光機切割技術在對有機玻璃市場的影響

        激光應用于切割和焊接薄金屬板已有30年了，通過聚焦光束局部地加熱材料。這種方法靈活性好，經濟效益高，在很多工業應用領域大放異彩。其實玻璃有比金 屬更低的熱傳導，所以激光應該可以順理成章地應用于玻璃的切割。事實上，一些公司早在70年代即開始發展成套系統，當時使用的是千瓦輸出功率水平的 CO2激光器。但是，因為功率水平高，對玻璃造成不容忽視的熱影響，以致融化局部材料，所以當時的激光切割技術難以保證整齊、平滑的切割邊緣，在許多應用 場合中，仍然需要打磨切割邊緣。同時，當時CO2激光器的價格非常昂貴，令人生畏。加工有機玻璃的激光機切割速度快、精度高，定位準確。可生產工藝禮品、 面板鏡片機箱、模型玩具、廣告燈箱招牌展示用品、包裝盒等。

        切割效果好：切口不用火拋，非常光滑、光亮，沒有鋸齒紋，可一次性切割壓克力厚度20mm 激光管質量好、壽命長：國產機中最好的激光管，不但性能穩定，壽命也很長(約8~14個月)，功率85W，包用半年 整機性能卓越：可每天24小時連續不停機工作，臺灣原裝導軌，精確耐用切 割速度快：如用于切割3mm厚度的壓克力板材粵銘激光行業應用解決方案 長遠來說，激光引致的分離技術將在許多玻璃的切割應用中取代機械法。近期，激光切割已在下述的三個應用領域中顯示強大的技術優勢，它們是：CRTS，平板 顯示，以及汽車的風擋玻璃等的切割等。

        有些應用需要對玻璃進行特殊的后續處理，比如，某些安全玻璃元件須經溫度硬化處理，以及多數帶硅鍍層的平板顯示器元件必須經過溫度退火等。激光引致分離法 也配合這些特殊的后處理，我們用激光法切割了100個4mm厚的玻璃片，在特殊熱處理過程中，沒有一片被破壞。

        近來，一些工程人員和學者發現了應用較低功率的激光器使玻璃分離，同時不對玻璃造成融化等熱影響的玻璃切割方法。這種方法說來復雜，涉及細節技術很多，其 基本原理是利用激光引致的應力使玻璃"分離"。期間，得益于封離型CO2激光器技術的發展和成熟，激光切割玻璃技術更顯得經濟、實用。

        在我們的研究中，使用平均輸出功率為150W的CO2激光器(Coherent公司的K-150型)，通過聚焦光路在玻璃表面形成橢圓型的聚焦點，橢圓的 聚焦焦點保證了激光能量在切割線兩側的均勻的和最優化的分布。玻璃強烈地吸收10.6微米的激光，所以幾乎所有的激光能量都被玻璃表面15微米吸收層所吸 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，玻璃將沿著應力最大的方向產生斷裂，從而將玻璃沿著設定的方向分離。

        需要說明的是，為了引發玻璃產生斷裂，需要首先用機械法在切割線的起點劃出微小的起始裂痕。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100微米到數毫米，意味著使用激光法可一步切割深度為100微米到數毫米的玻璃。

        因為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膨脹系數最小應為3.2x10-6K-1，所幸的是，多數普通玻璃都滿足這個要求。

        與傳統的機械切割法相比，這種新的方法有幾個重要的優點。首先，這是一步即可完成的、干燥的加工過程。邊緣光滑整齊，不需要后續的清潔和打磨。并且，激 光引致的分離過程產生高強度、自然回火的邊緣，沒有微小裂痕。使用這種方法，避免了不可預料的裂痕和殘破，降低了次品率，提高了產量。

        定性地描述在一張1.5毫米厚的玻璃片上三個不同的切痕之間的動態差異。玻璃切割的邊緣干凈沒有裂片和裂痕，不需要后續處理工序。因為激光是非接觸工 具，沒有工具的磨損問題，從而可保證持續、均勻的切割厚度和邊緣質量。作為比較，3(b)顯示了使用金屬輪進行切割的邊緣，可以看到沿著切割線存在各種殘 余張力成份。3(c)是金剛石砂輪切割的結果，可看到很多微小的裂痕，對于許多應用來說，需要打磨切割邊緣。

        為了定量地評價邊緣質量，根據ISO3274，應使用Stylus輪廓測量儀對激光切割的邊緣進行測量。權威測量顯示，平均粗糙度(Ra)小于0.5微米。

邊緣強度
        因為邊緣質量優秀，以及加熱/淬火過程中的自然回火效應，激光切割的邊緣強度非常高。Jena的Otto-Schott-Insititut研究所根據 DIN5230011參數做了獨立的測試，相關數據已公開發布。采用這種新方法，與機械法加工后又打磨的樣品相比，邊緣強度提高了30%左右。

厚度和切割速度
        限制切割速度的有3個因素：玻璃的厚度、材料的熱膨脹系數、以及激光器的輸出功率。在這個測試中，我們使用150W輸出功率的CO2激光器切割 a=7.2 x 10-6、厚度為1.1mm的玻璃，直線切割，速度為500mm/秒。作為比較，硬質金屬輪切割同樣厚度同種玻璃的速度可達1500mm /秒。但是，即使是在注重速度的應用中，這種差異也將被激光切割所帶來的經濟性和質量優勢所彌補。同時，我們都相信，進一步的加工過程優化以及采用更高輸 出功率的激光器進行切割都會容易地將加工速度提高2至3倍。

曲線切割
          因為裂痕是精確地沿著激光光束所劃出的痕跡,激光引致的分離可以切劃出非常精確的曲線圖案。