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知名的材料，并已用于多种透明或有色产品中。如今，玻璃的生产具有显着的生态优势，这主要归功于其取之不尽的原材料，例如沙子，纯碱，石灰石和再生玻璃。以德国为例）也有高效的回收系统。由于其出色的耐用性，机械强度和耐化学性，这种引人入胜的材料玻璃具有广泛的应用范围（图1），尽管在过去的50年中聚合物也占据了很大的市场份额。图1：用于化学钢化玻璃的线切割和表面雕刻的超快激光为了保持原始市场并开拓新市场，玻璃制造公司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20-200mu，m），该玻璃可用于消费类产品和电子产品领域的轻质柔性产品。对于更厚的玻璃，研究人员继续尝试提高其机械强度或进一步改善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，太阳能和其他应用的高要求。当玻璃的机械性能或其他特定性能不能满足应用要求时，必须考虑使用其他类型的透明脆性材料。鉴于玻璃主要是非晶态结构（例如冻结和熔化），因此替代的无机材料可以由纯晶体或透明陶瓷制成。所有这些材料都必须经过漫长的生产过程，才能最终获得所需的形状和性能。时至今日，大多数加工步骤仍依赖于传统的加工技术，包括成形，划线，冲压，打磨或抛光。玻璃和晶体的激光加工一直具有很大的挑战性，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，市场上出现了更复杂的方法，以使用飞秒激光器实现表面或玻璃的打标。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，材料浪费和生产中水需求的需求持续增长，市场继续驱使激光制造商和系统集成商开发传统加工技术的替代产品。微加工领域中的某些过程尤其需要越来越少的耗水技术，例如切割和冲压。过去使用的各种方法或多或少都取得了成功，并且它们使激光成功地切割了玻璃或其他透明且易碎的材料。这些过程分为：冲孔，划线和断裂，冲孔，具有特定应力分布的玻璃热分离，冲孔，纯激光烧蚀，冲孔，自下而上的加工，冲孔，使用高能量密度光学击穿来实现玻璃内切线，公牛，传统的熔切，公牛，反应体积中的细丝（例如，长而窄的变体）。这些方法大多数都有优点，但也有许多局限性。例如，在用超快激光对表面进行划痕之后，使用划痕和折断来机械分离横截面更薄（厚度小于0.5mm）的脆性材料是很有趣的。但是，它仅适用于直线和中低速度（10至100mm / s，取决于厚度）划线，划线后经常留下非直线的边缘，并且划线和折边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断裂进行蓝宝石切割，以生产发光二极管（LED）。在激光热分离中，使用NIR固态激光器代替标准的CO2激光器。这是基于多重激光束吸收技术（multiplelaserbeamabsorption，称为MLBA），用于通过激光诱导的应力来引导材料的内部裂纹分配。分离的壁具有准完美且​​没有微裂纹的质量，这使得弯曲测试的断裂强度接近理论玻璃水平。但是，它也有缺点：很难引导裂纹沿着轮廓扩展并闭合轮廓而不会产生任何偏差，因为裂纹的扩展很大程度上取决于玻璃中的当前张力分布。该领域的最新发展包括使用超快激光来达到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，以生产移动电话显示器。在此示例中，激光热分离主要用于线性切割，而圆角通过大功率超快激光烧蚀来实现（图2）。图2：对透明材料进行激光加工的各种选项，包括通过表面雕刻来标记石英玻璃（a），刻划和打碎玻璃的表面雕刻（b），蓝宝石下划线（c），玻璃的自底向上加工（d），激光玻璃丝（e和h），激光玻璃热分离（f）和蓝宝石的热熔切割（g）。可以在表面甚至整个部分上使用纯激光烧蚀。最后去除材料，最后进行切割。缺点包括相对较低的消融速度（尤其是在较厚的部分）。对于厚度小于0.5mm的材料，切削速度通常为1-10mm / s，不可避免的锥角为10-12deg。当烧蚀深度超过200μm时，在m处会产生非常明显的热影响区。纯烧蚀方法还可用于在玻璃和其他透明材料上钻孔。超快激光和五轴打孔头的组合用于实现垂直孔壁。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，“自下而上”的处理方法是使用激光从工件底部分解透明材料。粉末状材料将在重力作用下掉落并离开烧蚀区域。使用连续的方法将焦点向上移动，可以实现各种形状的穿孔。使用515ndash，532nm倍频程纳秒或皮秒脉冲，因为此过程依赖于激光波长的高透明度。在3mm厚的钠钙玻璃上，可以在1秒钟内打孔1mm的直径，自由曲线轮廓的切割速度在3mm / s的范围内。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，并且在边缘处有明显的缝隙（距处理边缘约50-10微米，m）。利用超快脉冲带来的高能量密度，再加上向下聚焦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。通过快速的相对运动和对焦点位置的主动控制，可以在反应体积中以最高1000mm / s的速度执行划线，例如100-200μm厚的蓝宝石LED晶片。适用的材料厚度甚至可以达到50μm。必须使用机械断裂工艺来分离切口部分。缺点包括划线区域的高粗糙度，并且难以控制从中央划线到边缘的裂纹，这会导致切割壁不均匀。