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    激光切割的起源?基本原理?

    作者:奧固鴻已有:N多人關注
    激光切割的工業應用始于20世紀70年代初,最初用在硬木板上切非穿透槽、嵌刀片、制造沖剪紙箱板的模具。隨著激光器件和加工技術的進步,其應用領域逐步擴大到各種金屬和非金屬的切割。激光精密切割加工一般以薄板(0.1~1.0mm)為主要對象,其加工精度一般在十微米級。
    激光切割的基本原理是利用激光引致的應力使玻璃“分離”,激光束聚焦成很小的光點,使焦點處達到很高的功率密度。這是光束輸入的熱量遠遠超過被材料反射、傳導或擴散的部分,材料很快加熱至汽化程度,蒸發形成孔洞。隨著光束與材料相對線性移動,使孔洞連續形成密度很窄的切縫。如圖所示,激光切割時的情景。
    由于玻璃本身固有的物理性質,很難用激光對其進行加工。當用激光加工玻璃時,必須解決幾大技術難題。首先是激光的波長選擇問題。不僅光譜的可見光部分可穿透大多數玻璃,而且光譜中大部分不可見光也可以穿透多種玻璃,從而限制了可用激光的波長選擇范圍。不過實際上,在某些應用中,這種穿透特性也是一種優勢,比如說在“背面加工”領域,激光束可以穿過大塊襯底以加工遠端的材料。在大多數情況下,激光波長的選擇在紅外(IR)與紫外(UV)之間。迄今為止,所有激光切割都采用CO2激光,因為CO2激光具備有較高的光吸收特性。硼硅玻璃從5000nm就開始全面吸收CO2激光。
    通過噴水的可控加熱與冷卻處理,CO2激光切割會在玻璃表面上形成微裂(約為玻璃板厚度的1/6)。加熱源和冷卻源的存在會產生一個應力場,它在形成裂縫前可立即削弱玻璃,從而形成一條光滑而筆直的裂縫。
    只要仔細控制玻璃的溫度分布,采用激光加工工藝便可實現非常好的切割邊緣,光滑而又平整。激光加工技術的優勢在于,工藝過程中既不損耗材料,也不產生顆粒,而且切割質量非常高。激光切割系統經過精心優化,可實現穩定的直線切割。激光切割系統包括100W的光束或橢圓激光加熱源(尺寸約為2mm*20mm),主軸與切割方向一致,細水霧中心間距約為18mm。這樣,表面加熱可達80℃,能以0.5m/s的速率在2mm厚的玻璃上穩定的實現直線切割。通過聚焦光路在玻璃表面形成橢圓形的聚焦點,橢圓的聚焦焦點保證了激光能量在切割線兩側均勻的和最優化的分布。玻璃強烈的吸收10.6um的激光,所以幾乎所有的激光能量都被玻璃表面15um吸收層所吸收,相對玻璃表面移動激光光點形成所需的切割線。選擇合適的移動速度,保證既有足夠的激光熱量在玻璃上形成局部的應力紋樣分布(設定的切割線),同時又不會將玻璃融化。激光切割中另一個關鍵部件是淬火氣(水)嘴,隨著激光光點的移動,淬火氣(水)嘴將冷空氣(水)吹到玻璃表面,對受熱區域進行快速淬火,玻璃將沿著應用最大的方向產生斷裂,從而將玻璃沿著設定的方向分離。
    激光切割技術可避免側面裂縫,不僅邊緣的沖擊強度加強,整體組件強度通常也能提高80%,從而顯著改善了部件避免加工損壞的能力。材料強度的提高減少了損壞與損失的可能性,也減少了由于潛在的產品瑕疵而過早得在現場出現故障問題。這對產品設計而言是一大優勢,設計者不僅可以適用更輕、更薄的材料,而且還不影響產品使用壽命,甚至還能延長使用壽命。
    選擇不同的激光功率、光點掃描速度等加工參數,應力引致的斷裂深度可達100um到數毫米,意味著使用激光法可一步切割深度為100um到數毫米的玻璃。這個過程依賴于熱致機械應力,斷裂深度和切割速度與材料本身的線膨脹系數很有關系。一般說來,適用于激光法進行切割的玻璃的線膨脹系數最小應為3.2*10-6K-1,所幸的是,多數普通玻璃都滿足這個要求。
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