本發(fā)明屬于激光加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鋼化玻璃的激光切割方法。

背景技術(shù)：

玻璃材料的加工在工業(yè)加工中占有越來越重要的地位，傳統(tǒng)的玻璃加工都是采用機械的、接觸式的方法，如用金剛石、金屬滑輪等進行玻璃切割。這些方法加工的質(zhì)量和精度遠不能滿足工程中的某些特殊需要，而且切割之后還要對玻璃進行打磨，嚴重影響到加工效率。由于激光具有高能量密度、非接觸性等優(yōu)點，人們嘗試著用激光對玻璃、陶瓷等脆性材料進行加工，并且對激光切割進行了理論和實驗研究。

目前，玻璃的激光切割主要是利用熱應力切割的方法。所謂激光熱應力切割，就是使用低功率激光使玻璃分離，同時不造成玻璃融化的切割方法，其基本原理是利用激光引致的熱應力使玻璃斷裂。例如，當CO2激光照射到玻璃表面時，90％以上的能量被玻璃吸收，吸收深度小于15μm。這樣玻璃表面在很短的時間內(nèi)就會達到較高的溫度，產(chǎn)生壓應力，而這個應力對玻璃沒有破壞作用；當激光停止對該區(qū)域的加熱時，由于空氣的冷卻，玻璃內(nèi)部就會產(chǎn)生較大的拉應力，致使玻璃斷裂。通常情況下，玻璃自然冷卻時產(chǎn)生的拉應力較小，而采用吹冷氣或者冷卻液體的方法來加劇玻璃的冷卻，以產(chǎn)生較大的拉應力，特別是在切割厚玻璃板時，冷卻氣體(液體)就顯得特別重要。激光熱應力切割方法在加工玻璃時會產(chǎn)生熱影響區(qū)，處理不當會對玻璃產(chǎn)生損傷，影響玻璃加工質(zhì)量。

另一種激光切割玻璃的方法是超短脈沖激光刻蝕法，由于超短脈沖具有能量高，作用時間短等優(yōu)點，可以在材料未被融化的情況下瞬間將材料爆轟去除，產(chǎn)生冷消融的加工效果，從而避免加工時產(chǎn)生的不必要的熱效應。隨著超快激光的不斷發(fā)展以及其優(yōu)越加工性能的展現(xiàn)，采用該方法進行玻璃的加工也成為人們研究的熱點，但這種方法目前僅能用于薄片玻璃的切割，例如手機屏玻璃的切割劃片等。

鋼化玻璃是一種預應力玻璃。為提高玻璃的強度，通常使用化學(離子交換法)或物理(熱處理淬火)的方法，在玻璃表面形成壓應力，玻璃承受外力時首先抵消表層應力，從而提高了承載能力。一般可以認為：鋼化玻璃強度σ_玻＝玻璃自身材料強度σ_b(鋼化前強度)+鋼化產(chǎn)生的表面壓應力σ_拉。鋼化玻璃由于超高的強度特性，廣泛用于建筑、汽車等領(lǐng)域，如門窗、車窗玻璃。對于這種表面有預應力的鋼化玻璃，目前還沒有辦法切割，機械方法也不行。這是由于其表面壓應力的存在，使得只要發(fā)生局部破壞，產(chǎn)生的裂紋會隨著表面壓應力失去平衡而不受控的擴展開去，發(fā)生整體碎裂。故目前的鋼化玻璃切割或開孔，都必須在鋼化前完成，一旦鋼化，則不能再做切割或開孔操作。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種鋼化玻璃的激光切割方法；該激光切割方法解決了鋼化玻璃的切割難題，對薄厚玻璃均適用，切割質(zhì)量好、速度快、自動化程度高。

本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種鋼化玻璃的激光切割方法，包括如下步驟：

(1)在鋼化玻璃待切割起點位置布置雙側(cè)冷卻射流輔助的激光切割光束；其空間方位布置為：激光切割光束沿鋼化玻璃表面法線方向或與法線有一定夾角入射到鋼化玻璃表面，在鋼化玻璃表面聚焦或者有一定離焦量，即在鋼化玻璃表面形成激光光斑；沿切割方向在激光切割光束兩側(cè)后方設置兩個主動強制冷卻的條狀冷卻射流，即形成雙側(cè)冷卻射流強制冷卻的激光光斑；

(2)根據(jù)設定的激光加工工藝參數(shù)，沿著鋼化玻璃待切割路徑進行激光切割；所述加工工藝參數(shù)包括功率密度P和切割速度值v；

所述加工工藝參數(shù)包括功率密度P和切割速度值v，功率密度P的要求是使得激光光斑照射位置的溫度低于玻璃發(fā)生局部熔化的功率閾值，且高于切割閾值，即使得雙側(cè)冷卻射流強制冷卻的激光光斑照射位置產(chǎn)生的陡峭拉應力尖峰值σ’_拉＞σ_b；其中，σ_b是指鋼化玻璃在鋼化前自身的材料抗拉強度；所述切割閾值是指雙側(cè)冷卻射流強制冷卻的激光光斑照射位置產(chǎn)生的陡峭拉應力尖峰值σ’_拉恰好等于σ_b時激光的功率密度；切割速度值v的要求是大于鋼化玻璃宏觀裂解行進速度，使得按切割軌跡切開鋼化玻璃；

(3)當激光切割光束接近鋼化玻璃待切割路徑終點時，先關(guān)閉激光，同時保持兩側(cè)的條狀冷卻射流不變，待兩側(cè)的條狀冷卻射流到達鋼化玻璃待切割路徑終點時再關(guān)閉兩側(cè)的條狀冷卻射流。

進一步的，步驟(1)中條狀冷卻射流的前端與激光光斑的幾何中心之間的距離dy要求在0.5～15mm之間；在與切割方向垂直的方向上，條狀冷卻射流的中心軸線與激光光斑的幾何中心之間的距離dx要求在1～20mm之間；所述條狀冷卻射流的寬度W要求在1mm～10mm之間，長度L要求在1mm～50mm之間。

進一步的，步驟(1)中激光光斑的直徑為R，R小于1mm。

進一步的，步驟(2)中功率密度P＝1×10⁶W/cm²～5×10⁷W/cm²，切割速度值v＝200mm/s～2000mm/s。

進一步的，步驟(3)中所述激光切割光束接近鋼化玻璃待切割路徑終點，是指激光光斑的幾何中心距離終點小于確定的數(shù)值D，D的取值范圍在0.2mm～2mm。

本發(fā)明具有如下有益效果：

1、本發(fā)明利用了雙側(cè)冷卻射流強制冷卻的方法，對割縫中心的原照射位置形成兩側(cè)拉力，使中心位置出現(xiàn)陡峭的拉應力尖峰σ’_拉，從而滿足σ′_拉＞σ_b，當切割速度值v大于鋼化玻璃宏觀裂解行進速度時，即實現(xiàn)了按切割軌跡切開鋼化玻璃，解決當前鋼化玻璃無法切割的技術(shù)難題。

2、本發(fā)明的雙側(cè)冷卻射流強制冷卻激光切割原理與傳統(tǒng)普通玻璃(未鋼化玻璃)的激光熱應力切割原理不同，與傳統(tǒng)普通玻璃(未鋼化玻璃)的激光熱應力切割原理相比，在玻璃切割分離時，割縫中心的原照射位置的σ_b由于溫度尚未下降太多而仍保持較低，這使得激光切割采用的激光功率密度可以相對更低，從而避免了過高激光功率密度導致玻璃的溫升過高而發(fā)生熔化，防止了崩邊及整體破裂缺陷。

3、本發(fā)明方法對薄厚玻璃均適用，切割質(zhì)量好，速度快，自動化程度高。

4、本發(fā)明方法的適用熱源并不局限于激光，可以推廣至等離子弧、火焰等，適用范圍廣。

附圖說明

圖1為激光光斑與條狀冷卻射流的位置關(guān)系圖；

圖2為鋼化玻璃橫截面的初始應力分布圖；

圖3為鋼化玻璃在激光光斑照射位置的橫截面應力分布圖；

圖4為兩側(cè)強制冷卻原理的鋼化玻璃切割位置橫截面應力分布圖；

圖5為本發(fā)明方法切割的鋼化玻璃樣品切割照片。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進一步詳細的說明。

設沿鋼化玻璃待切割路徑的切割速度為矢量V，則矢量V的數(shù)值為切割速度值，矢量V的方向為切割方向。

本發(fā)明提供了一種鋼化玻璃的激光切割方法，具體包括如下步驟：

(1)如圖1所示，在鋼化玻璃待切割起點位置布置雙側(cè)冷卻射流輔助的激光切割光束，其空間方位布置為：激光切割光束沿鋼化玻璃表面法線方向(入射角為0度)或與法線有一定夾角(入射角小于45度)入射到鋼化玻璃表面，在鋼化玻璃表面聚焦或者有一定離焦量，即在鋼化玻璃表面形成直徑為R的激光光斑，為獲得精細的切割縫寬，要求R小于1mm；

沿切割方向在激光切割光束兩側(cè)后方設置兩個主動強制冷卻的條狀冷卻射流2(氣體或者液體均可)，即形成雙側(cè)冷卻射流強制冷卻的激光光斑。條狀冷卻射流2的前端與激光光斑的幾何中心之間的距離dy要求在0.5～15mm之間；在與切割方向垂直的方向上，條狀冷卻射流2的中心軸線與激光光斑1的幾何中心之間的距離dx要求在1～20mm之間；所述條狀冷卻射流2的寬度W要求在1mm～10mm之間，長度L要求在1mm～50mm之間；

所述激光切割光束的入射角、離焦量的設置根據(jù)具體的鋼化玻璃厚度、表面壓應力大小、激光束特性等工藝參數(shù)而確定，優(yōu)化的參數(shù)是入射角和離焦量均為0；

所述條狀冷卻射流的寬度W、長度L的設置根據(jù)具體的鋼化玻璃厚度、表面壓應力大小、激光束特性等工藝參數(shù)而確定，優(yōu)化的參數(shù)是W＝1mm～2mm，L＝1mm～15mm，條狀冷卻射流與激光光斑的幾何方位參數(shù)dx、dy的設置根據(jù)具體的鋼化玻璃厚度、表面壓應力大小、激光束特性、條狀冷卻射流的寬度W和長度L等工藝參數(shù)而確定，優(yōu)化的參數(shù)是dx＝dy＝1mm～2mm；

(2)根據(jù)設定的激光加工工藝參數(shù)，沿著鋼化玻璃待切割路徑進行激光切割；

所述加工工藝參數(shù)包括功率密度P和切割速度值v，功率密度P的要求是使得激光光斑照射位置的溫度低于玻璃發(fā)生局部熔化的功率閾值，且高于切割閾值，即使得雙側(cè)冷卻射流強制冷卻的激光光斑照射位置產(chǎn)生的陡峭拉應力尖峰值σ’_拉＞σ_b；所述切割閾值是指雙側(cè)冷卻射流強制冷卻的激光光斑照射位置產(chǎn)生的陡峭拉應力尖峰值σ’_拉恰好等于σ_b時激光的功率密度。

切割速度值v的要求是大于鋼化玻璃宏觀裂解行進速度，使得按切割軌跡切開鋼化玻璃；功率密度P、切割速度值v的設置根據(jù)具體的鋼化玻璃厚度、表面壓應力大小、激光束特性、玻璃對激光束的吸收率特性等工藝參數(shù)而確定，優(yōu)化的參數(shù)是功率密度P＝1×10⁶W/cm²～5×10⁷W/cm²、切割速度值v＝200mm/s～2000mm/s。

這樣設置的理由如下：

a)鋼化玻璃橫截面的初始應力狀態(tài)如圖2所示，其中，虛線表示鋼化玻璃自身的材料抗拉強度(亦即鋼化前的強度)，對均勻厚度、均勻成分的玻璃可設為定值σ_b，根據(jù)材料物理學可知，σ_b在切割過程中會隨著溫度升高而下降。點劃線表示鋼化玻璃由于鋼化處理產(chǎn)生的表面應力，表面應力＞0時為壓應力σ_壓，表面應力＜0時為拉應力σ_拉。

顯然，要使鋼化玻璃裂開，所需的拉力σ要滿足σ＞σ_壓+σ_b；

b)當激光光斑照射鋼化玻璃表面時，激光光斑照射位置開始迅速升溫并體積膨脹，卻受到較低溫度的兩側(cè)區(qū)域限制，從而使其表面壓應力增大，與之同時，激光光斑照射位置的σ_b由于溫度升高而下降，其應力狀態(tài)如圖3所示。

c)當激光切割光束沿切割方向行進，激光光斑移開原照射位置后，原照射位置發(fā)生自然降溫或強制冷卻降溫，體積收縮，卻受兩側(cè)區(qū)域牽制，而在原照射位置產(chǎn)生拉應力σ_拉，與之同時，激光光斑照射位置的σ_b由于溫度下降而升高；

若滿足σ_拉＞σ_b，則玻璃發(fā)生裂開，此為普通玻璃(未鋼化玻璃)的激光熱應力切割的原理。這種方法的缺點是：未充分利用抗拉強度在高溫下降低的特點，所需σ_拉大，即采用激光功率密度很高，易使得玻璃在b)階段的溫升過高而發(fā)生熔化，對于鋼化玻璃而言則所需激光功率密度更高，難以避免過熔而崩邊，甚至整體破裂。

本發(fā)明對現(xiàn)有技術(shù)進行了改進，采用了在激光光斑照射位置兩側(cè)主動強制冷卻的方式，使得激光光斑移開原照射位置后，激光光斑的原照射位置的兩側(cè)區(qū)域未受激光照射，本身溫度就低于激光光斑的原照射位置，并且同時受到兩個條狀冷卻射流的強制冷卻，溫度下降得比激光光斑的原照射位置更快，因此發(fā)生劇烈體積收縮，從而對中心的原照射位置形成兩側(cè)拉力，使中心位置出現(xiàn)陡峭的拉應力尖峰σ’_拉，與之同時，中心的原照射位置的σ_b由于溫度尚未下降太多而仍保持較低的數(shù)字，如圖4所示，從而滿足σ’_拉＞σ_b，此時中心的原照射位置產(chǎn)生表面微細裂紋；當切割速度值v的大于鋼化玻璃宏觀裂解行進速度時，即實現(xiàn)按切割軌跡切開鋼化玻璃。

(3)當激光切割光束接近鋼化玻璃待切割路徑終點時，先關(guān)閉激光，同時保持兩側(cè)主動強制冷卻射流不變，待兩側(cè)主動強制冷卻射流到達鋼化玻璃待切割路徑終點時再關(guān)閉兩側(cè)主動強制冷卻射流；

所述激光切割光束接近鋼化玻璃待切割路徑終點，是指激光光斑的幾何中心距離終點小于確定的數(shù)值D，根據(jù)鋼化玻璃厚度、表面壓應力大小、激光束特性、玻璃對激光束的吸收率特性等工藝參數(shù)，D的取值范圍在0.2mm～2mm。采用本發(fā)明方法切割的鋼化玻璃樣品切縫照片如圖5所示，可見其沒有發(fā)生崩邊及整體破裂現(xiàn)象。

本發(fā)明可改變?yōu)槎喾N方式對本領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見的，這樣的改變不認為脫離本發(fā)明的范圍。并且本方法的適用熱源并不局限于激光，可以推廣至等離子弧、火焰等，所有這樣的對所述領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的修改，將包括在本權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。