CN111453982A - 一种激光切割玻璃材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光加工技术领域，具体为一种激光切割玻璃材料的方法，该方法通过控制激光的光斑能量和聚焦焦深后使激光束焦点聚焦于玻璃材料内部，切割头以及激光束焦点按预先设定的切割路径与玻璃材料相对移动，并使激光束焦点在玻璃材料内形成切割层，最后在外力作用下使玻璃材料沿切割路径进行断裂。本发明的技术方案能够保证激光焦点深入材料内部，得到足够的能量补充，保障切割效果，自制切割头通过对激光脉冲的控制，不仅优化了激光切割的精度，减少了磨边工序，而且还提高了切割效率。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工领域，特别涉及一种激光切割的工艺方法。
背景技术
车载玻璃主要应用在汽车的操作仪表盘以及后视镜上，现有的车载玻璃加工技术中，最初的加工方式是通过刀轮对玻璃进行切割，形成轮廓后再用CNC精雕机对车载玻璃细磨，随着科学技术的不断发展，如今的车载玻璃多数是采用激光进行切割，一般流程为，通过激光对车载玻璃进行预切割，然后再对其进行裂片，最后在通过打磨的方式对切割面进行打磨，得到成品的车载玻璃，由于激光切割所采用的激光器及激光切割头的参数多为通用的设置，因此对于一些结构复杂且精度要求高的图形，切割后的产品切割效果仍无法满足车载玻璃的使用需求，依然需要进行抛光研磨后才能够得到成品的车载玻璃，严重的影响加工效率。
针对上述缺陷，本发明提供一种激光切割玻璃材料的方法，不仅能够简化车载玻璃的加工工序，而且还能优化切割质量，从而提高切割效率。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种激光切割玻璃材料的方法，旨在简化玻璃材料的加工工序，提高切割效率。
为实现上述目的，本发明提出的一种激光切割玻璃材料的方法，所述激光切割方法包括步骤：
通过控制激光的光斑能量和聚焦焦深后使激光束焦点聚焦于玻璃材料内部，切割头以及激光束焦点按预先设定的切割路径与玻璃材料相对移动，使激光束焦点在玻璃材料内形成切割层；
通过外力作用使玻璃材料沿所述切割路径进行断裂；
其中，所述激光的激光脉冲包括一个脉冲包络，所述脉冲包络至少有两个子脉冲数。
优选地，所述激光器采用红外皮秒激光器，所述红外皮秒激光器脉宽小于15ps，单脉冲能量大于200uj。
优选地，所述外力作用的方式为激光照射裂片。
优选地，所述激光裂片功率大于10W。
优选地，所述激光裂片采用二氧化碳激光。
优选地，所述激光器焦点移动速度设置为10-1000mm/s，点间距为1-8μm，Q频为20-200KHz，焦点位置为正焦。
优选地，所述步骤还包括对玻璃材料崩边和/或断面粗糙度进行检测。
优选地，所述激光束依次穿过准直透镜和物焦镜后聚焦在工件表面。
优选地，所述切割层的切割深度预留范围为H,H≥0.2mm。
优选地，对于切割形状复杂的图形，需要在切割角附近设置切割引线。
本发明提供的是一种激光切割玻璃材料的方法，该方法通过切割样板选取出合适的激光器和激光切割头，然后通过系统载入切割图案并确定切割路径，激光器和激光切割头根据切割路径对工件进行不完全切割，其中，激光器的激光脉冲包括一个脉冲包络，所述脉冲包络至少有两个2个子脉冲数，切割时后一激光切割点可对前一激光切割点进行补充切割，保障切割效果，自制切割头通过对激光脉冲的控制，优化了激光切割的精度，减少了磨边工序，简化了加工工艺流程，从而提高了切割效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为玻璃材料切割工艺流程图；
图2为车载玻璃形状示意图；
图3为引线设置示例图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
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的一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义为，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案，或B方案，或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出了一种激光切割玻璃材料的方法，如图1所示，所述激光切割方法包括步骤：
通过控制激光的光斑能量和聚焦焦深后使激光束焦点聚焦于玻璃材料内部，切割头以及激光束焦点按预先设定的切割路径与玻璃材料相对移动，使激光束焦点在玻璃材料内形成切割层；
通过外力作用使玻璃材料沿所述切割路径进行断裂；
其中，所述激光的激光脉冲包括一个脉冲包络，所述脉冲包络至少有两个子脉冲数。
具体实施时，首先配置超快激光器，通过超快激光器对样板玻璃进行切割，并记录切割样板玻璃的激光器和激光切割头的型号和参数，其中，激光器的激光脉冲包括一个脉冲包络，所述脉冲包络至少有两个2个子脉冲数，可以理解的是，激光器输出的激光脉冲要逐步释放，需要激光脉冲含有一个脉冲包络，脉冲包络至少有两个子脉冲数，能够保证激光焦点深入材料内部，得到足够的能量补充，从而提高了切割面的切割精度。然后激光器控制激光束的光斑能量和聚焦焦深后使其照射在玻璃材料内部并使其形成断裂层，最后在外力作用使玻璃材料沿预先设定路径进行断裂。本实施例中，激光器主要用于提供激光光束，配置的切割头主要用于精准控制激光光束，实现对待加工工件的精准切割，确认激光器和激光切割头的型号和参数后，通过控制系统载入切割图形并扫描预先设定的切割路径，激光器根据预先设定的切割路径对待加工的玻璃材料进行切割。本发明的技术方案通过切割样板玻璃，筛选出满足使用需求且不需要磨边的激光器和激光切割头，并配置能够优化切割质量的切割参数，保障了激光切割效果，本技术方案不仅减少了抛光打磨工序，简化了加工流程，而且提高了车载玻璃的切割效率。
具体实施时，选用的红外皮秒激光器脉宽小于15ps，单脉冲能量大于200uj，脉冲包络中有两个或者以上的子脉冲数。值得注意的是，加工激光器脉宽小于15ps，能够满足玻璃材料的多光子吸收效应，保障切割质量，激光器的单脉冲能量大于200uj，可用于切割厚度大于1mm的加工工件，满足玻璃材料的厚度需求，激光器的脉冲包络中有两个或者以上的子脉冲数，可保障激光深入材料内部，有足够的能量进行补充，即后一激光切割点对前一激光切割点进行补充切割。激光切割头是一种自制的切割头，自制切割头切割范围为0.05mm–3.5mm，该切割范围能够满足多数玻璃材料的厚度需求，对于该切割范围之外的玻璃材料，不仅需要重新筛选激光器和激光切割头，而且需要重新配置切割参数。自制切割头采用了贝塞尔光束技术，通过贝塞尔光束技术精确控制聚焦深度以及焦点位置，能够精确地控制光斑的能量分布，从而提高工件的切割质量，相较于传统的激光切割技术，切割质量和切割效率均得到显著的提高。
进一步地，激光光束依次穿过准直透镜和物焦镜后聚焦在工件表面。本实施例中，自制切割头包括有棱锥镜、准直透镜和物镜，具体实施时，激光光束先射入棱锥镜形成环形光，随即经过准直透镜准直，再射入物镜，通过物镜对激光脉冲进行聚焦，自制切割头通过棱锥镜、准直透镜和物镜对激光的光斑能量以及聚焦深度进行控制，最后使其作用于玻璃材料内，对玻璃材料进行切割并形成切割层。
值得注意的是，对于形状复杂的图形，需要在切割角附近设置切割引线，具体实施时，如图3所示，在数控系统的控制软件上编辑与切割图形相符合的切割引线，载入切割图形后，激光器按照切割图形以及切割引线的路径对玻璃材料切割，方便后续工艺。
更进一步地，所述切割层的切割深度预留范围为H,H≥0.2mm。
详细地，切割深度预留范围H表示切割层远离切割面的一面与玻璃材料底面之间的距离，H≥0.2mm,可以保障玻璃材料不被完全断裂，有利于后续裂片工艺的进行。
本实施例中，所述外力作用为激光照射裂片，所述激光照射裂片功率大于10W。
具体实施时，检查所需加工的玻璃材料是否完整无损，检查无误后将待加工的玻璃材料移送至加工平台的加工幅面，载入事先通过绘图软件绘制好的切割图案，捕捉系统抓取切割图案上的定位点，激光器通过捕捉系统抓取的定位点进行识别后，控制激光束照射于玻璃材料内部并在玻璃材料内形成切割层，最后通过激光照射裂片的方式得到成品的车载玻璃。
需要提醒的是，工件强化通常是指通过改变工件表面化学组成从而提高强度，因此强化后的工件不利于加工，作为优选的方案，本实施例所用玻璃材料是未被强化的，激光切割未被强化的玻璃材料后，可选择激光照射裂片的方式得到成品的工件。对于强化后的玻璃材料，可通过机械裂片或静止裂片的方式得到成品工件，具体实施时，预先设定切割轨迹，将强化后的玻璃材料置于加工平台，设于加工平台的驱动装置带动待加工的玻璃材料移动至加工平台指定位置，载入切割图形，启动激光器，激光器根据载入的切割图形玻璃材料进行切割并在玻璃材料内形成切割层，切割后的工件通过机械裂片或静置裂片的方式即可得到成品的车载玻璃。
在本实施例中，加工平台表面平整且具备吸附功能。该加工平台表面平整，并设置有用于驱动玻璃材料运动的驱动装置和用于吸附待玻璃材料的吸附装置，驱动装置驱动玻璃材料移动至平台指定位置，该指定位置包括加工平台加工幅面上的任意位置，该平台表面平整，可以使玻璃材料滑动过程中与加工平台之间的摩擦阻力较小，减少能量损耗，有利于玻璃材料的输送和转移，玻璃材料移动至平台时，吸附装置将其与加工平台吸附在一起，从而有效的对玻璃材料进行固定，提高玻璃材料加工时的稳定性。本实施例的加工平台包括切割平台与裂片平台，切割平台与裂片平台同台设置，玻璃材料经激光器切割后无需进行转移，裂片用的激光器便直接在该平台上对工件进行照射裂片，不仅能够简化操作工序，节省操作空间，而且还能降低加工成本。
在其他一些实施例中，加工平台包括独立的切割平台和独立的裂片平台，切割平台与裂片平台均是表面平整并且具备较强的吸附能力，切割平台与裂片平台均配备有相应的驱动装置和吸附装置。具体实施时，通过驱动装置先将待加工的玻璃材料移至红外切割平台，移至指定位置后吸附装置将其与切割平台固定，激光器对玻璃材料切割后再将其转移至裂片平台，通过裂片处理后得到成品的加工工件。
更进一步地，所述激光照射裂片采用二氧化碳激光。本实施例中，选用CO2激光器作为裂片激光器，CO2激光器的输出功率大于10W，不仅满足多数激光裂片的功能需求，而且保障车载玻璃的裂片效果。
详细地，载入切割图案并确认切割路径后，调整加工的切割参数，确认切割参数无误之后开启激光器，配置的捕捉系统抓取到Mark点的定位位置，然后根据切割图档以及切割引线对玻璃材料进行预切割，并在切割后的玻璃材料上形成断裂层，随后捕捉系统再次抓取Mark点，CO2激光器随Mark点沿断裂层轨迹对玻璃材料进行照射裂片，最终得到成型的车载玻璃。
本实施例中，所述激光器切割速度设置为10-1000mm/s，点间距为1-8μm，Q频为20-200KHz，焦点位置为正焦。
具体实施时，将玻璃材料移至加工平台幅面，通过捕捉系统抓取切割路径上的点进行定位，然后设置激光器切割参数和确认激光器焦点位置，所述激光器焦点移动速度设置为10-1000mm/s，点间距为1-8μm，Q频为20-200KHz，焦点位置为正焦。需要解释的是，焦点的移动速度决定切割速度，如本实施例中焦点移动速度设置为10-1000mm/s，代表直线切割最大速度为1000mm/s，点间距代表脉冲激光前一激光点与后一激光点之间的间隔距离，代表上一激光点与下一激光点的距离在1-8μm之间，Q频表示脉冲激光器出光频率，Q频越大单脉冲能量越低，焦点位置选择正焦，即表示为激光光束照射于玻璃材料内壁。激光器参数范围及焦点位置的确定，能够优化了本技术方案的切割效果，减少了抛光打磨工序，从而提高激光切割效率。参数范围及焦点位置确定后，玻璃材料移至加工平台指定位置后由吸附装置将其固定，捕捉系统根据切割图案及切割引线抓取车载玻璃上的Mark点进行定位，控制系统控制激光器及激光切割头，使激光束照射在玻璃材料内并在玻璃材料内形成断裂层。
本实施例中，所述步骤还包括对玻璃材料的崩边和/或断面粗糙度进行检测。
具体实施时，对玻璃材料切割后得到成品的车载玻璃，驱动装置将其输离加工平台，然后用检测工具对该成品车载玻璃进行检测，包括成品车载玻璃崩边及断面粗糙度的检测，本实施例及其他部分实施例中，成品崩边检测范围小于5μm，断面粗糙度小于1.5μm才能满足使用需求。在另一实施例中，车载玻璃的检测项目还包括对硬度、刚度、色泽、透明度进行检测。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种激光切割玻璃材料的方法，其特征在于，所述激光切割方法包括步骤：
通过控制激光的光斑能量和聚焦焦深后使激光束焦点聚焦于玻璃材料内部，切割头以及激光束焦点按预先设定的切割路径与玻璃材料相对移动，使激光束焦点在玻璃材料内形成切割层；
通过外力作用使玻璃材料沿所述切割路径进行断裂；
其中，所述激光的激光脉冲包括一个脉冲包络，所述脉冲包络至少有两个子脉冲数。
2.如权利要求1所述的激光切割玻璃材料的方法，其特征在于，所述激光器采用红外皮秒激光器，所述红外皮秒激光器脉宽小于15ps，单脉冲能量大于200uj。
3.如权利要求1所述的激光切割玻璃材料的方法，其特征在于，所述外力作用的方式为激光照射裂片。
4.如权利要求3所述的激光切割玻璃材料的方法，其特征在于，所述激光照射裂片功率大于10W。
5.如权利要求4所述的激光切割玻璃材料的方法，其特征在于，所述激光照射裂片采用二氧化碳激光。
6.如权利要求1所述的激光切割玻璃材料的方法，其特征在于，所述激光焦点移动速度设置为10-1000mm/s，点间距为1-8μm，Q频为20-200KHz，焦点位置为正焦。
7.如权利要求1所述的激光切割玻璃材料的方法，其特征在于，所述步骤还包括对玻璃材料的崩边和/或断面粗糙度进行检测。
8.如权利要求1所述的激光切割玻璃材料的方法，其特征在于，所述激光束依次穿过准直透镜和物焦镜后聚焦在工件表面。
9.如权利要求1所述的激光切割玻璃材料的方法，其特征在于，所述切割层的切割深度预留范围为H,H≥0.2mm。
10.如权利要求1所述的激光切割玻璃材料的方法，其特征在于，对于切割形状复杂的图形，需在切割角附近设置切割引线。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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