CN102583991A

CN102583991A - 一种激光切割玻璃的方法

Info

Publication number: CN102583991A
Application number: CN2012100633471A
Authority: CN
Inventors: 蔡志祥; 韩伟; 侯若洪
Original assignee: Shenzhen Guangyunda Photoelectric Science & Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Guangyunda Photoelectric Science & Technology Co Ltd
Priority date: 2012-03-12
Filing date: 2012-03-12
Publication date: 2012-07-18

Abstract

本发明公开了一种激光切割玻璃的方法，使用波长范围为1064nm~1075nm，模式为基模模式，平均功率不低于10W的激光束聚焦后照射玻璃样品，由于玻璃样品对该波长范围内的激光是体吸收形式，且聚焦的激光束能量集中，在激光加热作用下与空气的对流冷却作用下，使得玻璃样品上表面短时间内形成一段较浅的凹槽，同时激光束的部分能量通过该凹槽透射至所述玻璃样品的整个厚度方向，从而在玻璃样品上形成裂平面，使玻璃样品沿着裂片面开裂开来。本发明的激光切割玻璃的方法，加工切割工序较简单，玻璃的开裂是均匀通透的，且激光的平均功率不需太高便可实现操作还能尽可能提高切割效率。

Description

一种激光切割玻璃的方法

技术领域

本发明涉及玻璃切割领域，特别是涉及一种激光切割玻璃的方法。

背景技术

由于日常消费电子的迅猛发展，笔记本电脑、手机等产品都在朝着体积更薄，重量更轻，制造成本更低的方向发展。目前用于数码产品上的液晶显示器上的玻璃基材厚度已经由原先的1.1mm降低到0.6-0.7mm，用于手机屏幕的玻璃基材已经降到了0.3mm甚至更低。厚度越薄的玻璃对力越敏感，越容易受冲击后发生脆断，这无疑增加了切割工艺难度。

现有的激光切割玻璃的方法大致有两种，即CO₂激光熔融切割法和激光裂纹控制切割法。

CO₂激光熔融切割法主要是利用玻璃处于软化的温度下具有较好的塑性和延展性，用聚焦的CO₂激光照射待切割的玻璃样品的表面，通过超高的能量密度将玻璃融化，同时配合气流吹走熔融的玻璃，从而直接将一整块玻璃样品一分为二切割开来。由于CO₂激光波长在10600nm，玻璃样品对该波长的激光是面吸收，因此这种方法中要将玻璃样品熔融断裂开，需要非常高的激光能量才能实现。同时，这种方法的切割效果较差，切缝不整齐，极易在整个切缝断面形成热裂纹使玻璃强度大大降低，并且切割过程中产生的熔渣也会污染玻璃表面。

另一种方法，激光裂纹控制切割法，通常也是使用CO₂激光，首先人为在玻璃样品的表面加工出一条裂纹引导线，然后使用CO₂激光沿着裂纹引导线照射玻璃样品加热玻璃样品的表面。激光照射后，使用冷却气体或者冷却液快速冷却玻璃表面，使玻璃样品表面产生较大的温度梯度和拉应力，最后配合外部机械力从而使玻璃样品沿着预定的裂纹引导线断裂开来。这种方法具有切缝平直、无碎屑的优点，可克服CO₂激光熔融切割法的部分不足。但是，在激光照射扫描步骤中，为使加工切割较快速，通常使用离焦的CO₂激光束，从而在玻璃样品表面形成椭圆形光斑，尽可能一个时刻覆盖较长的引导线进行照射加热。这样为确保离焦的激光能加热玻璃表面，激光的功率也需较高。同时，这种方法需要人为在玻璃表面加工裂纹引导线，中间也需冷却气体或冷却液的快速冷却，最后还需配合外部机械力实现最终断裂，其工艺步骤较多，导致工序较复杂。而且，为有效控制裂纹扩展过程，需要激光切割扫描的速度尽可能慢，因此这种方法的切割效率受到很大限制。

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，提出一种激光切割玻璃的方法，能有效切割超薄玻璃，切割工序较简单，且切割所需激光的平均功率较低，同时能尽可能提高切割效率。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种激光切割玻璃的方法，包括以下步骤：1）将波长范围为1064nm~1075nm，模式为基模模式的激光束经聚焦处理后垂直入射到待切割的玻璃样品的上表面，使所述激光束的焦点位于所述玻璃样品的上表面；所述激光束的平均功率满足：聚焦后激光束的功率密度大于所述玻璃样品的破坏阈值；2）按预先设定的扫描路径移动所述激光束，从而使所述玻璃样品的上表面烧蚀出一条深度为所述玻璃样品厚度的1/16~1/3的凹槽，同时所述激光束的部分能量沿着所述凹槽透射至所述玻璃样品的整个厚度方向，使所述玻璃样品沿着所述凹槽底端的平面开裂开来。

上述激光切割玻璃的方法中，使用波长范围为1064nm~1075nm，模式为基模模式，平均功率不低于10W的激光束聚焦后照射玻璃样品，由于玻璃样品对该波长范围内的激光是体吸收形式，且聚焦的激光束能量集中，在激光加热作用下与空气的对流冷却作用下，使得玻璃样品上表面短时间内形成一段较浅的凹槽，同时激光束的部分能量通过该凹槽透射至所述玻璃样品的整个厚度方向，从而在玻璃样品上形成裂平面，使玻璃样品沿着裂片面开裂开来。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明的激光切割玻璃的方法，可切割玻璃厚度在0.1mm~1.1mm范围内的超薄玻璃，由于整个方法中仅需激光束聚焦，照射操作，不需事先加工裂纹引导线，以及冷却气体吹气的步骤，因此加工切割工序较简单。切割时，利用的是玻璃对激光束的体吸收形式，因此玻璃的开裂是均匀通透的。同时因利用玻璃对激光的体吸收形式，因此不需太高的激光束平均功率便可实现操作。切割时，只需通过激光照射在短时间内形成较浅的凹槽，因此激光扫描速度可以设置得较快，最快可达到100mm/s，能尽可能提高切割效率，这是现有的两种方法也无法达到的。

附图说明

图1是本发明具体实施方式一的激光切割玻璃的方法所涉及的系统框架图；

图2是本发明具体实施方式一的激光切割玻璃的方法中形成沟槽的示意图；

图3是本发明具体实施方式一的玻璃开裂后形成的裂平面的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明做进一步详细说明。

具体实施方式一

本发明的激光切割玻璃的方法，包括以下步骤：

1）将波长范围为1064nm~1075nm，模式为基模模式的激光束经聚焦处理后垂直入射到待切割的玻璃样品的上表面，使所述激光束的焦点位于所述玻璃样品的上表面。所述激光束的平均功率满足：聚焦后激光束的功率密度大于玻璃样品的破坏阈值。

该步骤中可采用中心波长在1064nm~1075nm范围的固体激光器产生上述波长范围内的激光束。出于经济适用的原则，固体激光器可以选用光纤激光器或Nd：YAG激光器。

而关于激光束的平均功率，需满足聚焦后激光束的功率密度大于玻璃样品的破坏阈值，这样，即可使第2步中在短时间内烧蚀出一条凹槽。因此，所述待切割的玻璃样品厚度越厚，所述激光束的平均功率越高。一般，针对厚度在0.1mm~1.1mm范围内的超薄玻璃，激光束的平均功率在10W~37W即可。本具体实施方式中以厚度为0.1mm的材质为硼硅酸盐的玻璃样品作为示例进行说明，所需激光束的平均功率不低于10W即可。一般，聚焦后激光光束在直径为20μm左右的圆斑。当激光束平均功率为10W时，聚焦后功率密度为3.18×10⁶W/cm²，即大于硼硅酸盐玻璃的破坏阈值（硼硅酸盐玻璃的破坏阈值为10⁵~10⁶W/cm²）。需说明的是，如不需考虑激光束的功率损耗，用更高平均功率的激光束来进行切割也可行，这样切割效率将更快。其它实施例中，也可选用其它材质的玻璃样品，如纳钙玻璃。

本具体实施方式所用工艺参数：激光束平均功率设置为10W，切割速度设置为100mm/s。对于激光器切割速度的设置，因切割速度越慢，对开裂平面的控制越好，但切割速度慢会导致切割效率受到限制、切割质量受到影响。因此，最快可将切割速度设置为100 mm/s，其余实施例中可将切割速度设置得低于100mm/s。

光纤激光器出射的激光束经过聚焦镜后完成聚焦处理。具体过程如图1所示的系统框架图，光纤激光器1发出波长范围为1064nm~1075nm，模式为基模模式，平均功率为10W的激光束经过扩束准直镜2的扩束后，通过45度反射镜3反射至聚焦镜4，经聚焦镜4聚焦后的激光束7垂直入射到位于工作台5上的待切割的玻璃样品6的上表面，使激光束7的焦点位于玻璃样品6的上表面。聚焦镜4的焦深与数值孔径NA的平方成反比，数值孔径NA值越大，焦深越浅，本发明中可采用的聚焦镜的数值孔径范围在0.28<NA<0.50，本具体实施方式中采用的聚焦镜4的数值孔径NA值约为0.28。需说明的是，在某些情形下，比如激光束是光纤传输，再比如玻璃样品仍然如图1所示水平放置，而激光束是垂直出射，则可以经过扩束准直镜扩束后直接进入聚焦镜聚焦，而不需45度反射镜反射。此时即是所述激光束先经过扩束准直镜扩束后至所述聚焦镜，经所述聚焦镜完成聚焦处理。

2）按预先设定的扫描路径移动所述激光束，从而使玻璃样品的上表面烧蚀出一条深度为所述玻璃样品厚度的1/16~1/3的凹槽，同时所述激光束的部分能量沿着所述凹槽透射至所述玻璃样品的整个厚度方向，使玻璃样品沿着凹槽底端的平面开裂开来。

如图2所示，为激光束扫描玻璃样品形成沟槽的示意图。该步骤中，激光束7的焦点在玻璃样品6的上表面，对于波长在1064nm~1075nm范围内，基模模式，功率密度大于玻璃破坏阈值的的激光束7，其到达玻璃样品表面的能量超过玻璃样品6的破坏阈值，使玻璃材料气化，从而在玻璃样品6的表面烧蚀出一条深度较浅的凹槽8（根据激光能量的不同，凹槽的深度范围一般在玻璃样品厚度的1/16~1/3范围内）。在烧蚀出凹槽8的同时，激光束7会有部分能量透过凹槽底端的切缝贯穿至玻璃底部，如图中虚线所示，从而可加热凹槽底端的平面。此时沿着凹槽底端的平面，激光束7的能量并不能使该平面的玻璃样品6熔融气化，其仅是导致该平面的温度在激光扫描过后迅速升高。同时，玻璃样品6也是处于空气环境中，这样，激光束7沿图中箭头所示扫描轨迹扫描后，凹槽8底端平面ABCD在短时间内受到激光束的加热作用和空气的对流冷却作用，使得该平面ABCD附近温度场发生急剧变化，从而在该平面ABCD开裂开来。因此在激光扫描产生凹槽8的同时，玻璃也沿着激光扫描轨迹产生稳定的裂平面ABCD开裂开来。如图3所示，为玻璃样品6开裂开来后裂平面的示意图，其中，平面ABCD即是凹槽底端平面，也即裂平面。由标记ACFE所形成的平面，是烧蚀形成凹槽的烧蚀面。虽然切割玻璃后，会在玻璃表面形成该烧蚀面，影响玻璃表面的美观，但如果切割后的玻璃应用于某些器件内部时，该烧蚀面也不会影响到实际应用。因玻璃是通过对激光束进行体吸收而开裂开来的，因此玻璃开裂形成的裂平面是非常均匀通透的。

综上所述，本具体实施方式中激光切割玻璃的方法，仅需激光聚焦扫描的步骤，聚焦的激光扫描玻璃样品后，玻璃样品即被开裂开来，不需事先加工裂纹引导线，以及操作过程中施加冷却气体吹气的步骤，因此加工切割工序较简单。切割时，利用的是玻璃对激光束的体吸收形式，因此玻璃的开裂是均匀通透的。同时因利用玻璃对激光的体吸收形式，因此对于厚度为0.1mm的玻璃样品，激光的平均功率不低于10W即可，不需太高的激光功率便可实现操作。切割时，需通过激光照射在短时间内形成较浅的凹槽，因此激光扫描速度可以设置得较快，最快可达到100mm/s，能尽可能提高切割效率。

具体实施方式二

本具体实施方式与具体实施方式一的切割玻璃的方法步骤相同，只是本具体实施方式是针对厚度为0.21mm的硼硅酸盐材质的玻璃样品，此时将步骤1）中激光束的平均功率设置为20W。

本具体实施方式中，聚焦后激光束的功率密度为6.36×10⁶W/cm²，大于硼硅酸盐材质的玻璃样品的破坏阈值。同时，与具体实施方式一中聚焦后3.18×10⁶W/cm²的功率密度切割厚度为0.1mm的玻璃样品相比，本具体实施方式中聚焦后6.36×10⁶W/cm²的功率密度切割厚度为0.21mm的玻璃样品，因此也可近似达到相同的切割速度。

本具体实施方式中激光器平均输出功率设置为20W，同时为使切割效率尽可能提高，切割速度与具体实施方式一中相同，仍然设置为100mm/s。

切割时，激光器发出波长范围为1064nm~1075nm，模式为基模模式，平均功率为20W的激光束经聚焦处理后垂直入射到待切割的0.21mm的玻璃样品的上表面，使激光束的焦点位于玻璃样品的上表面。按预先设定的扫描路径移动激光束，从而使玻璃样品的上表面烧蚀出一条深度为所述玻璃样品厚度的1/16~1/3的凹槽。在烧蚀出凹槽的同时，激光束的部分能量透过凹槽底端的切缝贯穿至玻璃底部，从而可加热凹槽底端的平面。而玻璃样品是处于空气环境中的，这样，凹槽底端平面在短时间内受到激光束的加热作用和空气的对流冷却作用，使得该平面附近温度场发生急剧变化，从而在该平面开裂开来。本具体实施方式中的激光切割玻璃的方法步骤与具体实施方式一相同，因此同样可取得具体实施方式一中的切割效果，在此不重复。且根据实验验证，在上述参数设置下，切割后，本具体实施方式的切割效果也确是与实施方式一一样，切割质量，切割效率均能得到有效地保障。

具体实施方式三

本具体实施方式与具体实施方式一的切割玻璃的方法步骤相同，只是本具体实施方式是针对厚度为0.40mm的硼硅酸盐材质的玻璃样品，此时将步骤1）中激光束的平均功率设置为32W。

本具体实施方式中，聚焦后激光束的功率密度为1.02×10⁷W/cm²，大于硼硅酸盐材质的玻璃样品的破坏阈值。同时，与具体实施方式一中聚焦后3.18×10⁶W/cm²的功率密度切割厚度为0.1mm的玻璃样品相比，本具体实施方式中聚焦后1.02×10⁷W/cm²的功率密度切割厚度为0.40mm的玻璃样品，因此也可近似达到相同的切割速度。

本具体实施方式中激光器平均输出功率设置为32W，同时为使切割效率尽可能提高，切割速度仍然设置为100mm/s。本具体实施方式中的激光切割玻璃的方法步骤与具体实施方式一相同，因此同样可取得具体实施方式一中的切割效果，在此不重复。且根据实验验证，在上述参数设置下，切割后，本具体实施方式的切割效果也确是与实施方式一一样，切割质量，切割效率均能得到有效地保障。

具体实施方式四

本具体实施方式与具体实施方式一的切割玻璃的方法步骤相同，只是本具体实施方式是针对厚度为1.1mm的硼硅酸盐材质的玻璃样品，此时将步骤1）中激光束的平均功率设置为37W。

本具体实施方式中，聚焦后激光束的功率密度为1.18×10⁷W/cm²，大于硼硅酸盐材质的玻璃样品的破坏阈值。同时，与具体实施方式一中聚焦后3.18×10⁶W/cm²的功率密度切割厚度为0.1mm的玻璃样品相比，本具体实施方式中聚焦后1.18×10⁷W/cm²的功率密度切割厚度为1.1mm的玻璃样品，因此也可近似达到相同的切割速度。

本具体实施方式中激光器平均输出功率设置为37W，同时为使切割效率尽可能提高，切割速度仍然设置为100mm/s。本具体实施方式中的激光切割玻璃的方法步骤与具体实施方式一相同，因此同样可取得具体实施方式一中的切割效果，在此不重复。且根据实验验证，在上述参数设置下，切割后，本具体实施方式的切割效果也确是与实施方式一一样，切割质量，切割效率均能得到有效地保障。

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

1.一种激光切割玻璃的方法，其特征在于：包括以下步骤：1）将波长范围为1064nm~1075nm，模式为基模模式的激光束经聚焦处理后垂直入射到待切割的玻璃样品的上表面，使所述激光束的焦点位于所述玻璃样品的上表面；所述激光束的平均功率满足：聚焦后激光束的功率密度大于所述玻璃样品的破坏阈值；2）按预先设定的扫描路径移动所述激光束，从而使所述玻璃样品的上表面烧蚀出一条深度为所述玻璃样品厚度的1/16~1/3的凹槽，同时所述激光束的部分能量沿着所述凹槽透射至所述玻璃样品的整个厚度方向，使所述玻璃样品沿着所述凹槽底端的平面开裂开来。

2.根据权利要求1所述的激光切割玻璃的方法，其特征在于：所述步骤1）中激光束是由中心波长在1064nm~1075nm范围的固体激光器产生的。

3.根据权利要求2所述的激光切割玻璃的方法，其特征在于：所述固体激光器是光纤激光器或Nd：YAG激光器。

4.根据权利要求1所述的激光切割玻璃的方法，其特征在于：所述待切割的玻璃样品厚度越厚，所述步骤1）中激光束的平均功率越高。

5.根据权利要求4所述的激光切割玻璃的方法，其特征在于：所述待切割的玻璃样品的厚度为0.1mm~1.1mm，所述步骤1）中所述激光束的平均功率为10W~37W。

6.根据权利要求1所述的激光切割玻璃的方法，其特征在于：所述步骤1）中所述激光束经过所述聚焦镜后完成聚集处理。

7.根据权利要求6所述的激光切割玻璃的方法，其特征在于：所述激光束先经过扩束准直镜扩束后再通过45度反射镜反射至所述聚焦镜，最后经所述聚焦镜完成聚焦处理。

8.根据权利要求6所述的激光切割玻璃的方法，其特征在于：所述激光束先经过扩束准直镜扩束后至所述聚焦镜，经所述聚焦镜完成聚焦处理。

9.根据权利要求5-7任一所述的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0.28~0.5。

10.根据权利要求1-8任一所述的激光切割玻璃的方法，其特征在于：所述玻璃的材质为硼硅酸盐玻璃或纳钙玻璃。