CN103964682A - 激光切割玻璃的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光切割加工领域，提供了一种激光切割玻璃的方法，意在解决切割玻璃过程中容易产生崩边、微裂纹以及分层等损伤问题。该方法包括脉冲宽度范围在皮秒至飞秒的激光器产生的激光束经聚焦处理后入射至待切割的玻璃工件内；激光束与玻璃工件按预先设定的路径做相对移动，使焦点在玻璃工件的内部形成由多个微裂点沿激光束扫射的路径组成的切割层；以及施加外力于玻璃工件，使玻璃工件沿路径撕开。本发明的激光切割玻璃的方法通过激光束聚焦于玻璃工件内部并在玻璃工件内部形成切割层，利用较小的脉冲宽度和极低的单点能量实现对玻璃工件的切割，以获得无裂纹无损伤的玻璃工件，并避免了细小碎屑的产生，提高了切割效率。

Description

激光切割玻璃的方法

技术领域

本发明属于激光切割加工领域，尤其涉及一种激光切割玻璃的方法。

背景技术

随着电子产品的迅猛发展，尤其是笔记本电脑、智能手机、液晶显示器及平板电脑等都在朝着体积更薄、重量更轻以及制造成本更低的方向发展。而这些电子产品都离不开玻璃薄板，目前，电子产品上的玻璃薄板的厚度已经由原来的1.1mm降低至0.6~0.7mm，手机屏幕的玻璃薄板已经降低至0.3mm甚至更低。厚度越薄的玻璃薄板对作用力越敏感，越容易受冲击后发生脆断，这无疑增加了切割加工的难度。

现有的切割玻璃方法大致有机械切割法和CO₂激光切割法。机械切割法是采用硬质合金和金刚石刀具在玻璃表面划刻一道裂纹，并使用机械手段将玻璃延裂纹分开。然而，这种机械切割法存在诸多问题，例如玻璃材料的去除会导致碎屑及微裂纹并需要增加清洗工序，切割边缘的强度降低，产生的深裂纹通常不垂直于玻璃表面，降低了玻璃的利用率及产量。CO₂激光切割法是利用玻璃处于软化的温度下具有较好的塑性和延展性，用聚焦的CO₂激光照射待切割的玻璃工件的表面，通过超高的能量密度将玻璃融化，同时配合气流吹走熔融的玻璃，从而直接将一整块玻璃工件一分为二切割开来。由于CO₂激光波长在10640nm，玻璃工件对该波长的激光是面吸收，因此，这种切割方法中要将玻璃工件熔融段裂开，需要非常高的激光能量才能实现。同时，这种切割方法的切割效果较差，切缝不整齐，极易在整个切缝断面形成热裂纹使玻璃强度大大降低，并且切割过程中产生的熔渣也会污染玻璃表面。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光切割玻璃的方法，旨在弥补现有技术中存在的不足，解决切割玻璃过程中容易产生崩边、微裂纹以及分层等损伤问题，并提高切割效率。

本发明实施例是这样实现的，一种激光切割玻璃的方法，包括以下步骤：采用脉冲宽度范围在皮秒至飞秒的激光器；所述激光器产生的激光束经聚焦处理后入射至待切割的玻璃工件内，使所述激光束的焦点位于所述玻璃工件的内部；所述激光束与所述玻璃工件按预先设定的路径做相对移动，使所述焦点在所述玻璃工件的内部形成由多个微裂点沿激光束扫射的路径组成的切割层；以及施加外力于所述玻璃工件，使所述玻璃工件沿所述切割路径撕开。

进一步地，所述激光束的波长范围为355纳米~1064纳米以及平均功率的范围为0.1瓦~0.7瓦。

进一步地，所述激光束的脉冲宽度范围为100飞秒~100皮秒以及单点能量范围为0.1μJ~20μJ。

进一步地，所述激光束经聚焦后于玻璃工件内部形成光斑，所述光斑的直径范围为0.1微米~10微米。

进一步地，所述切割层至少为一层。

进一步地，对所述玻璃工件进行多层切割，所述微裂点沿所述玻璃工件深度方向形成多层排布的切割层。

进一步地，所述玻璃工件的厚度范围为0.2毫米~1.1毫米。

进一步地，所述玻璃工件为钠钙硅玻璃、铝硅酸盐玻璃或者硼酸盐玻璃。

进一步地，所述激光束的聚焦处理过程包括：所述激光束经扩束准直镜扩束处理；通过45度反射镜反射至聚焦镜；以及所述聚焦镜将聚焦后的所述激光束垂直入射至位于所述工作平台上的所述玻璃工件内。

进一步地，还包括以下步骤：将平面度检测装置电性连接于所述激光器；采用所述平面度检测装置检测所述玻璃工件的平面度；所述平面度检测装置将所测的平面度以电信号传送至所述激光器；以及所述激光器根据接收的平面度信号带动切割头移动。

本发明的激光切割玻璃的方法是一种利用脉冲宽度范围在皮秒至飞秒的激光器产生激光束，激光束经聚焦处理后使其焦点位于玻璃工件内部，并通过激光束与玻璃工件的相对移动于玻璃工件内形成切割层。利用激光束较小的脉冲宽度和较低的单点能量实现对玻璃工件的切割，这样，可以获得高精密度和平整的切割加工质量，也可以避免玻璃工件在切割加工过程中产生裂纹、碎屑等问题。而且，利用该激光束可以实现对不同厚度的玻璃工件进行切割加工，以提高了切割效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的激光切割玻璃的方法的***框架图。

图2是本发明实施例提供的激光切割玻璃的过程示意图。

图3是本发明实施例提供的按预先设定的路径进行切割加工的示意图。

图4是本发明实施例提供的施加外力与玻璃工件的示意图。

图5是本发明实施例提供的玻璃工件别冲开的示意图。

图6是本发明实施例提供的激光多层切割玻璃的过程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请同时参照图1和图2，本发明的激光切割玻璃的方法，包括以下步骤：采用脉冲宽度范围在皮秒至飞秒的激光器10；激光器10产生的激光束70经聚焦处理后入射至待切割的玻璃工件60的内部，使激光束70的焦点72位于玻璃工件60的内部；激光束70与玻璃工件60按预先设定的路径做相对移动，使焦点72在玻璃工件60的内部形成由多个微裂点65沿激光束70扫射的路径组成的切割层62；以及施加外力于玻璃工件60，使玻璃工件60沿切割层62撕开。该激光切割玻璃的方法利用激光束70以非接触的方式在玻璃工件60内部进行扫描和切割，激光束70的能量对玻璃工件60指定部分进行加热时期达到预先定位温度，从而在玻璃工件60内部产生垂直方向的应力带，以形成一条无碎屑的裂纹。该激光切割玻璃的方法避免了现有技术中切割玻璃工件60时产生的裂痕、细小碎渣和易碎等问题，可以精确切割玻璃工件60并使玻璃工件60切割完后无裂纹和无损伤，并且无需进行任何后续的清洁和磨削处理，提高了切割效率。

本发明的激光器10为皮秒激光器或者飞秒激光器。皮秒激光器是指冲脉宽度为皮秒的激光器，使用声光调制锁模的二极管泵浦Nd：YAG或者Nd：YLF激光器是产生皮秒脉冲的标准光源，1皮秒为10^-12秒。飞秒激光器是指脉冲宽度为飞秒的激光器，通常是利用锁模技术实现，飞秒，也叫做毫微微秒，即1飞秒为10^-15秒。在加工过程中，皮秒激光器或者飞秒激光器可以在激光振荡时获得很高振荡密度的激光能量，而且在加工过程中不会产生碎屑积聚现象。例如，当皮秒激光器或者飞秒激光器产生的激光光能为1mJ，脉冲照射周期在100飞秒或者以下时，所产生的激光能量密度可以达到约10千兆瓦的等级，因此，可以用于加工任何材料。

以飞秒激光器为例进行说明。通常，飞秒激光器包括振动器、展宽器、放大器和压缩器，以获得飞秒激光脉冲。展宽器用于将振动器产生的飞秒种子脉冲按不同波长在时间上拉开，放大器用于使展宽的脉冲获得充分能量，压缩器用于将不同成分的光谱聚集在一起以恢复到飞秒宽度，从而形成具有极高瞬时功率的飞秒激光脉冲。

表述激光束特性的参数很多，常见的参数包括波长、平均功率、功率密度或者能量密度、光斑大小和脉冲宽度等。连续激光用功率密度表示，脉冲激光用能量密度表示。

由于激光束70具有极短的脉冲宽度和极高的峰值功率，在与物质相互作用时呈现强烈的非线性效应，例如与金属材料、半导体材料、透明绝缘材料等作用的机制各不相同。金属材料存在大量的自由电子，具有良好的导电性和导热性，它对可见光和近红外光均具有吸收作用；半导体材料和透明绝缘材料原本不会吸收这一波段的光，但是当激光束70的功率密度足够大时,便会因多光子电离而产生大量的电子气体，变成类似金属的光吸收体。

以下对本发明采用的激光束70的参数进行说明。

进一步地，激光束70的波长范围为355纳米~1064纳米以及平均功率的范围为0.1瓦~0.7瓦，由此可知，该激光束70所含能量大，并且利用较小平均功率的激光束70就可以达到切割之目的。

进一步地，激光束70的脉冲宽度范围为100飞秒~100皮秒以及单点能量范围为0.1μJ~20μJ，由脉冲宽度的数值范围可以看出该激光束70各个脉冲的持续时间非常短，而且单点能量极低，这样，在加工过程中可以减小激光束70对待加工玻璃工件60的损伤，保证玻璃工件60的完好，而且也不会对周边物体造成损害。

进一步地，激光束70经聚焦后于玻璃工件60内部形成光斑，光斑的直径范围为0.1微米~10微米，通过细小光斑的设计使激光束70在玻璃工件60内的作用点减小，一方面可以达到加工玻璃工件60之目的，另一方面可以降低激光束70对玻璃工件60的破坏，而且不会产生玻璃碎屑以避免碎屑飞溅。

从上述激光束70的参数可以看出，运用极低的单点能量，形成极小的光斑，实现在玻璃工件60内部无裂纹无损伤的精确加工，一方面提高了加工效率，另一方面也提高了玻璃工件60的利用率，并降低成本。

玻璃工件60为超薄玻璃，其厚度范围为0.1毫米~1.1毫米。超薄玻璃按照其化学成分的不同，可以分为含碱超薄玻璃和无碱玻璃。含碱玻璃是指化学组成中含有碱金属氧化物的超薄玻璃，即含有钠钙硅超薄玻璃或者铝硅酸盐超薄玻璃。无碱玻璃是指硬质硼酸盐超薄玻璃，含有氧化硼（B₂O₃），具有透光率高以及光学性能好等特点，通常作为液晶显示器的基材。

进一步地，玻璃工件60的厚度范围为0.2毫米~1.1毫米，便于激光器10之激光束70对其进行切割，而且有效保证加工质量。待加工的玻璃工件60的材质可以是为钠钙硅玻璃、铝硅酸盐玻璃或者硼酸盐玻璃，即利用激光器10切割不同材质的玻璃工件60，可以使切割加工后的玻璃工件60广泛应用于电子产品的显示屏或者彩色液晶显示器中，从而增加了利用激光器10切割加工的范围。

待切割玻璃工件60的厚度越厚，所需激光束70的平均功率越高。一般而言，针对厚度范围为0.2毫米~1.1毫米的玻璃工件60，需要平均功率范围为0.1瓦~0.7瓦的激光束70。具体而言，以厚度为0.2毫米材质为硼酸盐的玻璃工件60作为示例进行说明，激光束70的平均功率不低于0.1w即可。当激光束70的平均功率为0.1瓦以及聚集后激光束70的光斑直径为10微米时，聚集后激光束70的功率密度为1.67×10⁷W/cm²，即大于硼酸盐玻璃工件60的破坏阈值（其破坏阈值为10⁵~10⁶W/cm²）。如果不考虑激光束70的功率损耗，用更高平均功率的激光束70来进行切割也是可以的，这样切割效率将更快。

请参照图1，对于激光器10产生的激光束70经聚焦处理后入射至待切割的玻璃工件60的内部的步骤中，激光束70的聚焦处理过程包括：激光器10产生的激光束70经扩束准直镜20扩束处理；通过45度反射镜30反射至聚焦镜40；以及聚焦镜40将聚焦后的激光束70垂直入射至位于工作平台50上的玻璃工件60内。通过聚焦处理，使激光器10产生的激光能量增强，一方面有利于提高切割精度和切割速度，从而提高切割效率，另一方面可以有效地利用激光器10产生的激光能量，减小能量损失。

为了保证获得较高的激光束质量，可以在激光器10与扩束准直镜20之间增设一个针孔滤波器，以减小激光束70的直径，也可以减小其他干扰因素的影响并滤除杂散光。例如，激光器10发出的激光束70的直径为8mm时，经该针孔滤波器过滤后的直径减小至5mm。而且，激光束70通过聚焦镜40的聚集处理后，聚集后的激光束70形成的光斑直径为3微米左右。

请同时参照图1至图5，将玻璃工件60放置在加工平台50上，该工作平台50是利用计算机控制的三维电动平台，即该工作平台50可以沿X轴、Y轴和Z轴移动。这样，方便加工，不仅可以加工放置平面方向，而且还能加工工件的深度（或者高度）方向。

启动激光器10后，所产生的激光束70经聚焦镜40聚集处理后入射至玻璃工件60的内部，而非该玻璃工件60的外表面。

将经聚焦镜40聚集处理后的激光束70的焦点70位于玻璃工件60内部，具体而言，该激光束70以接近垂直入射至玻璃工件60内，并且焦点72于玻璃工件60内形成多个微裂点65，微裂点65形成切割层62，即内切割。焦点72的大小即为激光束70形成的光斑大小，直径范围为0.1微米~10微米。通过沿A方向（X轴方向或者/和Y轴方向）匀速移动工作平台50，玻璃工件60与工作平台50保持相对静止，而使得激光束70与玻璃工件60发生相对移动。当激光束70按预先设定的路径相对移动时，激光束70将于玻璃工件60内部形成一切割道，也就是说，微裂点65组成一个预先设定的切割图形。例如，如果需在待加工玻璃工件60上切割形成一个圆孔，则所设定的路径为圆形；如果需要在玻璃工件60上切割形成一个方形孔，则所设定的路径为方形；即所设定的路径根据需要加工的形状而异。

进一步地，切割层62至少为一层，即切割的深度方向是可以分层排布的。具体而言，根据玻璃工件60的厚度，可进行多层切割，即在玻璃工件60内部切割多个切割层62，所述切割层62在深度方向为多层排布。切割时，每次切割一层，N次切割后到达第N层。这样，既可以保证不损伤玻璃材质，又保证对不同厚度的玻璃工件60进行加工。例如，当玻璃工件60的厚度D范围为400微米~600微米时，可以对该玻璃工件60进行单层切割，即形成的切割层62为一层，该切割层62与玻璃工件60表面之间的距离为T1，0＜T1＜D，如图2所示。当玻璃工件60的厚度D范围为600微米~1000微米时，可以对该玻璃工件60进行多次切割，即每次切割一层切割层62-1，该切割层62-1与玻璃工件60表面之间的距离为T1，0＜T1＜D，经过N次切割后到达第N层切割层62-n，该切割层62-n与玻璃工件60表面之间的距离为Tn，0＜Tn＜D，也就是说，不论经过多次切割，都未达到玻璃工件60的表面上，即非传统加工中的“切到底”模式，如图6所示。

施加外力于玻璃工件60，使玻璃工件60沿切割层62处被冲开。具体请同时参照图4和图5，将已经形成切割层62的玻璃工件60放置于下冲头92上，利用上冲头90对准该具有切割线80的玻璃工件60，施加外力作用于上冲头90使该上冲头90冲击该玻璃工件60使部分玻璃工件60沿切割线80被冲开，形成内孔68。这样便完成玻璃工件60的切割加工，所切割的内孔68之内壁光滑，精度高。

进一步地，该激光切割玻璃的方法还包括步骤：将平面度检测装置电性连接于所述激光器10；采用平面度检测装置检测玻璃工件60的平面度；平面度检测装置将所测的平面度以电信号传送至所述激光器10；以及激光器10根据接收的平面度信号带动切割头移动。具体而言，由于玻璃工件60存在平面度误差，为了保证切割深度一致，首先利用电性连接于激光器10的平面度检测装置检测玻璃工件60的平面度，该平面度检测装置将所检测的平面度信号以电信号传送至激光器10，激光器10根据接收的平面度信号带动切割头纵向（沿Z轴方向）移动，即做上下移动，以调整焦点72的深度位置，使焦点72位于玻璃工件60的同一切割深度上。在本实施方式中，平面度检测装置为激光测距仪器。

激光切割***用于切割玻璃工件60以使玻璃工件60形成内空，并包括产生激光束70的激光器10、对激光束70进行扩束处理的扩束准直镜20、对扩束处理后的激光束70进行反射处理的45度反射镜30、对反射后的激光束70进行聚焦的聚焦镜40以及放置待加工玻璃工件60的工作平台。

本发明的激光切割玻璃的方法采用脉冲宽度范围在皮秒至飞秒的激光器10，该激光器10产生的激光束70聚焦于玻璃工件60内部，利用该激光束70对玻璃工件60进行切割加工，由于该激光束70具有较小的单点能量和极小的光斑直径，在玻璃工件60进行切割加工时可以获得高精密度和平整的切割表面。而且，该方法不会在切割过程中产生裂痕、碎屑等，可以有效地保证加工质量，提高切割效率。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光切割玻璃的方法，其特征在于，包括以下步骤：

采用脉冲宽度范围在皮秒至飞秒的激光器；

所述激光器产生的激光束经聚焦处理后入射至待切割的玻璃工件内，使所述激光束的焦点位于所述玻璃工件的内部；

所述激光束与所述玻璃工件按预先设定的路径做相对移动，使所述焦点在所述玻璃工件的内部形成由多个微裂点沿激光束扫射的路径组成的切割层；以及

施加外力于所述玻璃工件，使所述玻璃工件沿所述切割路径撕开。

2.如权利要求1所述的激光切割玻璃的方法，其特征在于，所述激光束的波长范围为355纳米~1064纳米以及平均功率的范围为0.1瓦~0.7瓦。

3.如权利要求1所述的激光切割玻璃的方法，其特征在于，所述激光束的脉冲宽度范围为100飞秒~100皮秒以及单点能量范围为0.1μJ~20μJ。

4.如权利要求1所述的激光切割玻璃的方法，其特征在于，所述激光束经聚焦后于玻璃工件内部形成光斑，所述光斑的直径范围为0.1微米~10微米。

5.如权利要求1所述的激光切割玻璃的方法，其特征在于，所述切割层至少为一层。

6.如权利要求5所述的激光切割玻璃的方法，其特征在于，对所述玻璃工件进行多层切割，所述微裂点沿所述玻璃工件深度方向形成多层排布的切割层。

7.如权利要求1所述的激光切割玻璃的方法，其特征在于，所述玻璃工件的厚度范围为0.2毫米~1.1毫米。

8.如权利要求1的激光切割玻璃的方法，其特征在于，所述玻璃工件为钠钙硅玻璃、铝硅酸盐玻璃或者硼酸盐玻璃。

9.如权利要求1至8任意一项所述的激光切割玻璃的方法，其特征在于，所述激光束的聚焦处理过程包括：

所述激光束经扩束准直镜扩束处理；

通过45度反射镜反射至聚焦镜；以及

所述聚焦镜将聚焦后的所述激光束垂直入射至位于所述工作平台上的所述玻璃工件内。

10.如权利要求1至8任意一项所述的激光切割玻璃的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

将平面度检测装置电性连接于所述激光器；

采用所述平面度检测装置检测所述玻璃工件的平面度；

所述平面度检测装置将所测的平面度以电信号传送至所述激光器；以及

所述激光器根据接收的平面度信号带动切割头移动。