CN102814591B - 激光加工方法和激光加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光加工方法和激光加工设备。激光加工方法包括以下步骤：透过加工物的入射表面照射激光并在加工物的切割起始面上或附近聚光，使聚光点处和/或聚光点邻近区域的加工物气化和/或熔化，从而在切割起始面上形成起始热去除区，并使起始热去除区在切割起始面上沿预定路径连续分布从而形成起始热去除线；照射激光以在之前的热去除步骤中新形成的加工物表面上或附近聚光，使聚光点处和/或聚光点邻近区域的加工物气化和/或熔化，从而形成后续热去除区，并使后续热去除区沿预定路径连续分布从而形成后续热去除线。

Description

激光加工方法和激光加工设备

技术领域

本发明涉及一种激光加工方法和激光加工设备。

背景技术

钢化玻璃，例如美国康宁公司的大猩猩玻璃（Gorilla）及日本旭硝子公司（Asahi）的龙迹玻璃（Dragontrail）及钠钙玻璃（Sodalime）等钢化玻璃，由于其高透性和高强度，已经广泛应用于显示屏器件。

传统玻璃切割工艺通常难以对钢化玻璃进行良好的切割。传统玻璃切割主要包括刀轮切割、激光切割及磨棒研磨。传统刀轮切割、激光切割利用刀轮或激光在玻璃表面或内部形成切割起始开口或起始裂纹，然后在裂片工艺中使裂纹在玻璃上下表面之间延伸以使玻璃被完全切割开。利用传统刀轮切割或激光切割工艺切割钢化玻璃时，由于钢化玻璃的钢化层中存在应力，裂纹在钢化层中经常不会完全按照预期路径生长，甚至完全不按照预期路径而无序生长，从而导致裂片和切割失败。磨棒研磨通常用于玻璃内部封闭区域的切割。先用钻头钻出小孔，再换不同的磨棒研磨至要求的大小。利用磨棒研磨工艺切割钢化玻璃时，钢化玻璃的钢化层中的应力经常在钻孔和研磨时产生不希望的裂纹。另外，磨棒损耗很大，效率很低。因此，对于钢化玻璃，例如大猩猩玻璃（Gorilla）、钠钙玻璃（Sodalime）和龙迹玻璃（Dragontrail）等钢化玻璃，现有的各种加工方法都不能有效实行稳定的切割。现在对钢化玻璃进行切割时通常需要将未钢化的玻璃切割研磨后再进行钢化处理，效率极低。

因此，需要一种能对钢化玻璃，例如大猩猩玻璃（Gorilla）、钠钙玻璃（Sodalime）及龙迹玻璃（Dragontrail）等钢化玻璃进行有效稳定切割的加工方法和加工设备。

发明内容

本发明的激光切割技术是以激光源为能量源的热去除切割工艺。具体而言，本发明利用脉冲激光在聚光点处的高功率密度输出，使激光聚光点处的材料瞬间气化或者融化，从而实现材料的去除。材料热去除区横向和纵向相连成为切割区，从而实现材料的切割分离。其超短脉冲又将热影响限制在焦点附近极小的区域内，防止周围脆性材料受热后爆裂。

根据本发明的一个方面，提供了一种激光加工方法，包括以下步骤：透过加工物的入射表面照射激光并在所述加工物的切割起始面上或附近聚光，使聚光点处和/或聚光点邻近区域的加工物气化和/或熔化，从而在切割起始面上形成起始热去除区，并使起始热去除区在所述切割起始面上沿预定路径连续分布从而形成起始热去除线；照射激光以在之前的热去除步骤中新形成的加工物表面上或附近聚光，使聚光点处和/或聚光点邻近区域的加工物气化和/或熔化，从而形成后续热去除区，并使后续热去除区沿预定路径连续分布从而形成后续热去除线。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于对加工物进行激光切割的激光加工设备，包括：发射脉冲激光的激光光源；聚光装置，所述聚光装置能将所述激光光源发射的脉冲激光在加工物表面或内部聚光，使得至少聚光点处的功率密度能使加工物被气化和/或熔化而形成热去除区；移动装置，所述移动装置能使所述聚光点相对于所述加工物移动，所述移动装置被配置成，使得聚光点在所述加工物的切割起始面上或附近，使聚光点处和/或聚光点邻近区域的加工物气化和/或熔化，从而在切割起始面上形成起始热去除区，并使起始热去除区在所述切割起始面上沿预定路径连续分布从而形成起始热去除线；使得聚光点在之前的热去除步骤中新形成的加工物表面上或附近，使聚光点处和/或聚光点邻近区域的加工物气化和/或熔化，从而形成后续热去除区，并使后续热去除区沿预定路径连续分布从而形成后续热去除线。

本发明采用了热去除方法进行钢化玻璃的切割，避免了传统玻璃切割工艺中的裂片工艺，避免了钢化玻璃切割中容易出现的裂纹无序生长从而导致切割失败的情况，从而能对钢化玻璃进行高效稳定的加工。

本发明的脉冲激光切割工艺与传统加工方法相比具有许多优点：

(1)加工范围不受材料物理、机械性能的限制，能加工任何硬的、软的、脆的、耐热或高熔点金属以及非金属材料。

(2)易于加工复杂型面、微细表面以及柔性零件。

(3)易获得良好的切割截面质量，切割碎屑污染，热应力、残余应力、冷作硬化、热影响区等均比较小。

(4)能够在封闭区域进行钢化玻璃的异形切割，并有极高的稳定性。

(5)3D动态扫面聚焦镜和双光路系统能大幅提升加工效率。

(6)使用能透过玻璃的激光，始终聚光在玻璃的下表面或热去除形成的下表面进行加工，切割残渣始终在激光切割区域下方，不会影响激光的后续聚焦，提高了激光加工效率。并能够获得光滑，垂直无锥度的切割截面。

(7)在钢化玻璃下方设置在激光照射时表面能发生溅射的材料，使得在切割过程中有溅射出的材料粘附在玻璃下表面上，从而增加玻璃对激光的吸收率。

(8)本发明采用纳秒、皮秒或飞秒激光器，脉宽小，对周围区域热影响小，能抑制微裂纹的产生。

附图说明

图1是利用本发明的激光加工设备进行钢化玻璃切割的视图；

图2是激光切割的局部放大图；

图3是与图2类似的视图，其中在玻璃下方增加了柔性材料。

附图标记说明

1、脉冲激光器；2、光闸；3、扩束镜；

4、45度半透半反镜；5、45度全反射镜；6、3D动态扫描振镜；

7、聚焦镜；8、吹气冷却装置；9、平台；

10、吸气装置；11、同轴CCD；20、激光束；

30、玻璃；32、切割道；40、柔性材料；50、残渣。

具体实施方式

本发明的激光切割技术是以激光为能量源的热去除切割工艺。具体而言，本发明利用脉冲激光在聚光点处的高功率密度输出，使激光聚光点处的材料瞬间气化或者融化，从而实现材料的去除。材料热去除区延伸形成热去除面，从而实现材料的切割分离。

本发明的切割工艺首先在预定的加工物切割起始面上或附近照射并扫描激光以从加工物切割起始面上热去除材料。加工物切割起始面被热去除材料后加工物内部材料暴露形成新表面。之后在所形成的新表面上照射并扫描激光以进一步去除材料，最终使整个预定切割面上的加工物材料均被热去除，从而完成切割。具体而言，首先，透过加工物的入射表面照射激光并在所述加工物的切割起始面上或附近聚光，使聚光点处和/或聚光点邻近区域的加工物气化和/或熔化，从而在切割起始面上形成起始热去除区，并使起始热去除区在所述切割起始面上沿预定路径连续分布从而形成起始热去除线，多条热去除线横向叠加形成热去除道。之后，照射激光以在之前的热去除步骤中新形成的加工物表面上或附近聚光，使聚光点处和/或聚光点邻近区域的加工物气化和/或熔化，从而形成后续热去除区，并使后续热去除区沿预定路径连续分布从而形成后续热去除线，多条后续热去除线横向叠加形成后续热去除道。所述后续热去除线与之前形成的起始热去除线或后续热去除线一起至少部分地形成将所述加工物分开的热去除面。本发明所述的在加工物的切割起始面（或在之前的热去除步骤中形成的加工物表面）上或附近聚光，是指聚光点位置在切割起始面（或在之前的热去除步骤中新形成的加工物表面）上或与之足够近，使得形成的热去除区包括该切割起始面（在之前的热去除步骤中新形成的加工物表面），即，聚光点处或邻近区域中的切割起始面（在之前的热去除步骤中形成的加工物表面）被形成的热去除区至少部分去除。

本发明涉及脉冲双光路激光切割大猩猩玻璃（Gorilla）、钠钙玻璃（Sodalime）及龙迹玻璃（Dragontrail）等钢化玻璃的设备和方法。脉冲激光器是波长266-1064nm的纳秒、皮秒及飞秒激光器，加工材料为普通玻璃以及、大猩猩玻璃（Gorilla）、钠钙玻璃（Sodalime）及龙迹玻璃（Dragontrail）等钢化玻璃等透明材料。切割过程中，光学扫描聚焦系统将激光聚焦在透明材料的下表面（在之前的热去除步骤中形成的加工物表面），每层材料以特定间隔特定顺序进行切割，对不同的玻璃厚度形成合适的切割宽度，焦点由下往上运动，达到切割材料的目的。

本发明所采用的是纳秒、皮秒或飞秒激光器，激光脉冲很短。本发明的脉冲激光短于绝大多数化学和物理反应，比如机械和热力学的特征时间等。激光峰值功率密度极高，由于超短激光脉冲与物质相互中独特的多光子吸收过程，其加工精度可以突破相干极限的瓶颈，从而使纳米加工和相应微/纳电子、微/纳光学的许多构想成为可能。超短激光脉冲序列可以控制电离过程、选择性地电离原子、控制分子中基态转动等。

图1为本发明所使用双光路脉冲激光切割钢化玻璃的视图。加工开始时激光焦点聚焦在玻璃的下表面，激光器1发出的激光经过电动光闸2控制开关光，具体可以由软件控制感应信号来控制光闸2的开启和关闭，从而实现激光器1的外部控制激光开关。之后激光经过扩束镜3对光束进行同轴扩束，一方面改善光束传播的发散角，达到光路准直的目的；另外一方面，可以控制激光最终聚焦光斑的大小，使得到理想的光斑大小，从而实现激光稳定切割的目的。经扩束镜3扩束后光束经1片45度半反半透镜4和45度全反射镜5后，光路由水平改为垂直向下。光束经3D动态扫描聚焦镜6、7聚焦在工件的下表面。控制系统将切割图形转化为数字信号，然后驱动3D动态聚焦振镜6中的反射镜片扫描加工图形；同轴CCD11在加工开始前对工件进行精确定位，利用抓靶程序抓取工件上的定位标志，计算补偿值，实现切割图形和实际切割道的精确匹配，加工时也能实时观察加工进程和效果。加工开始后，吹气冷却和吸气装置8、10开始工作，将切割残渣排除，同时吹气也起冷却效果，提高切割质量；加工时6中的3D动态聚焦镜在每一层加工完成后自动将焦点提升，由下往上切割玻璃最终将玻璃切穿。加工完成后平台9自动将玻璃移出加工位置，便于物料取放。

图2是图1中激光切割的局部放大图。如图所示，两个光路（图2中仅示出一个光路）中脉冲激光的分别进行切割，激光透过玻璃上表面聚光在玻璃的下表面或下表面附近。聚光点处的高功率密度使聚光点处及附近的玻璃瞬间气化或融化并从玻璃下表面排出或溅出，以在玻璃下表面形成热去除区。将激光聚光点相对于玻璃水平移动，沿着移动路径，聚光点处或附近的玻璃下表面的玻璃材料不断被热去除，形成热去除线，热出去线横向叠加形成热去除道32。在玻璃下表面形成预定路线的热去除道后，使激光聚光点大致上移一热去除道的厚度，以使聚光点落在之前的热去除过程中新形成的玻璃表面上或附近，再重复进行上述的步骤，以在热去除道32上方再形成一热去除道。如此反复，最后一次将玻璃上表面的玻璃材料热去除，从而将玻璃完全切穿。

如图1-3所示，本发明的激光加工设备还包括布置成往玻璃30上表面吹气的吹气冷却装置8和和在玻璃下方吸气的吸气收集装置10。吹气冷却装置8的主要作用是冷却玻璃上表面，否则玻璃上表面最后剩余的薄层玻璃会由于热积累而破裂，形成微裂纹。吹气冷却装置8能显著抑制微裂纹的产生。可选地，吹气冷却装置8也在激光切割玻璃的最上一层时用于吹走产生的熔渣、碎屑等。由于本发明中是是从下往上加工，气化或融化的加工物材料等会受重力及焦点处空气的热膨胀自动从玻璃30排出，然后被吸气收集装置10收集。

图3示出了与图2类似的视图，其中在玻璃下方增加了柔性材料40。柔性材料40是在被激光照射时表面能发生溅射的材料，在激光切割区域该柔性材料40与所述加工物间隔开一距离，例如，10μm-2mm。该柔性材料40可以是纸张、油墨、铝等。优选地，激光切割区域柔性材料的下方位置没有被平台完全支撑住。在激光切割过程中，部分激光会透过玻璃30而照射在柔性材料40上，柔性材料30因此发生溅射，溅射物部分粘附在玻璃30的下表面上，使得玻璃30的下表面的激光吸收率提高，从而能以较低的激光功率进行切割。

上文中结合附图描述了本发明的优选实施例，然而本发明不限于此。在附图所示的优选实施例中，激光从玻璃上表面入射并且从钢化玻璃的下表面开始切割，然而本发明不限于此。在可选实施例中，激光也可以从钢化玻璃的侧表面或下表面入射，并且可以从钢化玻璃的上表面、侧表面或下表面开始，只要入射表面和切割起始表面是不同的表面即可。

在本发明的优选实施例中，每次形成一热去除道后将激光聚光点大致上移一热去除道的高度，然而本发明不限于此。在可选实施例中，可以以不同方式移动激光聚光点，只要聚光点落在之前的热去除步骤中形成的玻璃表面上或附近，从而使新形成的热去除线与该之前的热去除线部分重合。本发明的热去除线也可以是任意形状，只要热去除线最后能形成将加工物分开的热去除面。

在本发明的优选实施例中，加工物是钢化玻璃，最优选为大猩猩玻璃（Gorilla）、钠钙玻璃（Sodalime）或龙迹玻璃（Dragontrail）等钢化玻璃。然而本发明不限于此，在可选实施例中，所述加工物可以是其它种类的玻璃，或者是激光能够透过的其它材料。

在本发明的优选实施例中，钢化玻璃厚度小于或等于5mm，钢化层深度小于或等于100μm。更优选地，钢化玻璃厚度小于或等于2mm，钢化层深度小于或等于80μm。然而本发明不限于此，本发明的钢化玻璃可以具有其它厚度和钢化层深度。

在本发明的优选实施例中，激光光源发出的激光脉宽为50ps-15ns，激光峰值功率0.1-1MW，热去除线的宽度为10-60μm。然而本发明不限于此，本发明的激光光源可以是纳秒激光器、皮秒激光器或飞秒激光器，热去除线也可以采用其它宽度。

在本发明的优选实施例中，利用45度半透半反镜将激光光束分成两束，以同时进行切割。然而本发明不限于此，本发明可以利用一束激光进行切割，也可以将激光分成3、4或更多的光束进行切割。

在本发明的优选实施例中，通过布置成给玻璃上表面吹气的吹气冷却装置来给玻璃上表面进行冷却。然而本发明不限于此，可以采用其它冷却装置来对玻璃上表面进行冷却。

在本发明的优选实施例中，形成一道热去除线，多条热去除线横向叠加形成热去除道用于增加切割宽度，再将激光聚光点上移一预定距离，从而在每一聚焦高度形成仅形成一特定宽度的热去除道。然而本发明不限于此，可以在不同聚焦高度处形成不同宽度的热去除道，从而可以设定切割截面的形状。对于0.5-2mm厚度的玻璃，切割宽度优选为100-400μm。在优选实施例中，每个热去除道由多条热去除线横向叠加形成，然而本发明不限于此，在可选实施例中，至少一些热去除道由一条热去除线构成。在另外一些可选实施例中，全部热去除道均由一条热去除线构成。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (23)

1.一种激光加工方法，包括以下步骤：

透过加工物的入射表面照射脉冲激光并在所述加工物的切割起始面上或附近聚光，使聚光点处和/或聚光点邻近区域的加工物气化和/或熔化，从而在切割起始面上形成起始热去除区，并使起始热去除区在所述切割起始面上沿预定路径连续分布从而形成起始热去除线，其中所述脉冲激光的波长在266-1064nm的范围内，所述入射表面和所述切割起始面是所述加工物的不同表面；

照射脉冲激光以在之前的热去除步骤中形成的加工物表面上或附近聚光，使聚光点处和/或聚光点邻近区域的加工物气化和/或熔化，从而形成后续热去除区，并使后续热去除区沿预定路径连续分布从而形成后续热去除线，其中后续热去除线和起始热去除线一起形成将所述加工物分开的热去除面，使得在整个热去除面上的加工物材料均被热去除，

其中所述加工物是钢化玻璃。

2.如权利要求1所述的激光加工方法，其中形成起始热去除线的步骤包括多条起始热去除线横向叠加形成起始热去除道，形成后续热去除线的步骤包括多条后续热去除线横向叠加形成后续热去除道。

3.如权利要求2所述的激光加工方法，其中所述入射表面是所述加工物的上表面且所述切割起始面是所述加工物的下表面，所述方法还包括：在形成一所述起始热去除道或所述后续热去除道后，将聚光点相对于所述加工物上移一预定距离以在上移的聚光点高度处形成一后续热去除道。

4.如权利要求1所述的激光加工方法，其中所述加工物是大猩猩玻璃、钠钙玻璃或龙迹玻璃。

5.如权利要求1所述的激光加工方法，其中所述钢化玻璃的钢化层深度小于或等于100μm，且所述钢化玻璃厚度小于或等于5mm。

6.如权利要求1所述的激光加工方法，其中所述激光由纳秒激光器、皮秒激光器或飞秒激光器产生，激光峰值功率0.1-1MW，所述起始热去除线或后续热去除线的宽度为10-60μm。

7.如权利要求1-6中任一项所述的激光加工方法，包括

在入射到所述加工物之前将所述激光分成两束或更多束，每束激光各自用于单独的切割。

8.如权利要求1-6中任一项所述的激光加工方法，包括

在所述加工物下方设置在激光照射时能发生溅射的材料，在切割区域所述材料和所述加工物间隔开一距离。

9.如权利要求8所述的激光加工方法，其中所述材料包括纸张、油墨、铝。

10.如权利要求1-6中任一项所述的激光加工方法，包括对所述入射表面进行冷却的冷却步骤。

11.如权利要求10所述的激光加工方法，其中通过吹气装置进行所述冷却步骤。

12.如权利要求1-6中任一项所述的激光加工方法，包括利用吸气装置将气化和/或熔化的加工物材料吸走。

13.一种用于对加工物进行激光切割的激光加工设备，包括

发射脉冲激光的激光光源，所述脉冲激光的波长在266-1064nm的范围内；

聚光装置，所述聚光装置能将所述激光光源发射的脉冲激光在加工物表面或内部聚光，使得至少聚光点处的功率密度能使加工物被气化和/或熔化而形成热去除区；

移动装置，所述移动装置能使所述聚光点相对于所述加工物移动，所述移动装置被配置成

使得脉冲激光透过所述加工物的入射表面并使聚光点在所述加工物的切割起始面上或附近，使聚光点处和/或聚光点邻近区域的加工物气化和/或熔化，从而在切割起始面上形成起始热去除区，并使起始热去除区在所述切割起始面上沿预定路径连续分布从而形成起始热去除线，所述入射表面和所述切割起始面是所述加工物的不同表面；

使得聚光点在之前的热去除中形成的加工物表面上或附近，使聚光点处和/或聚光点邻近区域的加工物气化和/或熔化，从而形成后续热去除区，并使后续热去除区沿预定路径连续分布从而形成后续热去除线，

其中起始热去除线和后续热去除线一起形成将所述加工物分开的热去除面，使得在整个热去除面上的加工物材料均被热去除，

其中所述加工物是钢化玻璃。

14.如权利要求13所述的激光加工设备，其中所述移动装置进一步配置成使多条所述起始热去除线横向叠加形成起始热去除道，使多条所述后续热去除线横向叠加形成后续热去除道。

15.如权利要求14所述的激光加工设备，其中所述入射表面是所述加工物的上表面且所述切割起始面是所述加工物的下表面，其中所述移动装置进一步配置成，在形成一所述起始热去除道或所述后续热去除道后，将聚光点位置上移一预定距离以在上移的聚光点高度处形成一后续热去除道。

16.如权利要求13所述的激光加工设备，其中所述加工物是大猩猩玻璃、钠钙玻璃或龙迹玻璃。

17.如权利要求13所述的激光加工设备，其中所述激光光源是纳秒激光器、皮秒激光器或飞秒激光器，激光峰值功率0.1-1MW。

18.如权利要求13-17中任一项所述的激光加工设备，包括

分光装置，所述分光装置在入射到所述加工物之前将所述激光分成能各自进行切割的两束或更多束激光。

19.如权利要求13-17中任一项所述的激光加工设备，包括

在所述加工物下方设置在激光照射时能发生溅射的材料，在激光照射处所述材料和所述加工物间隔开一距离。

20.如权利要求19所述的激光加工设备，其中所述材料包括纸张、油墨、铝。

21.如权利要求13-17中任一项所述的激光加工设备，包括对加工物的入射表面进行冷却的冷却装置。

22.如权利要求21所述的激光加工设备，其中所述冷却装置是吹风装置。

23.如权利要求13-17中任一项所述的激光加工设备，包括吸气装置，用于将气化和/或熔化的加工物材料吸走。