應(yīng)用裂紋控制法的鈉鈣玻璃YAG激光切割技術(shù)

　　玻璃作為一種脆性材料，質(zhì)地均勻、透明度好、表面光滑、耐腐蝕，因此，在科學(xué)研究與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。尤其是近年來(lái)，隨著IT產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，液晶顯示器和等離子體顯示器等高科技電子產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生，對(duì)玻璃制品切割質(zhì)量的要求越來(lái)越高。

　　傳統(tǒng)的方法是先用金剛石或硬金屬輪在玻璃表面劃線，然后用機(jī)械的方法折斷，容易導(dǎo)致切削粉末的飛濺、切割邊緣不規(guī)則、微裂紋的產(chǎn)生甚至玻璃的破碎，切割邊表面質(zhì)量很差，常需二次加工，并且可能影響玻璃的強(qiáng)度和功能。而用激光切割玻璃則能避免這些問(wèn)題，同時(shí)還具有切縫窄、割縫邊緣垂直度好、切割面光滑無(wú)毛刺、熱影響區(qū)小等優(yōu)點(diǎn)。

　　1激光切割玻璃的原理激光切割玻璃的方法從原理上可以分為兩種：一種是熔融（蒸發(fā)）切割法，另一種是裂紋控制法。熔融切割法的切割效果較差，極易在切口斷面形成熱裂紋，使材料強(qiáng)度大大降低，并且由于激光燒蝕作用產(chǎn)生的重凝物會(huì)污染基片。而裂紋控制法具有切縫平直、無(wú)碎肩、無(wú)顯微裂紋等優(yōu)點(diǎn)。

　　應(yīng)用裂紋控制法的玻璃激光切割是利用激光加熱玻璃表面，使被加熱處的溫度急劇升高，在玻璃內(nèi)產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，隨著激光的移動(dòng)，被加熱處的玻璃在空氣對(duì)流下冷卻，產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，如果該應(yīng)力超過(guò)了玻璃的斷裂強(qiáng)度，裂紋就擴(kuò)展進(jìn)而達(dá)到斷裂。

　　該應(yīng)力為：長(zhǎng)度。

　　玻璃對(duì)激光的吸收有兩種典型形式：一種是表面吸收形式，另一種是體吸收形式。從可以看出：當(dāng)波長(zhǎng)在5pm以上時(shí)，玻璃對(duì)光的吸收率非常高，波長(zhǎng)為10.6pm的CO2激光易在玻璃表面被全部吸收。

　　因此，利用CO2激光切割玻璃時(shí)，裂紋從表面開(kāi)始擴(kuò)展，切口質(zhì)量差，切割玻璃的厚度有限，且不能切割多層玻璃，切割時(shí)裂紋不好控制。而波長(zhǎng)為1064nm的YAG激光可穿透玻璃，玻璃對(duì)激光能量的吸收是體吸收形式，玻璃的開(kāi)裂是均勻通透的，基于體吸收的YAG激光切割玻璃方法不僅可得到更好的切割質(zhì)量，而且還可切割多層玻璃、夾層玻璃和玻璃管，一次完成切割，無(wú)需二次加工，同時(shí)除了進(jìn)行直線切割還可以劃出任意的曲線。

　　2試驗(yàn)裝置與方法2.1試驗(yàn)裝置光纖輸出最大功率300W，激光焦斑直徑0.6mm.利用2400倍光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡觀察試件。平板鈉鈣玻璃尺寸為70mmx50mmx2.5mm，試驗(yàn)裝置如所示。

　　2.2試驗(yàn)方法激光功率、激光掃描速度和激光光斑大小是影響玻璃切割質(zhì)量最主要的3個(gè)因素。通過(guò)固定光斑直徑、激光掃描速度，改變激光功率的單因素試驗(yàn)方法，確定不同光斑直徑和掃描速度時(shí)最佳切割質(zhì)量所需的激光功率。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析了3個(gè)參數(shù)對(duì)切割質(zhì)量的影響以及它們之間的聯(lián)系，試驗(yàn)參數(shù)如表1試驗(yàn)參數(shù)3試驗(yàn)結(jié)果及分析bookmark3 3.1激光切割與機(jī)械法切割玻璃切口質(zhì)量的對(duì)比如所示，可以看出：利用YAG激光切割鈉鈣玻璃得到的切口切縫平直、無(wú)碎肩、無(wú)顯微裂紋，而用機(jī)械法切割鈉鈣玻璃板得到的切口有明顯的碎肩且切縫不平直，其表面還存在壓潰層（如（d）所示），壓潰層中存在崩碎的碎肩，嚴(yán)重影響了切割質(zhì)量。由所示的切口表面粗糙度可知，YAG激光切割的玻璃表面粗糙度為2.9nm；機(jī)械劃切法切割的玻璃表面粗糙度為26.5nm，可見(jiàn)YAG激光切割方法比機(jī)械劃切法具有明顯的質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)。

　　3.2激光參數(shù)對(duì)切割質(zhì)量的影響3.2.1激光功率對(duì)切割質(zhì)量的影響對(duì)于一定的光斑大小和切割速度，總存在最佳的激光功率值使得裂紋擴(kuò)展最穩(wěn)定，得到的玻璃切口最平直，質(zhì)量最好。而低于此值，玻璃不開(kāi)裂或開(kāi)始不開(kāi)裂，只在玻璃末端沿激光掃過(guò)軌跡突然爆裂開(kāi)一條短裂紋，且此裂紋不平直（如所示）。高于此值，玻璃上下表面先出現(xiàn)裂紋，中間再開(kāi)裂，從而導(dǎo)致切口呈凹凸?fàn)?，并且能量越大，切口質(zhì)量越差，甚至出現(xiàn)玻璃以一定的動(dòng)能爆裂開(kāi)，切口產(chǎn)生玻璃碎肩的現(xiàn)象。其原因總結(jié)為當(dāng)激光功率過(guò)低時(shí)，玻璃吸收的激光能量所產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力小于裂紋擴(kuò)展的斷裂強(qiáng)度，因此，裂紋不沿激光軌跡擴(kuò)展；而當(dāng)激光功率過(guò)高時(shí)，玻璃內(nèi)部的溫度場(chǎng)溫度很高，玻璃上下表面由于直接接觸空氣，在自然對(duì)流條件下迅速冷卻，產(chǎn)生足夠大的拉應(yīng)力使裂紋擴(kuò)展，而中間部分由于冷卻較慢，產(chǎn)生拉應(yīng)力較慢，故裂紋擴(kuò)展滯后于上下表面，如此不均勻的開(kāi)裂導(dǎo)致玻璃切口質(zhì)量低下。

　　3.2.2激光掃描速度對(duì)切割質(zhì)量的影響激光掃描速度越高，切割玻璃所需要的激光功率就越高，且近似呈線性比例關(guān)系。但不能通過(guò)增加激光功率無(wú)限制地提高激光掃描速度，因?yàn)楫?dāng)激光掃描速度增加到一定值以后，裂紋擴(kuò)展速度不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致切口質(zhì)量降低。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)激光掃描速度增加到15mm/s后，裂紋突然加速擴(kuò)展，導(dǎo)致玻璃切口凹凸不平，質(zhì)量比較差。

　　3.2.3激光光斑大小對(duì)切割質(zhì)量的影響激光光斑越大，切割玻璃所需要的激光功率就越高。通常，切割玻璃選用較大的光斑來(lái)降低溫度場(chǎng)從而減少玻璃的燒蝕熔融，實(shí)現(xiàn)基于裂紋控制法的玻璃激光切割。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)激光光斑直徑小于1.0mm時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熔融切割；當(dāng)大于1.0mm時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)基于裂紋控制法的玻璃激光切割，且明顯可見(jiàn)玻璃切口上下表面無(wú)燒蝕熔融現(xiàn)象，質(zhì)量很好（如所示）。速度基本呈線性比例增加，隨著激光光斑直徑的增大，曲線的斜率也增大。

　　3.3多層玻璃、玻璃管和曲線軌跡切割YAG激光可以用于切割多層玻璃和夾層玻璃（如所示）。切割多層玻璃時(shí)，下層玻璃的切口質(zhì)量比上層玻璃的好，這是由于下層玻璃比上層玻璃吸收的激光能量小，不產(chǎn)生燒蝕熔融現(xiàn)象。此外，YAG激光還可以切割曲線和管狀玻璃（如所示），且切割質(zhì)量都很好。

　　（a）上表面（b）下表面玻璃切口的光學(xué)顯微照片3.2.4最佳切割參數(shù)通過(guò)調(diào)節(jié)激光功率、掃描速度、光斑大小等參數(shù)可得到Y(jié)AG激光切割平板鈉鈣玻璃的最佳切割參數(shù)（如所示）。由圖中可看出：激光功率隨激光掃描4結(jié)論玻璃對(duì)YAG激光是體吸收形式，在玻璃的整個(gè)厚度裂紋通透開(kāi)裂，YAG激光切割玻璃切口平直、光滑、無(wú)毛刺與微裂紋。激光功率、激光光斑大小和激光掃描速度是影響切割質(zhì)量的重要參數(shù)。

　　對(duì)于一定的光斑大小和切割速度，總存在最佳的激光功率值使得裂紋擴(kuò)展最穩(wěn)定，得到的玻璃切口最平直，質(zhì)量最好。激光掃描速度存在上限，當(dāng)掃描速度過(guò)高，就會(huì)導(dǎo)致裂紋的不穩(wěn)定擴(kuò)展，從而影響切割質(zhì)量。通過(guò)選擇較大的光斑可以使得切口上下表面質(zhì)量都得到提高。

　　為保證最佳切割質(zhì)量，激光功率應(yīng)隨激光掃描速度和光斑大小的增大而增大。相對(duì)一定的激光掃描速度和光斑大小，總存在最佳的激光功率值使玻璃切口質(zhì)量最佳。（下轉(zhuǎn)第520頁(yè)）理想燒結(jié)溫度為1 320t，加入微量FeMn有利于致密度提高與力學(xué)性能改善，經(jīng)300MPaCIP、1320t燒結(jié)與1250t/120MPaHIP處理后，3%FeMn+AISI316L試樣彈性模量、屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度與延伸率分別達(dá)到209.5GPa、306MPa、656.45MPa與53.1%，與退火AISI316L致密材料拉伸性能相當(dāng)。