【科普】玻璃的雷射切割技術

1 概述 

玻璃是一種重要的產業材料，應用在國民經濟的諸多行業，如汽車業、建築業、醫療、顯示器、電子產品等，小到幾微米的小型光學過濾器、筆記本電腦平板顯示器的玻璃襯底，大到汽車業或建築業等大規模製造領域所用的大尺寸的玻璃板。玻璃種類繁多，最常見的為鈉鈣玻璃，也稱為鹼性玻璃，主要用於汽車業、建築業及家用器具領域，一般厚度為1.6～10mm。厚度為1mm或不足1mm的玻璃稱為硼矽玻璃或者非鹼性玻璃，主要用於平板顯示器與電子產品領域。  

玻璃顯著的特點是硬脆性，給加工帶來很大的困難。傳統的玻璃切割採用硬質合金或金剛石刀具，其切割流程一般為：首先用金剛石刀尖或硬質合金砂輪或高硬度金屬輪，在玻璃的表面劃出一條刻痕，再採用機械手段將玻璃沿著刻痕線分割開。用砂輪或機械輪在玻璃上進行刻劃的過程中，產生沿著切割方向的切向張力，從而可使玻璃沿著劃痕裂開。這種方法切割的結果是：邊緣不平滑、有微小裂痕，材料上殘存不對稱邊緣應力及殘留碎屑等。對於很多應用，碎屑和局部應力所造成的微小裂痕將造成器件的失靈，所以必須進行切後邊緣的打磨與拋光，以強化邊緣。另外，機械輪加工中還需要輔助劑輔助切割，輔助劑也有可能粘在成品邊緣，需要過水清洗或超聲波清洗等處理。後續處理工序以及低成品率（發生不確定的裂痕）等都將增加成品玻璃製品的造價。 

當今，對於玻璃製品的質量要求越來越高，必須實現更為精密、細緻的加工結果，因為傳統工藝已經很難達到無微裂紋及邊緣質量方面的要求，所以迫切需要玻璃切割的技術創新。雷射切割技術已經成熟，在金屬板材與管材、有機板材與管材等材料的切割方面，獲得了成功的應用，使傳統的製造技術得到了很大程度的改造與提升。而玻璃是無機材料，熱傳導率很低，從理論上講用雷射加工應該有較好的結果。這也就使得雷射切割玻璃的技術發展起來。  

 

2 雷射切割玻璃的原理  

雷射切割玻璃的方法從原理上可以分為兩種：一種是熔融（蒸發）切割法，另一種是裂紋控制法。  

（1）熔融切割法 

利用玻璃處在軟化的溫度下具有較好的塑性和延展性，用聚焦的CO2雷射或者紫外雷射照射到軟化的玻璃表面，雷射具有的較高的能量密度會導致玻璃融化，然後用氣流吹走熔融的玻璃，產生溝槽，從而實現玻璃的熔融切割。

 （2）裂紋控制法 

這是一種常用的雷射切割方法。第一步，對玻璃表面進行雷射加熱，較高的能量會使該處的溫度急劇升高，表面產生較大的壓應力，但該壓應力不會使玻璃產生破裂；第二步，對該區域進行急劇的冷卻，一般採用冷卻氣體或者冷卻液，急劇的降溫會使玻璃表面產生較大的溫度梯度和較大的拉應力，這個拉應力會使玻璃表面沿著預定劃線的方向開始破裂，實現玻璃的切割。

  

 3 用於切割玻璃的雷射選擇 

     現在切割玻璃加工工藝一般都是選用CO2雷射器。選擇適宜的雷射器，考慮的因素包括波長、輸出功率、光束模式、靈活性、費用、可靠性以及是否利於系統集成等。CO₂雷射器發射的雷射波長為10.6μm，而玻璃能強烈地吸收波長10.6μm的雷射，幾乎所有的雷射能量都被玻璃表面15μm吸收層所吸收，所以玻璃雷射切割系統都配置CO2雷射器。關於雷射功率正如前述，不需要很高，平均功率為 100～500W（取決於玻璃的厚度）的CO2雷射器都適用於玻璃切割應用。具體的器件可根據不同的情況，選擇封離型玻璃管CO2雷射器或CO2射頻雷射器。封離型玻璃管CO2雷射器技術成熟，完全封離，不需要氣體補充，不需要維修和定期維護，能滿足玻璃切割的基本要求，且成本低，經濟而實用；射頻雷射器的光束模式好，外型尺寸較小，集成簡單，操作方便，雷射器的輸出靈活可控，輸出的脈衝能量、脈寬以及重複頻率等都可被實時控制，而不影響光束的聚焦，因而雷射加工的參數可以根據不同種類、不同厚度的玻璃的特性進行實時優化。 

 

4 CO2雷射切割技術的特點

（1）切割質量好。 切口寬度窄（一般為0.1～0.5mm）、精度高（一般孔中心距誤差0.1～0.4mm，輪廓尺寸誤差0.1～0.5mm）、切口表面粗糙度好（一般Ra為12.5～25μm），切縫一般不需要再加工即可焊接。  

（2）切割速度快。 例如採用2kW雷射功率，8mm厚的碳鋼切割速度為1.6m/min；2mm厚的不鏽鋼切割速度為3.5m/min，熱影響區小，變形極小。  

（3）清潔、安全、無汙染大大改善了操作人員的工作環境。 當然就精度和切口表面粗糙度而言，CO₂雷射切割不可能超過電加工；就切割厚度而言難以達到火焰和等離子切割的水平。但是就以上顯著的優點足以證明：CO₂雷射切割已經和正在取代一部分傳統的切割工藝方法，特別是各種非金屬材料的切割。它是發展迅速，應用日益廣泛的一種先進加工方法。

  

5、雷射切割玻璃的優越性  

雷射引致應力切割技術超越了傳統的玻璃切割/分離技術，通過適當的加熱和冷卻工藝，雷射束可在玻璃上精確加熱一條直線或曲線，隨後再噴射冷氣或氣液混合物加以冷卻。這種熱誘張力會產生精確的玻璃裂隙，從而實現高質量的切割邊緣。這種切割方法的主要優勢在於：精度高；不產生微裂紋、破碎或碎片問題；玻璃的邊緣抗破裂性極高；玻璃邊緣保持了光學性能；無需衝洗、打磨、拋光，從而降低了製造成本；不會造成材料損耗等。 

雷射切割玻璃具備加工速度快、精度高、參數設置簡單等明顯優勢，成為大批量加工的選擇。因為雷射是非接觸工具，沒有磨損問題，從而可保證持續、均勻的切割厚度和邊緣質量。權威測量顯示，平均粗糙度（Ra）小於0.5μm。因為邊緣質量優秀以及自然回火效應，雷射切割的邊緣強度非常高，與機械法加工後又打磨的樣品相比，邊緣強度提高30%左右。 雷射切割避免了側面裂縫，不僅邊緣的抗衝擊強度增強，整體組件強度通常能提高80%，從而顯著改善部件抗損壞的能力。材料強度的提高減少了損壞與損失的可能性，也減少了由於潛在的產品瑕疵而過早的在現場出現故障的問題。這對產品設計而言是一大優勢，設計者不僅可以使用更輕、更薄的材料，而且還不影響產品使用壽命。  

 

6、雷射切割玻璃技術的用途  

玻璃雷射切割新技術推廣並移植到大批量的生產線中，經過了長時間的工程應用驗證，不僅得到了技術可行的充分證明，而且取得了明顯的經濟效益。可以用於大量地生產各種各樣的小玩具、飾品、擺掛件和生活用的玻璃製品。在下述的情況下，如：存在玻璃破碎危險的產品的生產；電子行業中用於裝有玻璃的通訊移動產品的製造；包含薄玻璃易碎部件的產品，如傳感器、觸控板或玻璃外殼，又如：研發新產品，需要新的加工手段來實現創新特徵；希望減少加工步驟來降低生產成本；現有的生產遇到經濟壓力需要巨大的生產方式改良等，玻璃雷射切割新技術都成為首選。

玻璃雷射切割是一項創新技術，已在電子、汽車、建築行業得到應用（顯示器、手機平板的屏幕、汽車的車窗、擋風玻璃等），同時該技術能用在加工其他易碎材料，如製造電子行業晶圓的陶瓷材料，其他半導體行業常見的材料等都有望成為雷射引致應力切割加工的對象。在節能減排要求的大環境下，下一個最具潛力的應用行業將是太陽能產業。 相信雷射切割技術會越來越成熟，雷射切割玻璃的技術的發展也將會越來越好。

在雷射加工領域，銳萊特精密光電技術無錫有限公司是這一領域的典型代表，作為國家級高新技術企業，銳萊特致力於先進雷射技術的研發、應用和推廣，在雷射器、軟體、精密微加工等領域擁有多項自主智慧財產權，應用於雷射玻璃加工、先進顯示、光伏、集成電路、新能源、雷射焊接、高功率雷射加工等領域，並針對多個行業和領域推出了多個系列的高性能雷射成套設備和解決方案，包括：

雷射玻璃精密加工設備：廣泛應用於雷射玻璃打孔、切割、光伏玻璃雷射打孔、玻璃打碼、玻璃表面雕刻、內雕、Low-E玻璃除膜等領域；

光伏行業成套設備：應用於光伏玻璃背板雷射打孔、太陽能電池片切割、分片、增效等領域；

OLED雷射成套設備：應用於OLED Repair、Trimming、全面屏雷射切割機、OLED柔性面板和玻璃面板的切割等領域；

新能源電池領域成套設備:應用於極耳焊接、切割、電池密封焊接等領域；

半導體集成電路行業成套設備：應用於矽晶圓雷射精密切割、雕刻、雷射開封機、自動去溢膠機等領域；

高功率雷射加工系統：應用於3D增材製造、模具修復、雷射熔覆、雷射淬火、高功率焊接、雷射清洗、深雕等領域；

雷射焊接設備：廣泛應用於極耳焊接、塑料焊接、精密點焊、錫焊等領域。

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