應用裂紋控制法的鈉鈣玻璃YAG激光切割技術

　　玻璃作為一種脆性材料，質地均勻、透明度好、表面光滑、耐腐蝕，因此，在科學研究與工農業生產中得到了廣泛的應用。尤其是近年來，隨著IT產業的迅速發展，液晶顯示器和等離子體顯示器等高科技電子產品應運而生，對玻璃制品切割質量的要求越來越高。

　　傳統的方法是先用金剛石或硬金屬輪在玻璃表面劃線，然后用機械的方法折斷，容易導致切削粉末的飛濺、切割邊緣不規則、微裂紋的產生甚至玻璃的破碎，切割邊表面質量很差，常需二次加工，并且可能影響玻璃的強度和功能。而用激光切割玻璃則能避免這些問題，同時還具有切縫窄、割縫邊緣垂直度好、切割面光滑無毛刺、熱影響區小等優點。

　　1激光切割玻璃的原理激光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。熔融切割法的切割效果較差，極易在切口斷面形成熱裂紋，使材料強度大大降低，并且由于激光燒蝕作用產生的重凝物會污染基片。而裂紋控制法具有切縫平直、無碎肩、無顯微裂紋等優點。

　　應用裂紋控制法的玻璃激光切割是利用激光加熱玻璃表面，使被加熱處的溫度急劇升高，在玻璃內產生較大的壓應力，隨著激光的移動，被加熱處的玻璃在空氣對流下冷卻，產生殘余拉應力，如果該應力超過了玻璃的斷裂強度，裂紋就擴展進而達到斷裂。

　　該應力為：長度。

　　玻璃對激光的吸收有兩種典型形式：一種是表面吸收形式，另一種是體吸收形式。從可以看出：當波長在5pm以上時，玻璃對光的吸收率非常高，波長為10.6pm的CO2激光易在玻璃表面被全部吸收。

　　因此，利用CO2激光切割玻璃時，裂紋從表面開始擴展，切口質量差，切割玻璃的厚度有限，且不能切割多層玻璃，切割時裂紋不好控制。而波長為1064nm的YAG激光可穿透玻璃，玻璃對激光能量的吸收是體吸收形式，玻璃的開裂是均勻通透的，基于體吸收的YAG激光切割玻璃方法不僅可得到更好的切割質量，而且還可切割多層玻璃、夾層玻璃和玻璃管，一次完成切割，無需二次加工，同時除了進行直線切割還可以劃出任意的曲線。

　　2試驗裝置與方法2.1試驗裝置光纖輸出最大功率300W，激光焦斑直徑0.6mm.利用2400倍光學顯微鏡和掃描電鏡觀察試件。平板鈉鈣玻璃尺寸為70mmx50mmx2.5mm，試驗裝置如所示。

　　2.2試驗方法激光功率、激光掃描速度和激光光斑大小是影響玻璃切割質量最主要的3個因素。通過固定光斑直徑、激光掃描速度，改變激光功率的單因素試驗方法，確定不同光斑直徑和掃描速度時最佳切割質量所需的激光功率。根據試驗結果分析了3個參數對切割質量的影響以及它們之間的聯系，試驗參數如表1試驗參數3試驗結果及分析bookmark3 3.1激光切割與機械法切割玻璃切口質量的對比如所示，可以看出：利用YAG激光切割鈉鈣玻璃得到的切口切縫平直、無碎肩、無顯微裂紋，而用機械法切割鈉鈣玻璃板得到的切口有明顯的碎肩且切縫不平直，其表面還存在壓潰層（如（d）所示），壓潰層中存在崩碎的碎肩，嚴重影響了切割質量。由所示的切口表面粗糙度可知，YAG激光切割的玻璃表面粗糙度為2.9nm；機械劃切法切割的玻璃表面粗糙度為26.5nm，可見YAG激光切割方法比機械劃切法具有明顯的質量優勢。

　　3.2激光參數對切割質量的影響3.2.1激光功率對切割質量的影響對于一定的光斑大小和切割速度，總存在最佳的激光功率值使得裂紋擴展最穩定，得到的玻璃切口最平直，質量最好。而低于此值，玻璃不開裂或開始不開裂，只在玻璃末端沿激光掃過軌跡突然爆裂開一條短裂紋，且此裂紋不平直（如所示）。高于此值，玻璃上下表面先出現裂紋，中間再開裂，從而導致切口呈凹凸狀，并且能量越大，切口質量越差，甚至出現玻璃以一定的動能爆裂開，切口產生玻璃碎肩的現象。其原因總結為當激光功率過低時，玻璃吸收的激光能量所產生的殘余拉應力小于裂紋擴展的斷裂強度，因此，裂紋不沿激光軌跡擴展；而當激光功率過高時，玻璃內部的溫度場溫度很高，玻璃上下表面由于直接接觸空氣，在自然對流條件下迅速冷卻，產生足夠大的拉應力使裂紋擴展，而中間部分由于冷卻較慢，產生拉應力較慢，故裂紋擴展滯后于上下表面，如此不均勻的開裂導致玻璃切口質量低下。

　　3.2.2激光掃描速度對切割質量的影響激光掃描速度越高，切割玻璃所需要的激光功率就越高，且近似呈線性比例關系。但不能通過增加激光功率無限制地提高激光掃描速度，因為當激光掃描速度增加到一定值以后，裂紋擴展速度不穩定，從而導致切口質量降低。試驗中發現：當激光掃描速度增加到15mm/s后，裂紋突然加速擴展，導致玻璃切口凹凸不平，質量比較差。

　　3.2.3激光光斑大小對切割質量的影響激光光斑越大，切割玻璃所需要的激光功率就越高。通常，切割玻璃選用較大的光斑來降低溫度場從而減少玻璃的燒蝕熔融，實現基于裂紋控制法的玻璃激光切割。試驗中發現：當激光光斑直徑小于1.0mm時，會產生熔融切割；當大于1.0mm時，可以實現基于裂紋控制法的玻璃激光切割，且明顯可見玻璃切口上下表面無燒蝕熔融現象，質量很好（如所示）。速度基本呈線性比例增加，隨著激光光斑直徑的增大，曲線的斜率也增大。

　　3.3多層玻璃、玻璃管和曲線軌跡切割YAG激光可以用于切割多層玻璃和夾層玻璃（如所示）。切割多層玻璃時，下層玻璃的切口質量比上層玻璃的好，這是由于下層玻璃比上層玻璃吸收的激光能量小，不產生燒蝕熔融現象。此外，YAG激光還可以切割曲線和管狀玻璃（如所示），且切割質量都很好。

　　（a）上表面（b）下表面玻璃切口的光學顯微照片3.2.4最佳切割參數通過調節激光功率、掃描速度、光斑大小等參數可得到YAG激光切割平板鈉鈣玻璃的最佳切割參數（如所示）。由圖中可看出：激光功率隨激光掃描4結論玻璃對YAG激光是體吸收形式，在玻璃的整個厚度裂紋通透開裂，YAG激光切割玻璃切口平直、光滑、無毛刺與微裂紋。激光功率、激光光斑大小和激光掃描速度是影響切割質量的重要參數。

　　對于一定的光斑大小和切割速度，總存在最佳的激光功率值使得裂紋擴展最穩定，得到的玻璃切口最平直，質量最好。激光掃描速度存在上限，當掃描速度過高，就會導致裂紋的不穩定擴展，從而影響切割質量。通過選擇較大的光斑可以使得切口上下表面質量都得到提高。

　　為保證最佳切割質量，激光功率應隨激光掃描速度和光斑大小的增大而增大。相對一定的激光掃描速度和光斑大小，總存在最佳的激光功率值使玻璃切口質量最佳。（下轉第520頁）理想燒結溫度為1 320t，加入微量FeMn有利于致密度提高與力學性能改善，經300MPaCIP、1320t燒結與1250t/120MPaHIP處理后，3%FeMn+AISI316L試樣彈性模量、屈服強度、拉伸強度與延伸率分別達到209.5GPa、306MPa、656.45MPa與53.1%，與退火AISI316L致密材料拉伸性能相當。