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激光切割玻璃解決方案

來源:機(jī)械專家網(wǎng) 2009/3/9 0:00:00

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    加工有機(jī)玻璃的激光機(jī)切割速度快、精度高,定位準(zhǔn)確?缮a(chǎn)工藝禮品、面板鏡片機(jī)箱、模型玩具、廣告燈箱招牌展示用品、包裝盒等。①切割效果好:切口不用火拋,非常光滑、光亮,沒有鋸齒紋,可一次性切割壓克力厚度20mm②激光質(zhì)量好、壽命長:國產(chǎn)機(jī)中較好的激光管,不但性能穩(wěn)定,壽命也很長(約8~14個(gè)月),功率85W,包用半年③整機(jī)性能卓越:可每天24小時(shí)連續(xù)不停機(jī)工作,臺(tái)灣原裝導(dǎo)軌,準(zhǔn)確耐用④切割速度快:如用于切割3mm厚度的壓克力板材

  激光應(yīng)用于切割和焊接薄金屬板已有30年了,通過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ΣAг斐刹蝗莺鲆暤臒嵊绊,以致融化局部材料,所以?dāng)時(shí)的激光切割技術(shù)難以保證整齊、平滑的切割邊緣,在許多應(yīng)用場合中,仍然需要打磨切割邊緣。同時(shí),當(dāng)時(shí)CO2激光器的價(jià)格非常昂貴,令人生畏。

  激光引致分離

  近來,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)不對玻璃造成融化等熱影響的玻璃切割方法。這種方法說來復(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)保證了激光能量在切割線兩側(cè)的均勻的和較優(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。

  激光切割中另一個(gè)關(guān)鍵部件是淬火氣(水)嘴,隨著激光光點(diǎn)的移動(dòng),淬火氣(水)嘴將冷空氣(水)吹到玻璃表面,對受熱區(qū)域進(jìn)行快速淬火,玻璃將沿著應(yīng)力較大的方向產(chǎn)生斷裂,從而將玻璃沿著設(shè)定的方向分離。

  需要說明的是,為了引發(fā)玻璃產(chǎn)生斷裂,需要首先用機(jī)械法在切割線的起點(diǎn)劃出微小的起始裂痕。

  選擇不同的激光功率、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。一般說來,適用于激光法進(jìn)行切割的玻璃的膨脹系數(shù)較小應(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。

  結(jié)果和應(yīng)用

  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、干燥的加工過程。邊緣光滑整齊,不需要后續(xù)的清潔和打磨。并且,激光引致的分離過程產(chǎn)生高強(qiáng)度、自然回火的邊緣,沒有微小裂痕。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。玻璃切割的邊緣干凈沒有裂片和裂痕,不需要后續(xù)處理工序。因?yàn)榧す馐欠墙佑|工具,沒有工具的磨損問題,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,對于許多應(yīng)用來說,需要打磨切割邊緣。

  為了定量地評價(jià)邊緣質(zhì)量,根據(jù)ISO3274,應(yīng)使用Stylus輪廓測量儀對激光切割的邊緣進(jìn)行測量。權(quán)威測量顯示,平均粗糙度(Ra)小于0.5微米。

  邊緣強(qiáng)度

  因?yàn)檫吘壻|(zhì)量,以及加熱/淬火過程中的自然回火效應(yīng),激光切割的邊緣強(qiáng)度非常高。Jena的Otto-Schott-Insititut研究所根據(jù)DIN5230011參數(shù)做了獨(dú)立的測試,相關(guān)數(shù)據(jù)已公開發(fā)布。采用這種新方法,與機(jī)械法加工后又打磨的樣品相比,邊緣強(qiáng)度提高了30%左右。

  厚度和切割速度

  限制切割速度的有3個(gè)因素:玻璃的厚度、材料的熱膨脹系數(shù)、以及激光器的輸出功率。在這個(gè)測試中,我們使用150W輸出功率的CO2激光器切割a=7.2 x 10-6、厚度為1.1mm的玻璃,直線切割,速度為500mm/秒。作為比較,硬質(zhì)金屬輪切割同樣厚度同種玻璃的速度可達(dá)1500mm/秒。但是,即使是在注重速度的應(yīng)用中,這種差異也將被激光切割所帶來的經(jīng)濟(jì)性和質(zhì)量優(yōu)勢所彌補(bǔ)。同時(shí),我們都相信,進(jìn)一步的加工過程優(yōu)化以及采用更高輸出功率的激光器進(jìn)行切割都會(huì)容易地將加工速度提高2至3倍。

  曲線切割

  因?yàn)榱押凼菧?zhǔn)確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準(zhǔn)確的曲線圖案。事實(shí)上,我們所做的實(shí)驗(yàn)也證明了無論直線或是曲線,激光切割都能連續(xù)地、準(zhǔn)確地完成設(shè)定圖案,重復(fù)性可達(dá)+50μm。所以激光可以進(jìn)行曲線和三維圖形的準(zhǔn)確切割。

  應(yīng)用

  長遠(yuǎn)來說,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。近期,激光切割已在下述的三個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中顯示強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢,它們是:CRTS,平板顯示,以及汽車的風(fēng)擋玻璃等的切割等。

  有些應(yīng)用需要對玻璃進(jìn)行特殊的后續(xù)處理,比如,某些安全玻璃元件須經(jīng)溫度硬化處理,以及多數(shù)帶硅鍍層的平板顯示器元件必須經(jīng)過溫度退火等。激光引致分離法也配合這些特殊的后處理,我們用激光法切割了100個(gè)4mm厚的玻璃片,在特殊熱處理過程中,沒有一片被破壞。

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