TWI460045B - 雷射加工方法和雷射加工設備 - Google Patents

Description

雷射加工方法和雷射加工設備

本發明涉及一種雷射加工方法和雷射加工設備。

鋼化玻璃，例如美國康寧公司的金剛玻璃(Gorilla)及日本旭硝子公司(Asahi)的升龍玻璃(Dragontrail)及鈉鈣玻璃(Sodalime)等鋼化玻璃，由於其高透性和高强度，已經廣泛應用於顯示屏器件。

傳統玻璃切割工藝通常難以對鋼化玻璃進行良好的切割。傳統玻璃切割主要包括刀輪切割、雷射切割及磨棒研磨。傳統刀輪切割、雷射切割利用刀輪或雷射在玻璃表面或內部形成切割起始開口或起始裂紋，然後在裂片工藝中使裂紋在玻璃上下表面之間延伸以使玻璃被完全切割開。利用傳統刀輪切割或雷射切割工藝切割鋼化玻璃時，由於鋼化玻璃的鋼化層中存在應力，裂紋在鋼化層中經常不會完全按照預期路徑生長，甚至完全不按照預期路徑而無序生長，從而導致裂片和切割失敗。磨棒研磨通常用於玻璃內部封閉區域的切割。先用鑽頭鑽出小孔，再換不同的磨棒研磨至要求的大小。利用磨棒研磨工藝切割鋼化玻璃時，鋼化玻璃的鋼化層中的應力經常在鑽孔和研磨時產生不希望的裂紋。另外，磨棒損耗很大，效率很低。因此，對於鋼化玻璃，例如金剛玻璃(Gorilla)、鈉鈣玻璃(Sodalime)和升龍玻璃(Dragontrail)等鋼化玻璃，現有的各種加工方法都不能有效實行穩定的切割。現在對鋼化玻璃進行切割時通常需要將未鋼化的玻璃切割研磨後再進行鋼化處 理，效率極低。

因此，需要一種能對鋼化玻璃，例如金剛玻璃(Gorilla)、鈉鈣玻璃(Sodalime)及升龍玻璃(Dragontrail)等鋼化玻璃進行有效穩定切割的加工方法和加工設備。

本發明的雷射切割技術是以雷射源為能量源的熱去除切割工藝。具體而言，本發明利用雷射脈衝光在聚光點處的高功率密度輸出，使雷射光之聚光點處的材料瞬間氣化或者融化，從而實現材料的去除。材料熱去除區橫向和縱向相連成為切割區，從而實現材料的切割分離。其超短脈衝又將熱影響限制在焦點附近極小的區域內，防止周圍脆性材料受熱後爆裂。

根據本發明的一個方面，提供了一種雷射加工方法，包括以下步驟：透過加工物的入射表面照射雷射光並在所述加工物的切割起始面上或附近聚光，使聚光點處和/或聚光點鄰近區域的加工物氣化和/或熔化，從而在切割起始面上形成起始熱去除區，並使起始熱去除區在所述切割起始面上沿預定路徑連續分布從而形成起始熱去除線；照射雷射光以在之前的熱去除步驟中新形成的加工物表面上或附近聚光，使聚光點處和/或聚光點鄰近區域的加工物氣化和/或熔化，從而形成後續熱去除區，並使後續熱去除區沿預定路徑連續分布從而形成後續熱去除線。

根據本發明的另一方面，提供了一種用於對加工物進行雷射切割的雷射加工設備，包括：適於發射雷射脈衝光的雷射光源；聚光裝置，所述聚光裝置能將所述雷射光源所發射的雷射脈衝光聚光於加工物表面或內部，使得至少一聚光點處的功率 密度能使加工物被氣化和/或熔化而形成熱去除區；移動裝置，適於使所述聚光點相對於所述加工物移動，所述移動裝置被配置成，使得聚光點在所述加工物的切割起始面上或附近，使聚光點處和/或聚光點鄰近區域的加工物氣化和/或熔化，從而在切割起始面上形成起始熱去除區，並使起始熱去除區在所述切割起始面上沿預定路徑連續分布從而形成起始熱去除線；使得聚光點在之前的熱去除步驟中新形成的加工物表面上或附近，使聚光點處和/或聚光點鄰近區域的加工物氣化和/或熔化，從而形成後續熱去除區，並使後續熱去除區沿預定路徑連續分布從而形成後續熱去除線。

本發明採用了熱去除方法進行鋼化玻璃的切割，避免了傳統玻璃切割工藝中的裂片工藝，避免了鋼化玻璃切割中容易出現的裂紋無序生長從而導致切割失敗的情况，從而能對鋼化玻璃進行高效穩定的加工。

本發明的雷射脈衝光切割工藝與傳統加工方法相比具有許多優點：

(1)加工範圍不受材料物理、機械性能的限制，能加工任何硬的、軟的、脆的、耐熱或高熔點金屬以及非金屬材料。

(2)易於加工複雜型面、微細表面以及柔性零件。

(3)易獲得良好的切割截面質量，切割碎屑污染，熱應力、殘餘應力、冷作硬化、熱影響區等均比較小。

(4)能夠在封閉區域進行鋼化玻璃的異形切割，並有極高的穩定性。

(5)3D動態掃面聚焦鏡和雙光路系統能大幅提升加工效率。

(6)使用能透過玻璃的雷射光，始終聚光在玻璃的下表面 或熱去除形成的下表面進行加工，切割殘渣始終在雷射切割區域下方，不會影響雷射光的後續聚焦，提高了雷射加工效率。並能夠獲得光滑，垂直無錐度的切割截面。

(7)在鋼化玻璃下方設置有，於照射雷射光時，表面能發生濺射的材料，使得在切割過程中有濺射出的材料粘附在玻璃下表面上，從而增加玻璃對雷射的吸收率。

(8)本發明採用奈秒(Nanosecond)、皮秒(Picosecond)或飛秒(Femtosecond)雷射器，脈衝寬度小，對周圍區域熱影響小，能抑制微裂紋的產生。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

本發明的雷射切割技術是以雷射為能量源的熱去除切割工藝。具體而言，本發明利用雷射脈衝光在聚光點處的高功率密度輸出，使雷射光之聚光點處的材料瞬間氣化或者融化，從而實現材料的去除。材料熱去除區延伸形成熱去除面，從而實現材料的切割分離。

本發明的切割工藝首先在預定的加工物切割起始面上或附近照射並掃描雷射光，以從加工物切割起始面上熱去除材料。加工物切割起始面被熱去除材料後，加工物內部材料暴露形成新表面。之後在所形成的新表面上照射並掃描雷射光以進一步去除材料，最終使整個預定切割面上的加工物材料均被熱去除，從而完成切割。具體而言，首先，透過加工物的入射表面照射雷射光並在所述加工物的切割起始面上或附近聚光，使聚光點處和/或聚光點鄰近區域的加工物氣化和/或熔化，從而 在切割起始面上形成起始熱去除區，並使起始熱去除區在所述切割起始面上沿預定路徑連續分布從而形成起始熱去除線，多條熱去除線橫向叠加形成熱去除道。之後，照射雷射光以在之前的熱去除步驟中新形成的加工物表面上或附近聚光，使聚光點處和/或聚光點鄰近區域的加工物氣化和/或熔化，從而形成後續熱去除區，並使後續熱去除區沿預定路徑連續分布從而形成後續熱去除線，多條後續熱去除線橫向疊加形成後續熱去除道。所述後續熱去除線與之前形成的起始熱去除線或後續熱去除線一起至少部分地形成將所述加工物分開的熱去除面。本發明所述的在加工物的切割起始面(或在之前的熱去除步驟中形成的加工物表面)上或附近聚光，是指聚光點位置在切割起始面(或在之前的熱去除步驟中新形成的加工物表面)上或與之足夠近，使得形成的熱去除區包括切割起始面(在之前的熱去除步驟中新形成的加工物表面)，即，聚光點處或鄰近區域中的切割起始面(在之前的熱去除步驟中形成的加工物表面)被形成的熱去除區至少部分去除。

本發明涉及利用雙光路雷射脈衝光來切割金剛玻璃(Gorilla)、鈉鈣玻璃(Sodalime)及升龍玻璃(Dragontrail)等鋼化玻璃的設備和方法。雷射脈衝光器是波長266-1064nm的奈秒、皮秒及飛秒雷射器，加工材料為普通玻璃以及、金剛玻璃(Gorilla)、鈉鈣玻璃(Sodalime)及升龍玻璃(Dragontrail)等鋼化玻璃等透明材料。切割過程中，光學掃描聚焦系統將雷射光聚焦在透明材料的下表面(在之前的熱去除步驟中形成的加工物表面)，每層材料以特定間隔特定順序進行切割，對不同的玻璃厚度形成合適的切割寬度，焦點由下往上運動，達到切割材料的目的。

本發明所採用的是奈秒、皮秒或飛秒雷射器，雷射光的脈衝很短。本發明的雷射脈衝光短於絕大多數化學和物理反應，比如機械和熱力學的特徵時間等。雷射峰值功率密度極高，由於超短雷射脈衝光與物質相互中獨特的多光子吸收過程，其加工精度可以突破相干極限(coherent limit)的瓶頸，從而使奈米加工和相應微/奈電子、微/奈光學的許多構想成為可能。超短雷射脈衝光序列可以控制電離過程、選擇性地電離原子、控制分子中基態轉動等。

圖1為本發明所使用雙光路雷射脈衝光切割鋼化玻璃的視圖。加工開始時雷射光之焦點聚焦在玻璃的下表面，雷射脈衝光器1發出的雷射光經過電動光閘2控制開關光，具體可以由軟件控制感應信號來控制光閘2的開啟和關閉，從而實現雷射脈衝光器1的外部控制雷射開關。之後雷射光經過擴束鏡3對光束進行同軸擴束，一方面改善光束傳播的發散角，達到光路準直的目的；另外一方面，可以控制雷射光之最終聚焦光斑的大小，使得到理想的光斑大小，從而實現雷射穩定切割的目的。經擴束鏡3擴束後光束經1片45度半反半透鏡4和45度全反射鏡5後，光路由水平改為垂直向下。光束經3D動態掃描聚焦鏡6、7聚焦在工件的下表面。控制系統將切割圖形轉化為數字信號，然後驅動3D動態聚焦振鏡6中的反射鏡片掃描加工圖形；同軸CCD 11在加工開始前對工件進行精確定位，利用校準程序偵測工件上的定位標誌，計算補償值，實現切割圖形和實際切割道的精確匹配，加工時也能實時觀察加工進程和效果。加工開始後，吹氣冷却和吸氣裝置8、10開始工作，將切割殘渣排除，同時吹氣也起冷却效果，提高切割質量；加工時3D動態掃描振鏡6中的3D動態聚焦鏡在每一層加工 完成後自動將焦點提升，由下往上切割玻璃最終將玻璃切穿。加工完成後平臺9自動將玻璃移出加工位置，便於物料取放。

圖2是圖1中雷射切割的局部放大圖。如圖所示，兩個光路(圖2中僅示出一個光路)中雷射脈衝光的分別進行切割，雷射光透過玻璃上表面而聚光在玻璃的下表面或下表面附近。聚光點處的高功率密度使聚光點處及附近的玻璃瞬間氣化或融化並從玻璃下表面排出或濺出，以在玻璃下表面形成熱去除區。將雷射聚光點相對於玻璃水平移動，沿著移動路徑，聚光點處或附近的玻璃下表面的玻璃材料不斷被熱去除，形成熱去除線，熱去除線橫向疊加形成熱去除道32。在玻璃下表面形成預定路線的熱去除道後，使雷射聚光點大致上移一熱去除道的厚度，以使聚光點落在之前的熱去除過程中新形成的玻璃表面上或附近，再重複進行上述的步驟，以在熱去除道32上方再形成一熱去除道。如此反覆，最後一次將玻璃上表面的玻璃材料熱去除，從而將玻璃完全切穿。

如圖1-3所示，本發明的雷射加工設備還包括佈置成往玻璃30上表面吹氣的吹氣冷却裝置8和在玻璃下方吸氣的吸氣收集裝置10。吹氣冷却裝置8的主要作用是冷却玻璃上表面，否則玻璃上表面最後剩餘的薄層玻璃會由於熱積累而破裂，形成微裂紋。吹氣冷却裝置8能顯著抑制微裂紋的產生。可選地，吹氣冷却裝置8也在雷射切割玻璃的最上一層時用於吹走產生的熔渣、碎屑等。由於本發明中是從下往上加工，氣化或融化的加工物材料等會受重力及焦點處空氣的熱膨脹自動從玻璃30排出，然後被吸氣收集裝置10收集。

圖3示出了與圖2類似的視圖，其中在玻璃下方增加了柔性材料40。柔性材料40是在被雷射光照射時表面能發生濺射 的材料，在雷射切割區域該柔性材料40與所述加工物間隔開一距離，例如，10μm-2mm。該柔性材料40可以是紙張、油墨、鋁等。優選地，雷射切割區域柔性材料的下方位置沒有被平臺完全支撑住。在雷射切割過程中，部分雷射光會透過玻璃30而照射在柔性材料40上，柔性材料30因此發生濺射，濺射物部分粘附在玻璃30的下表面上，使得玻璃30的下表面的雷射光吸收率提高，從而能以較低的雷射光功率進行切割。

上文中結合附圖描述了本發明的優選實施例，然而本發明不限於此。在附圖所示的優選實施例中，雷射光從玻璃上表面入射並且從鋼化玻璃的下表面開始切割，然而本發明不限於此。在可選實施例中，雷射光也可以從鋼化玻璃的側表面或下表面入射，並且可以從鋼化玻璃的上表面、側表面或下表面開始，只要入射表面和切割起始表面是不同的表面即可。

在本發明的優選實施例中，每次形成一熱去除道後將雷射聚光點大致上移一熱去除道的高度，然而本發明不限於此。在可選實施例中，可以以不同方式移動雷射聚光點，只要聚光點落在之前的熱去除步驟中形成的玻璃表面上或附近，從而使新形成的熱去除線與該之前的熱去除線部分重合。本發明的熱去除線也可以是任意形狀，只要熱去除線最後能形成將加工物分開的熱去除面。

在本發明的優選實施例中，加工物是鋼化玻璃，最優選為金剛玻璃(Gorilla)、鈉鈣玻璃(Sodalime)或升龍玻璃(Dragontrail)等鋼化玻璃。然而本發明不限於此，在可選實施例中，所述加工物可以是其它種類的玻璃，或者是雷射光能夠透過的其它材料。

在本發明的優選實施例中，鋼化玻璃厚度小於或等於 5mm，鋼化層深度小於或等於100μm。更優選地，鋼化玻璃厚度小於或等於2mm，鋼化層深度小於或等於80μm。然而本發明不限於此，本發明的鋼化玻璃可以具有其它厚度和鋼化層深度。

在本發明的優選實施例中，雷射光源發出的雷射脈衝寬度為50ps-15ns，雷射峰值功率0.1-1MW，熱去除線的寬度為10-60μm。然而本發明不限於此，本發明的雷射光源可以是奈秒雷射器、皮秒雷射器或飛秒雷射器，熱去除線也可以採用其它寬度。

在本發明的優選實施例中，利用45度半透半反鏡將雷射光束分成兩束，以同時進行切割。然而本發明不限於此，本發明可以利用一束雷射光進行切割，也可以將雷射光分成3、4或更多的光束進行切割。

在本發明的優選實施例中，通過佈置成給玻璃上表面吹氣的吹氣冷却裝置來給玻璃上表面進行冷却。然而本發明不限於此，可以採用其它冷却裝置來對玻璃上表面進行冷却。

在本發明的優選實施例中，形成一道熱去除線，多條熱去除線橫向疊加形成熱去除道用於增加切割寬度，再將雷射聚光點上移一預定距離，從而在每一聚焦高度形成僅形成一特定寬度的熱去除道。然而本發明不限於此，可以在不同聚焦高度處形成不同寬度的熱去除道，從而可以設定切割截面的形狀。對於0.5-2mm厚度的玻璃，切割寬度優選為100-400μm。在優選實施例中，每個熱去除道由多條熱去除線橫向疊加形成，然而本發明不限於此，在可選實施例中，至少一些熱去除道由一條熱去除線構成。在另外一些可選實施例中，全部熱去除道均由一條熱去除線構成。

以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對本發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬本發明的保護範圍。因此，本發明的保護範圍應以所附權利要求為準。

1‧‧‧雷射脈衝光器

2‧‧‧光閘

3‧‧‧擴束鏡

4‧‧‧45度半透半反鏡

5‧‧‧45度全反射鏡

6‧‧‧3D動態掃描振鏡

7‧‧‧聚焦鏡

8‧‧‧吹氣冷却裝置

9‧‧‧平臺

10‧‧‧吸氣裝置

11‧‧‧同軸CCD

20‧‧‧雷射光束

30‧‧‧玻璃

32‧‧‧切割道

40‧‧‧柔性材料

50‧‧‧殘渣

圖1是利用本發明的雷射加工設備進行鋼化玻璃切割的示意圖。

圖2是雷射切割的局部放大圖。

圖3是與圖2類似的示意圖，其中在玻璃下方增加了柔性材料。

1‧‧‧雷射脈衝光器

2‧‧‧光閘

3‧‧‧擴束鏡

4‧‧‧45度半透半反鏡

5‧‧‧45度全反射鏡

6‧‧‧3D動態掃描振鏡

7‧‧‧聚焦鏡

8‧‧‧吹氣冷却裝置

9‧‧‧平臺

10‧‧‧吸氣裝置

11‧‧‧同軸CCD

Claims (26)

1. 一種雷射加工方法，包括以下步驟：透過一加工物的一入射表面照射一雷射光，並在該加工物的一切割起始面上或附近聚光，使一聚光點處和/或該聚光點鄰近區域的該加工物氣化和/或熔化，從而在該切割起始面上形成一起始熱去除區，並使該起始熱去除區在該切割起始面上沿一預定路徑連續分布，從而形成一起始熱去除線；照射該雷射光，以在之前的熱去除步驟中形成的加工物表面上或附近聚光，使該聚光點處和/或該聚光點鄰近區域的該加工物氣化和/或熔化，從而形成一後續熱去除區，並使該後續熱去除區沿該預定路徑連續分布，從而形成一後續熱去除線，其中該起始熱去除線和一條或多條該後續熱去除線一起形成將該加工物分開的一熱去除面，使得在整個該熱去除面上的一加工物材料均被熱去除。
2. 如申請專利範圍第1項所述之雷射加工方法，其中形成該起始熱去除線的步驟包括將多條該起始熱去除線橫向疊加以形成一起始熱去除道，形成該後續熱去除線的步驟包括將多條該後續熱去除線橫向疊加形成一後續熱去除道。
3. 如申請專利範圍第2項所述之雷射加工方法，其中該入射表面是該加工物的一上表面，且該切割起始面是該加工物的一下表面，該方法更包括：在形成該起始熱去除道或該後續熱去除道後，將該聚光點相對於該加工物上移一預定距離，以在 上移的該聚光點高度處形成該後續熱去除道。
4. 如申請專利範圍第1項所述之雷射加工方法，其中該加工物是玻璃。
5. 如申請專利範圍第1項所述之雷射加工方法，其中該加工物是鋼化玻璃。
6. 如申請專利範圍第1項所述之雷射加工方法，其中該加工物是金剛玻璃、鈉鈣玻璃或升龍玻璃。
7. 如申請專利範圍第5項所述之雷射加工方法，其中該鋼化玻璃的一鋼化層深度小於或等於100μm，且該鋼化玻璃的一厚度小於或等於5mm。
8. 如申請專利範圍第1項所述之雷射加工方法，其中該雷射光由一奈秒雷射器、一皮秒雷射器或一飛秒雷射器產生，該雷射光之一峰值功率介於0.1-1MW，該起始熱去除線或該後續熱去除線的一寬度為10-60μm。
9. 如申請專利範圍第1項所述之雷射加工方法，更包括：在該雷射光入射到該加工物之前，將該雷射光分成兩束或更多束，每一該束雷射光各自用於單獨的切割。
10. 如申請專利範圍第1項所述之雷射加工方法，更包括：在該加工物下方設置有，於照射該雷射光時能發生濺射的 一材料，在該切割區域中，該材料和該加工物之間隔開一距離。
11. 如申請專利範圍第10項所述之雷射加工方法，其中該材料包括紙張、油墨、鋁。
12. 如申請專利範圍第1項所述之雷射加工方法，更包括對該入射表面進行一冷却的步驟。
13. 如申請專利範圍第12項所述之雷射加工方法，更包括利用一吹氣裝置進行該冷却的步驟。
14. 如申請專利範圍第1項所述之雷射加工方法，更包括利用一吸氣裝置將被氣化和被融化的該加工物吸走。
15. 一種用於對一加工物進行一雷射切割的一雷射加工設備，包括：適於發射一雷射脈衝光的一雷射光源；一聚光裝置，適於將該雷射光源所發射的該雷射脈衝光聚光於該加工物表面或內部，使得至少一聚光點處的一功率密度能使該加工物被氣化和/或熔化而形成一熱去除區；一移動裝置，適於使該聚光點相對於該加工物移動，該移動裝置被配置成：使得該雷射脈衝光透過該加工物的一入射表面，並聚光以形成該聚光點於該加工物的一切割起始面上或附近，使該聚光點處和/或該聚光點鄰近區域的該加工物氣化和/或熔化，從而在該切割起始面上形成一起始熱去除 區，並使該起始熱去除區在該切割起始面上沿一預定路徑連續分布，從而形成一起始熱去除線；使得該聚光點聚光於之前的熱去除中形成的加工物表面上或附近，以使得該聚光點處和/或該聚光點鄰近區域的該加工物氣化和/或熔化，從而形成一後續熱去除區，並使該後續熱去除區沿一預定路徑連續分布，從而形成一後續熱去除線，其中該起始熱去除線和一條或多條該後續熱去除線一起形成將該加工物分開的一熱去除面，使得在整個該熱去除面上的一加工物材料均被熱去除。
16. 如申請專利範圍第15項所述之雷射加工設備，其中該移動裝置更包含配置成使多條該起始熱去除線橫向疊加以形成一起始熱去除道，以及使多條該後續熱去除線橫向疊加以形成一後續熱去除道。
17. 如申請專利範圍第16項所述之雷射加工設備，其中該入射表面是該加工物的一上表面，且該切割起始面是該加工物的一下表面，其中該移動裝置更包含配置成，在形成該起始熱去除道或該後續熱去除道後，將該聚光點位置上移一預定距離，以在上移的該聚光點高度處形成該後續熱去除道。
18. 如申請專利範圍第15項所述之雷射加工設備，其中該加工物是鋼化玻璃。
19. 如申請專利範圍第18項所述之雷射加工設備，其中該 加工物是金剛玻璃、鈉鈣玻璃或升龍玻璃。
20. 如申請專利範圍第15項所述之雷射加工設備，其中該雷射光源是一奈秒雷射器、一皮秒雷射器或一飛秒雷射器，該雷射脈衝光之一峰值功率介於0.1-1MW。
21. 如申請專利範圍第15項所述之雷射加工設備，更包括：一分光裝置，適於將入射到該加工物之前之該雷射脈衝光分成兩束或更多束雷射光線。
22. 如申請專利範圍第15項所述之雷射加工設備，更包括：在該加工物下方設置有，於照射該雷射脈衝光時能發生濺射的一材料，在該雷射脈衝光之一照射處，該材料和該加工物之間隔開一距離。
23. 如申請專利範圍第22項所述之雷射加工設備，其中該材料包括紙張、油墨、鋁。
24. 如申請專利範圍第15所述之雷射加工設備，更包括對該加工物的該入射表面進行冷却的一冷却裝置。
25. 如申請專利範圍第24項所述之雷射加工設備，其中該冷却裝置是一吹風裝置。
26. 如申請專利範圍第15項所述之雷射加工設備，更包括一吸氣裝置，用於將被氣化和被融化的該加工物吸走。