CN110746104B - 一种激光精密加工玻璃的切割裂片方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光精密加工玻璃的切割裂片方法和系统。所述方法包括，切割步骤：用激光按切割路径对玻璃材料进行切割，切深至玻璃厚度的1/2以上；裂片步骤：沿上述切割路径注入与玻璃材料温差80℃‑200℃的油品，因切口内外的温差实现玻璃材料的裂片。此裂片方法成本低、时间短、易于控制，将裂片玻璃边缘之微裂边、崩边或崩角等缺陷因素减至最少，裂片效果好，而油品良好的润滑性、粉沫沉降性以及清洗性，在裂片的同时能够对切口有很好的保护作用。本发明方法对于超快激光的成丝切割、多焦点聚光系统切割以及贝赛尔光束深度切割后的裂片，效果优异。

Description

一种激光精密加工玻璃的切割裂片方法和系统

技术领域

本发明涉及激光切割加工工艺，尤其涉及一种激光精密加工玻璃的切割裂片方法和系统。

技术背景

激光切割玻璃具备加工速度快、精度高、参数设置简单等明显优势，成为大批量加工的选择。因为激光是非接触工具，没有磨损问题，从而可保证持续、均匀的切割厚度和边缘质量。权威测量显示，平均粗糙度(Ra)小于0.5μm。因为边缘质量优秀以及自然回火效应，激光切割的边缘强度非常高，与机械法加工后又打磨的样品相比，边缘强度提高30％左右。激光切割避免了侧面裂缝，不仅边缘的抗冲击强度增强，整体组件强度通常能提高80％，从而显著改善部件抗损坏的能力。材料强度的提高减少了损坏与损失的可能性，也减少了由于潜在的产品瑕疵而过早的在现场出现故障的问题。这对产品设计而言是一大优势，设计者不仅可以使用更轻、更薄的材料，而且还不影响产品使用寿命。

在微电子产业中，光学玻璃制造加工的精度、效率也不断在提升。目前激光切割加工存在的一个问题是，由于激光切割后的小尺寸玻璃板与大尺寸光学玻璃本体之间的切缝只有五微米左右，片与片之间的作用力较大，不会自由脱落，需要一定外力才能将片分开。为此，申请号201810992630.X的中国专利申请提供一种激光光学玻璃切割的裂片工艺，然而其裂片步骤比较繁琐。

近年来出现的新型激光加工方法-激光成丝(LaserFilamentation)切割已在玻璃材料的加工中运用。当超快激光强脉冲被聚焦在透明玻璃材料中，超快脉冲在玻璃材料内部出现自聚焦现象，形成高能量密度自传输通道，称之为“成丝“(Filamentation)。当激光脉冲的强度高于透明玻璃材料的损伤阈值时，激光成丝在玻璃内部产生出一条数十微米量级的高深宽比“破坏”通道，通过控制光束与样品的相对位置，便可实现在玻璃材料中的特定破裂几何轨迹。最终通过切割部分自行从基底脱落或辅助开裂的方式实现最终的样品切割。激光成丝切割的技术新颖性吸引了市场的极大关注，且优势非常明显——切割速度快、几乎不产生碎屑、样品边缘强度高。然而，激光成丝切割后的样品往往会出现很难顺利脱离基底的现象，需要施加外力进行分离，

激光成丝切割后的剥离力一般采用CO2激光沿着切割路径(切割轨迹)辅助加热方式进行裂片，而二氧化碳激光器结构复杂，维护成本巨大，不仅前镜尾镜价格昂贵，而且涡轮机轴承的寿命只有8000小时，且更换费用达到8万元每对。另外，二氧化碳激光切割机加工时不仅产生气体的消耗，而且光电转化率只有8％-10％。其次，二氧化碳激光器光束发散较大，不适合大幅面的加工。

中国专利申请CN201711393518对二氧化碳激光切割裂片的路径进行优化，渴望避免切割造成待切割产品的破裂，提高成品的良率。

以上所述技术对激光切割玻璃后的裂片工艺做出了种种探索和优化，但仍然存在步骤繁琐、成本高、难于控制等问题。

发明内容

为了简化激光切割玻璃后的裂片工艺、降低裂片的成本，进一步提高成品良率，本发明提供一种激光精密加工玻璃的切割裂片方法，所述方法包括：

切割步骤：用激光按切割路径对玻璃材料进行切割，切深至玻璃厚度的1/2以上；

裂片步骤：沿上述切割路径注入与玻璃材料温差80℃-200℃的油品，因切口内外的温差实现玻璃材料的裂片。

进一步，所述油品为煤油、机油、柴油、植物油、硅油，其中一种或几种的混合物。

进一步，在切割步骤和裂片步骤之间还包括冷处理步骤：用冷却气体喷嘴对激光切割后的玻璃材料进行整体冷却。

进一步，在裂片步骤之后还包括冷却清洗步骤：将玻璃材料整体置于冷水中，对裂片后的成品进行清洗，除去残留油品。

进一步，所述切割步骤为用超快激光器基于超快激光的成丝工艺按切割路径对玻璃材料进行成丝切割。

所述切割步骤还可以为用超快激光器经多焦点聚焦系统按切割路径对玻璃材料进行切割。

或者，所述切割步骤以超快激光器发出的高斯光束经切割头整形成的Bessel光束进行切割。

进一步，所述玻璃材料为溢流熔融法生产出的纵向自然下垂运动的玻璃基板，经超快激光器射出的水平激光切割后，再经双向与玻璃基板成45℃夹角且紧贴玻璃的注油微枪头沿切割路径注入低温油品后实现裂片，得到切割成品。

或者，所述玻璃材料为水平放置的玻璃基板，经超快激光器沿切割路线激光切割后，再经注油微枪头沿切割路径自上而下注入高温油品后实现裂片，得到切割成品。

本发明还提供实现上述方法的切割裂片系统，所述系统包括机台和控制器，机台上设置与控制器相连的激光器切割组件和注油微枪，所述注油微枪包括进油管、加热管、保温层、测温点和微枪头。

进一步，所述系统包括机台和控制器，所述机台上设置与控制器相连的激光器切割组件、注油微枪和CCD定位装置。

进一步，所述激光器切割组件包括超快激光器和切割头，所述注油微枪包括进油管、加热管、保温层、测温点和微枪头，所述CCD定位装置有多个，且一一对应地设置于切割头和注油微枪旁，控制器控制激光器切割组件对玻璃材料的切割和注油微枪沿激光已切割路径喷注与玻璃材料温差80℃-200℃的油品，实现玻璃材料的裂片，CCD定位装置时时监控切割头和注油微枪的位置。

或者，所述系统还包括与控制器相连的CCD定位装置，所述激光器切割组件包括超快激光器、多焦点聚光系统、光学聚焦焦深调节系统和切割头，所述CCD定位装置有多个，且一一对应地设置于切割头和注油微枪旁，控制器控制激光器切割组件对玻璃材料的切割和注油微枪沿激光已切割路径喷注油品实现玻璃材料的裂片。

进一步，所述激光器切割组件还包括多焦点聚光系统、光学聚焦焦深调节系统、X/Y轴组合移动平台、Z轴移动平台、所述X/Y轴组合移动平台上固定玻璃吸附平台，玻璃吸附平台可以在X/Y轴组合移动平台上沿X/Y轴移动；所述X/Y轴组合移动平台上方安装Z轴移动平台，所述Z轴移动平台安装固定板，所述固定板可以在Z轴移动平台上沿Z轴移动；所述固定板上安装超快激光器和多焦点聚光系统，所述多焦点聚光系统将超快激光器发出的激光经切割头射向玻璃吸附平台，所述超快激光器连接至控制器。

进一步，所述系统还包括对激光切割后、注油裂片前的玻璃材料整体进行冷却的与控制器相连的气体喷嘴。

进一步，所述注油微枪以纵向竖直平面为对称平面双向设置，每侧一支，且每支注油微枪与对称平面间夹角均为45度。

进一步，所述系统还包括玻璃材料的清洗水池。

进一步，所述超快激光器为皮秒或飞秒激光器，所述超快激光器发出的高斯光束经切割头整形为Bessel光束。

进一步，所述皮秒激光器的工作波长为1030-1950nm、532-545nm或266-355nm。

进一步，所述飞秒激光器的工作波长为780-1560nm、513-535nm或259-345nm。

进一步，所述皮秒激光器的工作脉宽为1-500ps，所述飞秒激光器的工作脉宽为100-900fs。

本发明的有益效果在于：

1.本发明裂片方法通过沿激光切割后的路径中注入与所切割材料温差80-150℃的油品，在切割路径与周边形成很大温差，这种温差如同锋利的钢刀，将已切割玻璃与基底裂开，实现激光切割后的顺利裂片。

2.本发明对溢流熔融法刚刚生产出的纵向自然下垂运动的玻璃基板进行现场切割，利用生产过程中玻璃基板本身的高温，在切割路径中双向注入低温油品，在生产运输的路径上已实现玻璃基板的切割裂片和清洗，顺利得到所需成品。比传统经冷却、运输后再切割裂片，省时省力省工序。且有利于生产与加工产业间的融合。

3.此裂片方法成本低、时间短、易于控制，将裂片玻璃边缘之微裂边、崩边或崩角等缺陷因素减至最少，裂片效果好，而油品良好的润滑性、粉沫沉降性以及清洗性，在裂片的同时能够对切口有很好的保护作用。

4.煤油以其极好的浸润性，以及高温安全性，成为本发明的首选，具有极好的裂片效果。

5.本发明方法对于超快激光的成丝切割、多焦点聚光系统切割以及贝赛尔光束深度切割后的裂片，效果优异。

6.本发明方法可实现激光任何轨迹切割后的裂片。

附图说明：

图1本发明裂片方法对水平放置的玻璃材料切割后裂片示意图；

图2本发明裂片方法对竖直运动中的玻璃基板切割后裂片示意图；

图3本发明注油微枪结构示意图。

其中：1-玻璃吸附平台；2-玻璃基板；3-激光器；4-反射镜；5-切割头；6-注油微枪；7-熔融玻璃；8-溢流砖；9-冷水池；10-传送带；11-注油微枪头；12-测温点；13-法兰；14-排污口；15-加热管；16-导流板；17-保温层；18-进油管。

具体实施方式

以下将通过附图和详细说明来清楚地说明本发明的原理，任何本发明所属技术领域的技术人员在了解本发明的优选实施例后，可根据本发明所教导的技术，对本发明做出各种变化与改型，而这些变化与改型并不脱离本发明的精神与范围。

实施例一：

请参照图1和图3，本发明激光精密加工玻璃的切割裂片系统包括机台和控制器(图未示出)，机台上设置与控制器相连的激光器切割组件、注油微枪6、CCD定位装置及用于承载玻璃基板2的水平玻璃吸附平台1，需精密加工的玻璃基板2平铺于玻璃吸附平台1上，玻璃吸附平台1可以在X/Y轴组合移动平台上沿X/Y轴移动；所述X/Y轴组合移动平台上方安装Z轴移动平台，所述Z轴移动平台安装固定板，所述固定板可以在Z轴移动平台上沿Z轴移动；所述固定板上安装超快激光器3和多焦点聚光系统，所述多焦点聚光系统将超快激光器3发出的激光聚焦后经切割头5射向玻璃吸附平台1，所述超快激光器3为波长1030nm的皮秒激光器、工作脉宽为500ps，所述超快激光器3连接至控制器。

所述注油微枪包括进油管18、加热管15、保温层17、测温点12和注油微枪头11，所述CCD定位装置有多个，且一一对应地设置于切割头和注油微枪旁，控制器控制激光器切割组件对玻璃基板进行切割，随后控制注油微枪6沿激光切割路径自上而下向玻璃基板喷注150℃煤油，沿已切割路径喷注煤油的步骤可重复进行，以实现玻璃基板激光切割后的顺利裂片，CCD定位装置时时监控切割头和注油微枪的位置。

裂片后的玻璃基板整体推入平台旁边的冷水池9中清洗，得到切割裂片后的成品。

实施例二：

与实施例一基本相同，所不同之处在于，所述超快激光器3为波长535nm的飞秒激光器、工作脉宽为900fs，在控制器控制激光器切割组件对玻璃基板进行成丝切割后，与控制器相连的气体喷嘴对玻璃基板进行整体冷却处理，随后控制注油微枪6沿激光切割路径向玻璃基板自上而下喷注100℃硅油，沿已切割路径喷注硅油的步骤可重复进行，以实现玻璃基板激光切割后的顺利裂片。

实施例三：

与实施例二基本相同，所不同之处在于，所述超快激光器为1560nm的飞秒激光器，工作脉宽为100ps，所述超快激光器发出的高斯光束经切割头整形为Bessel光束后进行切割。在控制器控制激光器切割组件对玻璃基板进行切割后，控制器控制注油微枪6沿激光切割路径向玻璃基板自上而下喷注200℃机油，沿已切割路径喷注机油的步骤可重复进行，以实现玻璃基板激光切割后的裂片。

实施例四：

与实施例二基本相同，所不同之处在于，所述超快激光器为345nm的飞秒激光器，工作脉宽为600fs，所述超快激光器经多焦点聚焦系统聚焦后对玻璃材料进行切割。在控制器控制激光器切割组件对玻璃基板进行切割后，控制器控制注油微枪6沿激光切割路径向玻璃基板自上而下喷注120℃植物油，沿已切割路径喷注植物油的步骤可重复进行，以实现玻璃基板激光切割后的裂片。

实施例五：

与实施例二基本相同，所不同之处在于，所述超快激光器为545nm的皮秒激光器，工作脉宽为300ps，所述超快激光器发出的高斯光束经切割头整形为Bessel光束后进行切割。在控制器控制激光器切割组件对玻璃基板进行切割后，控制器控制注油微枪6沿激光切割路径向玻璃基板自上而下喷注136℃柴油，沿已切割路径喷注柴油的步骤可重复进行，以实现玻璃基板激光切割后的裂片。

实施例六：

请参照图2和图3，本发明激光加工玻璃基板2的切割裂片系统包括机台和控制器(图未示出)，机架上设有分别连接于控制器的激光器切割组件、两个注油微枪6、CCD定位装置，所述玻璃基板2为溢流熔融法生产出的纵向自然下垂运动的玻璃基板(此时玻璃基板的温度约为170℃)，两个注油微枪6以玻璃基板2为对称平面双向设置，且每个注油微枪的注流方向与玻璃基板间夹角均为45度。所述激光器切割组件由超快激光器和切割头组成、超快激光器为266nm的皮秒激光器，工作脉宽为50ps，所述超快激光器发出的高斯光束经切割头整形为Bessel光束后切割玻璃基板2。随后玻璃基板两边双向对称设置的两个注油微枪头6以45度夹角沿切割路径紧贴玻璃双向注入20℃左右的柴油后实现裂片。

切割裂片后的玻璃基板2落入下方传输带10上的冷水池9中清洗，得到切割成品。

实施例七：

与实施例六基本相同，所不同之处在于，所述超快激光器3为波长1950nm的皮秒激光器、工作脉宽为1ps，在控制器控制激光器切割组件对玻璃基板进行成丝切割后，随后控制双向注油微枪6沿激光切割路径向玻璃基板以45度夹角注入25℃硅油、植物油及机油的混合油，以实现玻璃基板激光切割后的裂片。

实施例八：

与实施例六基本相同，所不同之处在于，所述超快激光器为780nm飞秒激光器、工作脉宽为240fs，所述超快激光器发出的光束经多焦点聚光系统后从切割头射向需切割的玻璃基板进行切割，随后控制器控制双向注油微枪6沿激光切割路径以45度夹角向玻璃基板双向注入10℃煤油和机油的混合油，以实现玻璃基板激光切割后的裂片。

Claims (8)

1.一种激光精密加工玻璃的切割裂片方法，其特征在于，所述方法包括：

切割步骤：用激光按切割路径对玻璃材料进行切割，切深至玻璃厚度的1/2以上；

裂片步骤：沿上述切割路径注入与玻璃材料温差80℃-200℃的油品，因切口内外的温差实现玻璃材料的裂片；当玻璃材料为常温时，油品温度高于玻璃材料温度；当玻璃材料温度170℃时，油品温度低于玻璃材料温度；

即所述玻璃材料为水平放置的玻璃基板，经超快激光器沿切割路线激光切割后，再经注油微枪头沿切割路径自上而下注入高于玻璃材料温度的油品后实现裂片，得到切割成品；

或者，所述玻璃材料为溢流熔融法生产出的纵向自然下垂运动的玻璃基板，经超快激光器射出的水平激光切割后，再经双向与玻璃基板成45℃夹角且紧贴玻璃的注油微枪头沿切割路径注入低于玻璃材料温度的油品后实现裂片，得到切割成品。

2.按照权利要求1所述的切割裂片方法，其特征在于，所述油品为煤油、机油、柴油、植物油、硅油，其中一种或几种的混合物。

3.按照权利要求1所述的切割裂片方法，其特征在于，在切割步骤和裂片步骤之间还包括冷处理步骤：用冷却气体喷嘴对激光切割后的玻璃材料进行整体冷却。

4.按照权利要求1所述的切割裂片方法，其特征在于，在裂片步骤之后还包括冷却清洗步骤：将玻璃材料整体置于冷水中，对裂片后的成品进行清洗，除去残留油品。

5.按照权利要求1所述的切割裂片方法，其特征在于，所述切割步骤为用超快激光器基于超快激光的成丝工艺按切割路径对玻璃材料进行成丝切割。

6.按照权利要求1所述的切割裂片方法，其特征在于，所述切割步骤为用超快激光器经多焦点聚焦系统按切割路径对玻璃材料进行切割。

7.按照权利要求1所述的切割裂片方法，其特征在于，所述切割步骤以超快激光器发出的高斯光束经切割头整形成的Bessel光束进行切割。

8.按照权利要求1所述方法的切割裂片系统，其特征在于，所述系统包括机台和控制器，机台上设置与控制器相连的激光器切割组件和注油微枪，所述注油微枪包括进油管、加热管、保温层、测温点和微枪头。

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