非金屬材料領(lǐng)域。

     電子顯示設(shè)備的快速發(fā)展,等離子顯示器、液晶顯示器等電子顯示設(shè)備被廣泛應(yīng)用于電視機(jī)、電腦、監(jiān)視器、手機(jī)等電子產(chǎn)品,在這些電子產(chǎn)品的顯示制作過程中,需要對(duì)玻璃進(jìn)行切割分片以及對(duì)顯示器基板進(jìn)行切割加工,這對(duì)傳統(tǒng)的玻璃切割技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。

     激光玻璃切割因其高精度、高速度、高質(zhì)量、高效率等獨(dú)特優(yōu)勢成為玻璃切割的寵兒和熱點(diǎn),激光切割在玻璃行業(yè)具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

二、激光切割原理介紹

2.1  激光切割玻璃的工藝簡介

     與傳統(tǒng)的機(jī)械切割工具不同,激光束的能量以一種非接觸的方式對(duì)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。但是當(dāng)玻璃的厚度超過1mm時(shí),這兩種工藝方法很難做到一步切割,加工時(shí)玻璃容易爆裂。

        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。

     2.2  基于532nm波長納秒激光器的玻璃切割工藝介紹

     本次實(shí)驗(yàn)采用532nm波長的40W綠光激光器。針對(duì)玻璃這種材質(zhì),采用微裂紋掃描切割法,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作用下形成的微裂紋連接成線,最終實(shí)現(xiàn)玻璃激光切割。如下圖2-1所示。

圖2-1 40倍下微裂紋連成的線

2.2.1  由下向上的切割順序 

       由于玻璃微裂后會(huì)有細(xì)小粉塵碎渣,如果由上向下進(jìn)行切割,粉塵碎渣會(huì)積累在縫隙中,影響能量的散發(fā),玻璃就會(huì)碎裂、爆裂。

       得益于玻璃本身優(yōu)異的透光性,可以透過玻璃。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。如下圖2-2所示。

圖2-2 由下向上的切割順序

2.2.2  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做相應(yīng)調(diào)整。同時(shí),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(huì)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,本次使用螺旋線作為示例。如下圖2-3所示。

圖2-3 螺旋線

2.2.3  加工參數(shù)優(yōu)化

       主要影響切割效果的參數(shù)是:標(biāo)刻速度、開光延時(shí)、關(guān)光延時(shí)、拐點(diǎn)延時(shí)、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,也會(huì)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(huì)爆裂;反之,如果速度過慢,能量堆積會(huì)導(dǎo)致粉塵未掉落時(shí)被重新融化,同樣會(huì)導(dǎo)致玻璃爆裂等。如下圖2-4所示。

圖2-4 參數(shù)不對(duì)導(dǎo)致爆裂的玻璃

三、實(shí)驗(yàn)過程

3.1  實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡介

     本實(shí)驗(yàn)采用菲鐳泰克公司的E15-G動(dòng)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(dòng)技術(shù),響應(yīng)速度快、溫漂小,可以滿足此次實(shí)驗(yàn)要求。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(duì)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。設(shè)備如下圖所示。

3.2  實(shí)驗(yàn)軟件介紹

     本次實(shí)驗(yàn)使用的是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,集強(qiáng)大的圖形編輯和多種標(biāo)刻功能于一體,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。軟件主界面如下圖3-1所示。

圖3-1 Lenmark_3DS主界面

     用戶可以自由設(shè)定標(biāo)刻速度、開光延時(shí)、關(guān)光延時(shí)、拐點(diǎn)延時(shí)、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,這就決定了我們能切割多厚的玻璃。配合163的場鏡,我們的焦深一般設(shè)置在±4mm,可以切割8mm左右的玻璃。如圖3-2所示,

圖3-2 標(biāo)刻參數(shù)設(shè)置

3.3  實(shí)驗(yàn)參數(shù)及效果

     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(shí)、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(shí)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。但是,當(dāng)能量增大時(shí),激光掃過的區(qū)域熱影響效應(yīng)將更明顯,崩邊碎裂會(huì)更大。在此就有效率與邊緣質(zhì)量的一個(gè)權(quán)衡。

      實(shí)驗(yàn)結(jié)果也足以證明,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)的完成目標(biāo)切割,崩邊量<150μm,單雙層涂層也能輕松剝除。

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