激光切割機(jī)的玻璃切割優(yōu)勢(shì)
激光機(jī)切割機(jī)應(yīng)用于切割和焊接薄金屬板已有30年了，通過(guò)聚焦光束局部地加熱材料。這種方法靈活性好，經(jīng)濟(jì)效益高，在很多工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域大放異彩。其實(shí)玻璃有比金屬更低的熱傳導(dǎo)，所以激光機(jī)應(yīng)該可以順理成章地應(yīng)用于玻璃的切割。事實(shí)上，一些公司早在70年代即開(kāi)始發(fā)展成套系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)使用的是千瓦輸出功率水平的CO2激光器。但是，因?yàn)楣β仕礁撸瑢?duì)玻璃造成不容忽視的熱影響，以致融化局部材料，所以當(dāng)時(shí)的激光機(jī)切割技術(shù)難以保證整齊、平滑的切割邊緣，在許多應(yīng)用場(chǎng)合中，仍然需要打磨切割邊緣。近來(lái)，一些工程人員和學(xué)者發(fā)現(xiàn)了應(yīng)用較低功率的激光器使玻璃分離，同時(shí)不對(duì)玻璃造成融化等熱影響的玻璃切割方法。這種方法說(shuō)來(lái)復(fù)雜，涉及細(xì)節(jié)技術(shù)很多，其基本原理是利用激光引致的應(yīng)力使玻璃"分離"。期間，得益于封離型CO2激光器技術(shù)的發(fā)展和成熟，激光機(jī)切割玻璃技術(shù)更顯得經(jīng)濟(jì)、實(shí)用。在我們的研究中，使用平均輸出功率為150W的CO2激光器(Coherent公司的K-150型)，通過(guò)聚焦光路在玻璃表面形成橢圓型的聚焦點(diǎn)，橢圓的聚焦焦點(diǎn)保證了激光機(jī)能量在切割線兩側(cè)的均勻的和 優(yōu)化的分布。玻璃強(qiáng)烈地吸收10.6微米的激光，所以幾乎所有的激光能量都被玻璃表面15微米吸收層所吸收，相對(duì)玻璃表面移動(dòng)激光光點(diǎn)形成所需的切割線。選擇合適的移動(dòng)速度，保證既有足夠的激光熱量在玻璃上形成局部的應(yīng)力紋樣分布(設(shè)定的切割線)，同時(shí)又不會(huì)將玻璃融化。 選擇不同的激光機(jī)功率、光點(diǎn)掃描速度等加工參數(shù)，應(yīng)力引致的斷裂深度可達(dá)100微米到數(shù)毫米，意味著使用激光法可一步切割深度為100微米到數(shù)毫米的玻璃。因?yàn)檫@個(gè)過(guò)程依賴于熱致機(jī)械應(yīng)力，斷裂深度和切割速度與材料本身的膨脹系數(shù)很有關(guān)系。一般說(shuō)來(lái)，適用于激光法進(jìn)行切割的玻璃的膨脹系數(shù) 小應(yīng)為3.2x10-6K-1，所幸的是，多數(shù)普通玻璃都滿足這個(gè)要求。 與傳統(tǒng)的機(jī)械切割法相比，這種新的方法有幾個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)。首先，這是一步即可完成的、干燥的加工過(guò)程。邊緣光滑整齊，不需要后續(xù)的清潔和打磨。并且，激光機(jī)引致的分離過(guò)程產(chǎn)生高強(qiáng)度、自然回火的邊緣，沒(méi)有微小裂痕。使用這種方法，避免了不可預(yù)料的裂痕和殘破，降低了次品率，提高了產(chǎn)量。邊緣質(zhì)量定性地描述在一張1.5毫米厚的玻璃片上三個(gè)不同的切痕之間的動(dòng)態(tài)差異。為了定量地評(píng)價(jià)邊緣質(zhì)量，根據(jù)ISO3274，應(yīng)使用Stylus輪廓測(cè)量?jī)x對(duì)激光機(jī)切割機(jī)的邊緣進(jìn)行測(cè)量。權(quán)威測(cè)量顯示，平均粗糙度(Ra)小于0.5微米。 因?yàn)榱押凼蔷_地沿著激光光束所劃出的痕跡,激光引致的分離可以切劃出非常精確的曲線圖案。事實(shí)上，我們所做的實(shí)驗(yàn)也證明了無(wú)論直線或是曲線，激光切割都能連續(xù)地、精確地完成設(shè)定圖案，重復(fù)性可達(dá)+50μm。所以激光機(jī)可以進(jìn)行曲線和三維圖形的精確切割。玻璃切割的邊緣干凈沒(méi)有裂片和裂痕，不需要后續(xù)處理工序。因?yàn)榧す馐欠墙佑|工具，沒(méi)有工具的磨損問(wèn)題，從而可保證持續(xù)、均勻的切割厚度和邊緣質(zhì)量。作為比較，3(b)顯示了使用金屬輪進(jìn)行切割的邊緣，可以看到沿著切割線存在各種殘余張力成份。3(c)是金剛石砂輪切割的結(jié)果，可看到很多微小的裂痕，對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，需要打磨切割邊緣。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)，激光引致的分離技術(shù)將在許多玻璃的切割應(yīng)用中取代機(jī)械法。
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