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激光切割的起源?基本原理?

作者:奥固鸿已有:N多人关注
激光切割的工业应用始于20世纪70年代初,最初用在硬木板上切非穿透槽、嵌刀片、制造冲剪纸箱板的模具。随着激光器件和加工技术的进步,其应用领域逐步扩大到各种金属和非金属的切割。激光精密切割加工一般以薄板(0.1~1.0mm)为主要对象,其加工精度一般在十微米级。
激光切割的基本原理是利用激光引致的应力使玻璃“分离”,激光束聚焦成很小的光点,使焦点处达到很高的功率密度。这是光束输入的热量远远超过被材料反射、传导或扩散的部分,材料很快加热至汽化程度,蒸发形成孔洞。随着光束与材料相对线性移动,使孔洞连续形成密度很窄的切缝。如图所示,激光切割时的情景。
由于玻璃本身固有的物理性质,很难用激光对其进行加工。当用激光加工玻璃时,必须解决几大技术难题。首先是激光的波长选择问题。不仅光谱的可见光部分可穿透大多数玻璃,而且光谱中大部分不可见光也可以穿透多种玻璃,从而限制了可用激光的波长选择范围。不过实际上,在某些应用中,这种穿透特性也是一种优势,比如说在“背面加工”领域,激光束可以穿过大块衬底以加工远端的材料。在大多数情况下,激光波长的选择在红外(IR)与紫外(UV)之间。迄今为止,所有激光切割都采用CO2激光,因为CO2激光具备有较高的光吸收特性。硼硅玻璃从5000nm就开始全面吸收CO2激光。
通过喷水的可控加热与冷却处理,CO2激光切割会在玻璃表面上形成微裂(约为玻璃板厚度的1/6)。加热源和冷却源的存在会产生一个应力场,它在形成裂缝前可立即削弱玻璃,从而形成一条光滑而笔直的裂缝。
只要仔细控制玻璃的温度分布,采用激光加工工艺便可实现非常好的切割边缘,光滑而又平整。激光加工技术的优势在于,工艺过程中既不损耗材料,也不产生颗粒,而且切割质量非常高。激光切割系统经过精心优化,可实现稳定的直线切割。激光切割系统包括100W的光束或椭圆激光加热源(尺寸约为2mm*20mm),主轴与切割方向一致,细水雾中心间距约为18mm。这样,表面加热可达80℃,能以0.5m/s的速率在2mm厚的玻璃上稳定的实现直线切割。通过聚焦光路在玻璃表面形成椭圆形的聚焦点,椭圆的聚焦焦点保证了激光能量在切割线两侧均匀的和最优化的分布。玻璃强烈的吸收10.6um的激光,所以几乎所有的激光能量都被玻璃表面15um吸收层所吸收,相对玻璃表面移动激光光点形成所需的切割线。选择合适的移动速度,保证既有足够的激光热量在玻璃上形成局部的应力纹样分布(设定的切割线),同时又不会将玻璃融化。激光切割中另一个关键部件是淬火气(水)嘴,随着激光光点的移动,淬火气(水)嘴将冷空气(水)吹到玻璃表面,对受热区域进行快速淬火,玻璃将沿着应用最大的方向产生断裂,从而将玻璃沿着设定的方向分离。
激光切割技术可避免侧面裂缝,不仅边缘的冲击强度加强,整体组件强度通常也能提高80%,从而显著改善了部件避免加工损坏的能力。材料强度的提高减少了损坏与损失的可能性,也减少了由于潜在的产品瑕疵而过早得在现场出现故障问题。这对产品设计而言是一大优势,设计者不仅可以适用更轻、更薄的材料,而且还不影响产品使用寿命,甚至还能延长使用寿命。
选择不同的激光功率、光点扫描速度等加工参数,应力引致的断裂深度可达100um到数毫米,意味着使用激光法可一步切割深度为100um到数毫米的玻璃。这个过程依赖于热致机械应力,断裂深度和切割速度与材料本身的线膨胀系数很有关系。一般说来,适用于激光法进行切割的玻璃的线膨胀系数最小应为3.2*10-6K-1,所幸的是,多数普通玻璃都满足这个要求。
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