CN102992601A - 一种预应力玻璃激光退应力方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种预应力玻璃激光退应力方法，具体为：利用激光对预应力玻璃(钢化玻璃和半钢化玻璃)的快速加热特性，对需要进行后续加工的预应力玻璃选择性局部区域快速加热退应力处理，使该局部具备可加工的特性，同时不实质性影响预应力玻璃整体使用强度要求，这种方法突破了预应力玻璃难以后续加工的行业难题。

Description

一种预应力玻璃激光退应力方法

技术领域

本发明涉及激光加工领域，尤其涉及钢化玻璃和半钢化玻璃的激光加工领域。

背景技术

钢化玻璃和半钢化玻璃其实是一种预应力玻璃。为提高玻璃的强度,通常使用化学或物理的方法，在玻璃表面形成压应力，玻璃承受外力时首先抵消表层应力，从而提高了承载能力，增强玻璃自身抗风压性，寒暑性，冲击性等.

物理钢化就是将普通退火玻璃先切割成要求尺寸，然后加热到接近软化点，再进行快速均匀的冷却而得到预应力玻璃的方法。根据玻璃厚度不同，选择加热降温的时间不同。物理钢化处理后玻璃表面形成均匀压应力，而内部则形成拉应力，使玻璃的抗弯和抗冲击强度得以提高，其强度约是普通退火玻璃的四倍以上。已钢化处理好的玻璃，不能再作任何加工或受破损，否则就会“粉身碎骨”。退火玻璃通过高温和淬冷，根据玻璃表面应力大小划分为半钢化玻璃玻璃和钢化玻璃。

化学钢化是通过离子交换形成玻璃的表面压应力的一种玻璃钢化方法。离子交换工艺的简单原理是在400摄氏度左右碱盐溶液中，使玻璃表层中半径较小的离子与溶液中半径较大的离子交换，比如玻璃中的锂离子与溶液中的钠离子交换，玻璃中的钠离子与溶液中的钾离子交换，利用碱离子体积上的差别产生表层压应力。对厚玻璃的增强效果不甚明显，特别适合增4毫米以下厚的玻璃。化学预应力玻璃的优点是，其未经转变温度以上的高温过程，所以不会像物理预应力玻璃那样存在翘曲，表面平整度与原片玻璃一样，同时在强度和耐温度变化有一定提高，并可适当作切裁处理。

目前随着触摸屏行业的发展，多数采用化学刚化玻璃，其玻璃材料为特殊的钠硅酸盐玻璃材料，通过钠钾离子交换来提升自身强度，达到玻璃强化的目的，耐冲击性、表面硬度得到显著提升。如果首先在玻璃上做好电路，玻璃不能做钢化处理。但若先将玻璃钢化后，再做电路，钢化玻璃却又不可以进行后续加工。总之，所有钢化玻璃和半钢化玻璃，都是中间层承受拉应力，两表面层承受压应力。一旦有任何破损，产生应力集中，玻璃就会破碎。钢化玻璃和半钢化玻璃加工历来是比较难的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种预应力玻璃激光退应力方法，以使得预应力玻璃在后续加工过程中不易破裂，解决预应力玻璃不能后续加工的行业难题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种预应力玻璃激光退应力方法，具体方案如下：

采用加热激光照射预应力玻璃的待退应力处理区域，使被照射区域玻璃的温度急剧上升，使得预应力玻璃局部退应力化。该退应力化区域能够进行后续加工，所述退应力化为激光照射区域玻璃应力相对加热激光加热处理前减弱或者消失。

进一步，所述加热激光照射预应力玻璃的待退应力处理区域步骤中，通过加热激光对预应力玻璃待退应力处理区域进行填充扫描加热。

进一步，所述加热激光照射预应力玻璃的待退应力处理区域步骤中，通过加热激光波长选择、加热激光扫描速度、加热激光扫描密度、加热激光照射时间和控制玻璃表面激光功率大小来控制该被照射区域玻璃温度。

进一步，预应力玻璃为钢化玻璃或半钢化玻璃。

进一步，所述钢化玻璃为物理钢化玻璃或化学钢化玻璃。

进一步，所述半钢化玻璃为物理半钢化玻璃或化学半钢化玻璃。

进一步，所述加热激光为二氧化碳激光或紫外激光或半导体红外激光或光纤激光。

进一步，所述加热激光光源为加工激光光源。

能够被预应力玻璃吸收的激光为加热激光，即预应力玻璃对加热激光有一定的吸收率，具体吸收率与玻璃成分、激光加热厚度、激光波长、激光峰值功率密度等多种因素有关。加热激光用于对预应力玻璃需要加工的区域进行急剧加热处理，还用于对预应力玻璃行进一定时间的保温，促使该区域预应力玻璃的应力得到一定程度的释放或者应力完全消失，这个过程即为预应力玻璃激光退应力处理。其机理是，采用加热激光照射预应力玻璃待加工区域，预应力玻璃吸收激光光子而被急剧加热。对于化学预应力玻璃，在加热激光照射区域内的预应力玻璃达到较高温度，当低于玻璃软化温度时（玻璃软化温度与具体玻璃成分有关），玻璃外层（压应力层）大体积原子和玻璃内层（拉应力层）小体积原子进行位置相互交换，外层大体积原子向内部渗透，内层小体积原子向外层转移，或者外层（压应力层）内部大小原子位置重新排列，都可以形成应力释放；当加热激光照射区域玻璃在达到玻璃软化温度时（玻璃软化温度与具体玻璃成分有关），该区域玻璃的中间层和表面层因应力存在，产生塑性形变，因而减少或者消除该区域预应力玻璃的应力。对于物理预应力玻璃，将加热激光照射区域内的预应力玻璃加热到一定温度，使得该区域预应力玻璃的中间层和表面层的产生塑性形变，因而减少或者消除该加热区域预应力玻璃的应力。一旦预应力玻璃的局部应力减少或者消除，就可以对该预应力玻璃退应力区域进行所需的切割或者钻孔等形式的加工处理，加工手段包括激光加工或者机械加工或者其他加工手段，通过这种方法解决了预应力玻璃难以加工的问题。

这种激光退应力处理可以在加工之前完成，也可以在激光加工过程中同步完成。对预应力玻璃进行切割或钻孔等操作的的激光称为加工激光，在一些情况下也可以同时作为加热激光。在操作过程中可以先对预应力玻璃进行激光退应力处理，再对该预应力玻璃退应力区域进行后续的加工操作，在这种情况下，加热激光和加工激光可以为同一束激光（改变激光的峰值功率，加热的时候激光峰值功率低一些，加工的时候激光峰值功率高一些），这种配置可以节省激光光源的数量；加热激光和加工激光也可以是两束分别独立的激光。另外一种操作方式是，对预应力玻璃激光退应力处理的同时对该预应力玻璃退应力区域进行加工操作，在这种情况下，加热激光和加工激光是同时进行的两束分别独立的激光。

根据具体不同的预应力玻璃的成分、厚度、均匀性、预应力程度、刚化方法等确定加热激光的类型、激光的波长、激光的平均功率、激光光斑大小，以及在对预应力玻璃加热的时候，光斑是静止还是移动状态。加热激光的类型包括连续激光和脉冲激光。连续激光是连续波形式的激光，脉冲激光是发射激光脉冲的激光。

通过加热激光波长选择、加热激光扫描速度、加热激光扫描密度、加热激光照射时间和控制玻璃表面激光功率大小来控制该被照射区域玻璃温度。应力松弛速度取决于预应力玻璃温度，温度越高，应力松弛速度越快。一般预应力玻璃厚度薄的，选择玻璃吸收激光能量系数大的激光波长，预应力玻璃较厚的，选择玻璃吸收激光系数小一些的激光波长，这样有利于加热区域玻璃均匀受热,激光的波长可以在200纳米到12微米之间选择。相同条件下，激光扫描速度越慢，玻璃升温速度快；激光扫描速度快，玻璃升温速度相对较慢。玻璃升温有时候也需要考虑具体种类玻璃对局部温度变化的承受能力。加热激光照射扫描速度可以从0毫米/秒到30米/秒之间选择，相同条件下，加热激光扫描密度越大，被照射部分玻璃升温速度就越快，反之就相对慢，加热激光扫描密度也需要考虑具体种类玻璃对局部温度变化的承受能力，激光照射加热扫描密度可从扫描线宽百分之百重叠度到扫描线与线之间相距10倍线宽的间距，扫描路径可以是平行线、网格、螺旋渐开线、同心圆等。激光照射时间越长，玻璃温度越高。玻璃表面激光功率越大，玻璃升温就越快。总之，以上这些因素需要根据具体玻璃的具体情况，包括预应力玻璃成分、厚度、后续加工要求等综合考虑选择。

应用本发明的技术方案，与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

（1）对需要进行后续加工的预应力玻璃选择性局部区域快速激光加热退应力处理后，使该局部具备可加工的特性，同时不实质性影响到预应力玻璃整体使用强度要求，解决了预应力玻璃难以后续加工的行业难题。

（2）本发明提出一种预应力玻璃激光退应力方法，可以先预应力玻璃，再在预应力玻璃上做好各种电路，再进行相应的激光加工，解决了做好电路后玻璃不可以做预应力处理，但若玻璃预应力后再做电路，玻璃却不可以加工的难题。

附图说明

图1为实施例1化学钢化玻璃激光钻孔的激光退应力装置结构示意图；

图2为实施例1化学钢化玻璃激光钻孔装置结构示意图；

图3为实施例2化学钢化玻璃激光裁切的激光退应力装置结构示意图；

图4为实施例2化学钢化玻璃激光裁切装置结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1：图1为实施例1化学钢化玻璃激光钻孔的激光退应力装置结构示意图，由图1可知：初始准直入射激光光束11，经第一振镜镜片15反射，其反射光束14经第二振镜镜片13反射，得到反射激光光束18，反射激光光束18射入化学钢化玻璃19，除了部分激光被吸收，还有部分激光透射化学钢化玻璃19得到透射光束110。

所述准直入射激光光束11，用于加热化学钢化玻璃19，也称之为加热激光。加热激光为波长为10.6微米的连续二氧化碳气体激光，平均功率50W，基模，准直入射激光光束直径为2毫米。

所述第一振镜镜片15，被振镜电机7的主轴16夹持，可以绕主轴16轴线摆动。

所述第二振镜镜片13，被振镜主轴12夹持，可以绕振镜主轴12轴线摆动。

所述化学钢化玻璃19的厚度为0.8毫米，其上下两表面的钢化深度均为70微米。

在第一振镜镜片15和第二振镜镜片13的控制下，反射激光光束18在化学钢化玻璃19表面上10毫米直径的圆周内部的反复做填充运动，使该区域玻璃迅速升温，通过反射激光光束18的扫描速度、扫描密度、照射时间、激光波长的选择以及控制玻璃表面激光功率大小来控制该区域玻璃温度。应力松弛速度取决于化学钢化玻璃温度，温度越高，松弛速度越快。激光加热照射扫描速度可以从0毫米/秒到30米/秒之间选择，激光扫描速度慢，化学钢化玻璃升温快，激光扫描速度快，化学钢化玻璃升温相对慢。被照射部分玻璃温升速度与加热激光扫描密度成正比。激光照射时间越长，化学钢化玻璃温升就越高。玻璃表面激光功率越大，玻璃温升速度就越快。应力消除程度标准以后续激光钻孔的时候，化学钢化玻璃钢化部分不会破碎为准，并且同时保证被加热激光扫描的退钢化玻璃的相邻区域，没有出现影响整体化学钢化玻璃19钢化强度的退预应力现象。

图2为实施例1化学钢化玻璃激光钻孔装置结构示意图，由图2可知：初始准直入射激光光束21，经第一振镜镜片25反射，其反射光束24经第二振镜镜片23反射，得到反射激光光束28，反射激光光束28射入远心镜头29，获得聚焦光束30，聚焦光束30光斑的开始位置为局部退预应力玻璃31下表面。

所述准直入射激光光束21，用于局部退应力部分的玻璃钻孔，称之为加工激光。加工激光为波长为532纳米的电光调Q固体激光，脉冲重复频率为40千赫兹，平均功率为5瓦，脉冲宽度为5纳秒，基模，准直入射激光光束21的光束直径为10毫米。

所述第一振镜镜片25，被振镜电机27的主轴26夹持，可以绕主轴26轴线摆动。

所述第二振镜镜片23，被振镜主轴22夹持，可以绕振镜主轴22轴线摆动。

所述远心镜头29焦距为100毫米，扫描范围为50毫米×50毫米。

局部退应力化学钢化玻璃211为化学钢化玻璃19经过局部加热激光退应力处理后的部件。

在第一振镜镜片25和第二振镜镜片23的控制下，聚焦光束210在局部退应力化学钢化玻璃211的局部退应力区域（退应力区域为直径为10毫米的圆形区域）下表面做直径为10毫米的圆周运动，由于激光聚焦焦深有一定长度，从局部退应力化学钢化玻璃211下表面开始向上，在局部退应力化学钢化玻璃211内部会被切割出直径10毫米的圆柱面，玻璃熔渣沿着光束传输方向向下喷出。在聚焦光束210切割玻璃过程中，局部退应力化学钢化玻璃211可以竖直向下缓慢运动，直到激光把玻璃钻穿为止。

实施例2：

图3为实施例2化学钢化玻璃激光裁切的激光退应力装置结构示意图，由图3可知，准直入射激光光束31穿过化学钢化玻璃32的时候，部分激光被吸收，还有部分激光透射过化学钢化玻璃32得到透射光束33。

所述准直入射激光光束31，用于加热化学钢化玻璃32，称之为加热激光。加热激光是波长为10.6微米的连续二氧化碳气体激光，平均功率50瓦，基模，准直入射激光光束31的光束直径为2毫米。

所述化学钢化玻璃32的厚度为0.8毫米，其上下两表面的钢化深度均为70微米。

所述准直入射激光光束31以一定速度从化学钢化玻璃32的左边到右边做一直线运动，被激光加热的区域玻璃迅速升温，通过调节准直入射激光光束31运动速度和化学钢化玻璃表面激光功率大小来控制该区域玻璃温度，这些因素均与应力消除到合理程度时所需处理时间有关。准直入射激光光束31运动速度慢，化学钢化玻璃升温快；准直入射激光光束31运动速度快，玻璃升温速度慢。激光照射时间越长，玻璃温升就越高。化学钢化玻璃表面激光功率越大，玻璃温升速度就越快。应力松弛速度取决于玻璃温度，温度越高，松弛速度越快。应力消除程度标准以后续激光裁切时候，未被激光退应力处理的化学钢化玻璃这部分不会破碎为准，并且同时被加热激光扫描的退预应力玻璃的相邻区域，没有出现影响整体玻璃钢化强度的退预应力现象。

当所述准直入射激光光束31以1毫米/秒的速度从化学钢化玻璃32的左边到右边做直线运动，这样在化学钢化玻璃32中形成宽约2毫米的退应力带，其长度由准直入射激光光束31与化学钢化玻璃32的相对运动位移距离决定。

由图4可知，准直入射激光光束43入射静态聚焦镜头42，出射光束为聚焦激光光束45，聚焦光束45的光斑开始位置为局部退预应力玻璃46厚度方向内部中间位置；气嘴44安装在静态聚焦镜头42下面，低温冷空气通过管道41与气嘴44气密性连接。

所述准直入射激光光束43为脉冲二氧化碳激光，用于局部退应力部分的玻璃裁切，称之为加工激光。准直入射激光光束43的波长为10.6微米，平均功率为150瓦，脉冲宽度是40微秒，重复频率是50千赫兹，光束直径为20毫米。

所述静态聚焦镜头42的焦距为50毫米。

局部退预应力化学钢化玻璃46为化学钢化玻璃32经过局部加热激光退应力处理后的部件。

所述聚焦激光光束45在局部退预应力化学钢化玻璃46退应力区域以500毫米/秒速度运动，在运动的同时，高压低温冷空气通过管道41从气嘴44喷出，与聚焦激光光束45同轴吹向局部退预应力化学钢化玻璃46，此时，因脉冲激光加热急剧升温，又因高压冷气冷却，化学钢化玻璃产生定向裂纹，局部退预应力化学钢化玻璃46中的退预应力区域部分顺着裂纹方向从局部退预应力化学钢化玻璃46中完美分离，该裂纹方向为聚焦激光光束45与局部退预应力化学钢化玻璃46的相对运动方向。

上述实施例1与实施例2只是本发明的两个典型的应用，实际上其原理应用不限于上面所述情形，例如还可以利用加热激光在加工激光加工过程之前或者在加工激光加工过程之中同时对预应力玻璃进行局部加热退应力处理等。在加工激光加工过程之前，加热激光对预应力玻璃进行局部加热退应力处理这种情况下，加热激光和加工激光可以是两束分别独立的激光，也可以是同一激光光源。同一激光光源的时候，改变激光的峰值功率，加热的时候激光峰值功率低一些，加工的时候激光峰值功率高一些，这种配置可以节省激光光源的数量。

总之，本发明提出一种激光预应力玻璃退应力方法，其重要特点是：利用激光对预应力玻璃的急剧加热特性，对需要进行后续加工的预应力玻璃选择性局部区域快速激光加热退应力处理，使该局部具备可加工的特性，同时不实质性影响预应力玻璃整体使用强度要求，这种方法突破了预应力玻璃难以后续加工的行业难题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种预应力玻璃激光退应力方法，其特征在于：采用加热激光照射预应力玻璃的待退应力处理区域，使被照射区域玻璃的温度上升，使得预应力玻璃局部退应力化。

2.根据权利要求1所述的一种预应力玻璃激光退应力方法，其特征在于：所述加热激光照射预应力玻璃的待退应力处理区域步骤中，通过加热激光对预应力玻璃待退应力处理区域进行填充扫描加热。

3.根据权利要求1或2所述的一种预应力玻璃激光退应力方法，其特征在于：所述加热激光照射预应力玻璃的待退应力处理区域步骤中，通过加热激光波长选择、加热激光扫描速度、加热激光扫描密度、加热激光照射时间和控制玻璃表面激光功率大小来控制该被照射区域玻璃温度。

4.根据权利要求1所述的一种预应力玻璃激光退应力方法，其特征在于：预应力玻璃为钢化玻璃或半钢化玻璃。

5.根据权利要求4所述的一种预应力玻璃激光退应力方法，其特征在于：所述钢化玻璃为物理钢化玻璃或化学钢化玻璃。

6.根据权利要求4所述的一种预应力玻璃激光退应力方法，其特征在于：所述半钢化玻璃为物理半钢化玻璃或化学半钢化玻璃。

7.根据权利要求1或2或4或5或6所述的一种预应力玻璃激光退应力方法，其特征在于：所述加热激光为二氧化碳激光或紫外激光或半导体红外激光或光纤激光。

8.根据权利要求7所述的一种预应力玻璃激光退应力方法，其特征在于：所述加热激光光源为加工激光光源。

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