行業應用
廣州特域機電有限公司
400-600-2093
020-89301885 / 89301886
020-84309967
511495
廣州市番禺區鐘村鎮勝石工業區鐘創路50號(石壁街道辦後面)
特域探討:玻璃鐳射加工的現狀與潛力
責任編輯:特域機電
人氣:152
發表時間:2024-01-11

鐳射加工製造技術過去十多年發展迅猛,最主要的應用是金屬材料的鐳射加工被充分挖掘,金屬的鐳射切割、焊接與熔覆加工等都是金屬鐳射加工的最重要的工藝。隨著集中度變高,鐳射產品同質化嚴重,成為了鐳射市場增長的局限。因此鐳射應用要突破就要拓寬新的材料應用端,鐳射適用的非金屬材料還有布匹纖維、玻璃、塑膠、聚合物、陶瓷等類型,每一種材料都涉及多個產業,但是早已有成熟的加工工藝,鐳射要進行替代並非容易。

要介入某非金屬材料領域,還要從實際分析鐳射與材料是否容易發生作用,是否會附帶產生不良反應。目前來看,玻璃是具有高附加值以及是鐳射潛在批量加工應用的一大領域。

國內外玻璃鐳射切割空間大

玻璃是一種重要的產業材料,應用在國民經濟的諸多行業,如汽車業、建築業、醫療、顯示器、電子產品等,小到幾微米的小型光學篩檢程式、筆記本電腦平板顯示器的玻璃襯底,大到汽車業或建築業等大規模製造領域所用的大尺寸的玻璃板。

玻璃可以分為光學玻璃、石英玻璃、微晶玻璃、藍寶石玻璃等類型。玻璃顯著的特點是硬脆性,給傳統加工帶來很大的困難。傳統玻璃切割手段通常採用硬質合金或金剛石刀具,其切割流程分為兩個步驟。第一步,先用金剛石刀尖或硬質合金砂輪在玻璃的表面產生一條裂紋;第二步就是採用機械手段將玻璃沿著裂紋線分割開。這些傳統工藝目前看來缺點是比較明顯的,一方面是加工效率較低,而且切邊不平滑,一般需要二次打磨,而且還帶來很多碎屑粉塵;另一方面是對於對於玻璃板中間開孔,又或者是一些異形切割,是很不容易處理,在這一方面鐳射切割玻璃的優勢就非常明顯了。2022年我國玻璃行業銷售收入約7443億元。玻璃切割的鐳射工藝滲透率還處於初始階段,鐳射切割應用的替代空間非常大。

鐳射切割玻璃從手機開始

玻璃鐳射切割常常是採用貝塞爾聚焦頭加工,通過貝塞爾光束產生高峰值功率、高峰值功 率密度鐳射,在玻璃內部聚焦,瞬間氣化該區域材料產生一個氣化帶, 迅速向上下兩表面擴散形成裂孔。由無數細小孔點組成切割截面,通過外部應力斷裂實現切割。

如今雷射器技術有了很大的突破,功率方面也提升了很多,納秒綠光雷射器20W以上的,可以很好地切割玻璃,15W以上的皮秒紫外雷射器,可輕鬆切割2mm以下厚度的玻璃,目前已知國內已經有企業可以做17mm厚度的玻璃切割。採用鐳射切割玻璃效率非常高,假設要在一塊3mm厚玻璃上切割直徑10釐米的玻璃片,機械刀要花費幾分鐘,而鐳射切割只需要10多秒;切割邊沿平滑,崩邊精度可達30μm,對於一般性的工業產品要求,基本上不需要二次打磨加工。採用鐳射切割玻璃,是最近六七年才逐漸開始的,較早展開的行業是手機製造,在鐳射的攝像頭玻璃蓋板上採用了鐳射切割,後來行業內有一款鐳射隱形切割設備火了一陣。手機全面屏流行後,整版大屏玻璃採用鐳射精密切割,玻璃加工產能得到大幅提升,如今在手機產品上涉及玻璃的部件採用鐳射切割已經是標配。這一手機消費產品帶動的主要有手機蓋板玻璃鐳射加工自動化設備,攝像頭保護鏡片鐳射切割設備,玻璃基板鐳射打孔智能裝備等。

車載電子螢幕玻璃逐漸採用鐳射切割

車載汽車螢幕消耗很多玻璃板,特別是中控屏、導航儀、行車記錄儀等。現在許多新能源汽車採用了智能系統與超大幅面中控屏。智能系統成為汽車的標配,大屏多屏、3D曲面屏正逐步成為市場主流。車載蓋板玻璃憑藉著優異特性而廣泛應用於車載顯示幕,一款優質的車載曲面屏玻璃可以為汽車行業帶來更極致的體驗。高硬度、高脆性的玻璃對加工來說卻是一個難題。

車載玻璃屏要求精度較高,裝配的結構件的公差很小,如果方形/條形屏切割的時候尺寸誤差大會導致裝配不了。傳統加工方式需要刀輪開料、人工掰片、CNC外形、倒角磨邊等多個工序加工,由於是機械式加工,因此存在效率低、品質差、良率低、成本高的問題。刀輪開料後,CNC加工一片汽車中控蓋板玻璃外形耗時長達8-10分鐘。100W以上功率的超快雷射器,實現17mm玻璃一刀切;整合多個生產工序,效率提升80%,1臺鐳射=20臺CNC。極大提升了產能,降低了單位加工成本。

鐳射在玻璃的其他應用

石英玻璃結構較為特殊,採用鐳射不容易進行分裂切割,但是飛秒鐳射可以在石英玻璃上進行刻蝕,這是一項利用飛秒鐳射對石英玻璃進行精細加工和刻蝕的應用。飛秒鐳射技術是近年來發展迅速的一種先進加工技術,具有極高的加工精度和速度,可以在各種材料表面進行微米至納米級別的刻蝕和加工。

特域CWUP-60為飛秒納秒超快雷射器持續穩定控溫


鐳射焊接玻璃則是近兩三年才出現的一項新技術,最早出現在德國,目前國內也僅有華工鐳射、西安光機所、哈工大焊接等少數幾個單位突破了這項技術。在高功率、超短脈衝鐳射的作用下,鐳射產生的壓力波能夠在玻璃中產生微裂紋或應力集中,這些微裂紋或應力集中可以促進兩塊玻璃之間的鍵合。焊接後的玻璃粘合非常牢固,已經可以做到3mm厚度玻璃之間的緊密焊接。未來,研究人員還在關注玻璃與其它材料的搭接焊。目前這些新工藝尚未形成批量應用,但未來工藝成熟後,必將在一些高端應用領域發揮重要作用。