一种钢化玻璃的激光切割方法与流程

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种钢化玻璃的激光切割方法。

背景技术：

玻璃材料的加工在工业加工中占有越来越重要的地位，传统的玻璃加工都是采用机械的、接触式的方法，如用金刚石、金属滑轮等进行玻璃切割。这些方法加工的质量和精度远不能满足工程中的某些特殊需要，而且切割之后还要对玻璃进行打磨，严重影响到加工效率。由于激光具有高能量密度、非接触性等优点，人们尝试着用激光对玻璃、陶瓷等脆性材料进行加工，并且对激光切割进行了理论和实验研究。

目前，玻璃的激光切割主要是利用热应力切割的方法。所谓激光热应力切割，就是使用低功率激光使玻璃分离，同时不造成玻璃融化的切割方法，其基本原理是利用激光引致的热应力使玻璃断裂。例如，当CO2激光照射到玻璃表面时，90％以上的能量被玻璃吸收，吸收深度小于15μm。这样玻璃表面在很短的时间内就会达到较高的温度，产生压应力，而这个应力对玻璃没有破坏作用；当激光停止对该区域的加热时，由于空气的冷却，玻璃内部就会产生较大的拉应力，致使玻璃断裂。通常情况下，玻璃自然冷却时产生的拉应力较小，而采用吹冷气或者冷却液体的方法来加剧玻璃的冷却，以产生较大的拉应力，特别是在切割厚玻璃板时，冷却气体(液体)就显得特别重要。激光热应力切割方法在加工玻璃时会产生热影响区，处理不当会对玻璃产生损伤，影响玻璃加工质量。

另一种激光切割玻璃的方法是超短脉冲激光刻蚀法，由于超短脉冲具有能量高，作用时间短等优点，可以在材料未被融化的情况下瞬间将材料爆轰去除，产生冷消融的加工效果，从而避免加工时产生的不必要的热效应。随着超快激光的不断发展以及其优越加工性能的展现，采用该方法进行玻璃的加工也成为人们研究的热点，但这种方法目前仅能用于薄片玻璃的切割，例如手机屏玻璃的切割划片等。

钢化玻璃是一种预应力玻璃。为提高玻璃的强度，通常使用化学(离子交换法)或物理(热处理淬火)的方法，在玻璃表面形成压应力，玻璃承受外力时首先抵消表层应力，从而提高了承载能力。一般可以认为：钢化玻璃强度σ_玻＝玻璃自身材料强度σ_b(钢化前强度)+钢化产生的表面压应力σ_拉。钢化玻璃由于超高的强度特性，广泛用于建筑、汽车等领域，如门窗、车窗玻璃。对于这种表面有预应力的钢化玻璃，目前还没有办法切割，机械方法也不行。这是由于其表面压应力的存在，使得只要发生局部破坏，产生的裂纹会随着表面压应力失去平衡而不受控的扩展开去，发生整体碎裂。故目前的钢化玻璃切割或开孔，都必须在钢化前完成，一旦钢化，则不能再做切割或开孔操作。

技术实现要素：

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种钢化玻璃的激光切割方法；该激光切割方法解决了钢化玻璃的切割难题，对薄厚玻璃均适用，切割质量好、速度快、自动化程度高。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种钢化玻璃的激光切割方法，包括如下步骤：

(1)在钢化玻璃待切割起点位置布置双侧冷却射流辅助的激光切割光束；其空间方位布置为：激光切割光束沿钢化玻璃表面法线方向或与法线有一定夹角入射到钢化玻璃表面，在钢化玻璃表面聚焦或者有一定离焦量，即在钢化玻璃表面形成激光光斑；沿切割方向在激光切割光束两侧后方设置两个主动强制冷却的条状冷却射流，即形成双侧冷却射流强制冷却的激光光斑；

(2)根据设定的激光加工工艺参数，沿着钢化玻璃待切割路径进行激光切割；所述加工工艺参数包括功率密度P和切割速度值v；

所述加工工艺参数包括功率密度P和切割速度值v，功率密度P的要求是使得激光光斑照射位置的温度低于玻璃发生局部熔化的功率阈值，且高于切割阈值，即使得双侧冷却射流强制冷却的激光光斑照射位置产生的陡峭拉应力尖峰值σ’_拉＞σ_b；其中，σ_b是指钢化玻璃在钢化前自身的材料抗拉强度；所述切割阈值是指双侧冷却射流强制冷却的激光光斑照射位置产生的陡峭拉应力尖峰值σ’_拉恰好等于σ_b时激光的功率密度；切割速度值v的要求是大于钢化玻璃宏观裂解行进速度，使得按切割轨迹切开钢化玻璃；

(3)当激光切割光束接近钢化玻璃待切割路径终点时，先关闭激光，同时保持两侧的条状冷却射流不变，待两侧的条状冷却射流到达钢化玻璃待切割路径终点时再关闭两侧的条状冷却射流。

进一步的，步骤(1)中条状冷却射流的前端与激光光斑的几何中心之间的距离dy要求在0.5～15mm之间；在与切割方向垂直的方向上，条状冷却射流的中心轴线与激光光斑的几何中心之间的距离dx要求在1～20mm之间；所述条状冷却射流的宽度W要求在1mm～10mm之间，长度L要求在1mm～50mm之间。

进一步的，步骤(1)中激光光斑的直径为R，R小于1mm。

进一步的，步骤(2)中功率密度P＝1×10⁶W/cm²～5×10⁷W/cm²，切割速度值v＝200mm/s～2000mm/s。

进一步的，步骤(3)中所述激光切割光束接近钢化玻璃待切割路径终点，是指激光光斑的几何中心距离终点小于确定的数值D，D的取值范围在0.2mm～2mm。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明利用了双侧冷却射流强制冷却的方法，对割缝中心的原照射位置形成两侧拉力，使中心位置出现陡峭的拉应力尖峰σ’_拉，从而满足σ′_拉＞σ_b，当切割速度值v大于钢化玻璃宏观裂解行进速度时，即实现了按切割轨迹切开钢化玻璃，解决当前钢化玻璃无法切割的技术难题。

2、本发明的双侧冷却射流强制冷却激光切割原理与传统普通玻璃(未钢化玻璃)的激光热应力切割原理不同，与传统普通玻璃(未钢化玻璃)的激光热应力切割原理相比，在玻璃切割分离时，割缝中心的原照射位置的σ_b由于温度尚未下降太多而仍保持较低，这使得激光切割采用的激光功率密度可以相对更低，从而避免了过高激光功率密度导致玻璃的温升过高而发生熔化，防止了崩边及整体破裂缺陷。

3、本发明方法对薄厚玻璃均适用，切割质量好，速度快，自动化程度高。

4、本发明方法的适用热源并不局限于激光，可以推广至等离子弧、火焰等，适用范围广。

附图说明

图1为激光光斑与条状冷却射流的位置关系图；

图2为钢化玻璃横截面的初始应力分布图；

图3为钢化玻璃在激光光斑照射位置的横截面应力分布图；

图4为两侧强制冷却原理的钢化玻璃切割位置横截面应力分布图；

图5为本发明方法切割的钢化玻璃样品切割照片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

设沿钢化玻璃待切割路径的切割速度为矢量V，则矢量V的数值为切割速度值，矢量V的方向为切割方向。

本发明提供了一种钢化玻璃的激光切割方法，具体包括如下步骤：

(1)如图1所示，在钢化玻璃待切割起点位置布置双侧冷却射流辅助的激光切割光束，其空间方位布置为：激光切割光束沿钢化玻璃表面法线方向(入射角为0度)或与法线有一定夹角(入射角小于45度)入射到钢化玻璃表面，在钢化玻璃表面聚焦或者有一定离焦量，即在钢化玻璃表面形成直径为R的激光光斑，为获得精细的切割缝宽，要求R小于1mm；

沿切割方向在激光切割光束两侧后方设置两个主动强制冷却的条状冷却射流2(气体或者液体均可)，即形成双侧冷却射流强制冷却的激光光斑。条状冷却射流2的前端与激光光斑的几何中心之间的距离dy要求在0.5～15mm之间；在与切割方向垂直的方向上，条状冷却射流2的中心轴线与激光光斑1的几何中心之间的距离dx要求在1～20mm之间；所述条状冷却射流2的宽度W要求在1mm～10mm之间，长度L要求在1mm～50mm之间；

所述激光切割光束的入射角、离焦量的设置根据具体的钢化玻璃厚度、表面压应力大小、激光束特性等工艺参数而确定，优化的参数是入射角和离焦量均为0；

所述条状冷却射流的宽度W、长度L的设置根据具体的钢化玻璃厚度、表面压应力大小、激光束特性等工艺参数而确定，优化的参数是W＝1mm～2mm，L＝1mm～15mm，条状冷却射流与激光光斑的几何方位参数dx、dy的设置根据具体的钢化玻璃厚度、表面压应力大小、激光束特性、条状冷却射流的宽度W和长度L等工艺参数而确定，优化的参数是dx＝dy＝1mm～2mm；

(2)根据设定的激光加工工艺参数，沿着钢化玻璃待切割路径进行激光切割；

所述加工工艺参数包括功率密度P和切割速度值v，功率密度P的要求是使得激光光斑照射位置的温度低于玻璃发生局部熔化的功率阈值，且高于切割阈值，即使得双侧冷却射流强制冷却的激光光斑照射位置产生的陡峭拉应力尖峰值σ’_拉＞σ_b；所述切割阈值是指双侧冷却射流强制冷却的激光光斑照射位置产生的陡峭拉应力尖峰值σ’_拉恰好等于σ_b时激光的功率密度。

切割速度值v的要求是大于钢化玻璃宏观裂解行进速度，使得按切割轨迹切开钢化玻璃；功率密度P、切割速度值v的设置根据具体的钢化玻璃厚度、表面压应力大小、激光束特性、玻璃对激光束的吸收率特性等工艺参数而确定，优化的参数是功率密度P＝1×10⁶W/cm²～5×10⁷W/cm²、切割速度值v＝200mm/s～2000mm/s。

这样设置的理由如下：

a)钢化玻璃横截面的初始应力状态如图2所示，其中，虚线表示钢化玻璃自身的材料抗拉强度(亦即钢化前的强度)，对均匀厚度、均匀成分的玻璃可设为定值σ_b，根据材料物理学可知，σ_b在切割过程中会随着温度升高而下降。点划线表示钢化玻璃由于钢化处理产生的表面应力，表面应力＞0时为压应力σ_压，表面应力＜0时为拉应力σ_拉。

显然，要使钢化玻璃裂开，所需的拉力σ要满足σ＞σ_压+σ_b；

b)当激光光斑照射钢化玻璃表面时，激光光斑照射位置开始迅速升温并体积膨胀，却受到较低温度的两侧区域限制，从而使其表面压应力增大，与之同时，激光光斑照射位置的σ_b由于温度升高而下降，其应力状态如图3所示。

c)当激光切割光束沿切割方向行进，激光光斑移开原照射位置后，原照射位置发生自然降温或强制冷却降温，体积收缩，却受两侧区域牵制，而在原照射位置产生拉应力σ_拉，与之同时，激光光斑照射位置的σ_b由于温度下降而升高；

若满足σ_拉＞σ_b，则玻璃发生裂开，此为普通玻璃(未钢化玻璃)的激光热应力切割的原理。这种方法的缺点是：未充分利用抗拉强度在高温下降低的特点，所需σ_拉大，即采用激光功率密度很高，易使得玻璃在b)阶段的温升过高而发生熔化，对于钢化玻璃而言则所需激光功率密度更高，难以避免过熔而崩边，甚至整体破裂。

本发明对现有技术进行了改进，采用了在激光光斑照射位置两侧主动强制冷却的方式，使得激光光斑移开原照射位置后，激光光斑的原照射位置的两侧区域未受激光照射，本身温度就低于激光光斑的原照射位置，并且同时受到两个条状冷却射流的强制冷却，温度下降得比激光光斑的原照射位置更快，因此发生剧烈体积收缩，从而对中心的原照射位置形成两侧拉力，使中心位置出现陡峭的拉应力尖峰σ’_拉，与之同时，中心的原照射位置的σ_b由于温度尚未下降太多而仍保持较低的数字，如图4所示，从而满足σ’_拉＞σ_b，此时中心的原照射位置产生表面微细裂纹；当切割速度值v的大于钢化玻璃宏观裂解行进速度时，即实现按切割轨迹切开钢化玻璃。

(3)当激光切割光束接近钢化玻璃待切割路径终点时，先关闭激光，同时保持两侧主动强制冷却射流不变，待两侧主动强制冷却射流到达钢化玻璃待切割路径终点时再关闭两侧主动强制冷却射流；

所述激光切割光束接近钢化玻璃待切割路径终点，是指激光光斑的几何中心距离终点小于确定的数值D，根据钢化玻璃厚度、表面压应力大小、激光束特性、玻璃对激光束的吸收率特性等工艺参数，D的取值范围在0.2mm～2mm。采用本发明方法切割的钢化玻璃样品切缝照片如图5所示，可见其没有发生崩边及整体破裂现象。

本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为脱离本发明的范围。并且本方法的适用热源并不局限于激光，可以推广至等离子弧、火焰等，所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利要求的范围之内。