CN105081564B - 一种强化玻璃内形孔的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种强化玻璃内形孔的加工方法，其包括以下步骤：先利用激光在强化玻璃基板上加工出内形孔的轮廓，此时孔内的玻璃与基板完全分离，但孔内的玻璃并未从基板上脱落；再利用激光将内形孔内部的玻璃去除。本发明还公开了一种利用上述方法的加工设备，包括工作台、运动装置、定位装置、激光系统和控制系统。本发明采用超短脉冲激光和纳秒激光相结合的加工方式，适用于加工高强度的强化玻璃和任意形状、尺寸的内形孔，具有速度快、效果好、良品率高、耗材小、成本低等特点。

Description

一种强化玻璃内形孔的加工方法

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种强化玻璃内形孔的加工方法。

背景技术

随着社会发展，强化玻璃被广泛应用于智能手机和平板电脑等电子产品上，对于强化玻璃的加工要求也越来越高。

强化玻璃是普通玻璃经过离子交换法进行强化得到。具体是将含有碱金属离子的硅酸盐玻璃，通过使玻璃表层的Na+离子与熔盐中的K+离子发生交换，在表面形成K+离子交换层。由于K+离子半径比Na+离子大，使表面膨胀，产生预压应力，使得玻璃强度大大增强，但是由于有这个预压应力，加工时就很容易破坏其应力平衡而使玻璃破碎。

传统的强化玻璃内形孔的加工方法有两种：

一种是先进行内形孔的加工，后对玻璃进行强化。这种方法成本较高，只适合于小片式的生产，不能用于OGS(One Glass Solution，即单片式玻璃触控面板)大片制程等工艺流程。

另一种是玻璃强化之后再用多段磨棒对玻璃进行研磨。这种机械加工的方法非常耗时，同时不能用来加工尺寸太小的孔，也不能加工强度高的玻璃。

发明内容

本发明实施例的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种强化玻璃内形孔的加工方法及加工设备，具有较高的加工效率和良品率，满足电子行业对强化玻璃精细加工的要求。

本发明提供一种强化玻璃内形孔的加工方法，包括以下步骤：

利用激光在强化玻璃基板上加工出内形孔的轮廓，此时孔内的玻璃与基板完全分离，但孔内的玻璃并未从基板上脱落；

利用激光将内形孔内部的玻璃去除。

进一步说明，加工内形孔轮廓时所利用的激光为超短脉冲激光。

进一步说明，超短脉冲激光以等脉冲间距的方式进行加工。

进一步说明，超短脉冲激光的脉冲间距与强化玻璃的中心张应力相关，即中心张应力越大，脉冲间距要越小，而中心张应力的值根据以下公式确定：

其中，CT为中心张应力，CS为表面压应力，DOL为强化深度，T为玻璃厚度。

进一步说明，清除内形孔内部玻璃时所利用的激光为纳秒激光。

进一步说明，纳秒激光以设定好的扫描路径进行加工，所述扫描路径位于内形孔的轮廓范围以内。

进一步说明，纳秒激光的焦点沿着扫描路径由下往上进行移动。

进一步说明，加工内形孔轮廓时强化玻璃基板在位置1处，清除内形孔内部玻璃时强化玻璃基板在位置2处，强化玻璃基板在位置1完成内形孔轮廓加工后，需要移动到位置2再执行清除内形孔内部玻璃。

本发明还提供一种采用上述方法的强化玻璃内形孔的加工设备，包括工作台、运动装置、定位装置、激光系统和控制系统；所述运动装置固定在工作台上；所述定位装置与运动装置滑动连接，通过运动装置的驱动可以在工作台上移动；所述激光系统设置在工作台的上方；所述控制系统分别与运动装置、激光系统电信号连接。

进一步说明，所述激光系统包括第一激光装置和第二激光装置；所述第一激光装置包括超短脉冲激光器；所述第二激光装置包括纳秒激光器，以及根据光束传播路径依次设置的扩束镜、反射镜、三维动态聚焦组件、振镜和f-theta镜。

与现有技术相比，本发明所提供的强化玻璃内形孔的加工方法及加工设备带来的有益效果是：

采用超短脉冲激光和纳秒激光相结合的加工方式，即先用超短脉冲激光加工出孔型，再用纳秒激光去除孔内玻璃。这种方法及设备可以加工高强度的强化玻璃和任意形状、尺寸的内形孔，具有速度快、效果好、良品率高、耗材小、成本低等特点。

附图说明

图1是本发明利用超短脉冲激光加工强化玻璃内形孔的示意图；

图2是本发明利用纳秒激光加工强化玻璃内形孔的示意图；

图3是本发明实施例所提供的第二激光装置的结构示意图；

图4是利用本发明所提供的方法及设备加工后的手机盖板的结构示意图。

附图标记说明：1-超短脉冲激光、2-脉冲间距、3-纳秒激光、4-扫描路径、5-手机盖板、6-听筒孔、7-home键孔、10-纳秒激光器、20-扩束镜、30-反射镜、40-三维动态聚焦组件、50-振镜和f-theta镜

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种强化玻璃内形孔的加工方法，包括以下步骤：

步骤S1：利用激光在强化玻璃基板上加工出内形孔的轮廓，此时孔内的玻璃与基板完全分离，但由于只有极其有限的材料被去除导致形成的间隙非常小，而且玻璃被激光加工的表面并非光滑，所以孔内的玻璃未从基板上自然脱落。

在本步骤中所利用的激光优选为超短脉冲激光。因为超短脉冲激光的单脉冲持续时间非常短，通常<10^-11s，可以在强化玻璃热扩散之前完成加工，引导强化玻璃的内部应力方向，使其发生自裂，加工质量非常高。

其中，设定超短脉冲激光的脉冲能量介于100～300uJ之间，脉冲宽度介于100fs～100ps之间，频率介于10～1000kHz之间，光斑在强化玻璃基板上的移动速度介于1mm/s～1m/s之间。

如图1所示，在本步骤中超短脉冲激光1以等脉冲间距2的方式进行加工。

其中，超短脉冲激光的脉冲间距与强化玻璃的中心张应力相关，即中心张应力越大，脉冲间距要越小，而中心张应力的值根据以下公式确定：

在上述公式中，CT为中心张应力，CS为表面压应力，DOL为强化深度，T为玻璃厚度。

步骤S2：利用激光将内形孔内部的玻璃去除。

在本步骤中所利用的激光优选为纳秒激光。此外，可以采用超短脉冲激光作为替代方案。

其中，设定纳秒激光的脉冲能量介于100uJ～10mJ之间，脉冲宽度介于1ns～100ns之间，频率介于10～1000kHz之间，光斑在强化玻璃基板上的移动速度介于100mm/s～2m/s之间。纳秒激光可以设定为红外激光、绿光激光或紫外激光。实践中，纳秒激光设定为绿光激光的加工效果最佳。

如图2所示，在本步骤中纳秒激光3以螺旋线的扫描路径4进行加工。除此之外，也可以采用十字交叉、波浪线等路径进行扫描。需要注意的是，所有扫描路径都必须在内形孔的轮廓范围以内。

在本步骤中，纳秒激光的焦点沿着扫描路径由下往上进行移动。这种由下往上的加工方式，使得被激光去除的材料在重力的作用下自然掉落，提高加工效率，而且加工时产生的粉尘在强化玻璃基板的背面，避免对从正面入射的激光造成不利的影响。当然，纳秒激光的焦点也可以沿着扫描路径由上往下的移动方式进行加工。

本发明所提供的强化玻璃内形孔的加工方法，步骤S1中强化玻璃基板在位置1处，步骤S2中强化玻璃基板在位置2处，强化玻璃基板在位置1完成步骤S1后，需要移动到位置2再执行步骤S2。

本发明所提供的强化玻璃内形孔的加工方法，还包括：执行完成步骤S2后，利用手工或机械的方式将内形孔残留的玻璃碎屑擦拭干净。

本发明还提供一种采用上述方法的强化玻璃内形孔的加工设备，其包括工作台、运动装置、定位装置、激光系统和控制系统。其中，运动装置固定在工作台上；定位装置与运动装置滑动连接，通过运动装置的驱动可以在工作台上移动；激光系统设置在工作台的上方；控制系统分别与运动装置、激光系统电信号连接。

在本实施例中，激光系统包括第一激光装置和第二激光装置。具体而言，第一激光装置包括超短脉冲激光器；如图3所示，第二激光装置包括纳秒激光器10，以及根据光束传播路径依次设置的扩束镜20、反射镜30、三维动态聚焦组件40、振镜和f-theta镜50。

在另一个实施例中，激光系统包括超短脉冲激光器、分光镜、第一光路系统以及与之对应的第一加工头、第二光路系统以及与之对应的第二加工头。分光镜将超短脉冲激光器发出的激光分成两束，分别经过两套光路系统，再从与光路系统相对应的加工头射出。

本发明实施例所提供的强化玻璃内形孔的加工设备，其工作过程大致如下：

工作人员在控制系统上设定好第一激光装置和第二激光装置的加工路径以及相应工艺参数，然后将待加工的强化玻璃基板放在定位装置上固定好。控制系统发送信号给运动装置，使其驱动定位装置搭载着强化玻璃基板移动到第一激光装置的正下方，此时第一激光装置接收到控制系统的信号，发出超短脉冲激光，在强化玻璃基板上加工出内形孔的轮廓。接着，运动装置驱动定位装置移动到第二激光装置的正下方，此时第二激光装置接收到控制系统的信号，发出纳秒激光，其焦点以螺旋线的扫描路径由下往上进行加工，将内形孔内部的玻璃去除。最后，运动装置驱动定位装置搭载着加工好的强化玻璃基板回到原点，工作人员将之取下，并换上新的基板，重复上述的内形孔加工过程。

如图4所示，此为按照本发明所提供的方法及设备加工好的手机盖板5，其材料为康宁Gorilla强化玻璃。该盖板5上方为听筒孔6，下方为home键孔7。其加工过程为：先利用超短脉冲激光在手机盖板5上分别切割出听筒孔6和home键孔7的轮廓；再利用纳秒激光分别去除听筒孔6和home键孔7内部尚未脱落的玻璃；最后，将孔内残留的玻璃碎屑擦拭干净。

通过上述说明，可以清楚地体现本发明相比现有技术的优势。这种采用超短脉冲激光和纳秒激光相结合的加工方式，适用于加工高强度的强化玻璃和任意形状、尺寸的内形孔，具有速度快、效果好、良品率高、耗材小、成本低等特点，完全满足电子行业对强化玻璃精细加工的要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种强化玻璃内形孔的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用超短脉冲激光在强化玻璃基板上加工出内形孔的轮廓，此时孔内的玻璃与基板完全分离，但孔内的玻璃并未从基板上脱落；

利用纳秒激光以螺旋线或十字交叉或波浪线的扫描方式对内形孔内部的玻璃进行扫描，去除内形孔内部的玻璃。

2.根据权利要求1所述的强化玻璃内形孔的加工方法，其特征在于：超短脉冲激光以等脉冲间距的方式进行加工。

3.根据权利要求2所述的强化玻璃内形孔的加工方法，其特征在于：超短脉冲激光的脉冲间距与强化玻璃的中心张应力相关，即中心张应力越大，脉冲间距要越小，而中心张应力的值根据以下公式确定：

$CT=\frac{CS\&times;DOL}{(T-2\&times;DOL)}$

其中，CT为中心张应力，CS为表面压应力，DOL为强化深度，T为玻璃厚度。

4.根据权利要求1所述的强化玻璃内形孔的加工方法，其特征在于：纳秒激光以设定好的扫描路径进行加工，所述扫描路径位于内形孔的轮廓范围以内。

5.根据权利要求4所述的强化玻璃内形孔的加工方法，其特征在于：纳秒激光的焦点沿着扫描路径由下往上进行移动。

6.根据权利要求1所述的强化玻璃内形孔的加工方法，其特征在于：加工内形孔轮廓时强化玻璃基板在位置1处，清除内形孔内部玻璃时强化玻璃基板在位置2处，强化玻璃基板在位置1完成内形孔轮廓加工后，需要移动到位置2再执行清除内形孔内部玻璃。