连续yag激光切割钠钙玻璃的试验研究

连续yag激光切割钠钙玻璃的试验研究

0玻璃切割加工特点作为一种柔性材料，玻璃具有均匀、透明、光滑、耐腐蚀性好等特点。因此，它在科学研究和工农业生产中得到了广泛应用。尤其是近年来,随着IT产业的迅速发展,液晶显示器和等离子体显示器等高科技电子产品应运而生,对玻璃制品切割质量的要求越来越高。传统的方法是先用金刚石或硬金属轮在玻璃表面划线,然后用机械的方法折断,容易导致切削粉末的飞溅、切割边缘不规则、微裂纹的产生甚至玻璃的破碎,切割边表面质量很差,常需二次加工,并且可能影响玻璃的强度和功能。而用激光切割玻璃则能避免这些问题,同时还具有切缝窄、割缝边缘垂直度好、切割面光滑无毛刺、热影响区小等优点。1维激光切割玻璃面激光切割玻璃的方法从原理上可以分为两种:一种是熔融(蒸发)切割法,另一种是裂纹控制法。熔融切割法的切割效果较差,极易在切口断面形成热裂纹,使材料强度大大降低,并且由于激光烧蚀作用产生的重凝物会污染基片。而裂纹控制法具有切缝平直、无碎屑、无显微裂纹等优点。应用裂纹控制法的玻璃激光切割是利用激光加热玻璃表面,使被加热处的温度急剧升高,在玻璃内产生较大的压应力,随着激光的移动,被加热处的玻璃在空气对流下冷却,产生残余拉应力,如果该应力超过了玻璃的断裂强度,裂纹就扩展进而达到断裂。该应力为:式中:γf为材料断裂表面能;E为弹性模量;c为裂纹长度。玻璃对激光的吸收有两种典型形式:一种是表面吸收形式,另一种是体吸收形式。从图1可以看出:当波长在5μm以上时,玻璃对光的吸收率非常高,波长为10.6μm的CO2激光易在玻璃表面被全部吸收。因此,利用CO2激光切割玻璃时,裂纹从表面开始扩展,切口质量差,切割玻璃的厚度有限,且不能切割多层玻璃,切割时裂纹不好控制。而波长为1064nm的YAG激光可穿透玻璃,玻璃对激光能量的吸收是体吸收形式,玻璃的开裂是均匀通透的,基于体吸收的YAG激光切割玻璃方法不仅可得到更好的切割质量,而且还可切割多层玻璃、夹层玻璃和玻璃管,一次完成切割,无需二次加工,同时除了进行直线切割还可以划出任意的曲线。2试验安装和方法2.1扫描电镜观察试验件使用国产连续Nd:YAG激光器,波长1064nm,光纤输出最大功率300W,激光焦斑直径0.6mm。利用2400倍光学显微镜和扫描电镜观察试件。平板钠钙玻璃尺寸为70mm×50mm×2.5mm,试验装置如图2所示。2.2单因素试验方法激光功率、激光扫描速度和激光光斑大小是影响玻璃切割质量最主要的3个因素。通过固定光斑直径、激光扫描速度,改变激光功率的单因素试验方法,确定不同光斑直径和扫描速度时最佳切割质量所需的激光功率。根据试验结果分析了3个参数对切割质量的影响以及它们之间的联系,试验参数如表1所示。3试验结果及分析3.1切口表面粗糙度如图3所示,可以看出:利用YAG激光切割钠钙玻璃得到的切口切缝平直、无碎屑、无显微裂纹,而用机械法切割钠钙玻璃板得到的切口有明显的碎屑且切缝不平直,其表面还存在压溃层(如图3(d)所示),压溃层中存在崩碎的碎屑,严重影响了切割质量。由图4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为2.9nm;机械划切法切割的玻璃表面粗糙度为26.5nm,可见YAG激光切割方法比机械划切法具有明显的质量优势。3.2激光参数对切割质量的影响3.2.1玻璃表面裂纹对于一定的光斑大小和切割速度,总存在最佳的激光功率值使得裂纹扩展最稳定,得到的玻璃切口最平直,质量最好。而低于此值,玻璃不开裂或开始不开裂,只在玻璃末端沿激光扫过轨迹突然爆裂开一条短裂纹,且此裂纹不平直(如图5所示)。高于此值,玻璃上下表面先出现裂纹,中间再开裂,从而导致切口呈凹凸状,并且能量越大,切口质量越差,甚至出现玻璃以一定的动能爆裂开,切口产生玻璃碎屑的现象。其原因总结为当激光功率过低时,玻璃吸收的激光能量所产生的残余拉应力小于裂纹扩展的断裂强度,因此,裂纹不沿激光轨迹扩展;而当激光功率过高时,玻璃内部的温度场温度很高,玻璃上下表面由于直接接触空气,在自然对流条件下迅速冷却,产生足够大的拉应力使裂纹扩展,而中间部分由于冷却较慢,产生拉应力较慢,故裂纹扩展滞后于上下表面,如此不均匀的开裂导致玻璃切口质量低下。3.2.2扫描速度的影响激光扫描速度越高,切割玻璃所需要的激光功率就越高,且近似呈线性比例关系。但不能通过增加激光功率无限制地提高激光扫描速度,因为当激光扫描速度增加到一定值以后,裂纹扩展速度不稳定,从而导致切口质量降低。试验中发现:当激光扫描速度增加到15mm/s后,裂纹突然加速扩展,导致玻璃切口凹凸不平,质量比较差。3.2.3玻璃激光切割试验激光光斑越大,切割玻璃所需要的激光功率就越高。通常,切割玻璃选用较大的光斑来降低温度场从而减少玻璃的烧蚀熔融,实现基于裂纹控制法的玻璃激光切割。试验中发现:当激光光斑直径小于1.0mm时,会产生熔融切割;当大于1.0mm时,可以实现基于裂纹控制法的玻璃激光切割,且明显可见玻璃切口上下表面无烧蚀熔融现象,质量很好(如图6所示)。3.2.4ag激光切割平板钠钙玻璃的最佳切割参数通过调节激光功率、扫描速度、光斑大小等参数可得到YAG激光切割平板钠钙玻璃的最佳切割参数(如图7所示)。由图中可看出:激光功率随激光扫描速度基本呈线性比例增加,随着激光光斑直径的增大,曲线的斜率也增大。3.3多层玻璃的切口质量YAG激光可以用于切割多层玻璃和夹层玻璃(如图8所示)。切割多层玻璃时,下层玻璃的切口质量比上层玻璃的好,这是由于下层玻璃比上层玻璃吸收的激光能量小,不产生烧蚀熔融现象。此外,YAG激光还可以切割曲线和管状玻璃(如图9所示),且切割质量都很好。4光扫描速度对切割质量的影响(1)玻璃对YAG激光是体吸收形式,在玻璃的整个厚度裂纹通透开裂,YAG激光切割玻璃切口平直、光滑、无毛刺与微裂纹。激光功率、激光光斑大小和激光扫描速度是影响切割质量的重要参数。(2)对于一定的光斑大小和切割速度,总存在最佳的激光功率值使得裂纹扩展最稳定,得到的玻璃切口最平直,质量最好。激光扫描速度存在上