CN110091078A - 一种用于玻璃的三维柱状孔激光切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光加工技术领域，并具体公开了一种用于玻璃的三维柱状孔激光切割方法。该方法包括：将待切割玻璃从下至上分为多层，并将激光光束在待切割玻璃的表面聚焦形成光斑；在当前层玻璃上控制光斑以螺旋线的路径移动，最终在当前层玻璃上切割出一个圆环槽；待完成当前层玻璃的切割后，将激光光束的焦点上升预设距离，然后对下一层玻璃进行切割；重复上述操作直至待切割玻璃的所有层均切割完毕，以此完成玻璃的三维柱状孔激光切割。本发明对待切割玻璃进行从下而上的切割，能够保证激光光束在有效切割范围内工作，提高激光光束切割效率的同时方便进行排渣，同时在每层玻璃上控制光斑以螺旋线的路径移动，能够对玻璃进行充分切割，有利于排渣。

Description

一种用于玻璃的三维柱状孔激光切割方法

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，更具体地，涉及一种用于玻璃的三维柱状孔激光切割方法。

背景技术

玻璃作为日常最常用的材料之一，其加工方式也是行业内所关心的问题，随着现在工业的不断发展，其加工方法也在不断的革新。光伏行业内主流的浮法与压花玻璃主要利用金刚石、金刚线进行机械切割，效率不仅低下，切口质量也不够高，而且切割过程中刀具磨损严重，并对环境具有一定的污染。

由于激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性等优点，适用于玻璃的加工，其加工原理为高能量密度的激光束照射到被加工工件表面，使得被加工工件温度迅速升高到气化温度，进而蒸发形成孔洞，随着激光束的移动，孔洞连续成一条窄的切缝，从而实现激光切割。而激光种类繁多，激光切割应用于金属以及一些不透明的非金属较多，而对于透明的玻璃来说，考虑玻璃对不同波长激光的吸收率，应用仍不够广泛；另外存在的问题是激光加工的成本较高，如果无法实现玻璃高效率加工，其相对于传统加工方法就不具备优势。

目前利用激光切割玻璃的方法主要存在效率低下，切口质量不高的问题，并且仅适合切割1mm左右及以下的薄玻璃，较厚的玻璃无法实现三维切割。但是对于光伏行业，低铁浮法压花玻璃应用越来越广，常见厚度有2mm、2.5mm、3.2mm等。并且具有四边形、六边形金字塔形状的压花玻璃相对浮法玻璃的太阳光透过率更优，未来的应用更广。但是压花玻璃表面的特殊结构会影响激光的透过率，主要因为激光通过玻璃上表面，由于表面结构导致透过的激光束不规则的进行了各种折射反射，激光束扫过的玻璃表面基本处于崩裂的状态，导致激光无法对其进行很好的切割。

发明内容

针对现有技术的上述缺点和/或改进需求，本发明提供了一种玻璃激光的三维柱状孔高效率切割方法，其中利用光斑以螺旋线的路径移动进行切割，并且每切割完一层后控制激光光束的焦点上升预设距离，从而对下一层玻璃进行切割，相应的能够提高激光的切割效率并有利于排渣，因而尤其适用于玻璃切割之类的应用场合。

为实现上述目的，本发明提出了一种用于玻璃的三维柱状孔激光切割方法，该方法包括如下步骤：

(a)将待切割玻璃从下至上分为多层，并将激光光束在所述待切割玻璃的表面聚焦形成用于执行切割动作的光斑；

(b)在当前层玻璃上控制所述光斑以螺旋线的路径移动，最终在所述当前层玻璃上切割出一个圆环槽；

(c)待完成当前层玻璃的切割后，将所述激光光束的焦点上升预设距离，然后对下一层玻璃重复步骤(b)进行切割；

(d)重复步骤(c)直至所述待切割玻璃的所有层均切割完毕，以此完成玻璃的三维柱状孔激光切割。

作为进一步优选地，所述光斑优选为椭圆形光斑。

作为进一步优选地，形成用于执行切割动作的椭圆形光斑包括如下步骤：对激光器发射的激光光束进行扩束处理获得扩束激光，然后利用远心场镜对所述扩束激光进行聚焦和整形，从而获得所述椭圆形光斑。

作为进一步优选地，当所述玻璃为表面有压花的玻璃时，对所述玻璃的上表面均匀喷涂透明液体将其铺平。

作为进一步优选地，所述激光光束的扫描速度为150mm/s～350mm/s。

作为进一步优选地，所述螺旋线的宽度为0.35mm～0.5mm。

作为进一步优选地，所述螺旋线的重叠率为65％～80％。

作为进一步优选地，所述预设距离为所述激光光束焦深的0.5倍～0.9倍。

作为进一步优选地，所述激光器的功率为20W～40W。

作为进一步优选地，所述激光光束经过1.5倍～5倍的扩束。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明将待切割玻璃从下至上分为多层，并控制激光光束的焦点每切割完一层后上升预设距离，从而对其进行从下而上的切割，能够保证激光光束在有效切割范围内工作，提高激光光束切割效率的同时方便进行排渣，同时在每层玻璃上控制光斑以螺旋线的路径移动，能够对玻璃进行充分切割，有利于排渣；

2.同时，本发明通过对进入场镜的激光光束进行扩束处理，可以降低激光光斑的大小从而增大切割时激光脉冲的峰值能力，提高切割效率，同时采用远场场镜进行聚焦，能够保证扫描范围内各位置的光斑大小保持不变，并利用远场场镜的整形获得椭圆形光斑，使得切缝宽度为椭圆形光斑的长轴长度，可以避免激光光束能量的浪费，加大切缝宽度；

3.尤其是，对于表面有压花的玻璃，通过均匀喷涂透明液体将其铺平，可显著减少激光透过上表面的折射和反射现象，减少激光光束的浪费，从而解决激光无法加工压花玻璃的难题；

4.此外，本发明通过控制激光光束的扫描速度为150mm/s～350mm/s，螺旋线的宽度为0.35mm～0.5mm、重叠率为65％～80％，可以在保证切割效率的同时提高切割效果，同时将激光焦点上升的距离优化为焦深的0.5倍～0.9倍，能够在实现有效切割的同时减少切割次数，提高切割效率，并且控制激光光束经过1.5倍～5倍的扩束，可以有效缩小光斑的直径，使得能量集中从而获得合适的激光脉冲峰值，并避免激光光斑过小造成切割效率过低。

附图说明

图1是本发明提供的用于玻璃的三维柱状孔激光切割方法的流程图；

图2是激光切割中圆形光斑和椭圆形光斑的切缝宽度对比图；

图3是本发明实施例中使用的激光切割装置的结构示意图；

图4是本发明实施例中椭圆形光斑的螺旋线路径示意图；

图5是本发明实施例中进行自下而上切割方法的示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-激光器，2-反射镜，3-激光光束，4-振镜扩束端，5-振镜振动端，6-远心场镜，7-加工激光光束，8-玻璃，9-振镜水冷却***。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例一种用于玻璃的三维柱状孔激光切割方法，该方法包括如下步骤：

(a)将待切割玻璃从下至上分为多层，并将激光光束在待切割玻璃的表面聚焦形成用于执行切割动作的光斑；

(b)在当前层玻璃上控制所述光斑以螺旋线的路径移动，最终在所述当前层玻璃上切割出一个圆环槽；

(c)待完成当前层玻璃的切割后，将所述激光光束的焦点上升预设距离，然后对下一层玻璃重复步骤(b)进行切割；

(d)重复步骤(c)直至所述待切割玻璃的所有层均切割完毕，以此完成玻璃的三维柱状孔激光切割。

进一步，如图2所示，常用激光光斑的形状为圆形，激光束在切进的过程中，实际只有前面一半的激光束用于切割，后面一半的激光束基本没有用于切割，仅从已切割玻璃的切缝中穿过去，造成激光光束能量的浪费，通过对激光光束整形，在保证整个激光光斑大小不变的情况下，减小后半部分光斑的面积，即将激光光斑拉长为近似椭圆形，使得在切割过程中，长轴处于产生切缝的位置，这样不仅减少了激光光束能量的浪费，也加大了切缝的宽度，使得切割过程中，已切残渣更好地排出，提高切割能力，进而提高切割效率；而激光切割最常用的场镜为平场场镜，激光光束透过平场场镜正中心产生的激光光斑为圆形，而远离平场场镜中心位置产生的光斑，其远离中心的一端会被拉长为近似椭圆形，由于不在平面场镜正中心的光斑变大，导致切割时激光脉冲峰值降低，而采用远心场镜能够使得激光透过该远心场镜正中心或非正中心均能产生圆形光斑，并且与平场场镜相比产生的圆形光斑直径更小，进一步提高了切割时激光的脉冲峰值能量，从而更有利于提高激光切割能力，进而提高切割效率；

因此形成椭圆形光斑的步骤包括：对激光器发射的激光光束进行扩束处理获得扩束激光，然后利用远心场镜对扩束激光进行聚焦和整形，从而获得椭圆形光斑；按照本发明的一个优选实施例，可以采用如图3所示的激光切割装置对玻璃进行三维柱状孔激光切割，激光器1发出激光光束3，经过反射镜2反射后将水平的激光光束3射入振镜扩束端4获得扩束激光，经由振镜振动端5后通过远心场镜6聚焦，产生的加工激光光束7在焦深范围内对待加工的玻璃8进行切割，同时利用振镜水冷却***9对振镜进行冷却。

进一步，当所述玻璃为表面有压花的玻璃时，由于表面具有压花的特殊结构，会影响激光的透过率，通过对玻璃的上表面均匀喷涂透明液体将其铺平，可显著减少激光透过上表面的折射和反射现象，减少激光光束的浪费，从而解决激光无法加工压花玻璃的难题。

进一步，如图4所示，椭圆形光斑以螺旋线的路径移动可以将切缝中的玻璃充分切割，控制该螺旋线的宽度为0.35mm～0.5mm，螺旋线宽度过窄会造成切缝宽度过小，造成残渣不能及时排出，而螺旋线宽度过宽则会造成激光扫描过程中产生扫描孔隙，同时控制重叠率为65％～80％，激光光束的扫描速度为150mm/s～350mm/s，避免扫描不完全或过度扫描。

进一步，由于玻璃是透明的，为了让切割残渣顺利排除，采取自下而上的切割方法，如图5所示，箭头的方向为切割方向，每切割一层，利用振镜竖直方向的振动，使得激光光束的焦点上升预设距离，该预设距离越大则切割次数越少，切割效率越高，但因切割过程中只有处于焦深范围内，才能实现有效的切割，因此激光焦点的上升距离最大不能超过焦深，该预设距离优选为激光光束焦深的0.5倍～0.9倍。

进一步，场镜聚焦产生的激光光斑的大小与进入场镜的激光直径成反比，因此通过对进入场镜的激光光束进行扩束处理，可以降低激光光斑的大小，增大切割时激光脉冲峰值，提高切割能力，为避免激光光斑过小造成切割效率过低，同时能够有效提高激光的切割能力，激光光束经过1.5倍～5倍的扩束获得扩束激光。

进一步，激光器1的功率为20W～40W，从而能够使得激光能量可以顺利地切割玻璃并且不造成能量浪费，同时激光器的功率过大还会使得已切粉末烧结附着在切割表面，对切割产生不利影响。

下面根据具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

选用40W的绿光激光器发出激光光束，被振镜扩束1.5倍后经远心场镜聚焦形成椭圆形光斑，在厚度为2.5mm的浮法玻璃上切割直径为10mm的柱状孔，设定扫描速度为320mm/s、每层上升距离为焦深的0.8倍、螺旋线的宽度为0.47mm、螺旋线的重叠率为70％，采取上述方法参数可以高效获得切口质量高的三维柱状孔。

实施例2

选用20W的绿光激光器发出激光光束，被振镜扩束3倍后经远心场镜聚焦形成椭圆形光斑，在厚度为2.5mm的浮法玻璃上切割直径为10mm的柱状孔，设定扫描速度为300mm/s、每层上升距离为焦深的0.9倍、螺旋线的宽度为0.5mm、螺旋线的重叠率为80％，采取上述方法参数可以高效获得切口质量高的三维柱状孔。

实施例3

选用35W的绿光激光器发出激光光束，被振镜扩束5倍后经远心场镜聚焦形成椭圆形光斑，在厚度为2.5mm的压花玻璃上切割直径为10mm的柱状孔，首先对玻璃的上表面均匀喷涂透明液体将其铺平，并设定扫描速度为150mm/s、每层上升距离为焦深的0.5倍、螺旋线的宽度为0.4mm、螺旋线的重叠率为65％，采取上述方法参数可以高效获得切口质量高的三维柱状孔。

实施例4

选用25W的绿光激光器发出激光光束，被振镜扩束2倍后经远心场镜聚焦形成椭圆形光斑，在厚度为2.5mm的浮法玻璃上切割直径为10mm的柱状孔，设定扫描速度为200mm/s、每层上升距离为焦深的0.6倍、螺旋线的宽度为0.35mm、螺旋线的重叠率为75％，采取上述方法参数可以高效获得切口质量高的三维柱状孔。

实施例5

选用35W的绿光激光器发出激光光束，被振镜扩束4倍后经远心场镜聚焦形成椭圆形光斑，在厚度为2.5mm的压花玻璃上切割直径为10mm的柱状孔，首先对玻璃的上表面均匀喷涂透明液体将其铺平，并设定扫描速度为350mm/s、每层上升距离为焦深的0.65倍、螺旋线的宽度为0.38mm、螺旋线的重叠率为68％，采取上述方法参数可以高效获得切口质量高的三维柱状孔。

本领域的技术人员容易理解，以上所述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)

1.一种用于玻璃的三维柱状孔激光切割方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(a)将待切割玻璃从下至上分为多层，并将激光光束在所述待切割玻璃的表面聚焦形成用于执行切割动作的光斑；

(b)在当前层玻璃上控制所述光斑以螺旋线的路径移动，最终在所述当前层玻璃上切割出一个圆环槽；

(c)待完成当前层玻璃的切割后，将所述激光光束的焦点上升预设距离，然后对下一层玻璃重复步骤(b)进行切割；

(d)重复步骤(c)直至所述待切割玻璃的所有层均切割完毕，以此完成玻璃的三维柱状孔激光切割。

2.如权利要求1所述的用于玻璃的三维柱状孔激光切割方法，其特征在于，所述光斑优选为椭圆形光斑。

3.如权利要求2所述的用于玻璃的三维柱状孔激光切割方法，其特征在于，形成用于执行切割动作的椭圆形光斑包括如下步骤：对激光器发射的激光光束进行扩束处理获得扩束激光，然后利用远心场镜对所述扩束激光进行聚焦和整形，从而获得所述椭圆形光斑。

4.如权利要求1～3任一项所述的用于玻璃的三维柱状孔激光切割方法，其特征在于，当所述玻璃为表面有压花的玻璃时，对所述玻璃的上表面均匀喷涂透明液体将其铺平。

5.如权利要求1所述的用于玻璃的三维柱状孔激光切割方法，其特征在于，所述激光光束的扫描速度为150mm/s～350mm/s。

6.如权利要求1所述的用于玻璃的三维柱状孔激光切割方法，其特征在于，所述螺旋线的宽度为0.35mm～0.5mm。

7.如权利要求1所述的用于玻璃的三维柱状孔激光切割方法，其特征在于，所述螺旋线的重叠率为65％～80％。

8.如权利要求1～7任一项所述的用于玻璃的三维柱状孔激光切割方法，其特征在于，所述预设距离为所述激光光束焦深的0.5倍～0.9倍。

9.如权利要求3所述的用于玻璃的三维柱状孔激光切割方法，其特征在于，所述激光器的功率为20W～40W。

10.如权利要求3所述的用于玻璃的三维柱状孔激光切割方法，其特征在于，所述激光光束经过1.5倍～5倍的扩束。