CN109848564B - 一种玻璃材料表面蒙砂的激光加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光微加工技术领域，具体提供了一种玻璃材料表面蒙砂的激光加工方法，通过绘制特定的预加工无序点阵位图的图档并导入激光控制器，激光控制器根据无序点阵位图的路径来控制激光光束沿着图档扫描烧蚀，通过调节激光光束聚焦位置和激光器的加工参数实现光束随机点射在无序点阵位图上，从而使得待加工工件表面达到蒙砂效果。通过特定的激光器参数与软件位图无序打点模式组合，既可有效控制加工后玻璃工件表面的激光纹路，同时在激光光斑一定的重叠率下又保证了样品表面粗糙度及透过率，此外，采用激光加工的方式对玻璃的强度影响较小，也不会对环境产生污染。

Description

一种玻璃材料表面蒙砂的激光加工方法

技术领域

本发明属于激光微加工技术领域，具体涉及一种玻璃材料表面蒙砂的激光加工方法。

背景技术

随着5G时代的到来，对手机的外观及基础功能要求日益提高，手机的外观设计已经从最初的由金属、塑料、陶瓷、玻璃等百花齐放的风格，转向统一的以玻璃为主。随着触控屏的应用和普及，且玻璃材料本身的功能性逐渐增强，手机玻璃因其具有高强度、高硬度、耐划伤、有效减少信号干扰以及优异的抗冲击等性能，广泛应用于智能手机、平板电脑等。采用金属材质作面板，容易吸收电磁波，阻挡信号的传播与接收。而玻璃材质后盖不仅经济上更实惠，能够实现更好的背面一体化，在视觉和手感上都更胜一筹，同时还能保证信号的传输。随着科学技术的发展，人们已不满足单调的颜色和透明玻璃，采用后盖玻璃蒙砂的方式来使手机在视觉上更为高端时尚，触感更佳。

目前行业中透明材料蒙砂工艺主要有两种，一种是物理方式，经过机械喷砂来达到磨砂的效果，此种工艺对于玻璃整面蒙砂却有优势，但无法实现当今定点蒙砂的工艺要求，且在实际生产中良率体现也依然不高，而另外一种则是化学方式，通过特定的酸性溶剂对材料表面进行腐蚀从而达到蒙砂的效果，化学腐蚀方式可以使材料表面变得更为平整光滑，但同样存在定点蒙砂难度大，且其对环境有很大的影响，在当下大力推行环境保护的趋势下，也开始逐渐被其他工艺方式所取代。反观激光蒙砂工艺，既可实现整面材料蒙砂，也可实现特定区域、特定图形的蒙砂工艺，保证了良好的蒙砂效果，更好的适应的当前消费者对外观的需求，更有效提高了生产加工效率，有效实现了物理及化学蒙砂的效果，同时也解决了物理及化学蒙砂工艺中存在的问题。

激光蒙砂工艺主要是通过激光携带的高密度能量实现对材料的表面去除，通过光斑的不断重叠实现表面的蒙砂效果，可达到外观均匀，透过率高等特点，但均匀的线性填充和点阵填充，由于光斑重叠的规律性，最终都会在玻璃表面形成规律的激光纹路，从而视觉上会呈现出光栅的效果，但无法达到表面均匀性及粗糙度的要求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中物理喷砂和化学腐蚀存在的问题，即物理喷砂之后极大的影响加工件强度，化学喷砂污染环境等问题，以及改善目前激光使用直线填充方式加工存在纹路的缺陷。

为此，本发明提供了一种玻璃材料表面蒙砂的激光加工方法，包括步骤：

S1：获取预加工无序点阵位图的图档并导入激光控制器，调节激光器的光路，使得激光器的光束聚焦于待加工工件的表面；

S2：采用电荷耦合器件CCD对所述待加工工件的加工位置进行定位；

S3：将所述待待加工工件移动到指定的加工位置；

S4：所述激光控制器根据无序点阵位图调节所述加工参数，对待加工工件表面进行蒙砂处理加工。

优选地，所述待加工工件为未被强化的玻璃材料样品。

优选地，所述步骤S4具体包括：

S401：通过软件绘制待加工图形；

S402：通过制图软件对该待加工图形进行无序点状填充得到无序点阵位图；

S403：调节所述激光器参数及加工参数，使激光光斑沿所述无序点阵位图的路径进行扫描烧蚀去除使玻璃材料样品表面达到蒙砂的效果。

优选地，所述步骤S4之后还包括：对加工完毕后的待加工工件进行表面粗糙度测试。

优选地，所述激光器上设有电荷耦合器件CCD，所述电荷耦合器件CCD与所述激光控制器电连接，所述激光控制器根据所述电荷耦合器件CCD来调整激光器的光束的位置实现对所述待加工工件的表面进行准确定位。

优选地，所述激光器加工参数包括激光器的输出功率、振镜跳转速度、振镜跳转延时、光束发射频率、开关延时以及光束最大点与光束最小点间距。

优选地，所述待加工工件安装在高精度直线电机的真空吸附平台上，所述真空吸附平台上设有离子吹气装置，所述离子吹气装置的吹气口朝向所述待加工工件表面。

优选地，所述激光器采用红外飞秒激光器，所述激光器的输出功率为2～15W，输出频率为175～1000KHz，波长为1064nm，脉宽小于500fs。

优选地，所述步骤S4后还包括：对待加工工件进行强化处理，且强化强度保持在原始待加工工件80％以上。

本发明的有益效果：本发明提供了一种玻璃材料表面蒙砂的激光加工方法，通过绘制特定的预加工无序点阵位图的图档并导入激光控制器，激光控制器根据无序点阵位图的路径来控制激光光束沿着图档扫描烧蚀，通过调节激光光束聚焦位置和激光器的加工参数实现光束随机点射在无序点阵位图上，从而使得待加工工件表面达到蒙砂效果。通过特定的激光器参数与软件位图无序打点模式组合，既可有效控制加工后玻璃工件表面的激光纹路，同时在激光光斑一定的重叠率下又保证了样品表面粗糙度及透过率，此外，采用激光加工的方式对玻璃的强度影响较小，也不会对环境产生污染。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明玻璃材料表面蒙砂的激光加工方法的流程示意图；

图2是本发明玻璃材料表面蒙砂的激光加工方法的无序点阵位图的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本发明实施例提供了一种玻璃材料表面蒙砂的激光加工方法，包括步骤：

S1：获取预加工无序点阵位图的图档并导入激光控制器，调节激光器的光路，使得激光器的光束聚焦于待加工工件的表面；

S2：采用电荷耦合器件CCD对所述待加工工件的加工位置进行定位；

S3：将所述待加工工件移动到指定的加工位置；

S4：所述激光控制器根据无序点阵位图调节所述加工参数，对待加工工件表面进行蒙砂处理加工。

由此可知，如图1图2所示，采用制图软件制作预加工图形，该预加工图形是无序点阵位图，无序点阵位图是由多个离散分布的点构成的图形，本实施例主要针对无序点阵位图进行加工，将印有无序点阵位图的图档导入到激光控制器内，将光束对准待加工工件后相应调节激光器加工参数，使得激光器的光束按照预设的时间或位置信息来进行自我调节激光器加工参数，实现对离散点阵图形的抛光加工。其中待加工工件一般是玻璃材料样品。具体地，加工开始前，通过安装在激光器上的电荷耦合器件CCD的视觉系统对玻璃样品的加工位置进行准确定位，并通过运动控制系统，高精度直线电机来移动待加工工件到初始位置，然后激光控制器根据电荷耦合器件CCD的信息调节激光器的光束位置，使得光束作用在待加工工件表面的加工起始点，完成对无序点阵位图的整体加工过程。在激光加工扫描的过程中，自动调节激光器加工参数对图档进行扫描打点进而对待加工工件进行点射烧蚀加工，实现对待加工工件表面的蒙砂效果。具体地，激光控制器根据无序点阵位图自动调整激光器加工参数，可以有效地减轻激光加工纹路，实现同步加工无序的点阵制图，模拟物理无序喷砂效果，进行随机打点。

其中，步骤S4具体包括：

S401：通过软件绘制待加工图形。

S402：通过制图软件对该待加工图形进行无序点状填充得到无序点阵位图；

S403：调节所述激光器参数及加工参数，使激光光斑沿所述无序点阵位图的路径进行扫描烧蚀去除使玻璃材料样品表面达到蒙砂的效果。

由此可知，通过采用专业的制图软件制作的图档，绘制或导入要加工的图形，选择合适的填充方式，采用位图无序矢量打点的模式进行图形填充，同时可自动及手动进行相应修改，通过理论光斑大小，设置激光器的光束最大点及最小点的间距、叠加程度及排列方式，控制激光光斑无序状分布，通过实际作用效果，进行相应的激光器加工参数修改，最终实现蒙砂效果。加工过程中，光束扫描到对应的图档上的像素点时，自动调节该像素点对应的激光器加工参数，如此便可实现无序的点阵图的加工。

在一个具体的实施场景中：构建测试平台，选取红外飞秒激光器，设置红外波段，波长选择1064nm，红外透镜选择焦距F为100mm，开机预热15分钟。选取玻璃产品固定于真空吸附平台上，加工面朝上，调节光路和运动控制系统，使激光束焦点聚焦于玻璃的上表面，焦点位于激光正焦处；

编辑图档，导入CAD图纸，软件根据位图的图像处理原理，设置无序打点填充模式，根据聚焦光斑大小设置最大及最小点间距为7um及3um，生成加工图档；

设置激光加工参数，输出功率10W，频率500KHz，振镜跳转速度2500mm/s，跳转延时80us，打点时间设置为0.03ms，加工次数1次；

打开抽尘装置和离子吹气装置，开始加工；

根据实际加工后表面一致性及粗糙度情况，单独选择对应区块进行参数修改，反复调试，直到可以达到相应的效果为止；

将加工后的玻璃样品分别进行透光率测试和强度验证，并将强度测试结果与空白样进行比较。对空白样进行透过率及强度测试，强度在3000N左右，工艺需求样品强度达到80％以上；空白样经过红外皮秒激光器加工后，强度下降到50％及以下，为500-1500N左右，且透过率在84％及以下，不满足工艺样品要求；采用本实施例提供的工艺方法，空白样经红外飞秒激光器加工后，强度在2500N以上，满足工艺需求样品强度要求；对本实施例提供的玻璃样品进行透光率测试，在940nm波段，透光率能达到88％以上，满足工艺需求。

优选的方案，所述激光控制器控制所述激光器的光束依次经过反射镜、振镜及聚焦透镜后聚焦于所述待加工工件表面。由此可知，激光控制器控制激光器的光束的路径是通过反射镜、振镜及聚焦透镜等组件来完成光束的定位的，激光器的光束进入振镜以后，振镜里面有两个镜片，控制器控制两个镜片进行偏转，从而改变光束作用的样品上的位置。控制器根据无序点阵位图的设计来相应改变振镜的跳转速度、跳转延时及打点时间从而实现激光束间断性对无序点阵位图进行点射加工。

优选的方案，所述激光器的光束的光路上还设有扩束镜，所述扩束镜位于所述反射镜及所述振镜之间，所述扩束镜与所述激光控制器电连接。由此可知，光路中装配有扩束镜，通过改变扩束倍率改变激光的光束的聚焦光斑大小。与前述的反射镜、振镜及聚焦透镜组合在一起，前后的位置顺序可以根据设计需要进行调整。

优选的方案，所述激光器上设有电荷耦合器件CCD，通过电荷耦合器件CCD来调整激光器的位置实现对待加工工件的表面进行准确定位。由此可知，通过电荷耦合器件CCD来进行图像识别实现精确定位，使得待加工工件在加工之前移动到指定的初始位置，类似于数控加工过程中的对刀。

优选的方案，所述待加工工件为未被强化的玻璃材料样品。由此可知，激光加工过程是一个去材料加工的过程，待加工工件为未被强化的玻璃使得加工更加容易实现。在激光加工后需要对玻璃进行强化处理，可适当选择物理或化学强化方式，增加玻璃本身的强度及韧性，且强化后强度保持在玻璃原片的80％以上。

优选的方案，所述步骤S2之后还包括：对加工完毕后的工件进行表面粗糙度测试。

优选的方案，所述激光器加工参数包括激光器的输出功率、振镜跳转速度、振镜跳转延时、光束发射频率以及光束最大点与光束最小点间距。由此可知，在输入图档后，对应调节激光器加工参数，具体地，激光器的输出功率为2～15W，功率过低时，玻璃表面吸收会出现不均匀现象，功率过高时，加工去除量变大，去除深度变深，且导致玻璃强度会有明显下降。激光器的输出频率为175～1000KHz，根据不同的需求，选择合适的激光功率和频率。振镜的跳转速度为1500～3000mm/s，跳转延时为50～100μs，打点时间0.01～0.1ms，跳转速度过低，会出现点拖尾现象，过高时，则会有点丢失等问题。最大及最小点间距为1～10μm，点间距太大，无法实现区域的覆盖，点间距太小时，单位面积接受能量越多，去除量会变大，局部损伤严重。

优选的方案，所述待加工工件位于高精度直线电机的真空吸附平台上，所述真空吸附平台上设有离子吹气装置，所述离子吹气装置的吹气口朝向所述待加工工件表面。由此可知，样品加工区域设有强力抽尘和离子吹气装置，能将表层加工过程中形成的粉尘即时清除，避免烟尘影响加工面的效果，保持整个加工环境的清洁。抽尘装置的吸尘口和所述离子吹气装置的吹气口均对向玻璃样品。样品加工位置周围设有抽尘和吹气装置，能将涂层去除过程中产生的粉尘及时抽走，避免了粉尘覆盖影响工艺效果，使样品加工完成后表面清洁。离子吹气装置用于将产生的粉末及时吹离玻璃样品表面，抽尘装置包括负压吸气设备以及与负压吸气设备相连的抽尘管，用于及时把产生的粉末抽出；抽尘管的吸尘口和离子吹气装置的吹气口分别与真空吸附平台之间倾斜一定角度，且两者对称设置；作为一种实施方式，抽尘装置的吸尘口和离子吹气装置的吹气口与真空吸附平台之间的倾斜夹角均为45°。

优选的方案，所述激光器采用红外飞秒激光器。激光器采用红外飞秒激光器，波长为1064nm，脉宽＜500fs，使用皮秒激光器，峰值功率较低，达到玻璃去除阈值时，去除量较大，强度下降明显。

本发明的有益效果：本发明提供了一种玻璃材料表面蒙砂的激光加工方法，通过绘制特定的预加工无序点阵位图的图档并导入激光控制器，激光控制器根据无序点阵位图的路径来控制激光光束沿着图档扫描烧蚀，通过调节激光光束聚焦位置和激光器的加工参数实现光束随机点射在无序点阵位图上，从而使得待加工工件表面达到蒙砂效果。通过特定的激光器参数与软件位图无序打点模式组合，既可有效控制加工后玻璃工件表面的激光纹路，同时在激光光斑一定的重叠率下又保证了样品表面粗糙度及透过率，此外，采用激光加工的方式对玻璃的强度影响较小，也不会对环境产生污染。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种玻璃材料表面蒙砂的激光加工方法，其特征在于，包括步骤：

S1：获取预加工无序点阵位图的图档并导入激光控制器，调节激光器的光路，使得激光器的光束聚焦于待加工工件的表面；所述待加工工件为未被强化的玻璃材料样品；

S2：采用电荷耦合器件CCD对所述待加工工件的加工位置进行定位；

具体地，加工开始前，通过安装在激光器上的电荷耦合器件CCD的视觉系统对玻璃样品的加工位置进行准确定位，并通过运动控制系统，高精度直线电机来移动待加工工件到初始位置，然后激光控制器根据电荷耦合器件CCD的信息调节激光器的光束位置，使得光束作用在待加工工件表面的加工起始点，完成对无序点阵位图的整体加工过程；在激光加工扫描的过程中，自动调节激光器加工参数对图档进行扫描打点进而对待加工工件进行点射烧蚀加工，实现对待加工工件表面的蒙砂效果；具体地，激光控制器根据无序点阵位图自动调整激光器加工参数，可以有效地减轻激光加工纹路，实现同步加工无序的点阵制图，模拟物理无序喷砂效果，进行随机打点；

S3：将所述待加工工件移动到指定的加工位置；

S4：所述激光控制器根据无序点阵位图调节所述加工参数，对待加工工件表面进行蒙砂处理加工；

所述步骤S4具体包括：

S401：通过软件绘制待加工图形；

S402：通过制图软件对该待加工图形进行无序点状填充得到无序点阵位图；

S403：调节所述激光器参数及加工参数，使激光光斑沿所述无序点阵位图的路径进行扫描烧蚀去除使玻璃材料样品表面达到蒙砂的效果。

2.根据权利要求1所述的玻璃材料表面蒙砂的激光加工方法，其特征在于，所述步骤S4之后还包括：对加工完毕后的待加工工件进行表面粗糙度测试。

3.根据权利要求1所述的玻璃材料表面蒙砂的激光加工方法，其特征在于：所述激光器加工参数包括激光器的输出功率、振镜跳转速度、振镜跳转延时、光束发射频率、开关光延时以及光束最大点与光束最小点间距。

4.根据权利要求1所述的玻璃材料表面蒙砂的激光加工方法，其特征在于：所述待加工工件安装在高精度直线电机的真空吸附平台上，所述真空吸附平台上设有离子吹气装置，所述离子吹气装置的吹气口朝向所述待加工工件表面。

5.根据权利要求1所述的玻璃材料表面蒙砂的激光加工方法，其特征在于：所述激光器采用红外飞秒激光器，所述激光器的输出功率为2～15W，输出频率为175～1000KHz，波长为1064nm，脉宽小于500fs。

6.根据权利要求1所述的玻璃材料表面蒙砂的激光加工方法，其特征在于，所述步骤S4后还包括：对待加工工件进行强化处理，且强化强度保持在原始待加工工件80％以上。

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