CN114105466A - 一种玻璃大幅面激光切孔方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及材料激光加工工艺领域，一种玻璃大幅面激光切孔方法，使用激光扫描光束焦于玻璃工件的下表面进行材料蚀除，在聚焦激光束快速扫描的过程中三维运动平台带动玻璃工件沿着设定的切割轨迹在xy平面内移动形成大幅面切缝，完成一次扫描后三维运动平台移动玻璃工件向下移动，依次往复最终实现切缝在玻璃厚度上的延深直至贯穿，切缝贯穿后余料脱落形成孔。本方法针对目前玻璃激光切孔无法适应大幅面需求的缺陷，提供一种兼具切缝快速形成与大幅面孔特征的激光切割方法，将激光切孔幅面拓展至1m×1m以上，从而使玻璃大幅面激光切孔方案得以应用于各玻璃加工行业。
Description
技术领域
本发明涉及材料激光加工工艺领域，特别是一种玻璃大幅面激光切孔方法。
背景技术
目前，玻璃激光切割工艺已广泛应用于各玻璃加工行业，如电子显示玻璃、光伏玻璃、汽车玻璃等。与传统机械切割或水射流切割相比，激光切割具有质量高、成品率高、无水污染等优点。激光切割工艺用于玻璃切孔加工，聚焦激光束多次扫描并蚀除材料形成一定宽度的切缝，切缝贯通后余料脱落形成孔。
玻璃激光切孔，尤其是厚度较大的板材，目前一般采用聚焦脉冲配合数字振镜从背面向上扫描的方式形成切缝，具有切孔速度快、质量高和成品率高的优点。但受限于聚焦场镜的设计原理和制造技术，最大切孔幅面难以拓展到0.1m×0.1m以上。针对玻璃大幅面切孔需求(0.1m×0.1m以上)，激光切割需要进行拼接，但是拼接质量无法保证工艺一致性。在中国发明专利说明书CN111618442A中公开了一种振镜式激光拼接切割大幅面厚玻璃的方法，通过将大幅面特征分割为数个子单元的方式进行拼接切割。采用振镜拼接的方式，一方面为了最大限度发挥振镜幅面优势难以避免幅面边缘的光斑畸变，另一方面拼接点的损伤缺陷会导致切割质量下降，降低成品率。
发明内容
为解决上述问题，一种玻璃大幅面激光切孔方法，本方法针对目前玻璃激光切孔无法适应大幅面需求的缺陷，提供一种兼具切缝快速形成与大幅面孔特征的激光切割方法，将激光切孔幅面拓展至1m×1m以上，从而使玻璃大幅面激光切孔方案得以应用于各玻璃加工行业。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种玻璃大幅面激光切孔方法，使用激光扫描光束焦于玻璃工件的下表面进行材料蚀除，在聚焦激光束快速扫描的过程中三维运动平台带动玻璃工件沿着设定的切割轨迹在xy平面内移动形成大幅面切缝，完成一次扫描后三维运动平台移动玻璃工件向下移动，依次往复最终实现切缝在玻璃厚度上的延深直至贯穿，切缝贯穿后余料脱落形成孔。
作为优选的，所述玻璃工件放置在三维运动平台上形成玻璃工件的三轴复合运动，所述激光束通过数字振镜控制激光束的快速扫描形成激光束的两轴运动，进而形成五轴复合运动。
作为优选的，所述的玻璃大幅面激光切孔方法使用的设备包括激光器、扩束镜、反射镜、聚焦场镜和移动平台；
激光器，用于发射激光束；
扩束镜，设置在激光器激光束发射端的前方并与激光束同轴，用于对激光束扩束，
反射镜，设置在扩束镜的前方，用于对激光束反射并使得激光束进入聚焦场镜；
数字振镜，设置在经过反射镜反射激光束的路径上，用于控制激光束在xy平面内高速扫描以展宽切缝；
聚焦场镜，设置在数字振镜的出射端口，用于将激光束聚焦于透明玻璃工件内部，聚焦的激光束形成能量密度高于玻璃工件损伤阈值的聚焦光斑以诱导玻璃材料的局部去除；
三维运动平台，承载透明玻璃工件，用于使玻璃工件所在的立体空间内移动。
作为优选的，所述激光器采用皮秒、飞秒、纳秒或亚纳秒激光器；波长532nm纳秒激光器平均功率大于40W，波长1064nm纳秒激光器平均功率大于65W，波长532nm皮秒、飞秒激光器平均功率大于30W，波长1064nm皮秒、飞秒激光器平均功率大于50W。
作为优选的，所述数字振镜选择入瞳≤10mm，扫描速度大于5000mm/s的高速振镜，提高光束扫描速度，进而提高切割效率
作为优选的，所述聚焦场镜选择焦距60-80mm的远心短聚焦场镜，保证幅面＞25mm×25mm，获得≤10μm聚焦光斑，提高聚焦光斑能量密度，保证高硬度玻璃材料除去效率和质量。
作为优选的，所述三维运动平台兼具支撑与定位玻璃功能，xy最大幅面1.5m×1.5m，最大承载能力400kG。
作为优选的，所述激光束在数字振镜控制下沿着圆形轨迹进行局部扫描，扫描范围最大为聚焦场镜幅面；三维运动平台带动玻璃工件在xy平面内平动实现1.5m×1.5m最大幅面。
作为优选的，所述数字振镜2轴为高速扫描轴，用于切缝的快速展宽，沿着直径为0.5mm圆轨迹进行快速扫描，扫描速度＞400mm/s。
作为优选的，所述三维运动平台经过定位与空间位置校正，保证xy平面内层与层扫描过程中轨迹的高精度重合，保证z轴方面移动后平面的一致性。
使用本发明的有益效果是：
本发明使用激光扫描光束焦于玻璃工件的下表面进行材料蚀除，在聚焦激光束快速扫描的过程中三维运动平台带动玻璃工件沿着设定的切割轨迹在xy平面内移动形成大幅面切缝，完成一次扫描后三维运动平台移动玻璃工件向下移动，依次往复最终实现切缝在玻璃厚度上的延深直至贯穿，本发明兼具切缝快速形成与大幅面孔特征，将激光切孔幅面拓展至1m×1m以上，从而使玻璃大幅面激光切孔方案得以应用于各玻璃加工行业。
另外，以本发明提出的切孔方法和使用设备为基础，通过继续增加运动平台的轴数，配合更加丰富的装夹，本发明方法可扩展至曲面玻璃大幅面激光切孔。
附图说明
图1是本发明玻璃大幅面激光切孔方法的玻璃大幅面激光切孔系统示意图。
图2是本发明玻璃大幅面激光切孔方法复合扫描轨迹示意图。
图3是是本发明玻璃大幅面激光切孔方法玻璃大幅面激光切割落料过程示意图。
图4是是本发明玻璃大幅面激光切孔方法大幅面激光切孔孔型示意图。
附图标记包括：
1-激光器，2-扩束镜，3-反射镜，4-数字振镜，5-聚焦场镜，6-三维运动平台，7-激光束，8-玻璃工件。
具体实施方式
为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而不是要限制本技术方案的范围。
如图1-图4所示，本发明提出一种玻璃大幅面激光切孔系统及方法，该系统主要包括：激光器1，用于产生玻璃加工的激光束7；扩束镜2，用于放大并准直激光器1发射的光束，改善光束质量；反射镜3组，用于改变光束方向和调节光程；数字振镜4，用于控制激光束7高精度快速扫描；聚焦场镜5，用于在一定幅面内光束的平面高质量聚焦；三维运动平台6，用于带动玻璃工件8三维运动，与振镜配合使用以扩大切孔尺寸至米级。
激光器1类型可以根据玻璃材料物理化学性能与切割精度需求选择，高硬度高熔点材料采用皮秒、飞秒激光器1，低熔点低硬度玻璃选用纳秒、亚纳秒激光器1；高精度采用皮秒、飞秒激光器1，一般精度要求选用纳秒、亚纳秒激光器1；高精度要求及高硬度高透明材料选用短波长532nm，一般精度选用红外1064nm波长。波长532nm纳秒激光器1平均功率大于40W，波长1064nm纳秒激光器1平均功率大于65W，波长532nm皮秒、飞秒激光器1平均功率大于30W，波长1064nm皮秒、飞秒激光器1平均功率大于50W，高平均功率实现高切孔效率。
数字振镜4与聚焦场镜5配合使用，聚焦场镜5的入瞳、扫描幅面以数字振镜4参数为参考，以发挥系统最大切割能力。数字振镜4选择入瞳≤10mm，扫描速度大于5000mm/s的高速振镜，提高光束扫描速度，进而提高切割效率。
聚焦场镜5选择焦距60-80mm的远心短聚焦场镜5，保证幅面＞25mm×25mm，获得≤10μm聚焦光斑，提高聚焦光斑能量密度，保证高硬度玻璃材料除去效率和质量。
三维运动平台6兼具支撑与定位玻璃功能，xy最大幅面1.5m×1.5m，最大承载能力400kG，以满足大幅面厚度超过10mm玻璃的三维运动。
按照本发明提供的一种玻璃大幅面激光切孔方法，切孔过程为：激光器1发射的激光束7经过传输进入数字振镜4，数字振镜4通过软件孔控制激光束7的快速扫描，扫描光束经过聚焦场镜5聚焦于玻璃工件8的下表面进行材料蚀除，在聚焦激光束7快速扫描的过程中三维运动平台6带动玻璃工件8沿着设定的切割轨迹在xy平面内移动形成大幅面切缝，完成一次扫描后三维运动平台6移动玻璃工件8向下移动，依次往复最终实现切缝在玻璃厚度上的延深直至贯穿，切缝贯穿后余料脱落形成孔。
优选地，聚焦光束蚀除材料形成切缝是五轴复合运动，数字振镜4两轴，配合三维运动平台6三轴，共计五轴实现复合运动的扫描轨迹，从而满足玻璃x、y、z三个尺寸的极限大幅面激光切孔，尤其是实现xy长宽两个方向上米级别的孔特征加工。
优选地，所述实现米级切孔，聚焦激光束7在数字振镜4控制下沿着圆形轨迹进行局部扫描，范围最大为聚焦场镜5幅面，一般＜50mm×50mm；三维运动平台6带动玻璃工件8在xy平面内平动实现1.5m×1.5m最大幅面。如图2所示，振镜2轴小范围扫描与三维运动平台6大幅面移动进行复合，形成了玻璃大幅面切割的切缝。
优选地，数字振镜42轴为高速扫描轴，用于切缝的快速展宽，沿着直径为0.5mm圆轨迹进行快速扫描，扫描速度＞400mm/s。传统直线扫描并蚀除材料产生的切缝很窄且不稳定，展宽后切缝宽度可以稳定在0.5mm以上，可实现余料在自重下脱落。
实施例1
本方法通过实施例1结合附图进行详细说明。
如图1所示按照本发明的玻璃大幅面激光切割实施例的三维示意图。玻璃大幅面激光切割工艺的主要设备由激光器1、扩束镜2、反射镜3、数字振镜4、聚焦场镜5和三维运动平台6组成，激光器1发出的激光束7经过扩束镜2扩束和反射镜3反射传输进入数字振镜4，数字振镜4在软件控制下使激光束7沿着设定的轨迹扫描，数字振镜4输出的扫描激光束经过聚焦场镜5的聚焦形成峰值功率密度高于玻璃工件8损伤阈值的聚焦光斑，聚焦光斑沿着设定轨迹的扫描在玻璃工件8上形成切缝，重复多次扫描配合聚焦平面的精准移动使切缝贯穿，当扫描轨迹为闭合曲线时聚焦光斑的扫描即可形成切孔。
针对不同玻璃材料和切割精度需求，激光器1可选纳秒、皮秒及飞秒激光器，波长为532nm或1064nm，纳秒激光器面向高效率应用场合，皮秒与飞秒激光器应用于高精度场合。扩束镜2安装于激光器1的出口，与激光束7同轴，扩束倍数根据聚焦场镜5的入瞳直径与激光器1发射的激光束直径进行匹配，扩束镜2的发散角可调。反射镜3用于调整激光束7的传播方向和光程，根据激光波长选择反射率大于95％的镜片，反射镜3通过光学镜架安装，基础安装角度为45°且可微调激光束7的反射角度。数字振镜4用于控制激光束7在xy平面内高速扫描以展宽切缝，同时配合三维运动平台6移动玻璃工件8形成大幅面切缝，最终实现玻璃大幅面激光切孔。聚焦场镜5用于激光束6的聚焦，聚焦的激光束6形成能量密度高于玻璃工件8损伤阈值的聚焦光斑以诱导玻璃材料的局部去除，高重复频率的激光脉冲随着数字振镜4和三维运动平台6控制的扫描实现材料切缝形成及切割。三维运动平台6的用于带动玻璃工件8的三维移动，在一次扫描中三维运动平台6在xy平面移动，每次扫描之前沿着z轴等距抬升或者下降以改变聚焦平面，重复定位误差＜0.05mm/m，最大工作距离xyz＝1.5m×1.5m×0.1m。
如图2所示按照本发明的玻璃大幅面激光切割的复合扫描轨迹示意图。实线的螺旋线为数字振镜4扫描轨迹和三维运动平台6移动轨迹的复合，数字振镜4的扫描轨迹为直径0.5mm的圆，目的是将切缝扩展至≥0.5mm以实现余料脱落，三维运动平台6的移动轨迹，即切孔特征的轮廓为虚线。
图3显示了大幅面激光切孔落料过程，切缝贯穿后，余料与基板之间出现宽度为0.5mm的宏观闭合缝隙，在移除中间余料即获得大幅面孔特征。
由于5轴运动的灵活性，可以实现各类孔型的切割，如传统的圆孔、方孔，比较复杂的异形孔，以及进一步在曲面上的大幅面切孔应用，如图4所示。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本专利的保护范围。
Claims (10)
1.一种玻璃大幅面激光切孔方法，其特征在于：使用激光扫描光束焦于玻璃工件的下表面进行材料蚀除，在聚焦激光束快速扫描的过程中三维运动平台带动玻璃工件沿着设定的切割轨迹在xy平面内移动形成大幅面切缝，完成一次扫描后三维运动平台移动玻璃工件向下移动，依次往复最终实现切缝在玻璃厚度上的延深直至贯穿，切缝贯穿后余料脱落形成孔。
2.根据权利要求1所述的玻璃大幅面激光切孔方法，其特征在于：所述玻璃工件放置在三维运动平台上形成玻璃工件的三轴复合运动，所述激光束通过数字振镜控制激光束的快速扫描形成激光束的两轴运动，进而形成五轴复合运动。
3.根据权利要求2所述的玻璃大幅面激光切孔方法，其特征在于：所述的玻璃大幅面激光切孔方法使用的设备包括激光器、扩束镜、反射镜、聚焦场镜和移动平台；
激光器，用于发射激光束；
扩束镜，设置在激光器激光束发射端的前方并与激光束同轴，用于对激光束扩束，
反射镜，设置在扩束镜的前方，用于对激光束反射并使得激光束进入聚焦场镜；
数字振镜，设置在经过反射镜反射激光束的路径上，用于控制激光束在xy平面内高速扫描以展宽切缝；
聚焦场镜，设置在数字振镜的出射端口，用于将激光束聚焦于透明玻璃工件内部，聚焦的激光束形成能量密度高于玻璃工件损伤阈值的聚焦光斑以诱导玻璃材料的局部去除；
三维运动平台，承载透明玻璃工件，用于使玻璃工件所在的立体空间内移动。
4.根据权利要求3所述的玻璃大幅面激光切孔方法，其特征在于：所述激光器采用皮秒、飞秒、纳秒或亚纳秒激光器；波长532nm纳秒激光器平均功率大于40W，波长1064nm纳秒激光器平均功率大于65W，波长532nm皮秒、飞秒激光器平均功率大于30W，波长1064nm皮秒、飞秒激光器平均功率大于50W。
5.根据权利要求3所述的玻璃大幅面激光切孔方法，其特征在于：所述数字振镜选择入瞳≤10mm，扫描速度大于5000mm/s的高速振镜，提高光束扫描速度，进而提高切割效率。
6.根据权利要求3所述的玻璃大幅面激光切孔方法，其特征在于：所述聚焦场镜选择焦距60-80mm的远心短聚焦场镜，保证幅面＞25mm×25mm，获得≤10μm聚焦光斑，提高聚焦光斑能量密度，保证高硬度玻璃材料除去效率和质量。
7.根据权利要求3所述的玻璃大幅面激光切孔方法，其特征在于：所述三维运动平台兼具支撑与定位玻璃功能，xy最大幅面1.5m×1.5m，最大承载能力400kG。
8.根据权利要求3所述的玻璃大幅面激光切孔方法，其特征在于：所述激光束在数字振镜控制下沿着圆形轨迹进行局部扫描，扫描范围最大为聚焦场镜幅面；三维运动平台带动玻璃工件在xy平面内平动实现1.5m×1.5m最大幅面。
9.根据权利要求3所述的玻璃大幅面激光切孔方法，其特征在于：所述数字振镜2轴为高速扫描轴，用于切缝的快速展宽，沿着直径为0.5mm圆轨迹进行快速扫描，扫描速度＞400mm/s。
10.根据权利要求3所述的玻璃大幅面激光切孔方法，其特征在于：所述三维运动平台经过定位与空间位置校正，保证xy平面内层与层扫描过程中轨迹的高精度重合，保证z轴方面移动后平面的一致性。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20220301 |