一種鋼化玻璃的雷射切割方法與流程

2023-06-04 22:47:16 2

本發明屬於雷射加工技術領域，具體涉及一種鋼化玻璃的雷射切割方法。

背景技術：

玻璃材料的加工在工業加工中佔有越來越重要的地位，傳統的玻璃加工都是採用機械的、接觸式的方法，如用金剛石、金屬滑輪等進行玻璃切割。這些方法加工的質量和精度遠不能滿足工程中的某些特殊需要，而且切割之後還要對玻璃進行打磨，嚴重影響到加工效率。由於雷射具有高能量密度、非接觸性等優點，人們嘗試著用雷射對玻璃、陶瓷等脆性材料進行加工，並且對雷射切割進行了理論和實驗研究。

目前，玻璃的雷射切割主要是利用熱應力切割的方法。所謂雷射熱應力切割，就是使用低功率雷射使玻璃分離，同時不造成玻璃融化的切割方法，其基本原理是利用雷射引致的熱應力使玻璃斷裂。例如，當CO2雷射照射到玻璃表面時，90％以上的能量被玻璃吸收，吸收深度小於15μm。這樣玻璃表面在很短的時間內就會達到較高的溫度，產生壓應力，而這個應力對玻璃沒有破壞作用；當雷射停止對該區域的加熱時，由於空氣的冷卻，玻璃內部就會產生較大的拉應力，致使玻璃斷裂。通常情況下，玻璃自然冷卻時產生的拉應力較小，而採用吹冷氣或者冷卻液體的方法來加劇玻璃的冷卻，以產生較大的拉應力，特別是在切割厚玻璃板時，冷卻氣體(液體)就顯得特別重要。雷射熱應力切割方法在加工玻璃時會產生熱影響區，處理不當會對玻璃產生損傷，影響玻璃加工質量。

另一種雷射切割玻璃的方法是超短脈衝雷射刻蝕法，由於超短脈衝具有能量高，作用時間短等優點，可以在材料未被融化的情況下瞬間將材料爆轟去除，產生冷消融的加工效果，從而避免加工時產生的不必要的熱效應。隨著超快雷射的不斷發展以及其優越加工性能的展現，採用該方法進行玻璃的加工也成為人們研究的熱點，但這種方法目前僅能用於薄片玻璃的切割，例如手機屏玻璃的切割劃片等。

鋼化玻璃是一種預應力玻璃。為提高玻璃的強度，通常使用化學(離子交換法)或物理(熱處理淬火)的方法，在玻璃表面形成壓應力，玻璃承受外力時首先抵消表層應力，從而提高了承載能力。一般可以認為：鋼化玻璃強度σ玻＝玻璃自身材料強度σb(鋼化前強度)+鋼化產生的表面壓應力σ拉。鋼化玻璃由於超高的強度特性，廣泛用於建築、汽車等領域，如門窗、車窗玻璃。對於這種表面有預應力的鋼化玻璃，目前還沒有辦法切割，機械方法也不行。這是由於其表面壓應力的存在，使得只要發生局部破壞，產生的裂紋會隨著表面壓應力失去平衡而不受控的擴展開去，發生整體碎裂。故目前的鋼化玻璃切割或開孔，都必須在鋼化前完成，一旦鋼化，則不能再做切割或開孔操作。

技術實現要素：

本發明針對上述現有技術的不足，提供了一種鋼化玻璃的雷射切割方法；該雷射切割方法解決了鋼化玻璃的切割難題，對薄厚玻璃均適用，切割質量好、速度快、自動化程度高。

本發明是通過如下技術方案實現的：

一種鋼化玻璃的雷射切割方法，包括如下步驟：

(1)在鋼化玻璃待切割起點位置布置雙側冷卻射流輔助的雷射切割光束；其空間方位布置為：雷射切割光束沿鋼化玻璃表面法線方向或與法線有一定夾角入射到鋼化玻璃表面，在鋼化玻璃表面聚焦或者有一定離焦量，即在鋼化玻璃表面形成雷射光斑；沿切割方向在雷射切割光束兩側後方設置兩個主動強制冷卻的條狀冷卻射流，即形成雙側冷卻射流強制冷卻的雷射光斑；

(2)根據設定的雷射加工工藝參數，沿著鋼化玻璃待切割路徑進行雷射切割；所述加工工藝參數包括功率密度P和切割速度值v；

所述加工工藝參數包括功率密度P和切割速度值v，功率密度P的要求是使得雷射光斑照射位置的溫度低於玻璃發生局部熔化的功率閾值，且高於切割閾值，即使得雙側冷卻射流強制冷卻的雷射光斑照射位置產生的陡峭拉應力尖峰值σ』拉＞σb；其中，σb是指鋼化玻璃在鋼化前自身的材料抗拉強度；所述切割閾值是指雙側冷卻射流強制冷卻的雷射光斑照射位置產生的陡峭拉應力尖峰值σ』拉恰好等於σb時雷射的功率密度；切割速度值v的要求是大於鋼化玻璃宏觀裂解行進速度，使得按切割軌跡切開鋼化玻璃；

(3)當雷射切割光束接近鋼化玻璃待切割路徑終點時，先關閉雷射，同時保持兩側的條狀冷卻射流不變，待兩側的條狀冷卻射流到達鋼化玻璃待切割路徑終點時再關閉兩側的條狀冷卻射流。

進一步的，步驟(1)中條狀冷卻射流的前端與雷射光斑的幾何中心之間的距離dy要求在0.5～15mm之間；在與切割方向垂直的方向上，條狀冷卻射流的中心軸線與雷射光斑的幾何中心之間的距離dx要求在1～20mm之間；所述條狀冷卻射流的寬度W要求在1mm～10mm之間，長度L要求在1mm～50mm之間。

進一步的，步驟(1)中雷射光斑的直徑為R，R小於1mm。

進一步的，步驟(2)中功率密度P＝1×106W/cm2～5×107W/cm2，切割速度值v＝200mm/s～2000mm/s。

進一步的，步驟(3)中所述雷射切割光束接近鋼化玻璃待切割路徑終點，是指雷射光斑的幾何中心距離終點小於確定的數值D，D的取值範圍在0.2mm～2mm。

本發明具有如下有益效果：

1、本發明利用了雙側冷卻射流強制冷卻的方法，對割縫中心的原照射位置形成兩側拉力，使中心位置出現陡峭的拉應力尖峰σ』拉，從而滿足σ′拉＞σb，當切割速度值v大於鋼化玻璃宏觀裂解行進速度時，即實現了按切割軌跡切開鋼化玻璃，解決當前鋼化玻璃無法切割的技術難題。

2、本發明的雙側冷卻射流強制冷卻雷射切割原理與傳統普通玻璃(未鋼化玻璃)的雷射熱應力切割原理不同，與傳統普通玻璃(未鋼化玻璃)的雷射熱應力切割原理相比，在玻璃切割分離時，割縫中心的原照射位置的σb由於溫度尚未下降太多而仍保持較低，這使得雷射切割採用的雷射功率密度可以相對更低，從而避免了過高雷射功率密度導致玻璃的溫升過高而發生熔化，防止了崩邊及整體破裂缺陷。

3、本發明方法對薄厚玻璃均適用，切割質量好，速度快，自動化程度高。

4、本發明方法的適用熱源並不局限於雷射，可以推廣至等離子弧、火焰等，適用範圍廣。

附圖說明

圖1為雷射光斑與條狀冷卻射流的位置關係圖；

圖2為鋼化玻璃橫截面的初始應力分布圖；

圖3為鋼化玻璃在雷射光斑照射位置的橫截面應力分布圖；

圖4為兩側強制冷卻原理的鋼化玻璃切割位置橫截面應力分布圖；

圖5為本發明方法切割的鋼化玻璃樣品切割照片。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步詳細的說明。

設沿鋼化玻璃待切割路徑的切割速度為矢量V，則矢量V的數值為切割速度值，矢量V的方向為切割方向。

本發明提供了一種鋼化玻璃的雷射切割方法，具體包括如下步驟：

(1)如圖1所示，在鋼化玻璃待切割起點位置布置雙側冷卻射流輔助的雷射切割光束，其空間方位布置為：雷射切割光束沿鋼化玻璃表面法線方向(入射角為0度)或與法線有一定夾角(入射角小於45度)入射到鋼化玻璃表面，在鋼化玻璃表面聚焦或者有一定離焦量，即在鋼化玻璃表面形成直徑為R的雷射光斑，為獲得精細的切割縫寬，要求R小於1mm；

沿切割方向在雷射切割光束兩側後方設置兩個主動強制冷卻的條狀冷卻射流2(氣體或者液體均可)，即形成雙側冷卻射流強制冷卻的雷射光斑。條狀冷卻射流2的前端與雷射光斑的幾何中心之間的距離dy要求在0.5～15mm之間；在與切割方向垂直的方向上，條狀冷卻射流2的中心軸線與雷射光斑1的幾何中心之間的距離dx要求在1～20mm之間；所述條狀冷卻射流2的寬度W要求在1mm～10mm之間，長度L要求在1mm～50mm之間；

所述雷射切割光束的入射角、離焦量的設置根據具體的鋼化玻璃厚度、表面壓應力大小、雷射束特性等工藝參數而確定，優化的參數是入射角和離焦量均為0；

所述條狀冷卻射流的寬度W、長度L的設置根據具體的鋼化玻璃厚度、表面壓應力大小、雷射束特性等工藝參數而確定，優化的參數是W＝1mm～2mm，L＝1mm～15mm，條狀冷卻射流與雷射光斑的幾何方位參數dx、dy的設置根據具體的鋼化玻璃厚度、表面壓應力大小、雷射束特性、條狀冷卻射流的寬度W和長度L等工藝參數而確定，優化的參數是dx＝dy＝1mm～2mm；

(2)根據設定的雷射加工工藝參數，沿著鋼化玻璃待切割路徑進行雷射切割；

所述加工工藝參數包括功率密度P和切割速度值v，功率密度P的要求是使得雷射光斑照射位置的溫度低於玻璃發生局部熔化的功率閾值，且高於切割閾值，即使得雙側冷卻射流強制冷卻的雷射光斑照射位置產生的陡峭拉應力尖峰值σ』拉＞σb；所述切割閾值是指雙側冷卻射流強制冷卻的雷射光斑照射位置產生的陡峭拉應力尖峰值σ』拉恰好等於σb時雷射的功率密度。

切割速度值v的要求是大於鋼化玻璃宏觀裂解行進速度，使得按切割軌跡切開鋼化玻璃；功率密度P、切割速度值v的設置根據具體的鋼化玻璃厚度、表面壓應力大小、雷射束特性、玻璃對雷射束的吸收率特性等工藝參數而確定，優化的參數是功率密度P＝1×106W/cm2～5×107W/cm2、切割速度值v＝200mm/s～2000mm/s。

這樣設置的理由如下：

a)鋼化玻璃橫截面的初始應力狀態如圖2所示，其中，虛線表示鋼化玻璃自身的材料抗拉強度(亦即鋼化前的強度)，對均勻厚度、均勻成分的玻璃可設為定值σb，根據材料物理學可知，σb在切割過程中會隨著溫度升高而下降。點劃線表示鋼化玻璃由於鋼化處理產生的表面應力，表面應力＞0時為壓應力σ壓，表面應力＜0時為拉應力σ拉。

顯然，要使鋼化玻璃裂開，所需的拉力σ要滿足σ＞σ壓+σb；

b)當雷射光斑照射鋼化玻璃表面時，雷射光斑照射位置開始迅速升溫並體積膨脹，卻受到較低溫度的兩側區域限制，從而使其表面壓應力增大，與之同時，雷射光斑照射位置的σb由於溫度升高而下降，其應力狀態如圖3所示。

c)當雷射切割光束沿切割方向行進，雷射光斑移開原照射位置後，原照射位置發生自然降溫或強制冷卻降溫，體積收縮，卻受兩側區域牽制，而在原照射位置產生拉應力σ拉，與之同時，雷射光斑照射位置的σb由於溫度下降而升高；

若滿足σ拉＞σb，則玻璃發生裂開，此為普通玻璃(未鋼化玻璃)的雷射熱應力切割的原理。這種方法的缺點是：未充分利用抗拉強度在高溫下降低的特點，所需σ拉大，即採用雷射功率密度很高，易使得玻璃在b)階段的溫升過高而發生熔化，對於鋼化玻璃而言則所需雷射功率密度更高，難以避免過熔而崩邊，甚至整體破裂。

本發明對現有技術進行了改進，採用了在雷射光斑照射位置兩側主動強制冷卻的方式，使得雷射光斑移開原照射位置後，雷射光斑的原照射位置的兩側區域未受雷射照射，本身溫度就低於雷射光斑的原照射位置，並且同時受到兩個條狀冷卻射流的強制冷卻，溫度下降得比雷射光斑的原照射位置更快，因此發生劇烈體積收縮，從而對中心的原照射位置形成兩側拉力，使中心位置出現陡峭的拉應力尖峰σ』拉，與之同時，中心的原照射位置的σb由於溫度尚未下降太多而仍保持較低的數字，如圖4所示，從而滿足σ』拉＞σb，此時中心的原照射位置產生表面微細裂紋；當切割速度值v的大於鋼化玻璃宏觀裂解行進速度時，即實現按切割軌跡切開鋼化玻璃。

(3)當雷射切割光束接近鋼化玻璃待切割路徑終點時，先關閉雷射，同時保持兩側主動強制冷卻射流不變，待兩側主動強制冷卻射流到達鋼化玻璃待切割路徑終點時再關閉兩側主動強制冷卻射流；

所述雷射切割光束接近鋼化玻璃待切割路徑終點，是指雷射光斑的幾何中心距離終點小於確定的數值D，根據鋼化玻璃厚度、表面壓應力大小、雷射束特性、玻璃對雷射束的吸收率特性等工藝參數，D的取值範圍在0.2mm～2mm。採用本發明方法切割的鋼化玻璃樣品切縫照片如圖5所示，可見其沒有發生崩邊及整體破裂現象。

本發明可改變為多種方式對本領域的技術人員是顯而易見的，這樣的改變不認為脫離本發明的範圍。並且本方法的適用熱源並不局限於雷射，可以推廣至等離子弧、火焰等，所有這樣的對所述領域的技術人員顯而易見的修改，將包括在本權利要求的範圍之內。