CN103011171A - 玻璃加工方法 - Google Patents

Abstract

一种玻璃加工方法，包括如下步骤：提供一激光束；所述激光束在玻璃的加工表面沿着切割线形成一个切割槽，所述切割线为螺旋线；随着所述切割槽的深度加大，所述激光束的焦点相对于所述切割槽的底部下降。上述玻璃加工方法控制激光束沿着切割线形成一个切割槽，切割线为螺旋线，随着切割面的下降，焦点会随着一同下降，即焦点始终位于切割面上，从而加深切割槽的深度。因此，上述玻璃加工方法可加工厚度较大的玻璃。并且，整个螺旋线作为一条曲线，切割过程中激光从起始点开激光直到终止点结束，无需频繁开关激光，即提高的切割效率，又可避免的起点终点位置因为延迟参数问题造成起点爆点问题，提高了切割的质量。

Description

玻璃加工方法

【技术领域】

本发明涉及一种板材加工方法，特别是涉及一种玻璃加工方法。

【背景技术】

玻璃，一种透明的固体物质，在熔融时形成连续网络结构，冷却过程中粘度逐渐增大并硬化而不结晶的硅酸盐类非金属材料。种类繁多，化学成分多样，主要成分是二氧化硅。广泛的用于建筑、日常家庭用品、化工、电子、军事、工业等领域，是目前应用最为广泛最为重要的材料之一，与高分子材料、陶瓷材料并称为三大支柱型非金属材料。

由于实用中要求各异，因此玻璃的加工技术显得尤为重要，传统的工艺包括熔融吹拉或模具成型，机械及化学加工等。近些年来，随着平板玻璃广泛应用于电子、化工、生物、微光学领域，对平板玻璃的高精密加工要求越来越高，精度要求在百分之一毫米的级别，传统的工艺越来越显得力不从心，无论是在加工质量还是在加工效率方面都大为逊色，渐渐无法跟上与满足日益进步的需求。尤其是随着IPHONE/IPAD一类平板类消费电子产品的出现，使得我们消费电子产品产生了根本性革命性的变化，无数的领军企业，龙头大厂都被迫转型跟随苹果的脚步，这样高精度高质量高效率的平板玻璃的加工的需求也日益增加，越来越紧迫。

传统的平面玻璃精密加工技术主要有机械加工、超声波加工、喷砂加工、化学蚀刻。机械加工、超声加工、喷砂加工等均属于接触性加工，存在速度慢、成品率相对较低、耗材多、精度低等诸多缺点，而化学蚀刻则采用氢氟酸这样剧毒高腐蚀性或氢氧化钾等强碱，尽管安全保护措施很完善，但是依旧存在安全隐患，不断的发生各类安全事故。此时我们就会考虑到新兴的加工技术-激光加工。

激光加工技术被誉为“万能的加工技术”，以非接触，速度快，精度高、无耗材，无污染，功能强，应用范围广，性价比高，易于自动化集成等优点逐步在许多领域代替传统工艺。因此在激光出现后，人们便尝试使用激光来加工玻璃，到目前为止，出现了使用二氧化碳激光器、YAG激光器、绿光激光器及紫外激光器进行加工的技术。

其中二氧化碳切割玻璃的原理是激光聚焦在玻璃表面，形成椭圆形光斑，玻璃强烈吸收二氧化碳激光，随着激光与玻璃的相对移动行程切割线，同时淬火嘴将冷水或冷气喷射到切割道上，使玻璃裂开，但只能产生很浅的裂纹，还需要后续工艺将玻璃裂开，且此种方法只能切割直线，无法加工复杂图形，如弧形外框，内部开孔等。

YAG的切割原理及优缺点同二氧化碳类似。

绿光和紫外激光的切割原理类似，并不是像二氧化碳激光器那样单纯的依靠热效应来加工玻璃，但紫外激光波长比绿光更短，可以破坏材料的化学键，使材料熔化或气化，从而来达到是材料分离的目的。且大部分玻璃通常在紫外波段会有更高的吸收率，因此使用紫外激光切割玻璃效果会更好。尤其是在调Q的绿光及紫外固态激光器出现并迅猛发展的今天，使用绿光及紫外激光切割玻璃会越来越广泛。但目前绿光和紫外激光切割玻璃是将激光聚焦于材料表面，激光可以很轻易的将玻璃移除掉，形成小的凹槽，但是由于紫外激光的焦深较短，形成的凹槽较小，因此使得切割无法深入进行下去，切割深度有限，之后激光会被切割处的凹槽侧壁及底部吸收，还会引起玻璃温度上升，甚至爆裂。

另外，紫外激光并非万能的工具，并不是所有的玻璃都可以切割，目前主要有两类无法切割，第一类是高透过率的光学玻璃，比如石英玻璃(BK7)或水晶玻璃，他们在大于300nm的波段，透过率达90％以上；第二类是热膨胀系数较高的玻璃，由于其受热膨胀变形较大，会造成玻璃的崩裂，因此无法加工。

【发明内容】

鉴于上述状况，有必要提供一种可加工厚度较大的玻璃的加工方法。

一种玻璃加工方法，包括如下步骤：

提供一激光束；

所述激光束在玻璃的加工表面沿着切割线形成一个切割槽，所述切割线为螺旋线；及

随着所述切割槽的深度加大，所述激光束的焦点相对于所述切割槽的底部下降。

进一步地，所述螺旋线的间距小于所述激光束的光斑直径，且所述螺旋线的圈数由如下公式确定：

N＝kD/d

其中，N为所述螺旋线的圈数，D为所述玻璃的厚度，d为所述螺旋线的间距，k为大于等于0.2且小于等于0.5的常数。

进一步地，所述螺旋线的间距小于等于0.03毫米。

进一步地，所述激光束的脉冲能量大于100微焦耳。

进一步地，还包括在所述玻璃的加工表面涂覆吸收层以提高激光的吸收率的步骤。

进一步地，所述激光束为波长为260～360纳米的紫外激光。

进一步地，所述激光束为波长为525～540纳米的绿光激光。

进一步地，所述激光束可以在所述玻璃表面加工凹槽、划线、切割、通孔、盲孔或腔体。

进一步地，还包括朝向所述玻璃的加工表面吹冷却气流的步骤。

进一步地，所述远心透镜焦距小于120毫米。

上述玻璃加工方法控制激光束沿着切割线形成一个切割槽，切割线为螺旋线，随着切割面的下降，焦点会随着一同下降，即焦点始终位于切割面上，从而加深切割槽的深度。因此，上述玻璃加工方法可加工厚度较大的玻璃。并且，整个螺旋线作为一条曲线，切割过程中激光从起始点开激光直到终止点结束，无需频繁开关激光，即提高的切割效率，又可避免的起点终点位置因为延迟参数问题造成起点爆点问题，提高了切割的质量。

【附图说明】

图1为本实施方式的玻璃加工设备的结构示意图；

图2为图1所示的玻璃加工设备加工玻璃的状态示意图；

图3为图1所示的玻璃加工设备加工玻璃的另一状态示意图；

图4为本实施方式的玻璃加工方法的流程示意图；

图5为采用本实施方式的玻璃加工方法切割圆形孔的示意图。

【具体实施方式】

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1及图2，本实施方式的玻璃加工设备100，包括激光器110、高精度平台120、扩束镜(图未示)、振镜130、远心透镜140、控制装置150、吹气装置160及涂覆装置170。

激光器110发射一激光束111。激光器110可为半导体泵浦固态激光器，峰值功率大于10千瓦。具体在本实施方式中，激光器110为调Q半导体泵浦固态绿光激光器或者紫外激光器，其中绿光的波长在525～540nm，紫外激光波长在260～360nm之间，选择单脉冲能量大，脉冲宽度窄的激光器，这样会有较高的峰值功率，激光器峰值功率大于10kw，可以超过材料的加工阈值，更容易实现加工，可以得到较好的加工质量和较快的加工速度。

高精度平台120用于承载待加工的玻璃200，高精度平台120相对于振镜130可移动，以调节玻璃200相对于振镜130的相对位置。

需要说明的是，高精度平台120不移动，控制装置130控制振镜130可移动，同样可调节玻璃200相对于振镜130的相对位置。

扩束镜设于振镜130与激光器110之间，且与激光器110相对。

振镜130与扩束镜相对。远心透镜140与振镜固定连接，激光器110发射的激光束经过扩束镜、振镜130后再经远心透镜140聚焦。具体在本实施方式中，远心透镜焦距小于120毫米。

控制装置150与激光器110电连接，且控制振镜130与玻璃200之间的相对位置，例如，水平位置及高度位置，从而使激光束110经过振镜130及远心透镜140后在玻璃200的加工表面沿着切割线形成一个切割槽201，切割线为螺旋线。

优选地，为了进一步提高切割效率，防止切割时崩边，提高切割质量螺旋线的间距小于激光束的光斑直径，且螺旋线的圈数由如下公式确定：

N＝kD/d

其中，N为螺旋线的圈数，D为玻璃200的厚度，d为螺旋线的间距，k为大于等于0.2且小于等于0.5的常数。

其中k为大于等于0.2且小于等于0.5的常数，这是由切割经验所得，通常切割槽的线宽度为玻璃200厚度D的五分之一到二分之一，小于五分之一时无法切割，大于二分之一时会浪费时间，因此切割线宽为kD；且针对不同的玻璃，k会有一个最佳数值，可以得到最快的切割效率，此数值要依据不同玻璃的性质进行测试而得出；小于此最佳数值时会无法切割或者切割时间较长，且切割质量较差，崩边较多，大于此最佳数值时会浪费时间，降低生产效率；d为螺旋线的线间距，此线间距要求要小于光斑直径，以使光斑之间有足够的重叠率。因此使用线宽kD除以线间距d就可以得到需要添加线的圈数N。只有在合适恰当螺旋线的圈数N的情况下，才可以达到最佳的切割效果及最快的切割效率。

吹气装置160受控制装置150控制，用于朝向玻璃200的加工表面吹冷却气体。切割的同时压缩气体吹至切割面，将气化的玻璃和破裂的碎屑，随着切割深度的增加，避免了玻璃的碎屑的堆积；同时还起到冷却切割面，避免温度过高引起玻璃破裂；并且还能保护远心透镜140的镜头，避免碎屑飞溅污损镜头。

涂覆装置170与控制装置150电连接，用于在玻璃200的加工表面涂覆吸收层。对于某些透过率较高的光学玻璃，表面加吸收层以增加激光的吸收，提高激光加工效率，使不能切割变为可以切割；并且，吸收层可以同时保护切割槽的边缘，减少崩边。

可以理解，涂覆装置170也可不受控制装置150控制，可由人工控制涂覆。

为提高激光加工玻璃的效率及精度，玻璃加工设备100还包括与控制装置150电连接的摄像装置(图未示)，摄像装置用于拍摄加工玻璃的加工位置及加工图形，从而自动定位、聚焦。

上述玻璃加工设备100的控制装置150控制激光束沿着切割线形成一个切割槽201，切割线为螺旋线，随着切割面的下降，焦点会随着一同下降，即焦点始终位于切割面上，从而加深切割槽的深度。因此，上述玻璃加工设备100可加工厚度较大的玻璃。并且，整个螺旋线作为一条曲线，切割过程中激光从起始点开激光直到终止点结束，无需频繁开关激光，即提高的切割效率，又可避免的起点终点位置因为延迟参数问题造成起点爆点问题，提高了切割的质量。

请参阅图1、图3及图4，本实施方式的玻璃加工方法，包括如下步骤S201～S205。

S201，提供一激光束。激光器110发射一激光束111。激光束111的脉冲能量大于100微焦耳。激光束111为波长为260～360纳米的紫外激光或525～540纳米的绿光激光。

S202，在玻璃的加工表面涂覆吸收层以提高激光的吸收率。对于某些透过率较高的光学玻璃，涂覆装置170在玻璃200表面涂覆吸收层以增加激光的吸收，提高激光加工效率，使不能切割变为可以切割；并且，吸收层可以同时保护切割槽的边缘，减少崩边。

S203，激光束在玻璃表面沿着切割线形成一个切割槽，切割线为螺旋线。

优选地，为了进一步提高切割效率，防止切割时崩边，提高切割质量螺旋线的间距小于激光束的光斑直径，且螺旋线的圈数由如下公式确定：

N＝kD/d

其中，N为螺旋线的圈数，D为玻璃的厚度，d为螺旋线的间距，k为大于等于0.2且小于等于0.5的常数。

具体在本实施方式中，控制装置150与激光器110电连接，且控制振镜130与玻璃200之间的相对位置，例如，水平位置及高度位置，从而使激光束110经过振镜130及远心透镜140后在玻璃200的加工表面沿着切割线形成一个切割槽201，切割线由平行且等间距的螺旋线组成。螺旋线的间距小于等于0.03毫米。

S204，朝向玻璃的加工表面吹冷却气流。具体在本实施方式中，吹气装置160受控制装置150控制，用于朝向玻璃200的加工表面吹冷却气体。切割的同时压缩气体吹至切割面，将气化的玻璃和破裂的碎屑，随着切割深度的增加，避免了玻璃的碎屑的堆积；同时还起到冷却切割面，避免温度过高引起玻璃破裂；并且还能保护远心透镜140的镜头，避免碎屑飞溅污损镜头。

S205，随着切割槽的深度加大，激光束的焦点相对于切割槽的底部下降。

如图3所示，由于激光的焦深较短，使得切割无法深入进行下去，切割深度有限，之后激光会被切割处的凹槽侧壁及底部吸收，形成的切割槽呈梯形，为使形成的切割槽为矩形槽，则可使螺旋线的圈数随着切割槽的深度的增大而增加，从而形成矩形槽。激光束可以在玻璃表面加工凹槽、划线、通孔、盲孔或腔体。

请参阅图5，以切割圆形孔为例来说明，将图形增加螺旋形边缘可以在CAD等图形处理软件中很轻易的实现，过程简单。整个螺旋线作为一条曲线，切割过程中激光从起始点开激光直到终止点结束，无需频繁开关激光，即提高的切割效率，又可避免的起点终点位置因为延迟参数问题造成起点爆点问题，提高了切割的质量。

可以理解，其他形状如方形、各种异型孔等，也可以在CAD中经过简单的作图处理，实现螺旋边缘，从而采用本实施方式的玻璃加工方法。

可以理解，玻璃的加工图形由多个小区域图形拼接形成，即使用由小区域图形拼接成大图形的方法实现大范围加工。

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，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种玻璃加工方法，包括如下步骤：

提供一激光束；

所述激光束在玻璃的加工表面沿着切割线形成一个切割槽，所述切割线为螺旋线；及

随着所述切割槽的深度加大，所述激光束的焦点相对于所述切割槽的底部下降。

2.如权利要求1所述的玻璃加工方法，其特征在于，所述螺旋线的间距小于所述激光束的光斑直径，且所述螺旋线的圈数由如下公式确定：

N＝kD/d

其中，N为所述螺旋线的圈数，D为所述玻璃的厚度，d为所述螺旋线的间距，k为大于等于0.2且小于等于0.5的常数。

3.如权利要求2所述的玻璃加工方法，其特征在于，所述螺旋线的间距小于等于0.03毫米。

4.如权利要求1所述的玻璃加工方法，其特征在于，所述激光束的脉冲能量大于100微焦耳。

5.如权利要求1所述的玻璃加工方法，其特征在于，还包括在所述玻璃的加工表面涂覆吸收层以提高激光的吸收率的步骤。

6.如权利要求1所述的玻璃加工方法，其特征在于，所述激光束为波长为260～360纳米的紫外激光。

7.如权利要求1所述的玻璃加工方法，其特征在于，所述激光束为波长为525～540纳米的绿光激光。

8.如权利要求1所述的玻璃加工方法，其特征在于，所述激光束可以在所述玻璃表面加工凹槽、划线、切割、通孔、盲孔或腔体。

9.如权利要求1所述的玻璃加工方法，其特征在于，还包括朝向所述玻璃的加工表面吹冷却气流的步骤。

10.如权利要求1所述的玻璃加工方法，其特征在于，所述远心透镜焦距小于120毫米。

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