CN105669014A - 一种采用激光刻划玻璃加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光玻璃加工技术领域，公开了一种采用激光刻划玻璃加工方法。该方法先选取合适的激光光束，并对待加工的工件玻璃进行清洗去污，并将其水平放置于三维移动平台之上，调节三维移动平台的Z轴高度，使得激光光束的焦点位置位于工件玻璃下表面的设定范围内；激光光束按照设定的图案和路径对工件玻璃进行刻划加工，并在工件玻璃的底部形成切割槽体，并往复移动三维移动平台的Z轴完成工件玻璃的刻划加工过程；最后对加工完成的工件玻璃进行清洗和测试。本发明能够满足实际中对于高精度低损伤的玻璃切割要求，其加工方法的工艺简单，后续无需增加辅助机械操作，在不增加额外成本的情况下，通过增加一台激光器即可实现。

Description

一种采用激光刻划玻璃加工方法

技术领域

本发明涉及激光玻璃加工技术领域，更具体的说，特别涉及一种采用激光刻划实现玻璃切割加工的方法，可以实现多种图形(不仅仅是直线)及厚度切割。

背景技术

玻璃，一种无规则结构的非晶态固体，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，无固定熔点，其主要成分为二氧化硅，种类繁多，伴随着掺杂物质的不同呈现出不同形态和特性，随着科学技术的发展，玻璃现在已经普及的应用到生活的各个方面，包括建筑，化工，军事，家庭生活工业设计等，与陶瓷材料和有机高分子材料共同组成三大支柱非金属材料。

随着玻璃应用的普及，对于产品差异化的要求也愈加迫切，这对于玻璃的加工模式和精度要求产生了极大的挑战。传统的玻璃加工主要包括热熔吹拉，模具成型，机械以及化学处理等方法，近年来，随着电子产业的发达，对于精度的要求更加苛刻(微米级)，传统玻璃加工已经很难满足如此高的切割要求，为此发展更加精细快速的玻璃加工工艺十分必要。

传统玻璃加工方式(机械加工，超声波加工，喷砂加工以及化学腐蚀加工等)存在加工时间长，成品率相对降低，辅助耗材消耗严重，存在一定化学污染以及精度差等缺点。

作为20世纪科学技术发展的主要标志和现代信息社会光电子技术的支柱之一，激光技术和激光产业的发展受到世界范围内的高度重视。激光加工技术采用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工等一系列处理的一门技术。激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。

现今关于激光玻璃加工的研究主要集中在激光诱导外加机械应力共同作用的情况下实现玻璃的切割加工，其中尤以二氧化碳激光器为甚，其原理主要是聚焦的二氧化碳激光器光束作用在玻璃表面，玻璃吸收光束能量产生热积累，于此同时辅助淬火活着冷却气体作用在激光扫描路径之上，急剧的温差变化时玻璃内部沿着切割方向产生裂纹，后续采用机械加工方式进行裂开操作，此种工艺具有一定的应用市场但是由于切割图形的单一，具有很大的局限性。

综上所述，开发一种快速，高精度无污染，适用范围广泛及附属损耗低的玻璃加工方式很有必要。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提供一种采用激光刻划玻璃加工方法，其方法简单、良品率高并能满足高精度低损伤的玻璃切割要求。

为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：

一种采用激光刻划玻璃加工方法，该玻璃加工方法具体步骤如下：

步骤S1：选取合适的激光光束；

步骤S2：对待加工的工件玻璃进行清洗去污，并将其水平放置于三维移动平台之上，调节三维移动平台的Z轴高度，使得激光光束的焦点位置位于工件玻璃下表面的设定范围内，该设定范围根据公式(1)确定：

$D1=k1\×\frac{\mathrm{\π}\×{d_f}^2}{4\mathrm{\λ}\×M^2}---\left(1\right)$

其中，D1为所述设定范围，d_f为聚焦后光斑直径大小，M²为激光光束质量因子，k1为修正系数，其大小介于0.1～0.9之间；

步骤S3：激光光束按照设定的图案和路径对工件玻璃进行刻划加工，并在工件玻璃的底部形成切割槽体，所述设定的图案采用同心圆环，同心圆环中每个圆上带有切割辅助线；

步骤S4：随着切割槽体深度的增加，根据公式(2)得到的调整步距，以及公式(3)得到的步距调整时间，往复移动三维移动平台的Z轴完成工件玻璃的刻划加工过程；

$D2=k2\×\frac{\mathrm{\π}\×{d_f}^2}{4\mathrm{\λ}}---\left(2\right)$

其中，D2为所述调整步距，d_f为聚焦后光斑直径大小，k2为修正系数，其大小介于0.3～0.7之间；

$\mathrm{\ΔT}=k3\×N\×\frac{\mathrm{\ΣPL}}{v}---\left(3\right)$

其中，ΔT为所述步距调整时间，N为激光光束的刻划次数，k3为修正系数，其大小介于1-10之间，与N成反相关，n为偏移圈数，L为每一圈刻划路径的周长，v为激光光束的刻划速度；

步骤S5：对加工完成的工件玻璃进行清洗和测试。

所述步骤S1中，选取激光光束的波长范围介于255-532nm之间，激光光束的单脉冲能量应介于0.1～1mJ之间，激光光束的光斑大小应介于20～60um之间，激光光束的激光功率应介于5～50W之间。

所述步骤S3中，同心圆环的大小介于0.2～1mm之间，切割辅助线包括直线或圆环，其间距大小介于(0.3～1.3)d_f之间；设定的路径由工件玻璃的底部至顶部。

所述步骤S2中，采用浓度为99％的工业乙醇来擦拭工件玻璃。

所述步骤S5中，对加工完成后的工件玻璃进行清洗的溶液采用40％浓度的氢氟酸+十二烷基硫酸钠+异丙醇+20％乙酸水+水，其相应质量配比为0.5％+0.07％+8％+5％+86.43％,测试则进行锥度、边缘粗糙度以及抗压测试。

所述加工方法采用的系统包括激光器、扩束镜、振镜扫描组件和三维移动平台，其中激光器、扩束镜、振镜扫描组件水平设置在同一直线上，三维移动平台设置在振镜扫描组件的正下方；

待加工的工件玻璃水平设置在三维移动平台上，激光器发出的激光光束依次经过扩束镜、振镜扫描组件扩散聚焦后形成聚焦光束，聚焦光束作用在待加工的工件玻璃上。

所述系统还包括除尘装置，三维移动平台上开口，待加工的工件玻璃放置在开口上方，除尘装置设置在三维移动平台开口的下方。

所述同心圆环中每个圆上切割辅助线的两端分别作为激光光束加工的起始点和终止点，切割辅助线与每个圆相切的位置处记为相切点，即激光光束从最内层圆的起始点开始，沿着切割辅助线从相切点进入每个圆上，并沿着每个圆的轨迹进行切割工件玻璃后，从相切点并沿着切割辅助线出去并于终止点结束，根据同心圆环的轨迹由内向外逐层对工件玻璃进行加工，从而得到切割槽体。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明采用激光刻划实现玻璃的切割加工，能够满足实际中对于高精度低损伤的玻璃切割要求，其加工方法的工艺简单，易于集成到产业化生产中，后续无需增加辅助机械操作，在不增加额外成本的情况下，通过增加一台激光器即可实现；此外，可以实现多种图形的刻划加工，即能够满足客户差异化要求，且其良品率高，一致性好，可以很好的避免后期装配过程产生的失配现象，便于企业化的大批量生产和良品率的控制。

附图说明

图1为本发明玻璃加工方法采用系统的组成图。

图2为本发明工件玻璃的切割线示意图形。

图3为本发明玻璃加工方法的流程图。

附图标记说明：110-激光器；111-扩束镜；112-振镜扫描组件；113-聚焦光束；120-工件玻璃；130-三维移动平台；140-除尘装置；300-同心圆环；301-切割辅助线。

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。

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。

参阅图1所示，本发明提供的一种采用激光刻划玻璃加工方法，该方法采用的系统包括激光器110、扩束镜111、振镜扫描组件112、三维移动平台130和除尘装置140，其中扩束镜111采用2-8X扩束镜，激光器110、扩束镜111、振镜扫描组件112水平设置在同一直线上，三维移动平台130设置在振镜扫描组件112的正下方，三维移动平台130上开口，其开口下方设置有除尘装置140。

待加工的工件玻璃120水平设置在三维移动平台130的开口上方，由激光器110发射一束激光光束，所述激光光束依次经过扩束镜111和振镜扫描组件112扩散聚焦后形成聚焦光束113，聚焦光束113在工件玻璃120表面沿着设定路径进行刻划扫描形成切割线和切割槽体，所述切割线由一系列同心圆环300(图2所示)组成，且每个同心圆环300都附加切割辅助线301，所述切割槽体形成于工件玻璃120底部，即工件玻璃120的切割路径是从底部移动到顶部完成切割过程，随着工件玻璃120底部切割槽体深度的增加，三维移动平台130的Z轴按照设定步距进行移动，如此往复，直至工件玻璃120完全贯穿，切割样品脱离工件玻璃基底。

以上所述激光切割工件玻璃的方法由于是从底部一步一步向上进行切割，所以对于更高厚度的玻璃工件亦可以加工，整个加工图案由一系列加有切割辅助线的同心圆环组成，每个圆上切割辅助线的两端分别作为激光光束加工的起始点和终止点，即激光光束从最内层圆的起始点开始，沿着切割辅助线的一半进入每个圆上，即从起始点沿着切割辅助线至其与最内层圆的相切点，并沿着每个圆的轨迹进行切割工件玻璃后，从切割辅助线的一半出去并于终止点结束，即从相切点至切割辅助线的终止点。然后根据同心圆环的轨迹由内向外逐层对工件玻璃进行加工，从而得到切割槽体，即采用切割线的起始点和终止点不在同一点上，这样可以避免频繁开关光以及激光器首末脉冲延迟造成的爆点和裂片现象，从而可以提高切割质量及成品率。

如附图3所示，该玻璃加工方法的具体步骤如下：

步骤S1：选取合适的激光光束，即选取合适的激光器110或激光腔体。

本步骤中，选取激光光束的波长范围介于255-532nm之间，激光光束的单脉冲能量应介于0.1～1mJ之间，激光光束的光斑大小应介于20～60um之间，激光光束的激光功率应介于5～50W之间。

步骤S2：对待加工的工件玻璃120进行清洗去污，并将其水平放置于三维移动平台130之上，调节三维移动平台130的Z轴高度，使得激光光束的焦点位置位于工件玻璃120下表面的设定范围内。

本步骤中，采用浓度为99％的工业乙醇来擦拭工件玻璃120，其方便可靠且效果好。

本步骤中，三维移动平台130由垂直于光束方向的XY移动平台以及沿着光束方向的Z轴运动平台组成，所述焦点位置位于工件玻璃120下表面设定范围内，该设定范围的大小可按公式(1)来确定：

$D1=k1\×\frac{\mathrm{\π}\×{d_f}^2}{4\mathrm{\λ}\×M^2}---\left(1\right)$

其中，D1为所述设定范围，d_f为聚焦后光斑直径大小，M²为激光光束质量因子，k1为修正系数，其大小应介于0.1～0.9之间。

步骤S3：激光光束按照设定的图案和路径对工件玻璃120进行刻划加工，并在工件玻璃120的底部形成切割槽体。

本步骤中，设定的图案由一系列同心圆环300组成，避免激光光束首末脉冲延时和频繁开关光所造成的影响，所述同心圆环300中每个圆上带有切割辅助线301，切割辅助线301可以是直线或圆弧等，其间距大小应该介于(0.3～1.3)d_f之间，所述同心圆环300的大小应介于0.2～1mm之间以达到最佳产出比。

步骤S4：随着工件玻璃120底部切割槽体深度的增加，三维移动平台130的Z轴进行相应步距移动，如此往复，完成工件玻璃120的刻划加工过程。

本步骤中，随着切割过程的进行，工件玻璃120底部出现切割槽体，随着切割槽体加深，三维移动平台130的Z轴进行相应步距调整，所述调整步距可由如下公式(2)得出：

$D2=k2\×\frac{\mathrm{\π}\×{d_f}^2}{4\mathrm{\λ}}---\left(2\right)$

其中，D2为所述调整步距，d_f为聚焦后光斑直径大小，k2为修正系数，其大小应介于0.3～0.7之间。

所述步距调整时间的大小应由如下公式(3)获得：

$\mathrm{\ΔT}=k3\×N\×\frac{\mathrm{\ΣPL}}{v}---\left(3\right)$

其中，ΔT为所述步距调整时间，N为激光光束的刻划次数，k3为修正系数，其大小应介于1-10之间，与N成反相关，n为偏移圈数，L为每一圈刻划路径的周长，v为激光光束的刻划速度，亦即振镜扫描速度。

本步骤中，为了保护工作环境的洁净度以及切割的稳定性，在工件玻璃的底部采用除尘装置140对激光切割产生的粉尘颗粒进行抽除。

步骤S5：对加工完成的工件玻璃进行清洗和测试。

本步骤中，对加工完成后的工件玻璃进行清洗的溶液优选为40％浓度的氢氟酸+十二烷基硫酸钠+异丙醇+20％乙酸水+水，其相应质量配比为0.5％+0.07％+8％+5％+86.43％,其清洗效果好且方便；测试则优选进行锥度、边缘粗糙度以及抗压测试，能够满足实际需要。

上述中，针对玻璃工件加工的图案可以包括椭圆，直线，多边形，不完全限定于直线及圆，即其适用性广，加工方便可靠。

如附图2所示，采用同心圆环300带有切割辅助线301作为设定的图案，激光光束根据同心圆环300和切割辅助线301加工工件玻璃，得到的切割槽体为封闭的圆环，其光滑平整，且方便加工、加工可靠也易于实现。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种采用激光刻划玻璃加工方法，其特征在于：该玻璃加工方法具体步骤如下：

步骤S1：选取合适的激光光束；

步骤S2：对待加工的工件玻璃进行清洗去污，并将其水平放置于三维移动平台之上，调节三维移动平台的Z轴高度，使得激光光束的焦点位置位于工件玻璃下表面的设定范围内，该设定范围根据公式(1)确定：

$D1=k1\×\frac{\mathrm{\π}\×{d_f}^2}{4\mathrm{\λ}\×M^2}---\left(1\right)$

其中，D1为所述设定范围，d_f为聚焦后光斑直径大小，M²为激光光束质量因子，k1为修正系数，其大小介于0.1～0.9之间；

步骤S3：激光光束按照设定的图案和路径对工件玻璃进行刻划加工，并在工件玻璃的底部形成切割槽体，所述设定的图案采用同心圆环，同心圆环中每个圆上带有切割辅助线；

步骤S4：随着切割槽体深度的增加，根据公式(2)得到的调整步距，以及公式(3)得到的步距调整时间，往复移动三维移动平台的Z轴完成工件玻璃的刻划加工过程；

$D2=k2\×\frac{\mathrm{\π}\×{d_f}^2}{4\mathrm{\λ}}---\left(2\right)$

其中，D2为所述调整步距，d_f为聚焦后光斑直径大小，k2为修正系数，其大小介于0.3～0.7之间；

$\mathrm{\ΔT}=k3\×N\×\frac{{\mathrm{\Σ}}_1^{n}L}{v}---\left(3\right)$

其中，ΔT为所述步距调整时间，N为激光光束的刻划次数，k3为修正系数，其大小介于1-10之间，与N成反相关，n为偏移圈数，L为每一圈刻划路径的周长，v为激光光束的刻划速度；

步骤S5：对加工完成的工件玻璃进行清洗和测试。

2.根据权利要求1所述的采用激光刻划玻璃加工方法，其特征在于：所述步骤S1中，选取激光光束的波长范围介于255-532nm之间，激光光束的单脉冲能量应介于0.1～1mJ之间，激光光束的光斑大小应介于20～60um之间，激光光束的激光功率应介于5～50W之间。

3.根据权利要求1所述的采用激光刻划玻璃加工方法，其特征在于：所述步骤S3中，同心圆环的大小介于0.2～1mm之间，切割辅助线包括直线或圆环，其间距大小介于(0.3～1.3)d_f之间；设定的路径由工件玻璃的底部至顶部。

4.根据权利要求1所述的采用激光刻划玻璃加工方法，其特征在于：所述步骤S2中，采用浓度为99％的工业乙醇来擦拭工件玻璃。

5.根据权利要求1所述的采用激光刻划玻璃加工方法，其特征在于：所述步骤S5中，对加工完成后的工件玻璃进行清洗的溶液采用40％浓度的氢氟酸+十二烷基硫酸钠+异丙醇+20％乙酸水+水，其相应质量配比为0.5％+0.07％+8％+5％+86.43％,测试则进行锥度、边缘粗糙度以及抗压测试。

6.根据权利要求1所述的采用激光刻划玻璃加工方法，其特征在于：所述加工方法采用的系统包括激光器、扩束镜、振镜扫描组件和三维移动平台，其中激光器、扩束镜、振镜扫描组件水平设置在同一直线上，三维移动平台设置在振镜扫描组件的正下方；

待加工的工件玻璃水平设置在三维移动平台上，激光器发出的激光光束依次经过扩束镜、振镜扫描组件扩散聚焦后形成聚焦光束，聚焦光束作用在待加工的工件玻璃上。

7.根据权利要求6所述的采用激光刻划玻璃加工方法，其特征在于：所述系统还包括除尘装置，三维移动平台上开口，待加工的工件玻璃放置在开口上方，除尘装置设置在三维移动平台开口的下方。

8.根据权利要求1所述的采用激光刻划玻璃加工方法，其特征在于：所述同心圆环中每个圆上切割辅助线的两端分别作为激光光束加工的起始点和终止点，切割辅助线与每个圆相切的位置处记为相切点，即激光光束从最内层圆的起始点开始，沿着切割辅助线从相切点进入每个圆上，并沿着每个圆的轨迹进行切割工件玻璃后，从相切点并沿着切割辅助线出去并于终止点结束，根据同心圆环的轨迹由内向外逐层对工件玻璃进行加工，从而得到切割槽体。