CN102229466B - 一种纳秒激光切割玻璃的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳秒激光切割玻璃的方法，包括：聚焦步骤：将由纳秒激光器发出的激光束通过聚焦镜，聚焦的激光束垂直待切割的玻璃样品的上表面入射，使激光束的焦点位于玻璃样品的下表面；切割步骤：按预先设定的扫描路径移动激光束，使激光束与玻璃样品发生相对移动，在玻璃下表面形成一个破裂带，同时在激光照射区的玻璃上表面吹压缩气体冷却，加速破裂带向玻璃样品的上表面扩展，直至玻璃分裂成所需的图形；本发明的方法切割的准确性高，质量高，成本低，适合工业化应用。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工技术，特别是涉及一种纳秒激光切割玻璃的方法及装置。
背景技术
超薄玻璃因其特有的防护性能、光学性能及视觉效果等优点，越来越多地被用来替代聚碳酸酯（PC）和亚克力（PMMA）片材作为触摸屏手机、平板电脑视窗防护屏的材料。但由于天生的脆裂性，超薄玻璃对裂纹缺陷非常敏感，在钻孔、外形加工方面难度很高。
为了将大块超薄玻璃切割成视窗防护屏所需要的形状，目前常规加工方法的主要步骤是：（1）开料：将大块玻璃切割成比最终成品尺寸略大的毛坯，主要工作原理是采用金刚石砂轮片或硬质合金轮在玻璃表面划线，再由机械应力的方式将玻璃分断，制得毛坯玻璃；（2）数控机床（computer numerical control，缩略词为CNC）精雕加工：通过CNC加工使毛坯玻璃在长宽、倒角、槽、孔等方面达到最终成品尺寸要求，具体方法是通过CNC精雕机砂轮槽（表面覆有金刚砂涂层）对开料后的毛坯玻璃进行磨边处理，磨削掉余量，并通过砂轮槽对毛坯进行倒角处理；通过表面覆有金刚砂涂层的钻头进行开孔、开槽并磨边，最终达到成品要求的结果。以上加工方法不可避免的会在玻璃表面产生碎屑，需要用水不停地冲洗，微小碎粒屑还可能造成对玻璃表面质量的损伤，需要增加研磨、抛光、清洗过程；另外由于是接触式机械加工，容易使玻璃内部产生应力和微裂纹，降低玻璃的机械应力强度，有较高的断裂危险性，从而降低成品率；加工图形的尺寸受精雕机刀具尺寸限制，目前可以加工最小孔径仅为0.8mm的孔槽；该工艺涉及多种加工设备、步骤多，精雕时还需要定制夹具，加工周期长，生产效率低。
随着手机、平板电脑不断向薄型化方向发展，用在平板电脑中的视窗防护屏玻璃厚度已从原来的1.1mm减薄到了0.6或0.7mm，手机用的玻璃厚度变得更薄，已下降到0.3mm或更小，采用上述机械方法切割视窗防护屏，难度越来越大，高度影响切割工艺的品质及良率。
为了替代机械方式，中国专利CN1304312C公开了一种触摸板的玻璃、该触摸板和具有该触摸板的便携终端，提出了激光照射和强制冷却的切割方法，该方法利用玻璃材料强吸收的CO2激光对玻璃表面进行局部加热产生热应力，在外部吹气或喷水强制冷却下，使玻璃表面产生较大的拉应力，如果该应力超过玻璃材料的破裂强度，裂纹就扩展进而达到断裂，从而实现玻璃切割。当利用冷却体进行急速冷却时温度差异过大，容易损伤玻璃材料，产生不希望的裂纹。该工艺另一个关键是控制裂纹扩展方向，如果裂纹得不到很好的控制，就会严重影响到切割质量，甚至使切割失败。目前采用的方法就是切割前在玻璃的表面进行划线，使玻璃沿着划线的方向产生断裂，但这无疑又增加了工艺的复杂性、降低了生产效率。
为了解决这种问题，中国专利申请CN101391860A公开了一种利用超短脉冲激光束的基板切割装置及其切割方法，利用飞秒或皮秒的超短脉冲激光，使其激光束聚焦于切割的玻璃基板内部，沿着设定的切割路径进行照射，引导玻璃内部出现成丝现象，在玻璃内部形成切割槽，从而以简单的工艺无裂纹及无损伤地实现玻璃的精确切割；该方法无需冷却体，但所采用的激光器价格昂贵，加工成本高，难以实现大批量生产。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种纳秒激光切割玻璃的方法及装置，其成本低，切割的准确度高，适合工业化应用。
本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：
一种纳秒激光切割玻璃的方法，包括如下步骤：
聚焦步骤：将由纳秒激光器发出的激光束通过聚焦镜，聚焦的激光束垂直待切割的玻璃样品的上表面入射，使所述激光束的焦点位于所述玻璃样品的下表面；
切割步骤：按预先设定的扫描路径，使激光束与所述玻璃样品发生相对移动，在玻璃样品下表面形成一个破裂带，同时在激光照射区的玻璃样品上表面吹压缩气体冷却，加速破裂带向玻璃样品的上表面扩展，直至玻璃分裂成所需的图形。
由于激光束在到达玻璃样品表面前通过聚焦镜聚焦，使焦点位于玻璃样品的下表面，玻璃样品对激光能量的吸收是体吸收形式，激光束穿透玻璃样品，激光束焦点处的能量密度超过玻璃的破坏阈值，在玻璃下表面微小区域获得高的能量密度，形成微小烧蚀点后经过冷却使破裂带上升，避免了激光与玻璃样品作用产生的等离子体对加工过程的影响，保持玻璃表面整洁无污染，且在整个切割过程中焦点始终位于玻璃样品的下表面，使得玻璃的开裂均匀通透，可得到更好的切割质量。
优选的，在聚焦步骤之前还包括浸没步骤：切割前，将待切割的玻璃样品浸没在洁净的液体中。当玻璃样品与液体接触，液体能流进激光切割的破裂带，带走切割时产生的玻璃碎屑和等离子体，破裂带不会吸合，保证切口整洁稳定；同时由于液体的冷却作用，玻璃样品局部不会因温度升高过快，引起不规则的开裂。
优选的，所述浸没步骤中所述液体是蒸馏水，所述玻璃样品的上表面至少低于液面1~2mm。水作为冷却介质是最经济的，尤其是蒸馏水，里面没有杂质，不会影响加工效果。
优选的，所述切割步骤中压缩气体的喷射方向与激光束同轴。切割的同时吹压缩气体，可加速玻璃上表面迅速冷却，现有的激光切割方法采用的冷却方式是气流位于激光束后方，而本发明的压缩气体的喷射方向与激光束同轴，能产生足够大的拉应力使裂缝沿激光轨迹均匀扩展，可以使得破裂带向玻璃样品的上表面扩散的速度更快，切割更加准确和迅速。
优选的，所述聚焦镜的数值孔径为0.3~0.7。
优选的，所述聚焦步骤中纳秒激光器发出的激光束的参数为：脉宽5~30ns，波长355~1064nm，脉冲频率1~100KHz，脉冲能量1~10mJ。
优选的，所述的玻璃样品的厚度为0.1mm~1.2mm。
一种纳秒激光切割玻璃的装置，包括纳秒激光器和激光切割头，所述激光切割头包括聚焦镜和压缩气体喷嘴，所述激光切割头设有用于激光束和压缩气体通过的通道，所述纳秒激光器发出的激光束经过所述聚焦镜垂直所述玻璃样品的上表面入射，所述聚焦镜设置在所述通道上，用于使所述激光束的焦点位于所述玻璃样品的下表面；所述压缩气体喷嘴吹出的压缩气体通过所述通道，用于冷却激光照射区的玻璃上表面。
优选的，还包括装有液体的容器和置于所述容器中的支架，所述玻璃样品置于所述支架上，并浸没在所述液体中。
优选的，所述液体为蒸馏水，所述玻璃样品的上表面至少低于液面1~2mm。
本发明与现有技术对比的有益效果是：由于采用了以上方案，使激光束的焦点位于玻璃样品的下表面，同时采用在激光照射区的玻璃上表面吹压缩气体冷却的方式辅助纳秒激光切割玻璃，其具有如下优势：1、与传统的机械切割技术相比，由于没有机械力施加在玻璃上，因此很少产生横向微裂纹，仅利用简单的工序就能实现快速且高精度的超薄玻璃切割加工，能直接从大块玻璃分割出比较复杂的图形，不需要研磨、抛光等工序，简化了整个制作工序，同时能有效利用原材料。2、与激光照射和强制冷却的切割方法相比，该方法在玻璃的下表面开槽同时利用玻璃对激光体吸收特性，可进一步提高切割的准确性，防止不希望的切割、裂纹以及损伤，使不良率极小化。3、与飞秒或皮秒的超短脉冲激光切割相比，所采用的纳秒激光器成本要低得多，而且加工速度快，切割速度可达到100mm/s，适合工业化应用。
附图说明
图1为本发明实施例中的纳秒激光切割玻璃的装置示意图；
图2为用图1的装置将一块超薄玻璃基板切割成多块手机视窗防护屏的加工示意图；
图3是图2中切割后的手机视窗防护屏示意图。
图中，1为三维平台的XY水平工作台，2为容器，3为蒸馏水，4为玻璃样品，5为激光切割头，6为激光束，7为聚焦镜，8为压缩气体喷嘴，9为支架，10为破裂带，11为微烧蚀点，12为玻璃碎渣，13为视窗防护屏图形。
具体实施方式
下面对照附图和结合优选具体实施方式对本发明进行详细的阐述。
一种纳秒激光切割玻璃的方法，包括以下步骤：
聚焦步骤：将由纳秒激光器发出的激光束通过聚焦镜，聚焦的激光束垂直待切割的玻璃样品的上表面入射，使所述激光束的焦点位于所述玻璃样品的下表面；
切割步骤：按预先设定的扫描路径，使激光束与所述玻璃样品发生相对移动，在玻璃样品下表面形成一个破裂带，同时在激光照射区的玻璃样品上表面吹压缩气体冷却，加速破裂带向玻璃样品的上表面扩展，直至玻璃分裂成所需的图形。
一种纳秒激光切割玻璃的装置，包括纳秒激光器和激光切割头，所述激光切割头包括聚焦镜和压缩气体喷嘴，所述激光切割头设有用于激光束和压缩气体通过的通道，所述纳秒激光器发出的激光束经过所述聚焦镜垂直所述玻璃样品的上表面入射，所述聚焦镜设置在所述通道上，用于使所述激光束的焦点位于所述玻璃样品的下表面；所述压缩气体喷嘴吹出的压缩气体通过所述通道，用于冷却激光照射区的玻璃上表面。
下面通过优选实施例对本发明作进一步说明：在优选的实施例中，聚焦镜的数值孔径（numerical aperture，缩略词为NA）为0.3~0.7，激光束的参数为：脉宽5~30ns，波长355~1064nm，脉冲频率1~100KHz，脉冲能量1~10mJ，该波段范围的激光能穿透玻璃，玻璃对激光能量的吸收是体吸收形式，所述的玻璃样品的厚度为0.1mm~1.2mm。
实例一：
如图1所示，纳秒激光切割玻璃的装置，包括三维平台的XY水平工作台1、放置在XY水平工作台1上的盛有蒸馏水3的容器2、置于容器2中的支架9，玻璃样品4置于支架9上，并浸没在蒸馏水3中，玻璃样品4的上表面低于液面1~2mm，水温为室温，还包括纳秒激光器和激光切割头5，激光切割头5包括聚焦镜7和压缩气体喷嘴8，激光切割头5设有用于激光束6和压缩气体通过的通道，纳秒激光器发出激光束经过光阑、扩束准直镜、45度反射镜（光阑、扩束准直镜、45度反射镜在图中均未标示），最后经聚焦镜7聚焦垂直玻璃样品4的上表面入射，聚焦镜7设置在所述通道上，在三维平台的Z垂直轴上，用于使激光束6的焦点始终位于玻璃样品4的下表面；压缩气体喷嘴8吹出的压缩气体通过所述通道，这样压缩气体的喷射方向与激光束同轴，用于冷却激光照射区的玻璃上表面。
如图1、2所示，纳秒激光切割玻璃的方法如下：
(1) 将盛有蒸馏水的容器2放置在三维平台的XY水平工作台1上；
(2) 将尺寸为440 mm×360 mm，厚度为1.2mm的玻璃样品4放置在容器2中的支架9上，玻璃样品4浸没在蒸馏水3中，玻璃样品上表面低于液面1~2mm；
(3) 采用中心波长为 1064nm、脉冲宽度为8ns、重复频率为35kHz、脉冲能量可达5mJ的纳秒激光作为切割激光束，调整好能量的纳秒激光束6由聚焦镜7（NA=0.45，工作距离（即聚焦镜与玻璃样品之间的距离）为19.5mm）聚焦，聚焦的纳秒激光束垂直入射到玻璃4的上表面，可以通过上下移动聚焦镜7使纳秒激光束的焦点达到玻璃下表面上，聚焦后的光斑直径为10μm，并始终保持焦点位于玻璃的下表面，如图1所示；
(4) 输出激光束6，开启压缩气体喷嘴8，吹压缩气体，按预先设定的扫描路径控制XY水平工作台1带动玻璃样品4与激光束6作相对运动，直至玻璃分裂成所需的图形。玻璃样品中被激光聚焦照射的地方会被烧蚀，形成微烧蚀点11，玻璃碎渣12从底部飞出并融入水3中，如图2所示，切割速度为100mm/s，用于冷却的压缩气体可以是压缩空气、氮气、氩气、二氧化碳、氦气等非易燃性气体，气压为0.1-5.0kg/cm2，本实施例为压缩空气，气压为5 kg/cm2。切割后的玻璃用于手机视窗防护屏，如图3所示。
实施例二和实施例三：
实施例二和实施例三采用表一中的纳秒激光器和工艺参数，按照实施例一相同的工作过程进行，切割后的玻璃边缘质量较好。
表一：
本发明方法适用于各种超薄玻璃防护屏激光切割成型，只要对纳秒激光加工参数进行适当的选取即可。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种纳秒激光切割玻璃的方法，其特征在于：包括如下步骤：
聚焦步骤：将由纳秒激光器发出的激光束通过聚焦镜，聚焦的激光束垂直待切割的玻璃样品的上表面入射，使所述激光束的焦点位于所述玻璃样品的下表面，且在整个切割过程中焦点始终位于玻璃样品的下表面；
切割步骤：按预先设定的扫描路径，使激光束与所述玻璃样品发生相对移动，在玻璃样品下表面形成一个破裂带，同时在激光照射区的玻璃样品上表面吹压缩气体冷却，加速破裂带向玻璃样品的上表面扩展，直至玻璃分裂成所需的图形。
2.如权利要求1所述的纳秒激光切割玻璃的方法，其特征在于：在聚焦步骤之前还包括浸没步骤：切割前，将待切割的玻璃样品浸没在洁净的液体中。
3.如权利要求2所述的纳秒激光切割玻璃的方法，其特征在于：所述浸没步骤中所述液体是蒸馏水，所述玻璃样品的上表面至少低于液面1~2mm。
4.如权利要求1-3任意一项所述的纳秒激光切割玻璃的方法，其特征在于：所述切割步骤中压缩气体的喷射方向与激光束同轴。
5.如权利要求1-3任意一项所述的纳秒激光切割玻璃的方法，其特征在于：所述聚焦镜的数值孔径为0.3~0.7。
6.如权利要求1-3任意一项所述的纳秒激光切割玻璃的方法，其特征在于：所述聚焦步骤中纳秒激光器发出的激光束的参数为：脉宽5~30ns，波长355~1064nm，脉冲频率1~100KHz，脉冲能量1~10mJ。
7.如权利要求1-3任意一项所述的纳秒激光切割玻璃的方法，其特征在于：所述的玻璃样品的厚度为0.1mm~1.2mm。
8.一种权利要求1所述的方法的纳秒激光切割玻璃的装置，其特征在于：包括纳秒激光器和激光切割头，所述激光切割头包括聚焦镜和压缩气体喷嘴，所述激光切割头设有用于激光束和压缩气体通过的通道，所述纳秒激光器发出的激光束经过所述聚焦镜垂直所述玻璃样品的上表面入射，所述聚焦镜设置在所述通道上，用于使所述激光束的焦点位于所述玻璃样品的下表面，且在整个切割过程中焦点始终位于玻璃样品的下表面；所述压缩气体喷嘴吹出的压缩气体通过所述通道，用于冷却激光照射区的玻璃上表面。
9.如权利要求8所述的纳秒激光切割玻璃的装置，其特征在于：还包括装有液体的容器和置于所述容器中的支架，所述玻璃样品置于所述支架上，并浸没在所述液体中。
10.如权利要求9所述的纳秒激光切割玻璃的装置，其特征在于：所述液体为蒸馏水，所述玻璃样品的上表面至少低于液面1~2mm。
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