激光切割，钻孔和加工脆性材料

几千年来，玻璃已成为一种非常著名的材料，并被用于各种透明或有色产品中。现在，玻璃的生产具有显着的生态优势，这主要是由于其取之不尽的原材料，例如沙子，纯碱，石灰石和碎玻璃，在工业化国家中回收率高达80％，有些地方（例如德国）也有一个高效的回收系统。由于其出色的耐久性，机械强度和耐化学性，玻璃是一种引人入胜的材料，具有广泛的应用范围（图1），尽管在过去的50年中聚合物也抢夺了许多市场份额。图1：使用超快激光对化学钢化玻璃进行线切割和表面雕刻为了保持原始市场并开拓新市场，玻璃制造企业的研发活动仍在继续。其中之一是开发非常薄的玻璃（厚度为20-200μm，m），该玻璃将用于消费品和电子产品领域的轻质柔性产品。对于更厚的玻璃，研发人员将继续努力提高其机械强度或进一步提高玻璃产品的光学性能，以满足消费电子，医疗设备，光学设备以及建筑，汽车，航空航天和太阳能的高要求应用程序。当玻璃的机械性能或其他特定性能不能满足应用要求时，有必要考虑其他类型的透明脆性材料。鉴于大多数玻璃是非晶态的（例如冻融），替代的无机材料是纯晶体或透明陶瓷。所有这些材料必须经过漫长的生产过程，才能获得所需的形状和性能。直到今天，绝大多数加工步骤仍然依靠传统的机械加工技术，包括成形，划线，钻孔，研磨或抛光。玻璃和晶体的激光加工一直以来都非常具有挑战性，这主要是由于其在可见光和近红外（NIR）光谱中的吸收率低以及抗热震性低。最突出和最明显的应用是在高吸收CO2激光波长的玻璃上进行激光打标。在过去的几年中，市场上出现了使用飞秒激光在表面或玻璃上划痕的更复杂的方法。但是，由于这些激光器的高价格，它们的应用主要集中在医疗设备或高端化妆品和香水的包装中。许多选择随着对减少加工步骤，减少材料浪费和生产中用水的需求的不断增长，市场继续推动激光制造商和系统集成商开发传统加工技术的替代产品。微机械加工领域中的某些过程特别需要越来越少的耗水技术，例如切割和钻孔。过去使用的各种方法或多或少都取得了成功。他们已经成功地将激光应用于切割玻璃或其他透明和易碎的材料。这些过程分为：公牛，划线和断裂，公牛，具有特定应力分布的玻璃热分离，公牛，纯激光烧蚀，公牛，自下而上的加工，公牛，使用高能量密度光学击穿来实现玻璃下划线，公牛，传统的熔融切割，多头，在反应体积中形成细丝（例如长和窄变体）。这些方法大多数都有优点，但同时也有许多限制。例如，在用超快激光对表面进行划刻之后，使用划刻和断裂来机械分离具有薄截面的脆性材料（厚度小于0.5 mm）是很有趣的。但是，它仅适用于直线和划刻线的中低速度（10至100mm / s，取决于厚度），并且在断裂后经常留下不平整的边缘，并且划刻和断裂边缘的弯曲强度也将有所不同。但是，我们已经成功地使用激光划片和蓝宝石划片来生产发光二极管（LED）。 NIR固态激光器用于代替激光热分离中的标准CO2激光器。这是基于多重激光束吸收技术（多重激光束吸收（abbrevia称为MLBA）），用于通过激光诱导的应力分布从外部引导材料中裂纹的产生。分离的壁具有准完美的，无微裂纹的质量，使弯曲试验的弯曲强度接近理论玻璃水平。但是它也有缺点：很难引导裂纹沿着预定的曲线沿着轮廓扩展并在没有任何偏差的情况下闭合轮廓，因为裂纹的传播很大程度上取决于玻璃中的当前张力分布。该领域的最新研究和开发包括使用超快激光来实现类似的效果和边缘质量，但是轮廓切割仍然是一个问题。因此，有时需要将热分离与纯激光烧蚀结合使用，例如，以生产手机显示屏。在此示例中，激光热分离主要用于直线切割，而圆角是通过大功率超快激光的烧蚀实现的（图2）。图2：对透明材料进行激光加工的各种选项，包括通过表面雕刻对石英玻璃进行打标（a），对玻璃表面雕刻进行划刻和打碎（b），蓝宝石内部划痕（c），玻璃的自下而上加工（d ），玻璃的激光丝化（e和h），玻璃的激光热分离（f）和蓝宝石的热熔切割（g）可以在表面甚至整个横截面上使用纯激光烧蚀来去除材料和最终晋级。缺点包括相对较低的消融速度（尤其是在较厚的部分）。对于厚度不超过0.5mm的材料，切削速度通常为1-10mm / s，不可避免的锥角为10-12度。当烧蚀深度超过200μ时，m会产生非常明显的热影响区。纯烧蚀方法还可结合使用超快激光和五轴打孔头在玻璃和其他透明材料上打孔，以实现垂直的孔壁。当然，较厚的（0.3-0.7mm）材料的加工速度相当低，每个孔要花费近十秒钟。纯烧蚀过程从样品的上端开始。相反，“ ldquo”。自下而上的加工方法是激光将透明材料从工件底部分解。粉末状材料将在重力作用下掉落并离开烧蚀区域。使用连续方法将焦点向上移动，可以实现各种形状的孔。使用515ndash，532nm倍频纳秒或皮秒脉冲是因为此过程取决于激光波长的高透明度。在3mm厚的钠钙玻璃上，可以在1秒钟内打出一个直径为1mm的孔，自由曲线轮廓的切割速度为3mm / s。除了相对较慢的处理速度外，还有其他缺点。例如，这种方法不能用于处理强化玻璃，并且在边缘会出现明显的缝隙（距处理边缘约50-10μm）。通过使用超快脉冲带来的高能量密度，再加上低至几微米的深度聚焦，基本上可以在任何透明介质中实现光学击穿。通过快速的相对移动和对焦点位置的主动控制，可以在反应体积内完成高达1000mm / s的划刻，例如100-200mu，m厚的蓝宝石LED晶片。适用材料的厚度甚至可以达到50μm。必须使用机械断裂工艺来分离切割部分。缺点包括划痕区域的高粗糙度，并且难以控制从划痕中心到边缘的破裂，这可能导致切割壁不均匀。