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论激光在玻璃切割中的应用及发展

   日期:2020-01-28     来源:51水晶网    作者:www.51crystal.com    浏览:289    评论:0    
核心提示:论激光在玻璃切割中的应用及发展
 玻璃作为一种脆性材料,质地均匀、透明度好、表面光滑、耐腐蚀,因而得到了广泛的应用。近年来,随着IT产业的迅速发展,液晶显示器和等离子体显示器等高科技电子产品应运而生,对玻璃制品的切割要求越来越高,对切割玻璃的技术也大有要求。激光切割作为一项新兴的应用技术,是激光加工行业中最重要的,应用最早,使用最多的加工方法。由于激光切割与其他切割方法相比,具有高速、高精度和高适应性等特点,同时还具有割缝细、热影响区小、切割面质量好、切割时无噪声、切缝边缘垂直度好、切边光滑、切割过程容易实现自动化控制等优点,相对传统方法具有无可比拟的优势。因此,激光在玻璃切割上扮演着无与伦比的重要角色。 
  一、激光切割技术的优点 
  激光切割的速度极快、切缝较小、切口部分光滑且整齐、总体的切割质量较好。与传统切割技术相比较,激光切割技术不存在对刀具的严重磨损;切割表面的热量范围影响比较小;切割的应用范围较大,不受形状等方面的限制,比较容易实现数控化;另外在实施复杂加工的时候,能够不借助模具的支持并依然保持高质量、高精度的完成各种钣金加工工作。因此,很多工业制造单位已经认可激光切割技术的重要作用,且在钣金加工中逐步以激光切割技术取代原有的加工工艺。 
  二、激光切割的应用现状 
  由于激光具有无与伦比的优势,激光在其产生之日起就被各行业给予较大期望,用于切割的激光方面的研究也比较早,激光切割玻璃的工艺经历了熔融法、裂纹控制法的研究发展,经历了单光束到多光束的发展。以日本为例,目前已拥有CO2激光切割机2万多台,约占全球激光加工机总量的1/3,其中80%为激光切割设备。据统计,自1995年以来,年生产C02激光切割机已超过500台左右,其中YAG激光切割机100多台。而我国至今却只有600多台套激光切割机在使用中。因此,我国激光切割技术的推广和应用潜力很大。随着我国经济的飞速发展,许多传统产业需要改造,激光切割技术将有大力发展的空间。 
  三、激光切割玻璃的主要原理 
  激光切割玻璃的方法从原理上可以分为两种:熔融切割法和裂纹控制法。熔融切割法就是利用玻璃处在软化的温度下具有较好的塑性和延展性,用聚焦的 CO2激光或者紫外激光照射到软化的玻璃表面,激光具有的较高的能量密度会导致玻璃融化,然后用气流吹走熔融的玻璃,产生沟槽,从而实现玻璃的熔融切割。 
  裂纹控制法是一种常用的激光切割方法,这种方法的原理是对玻璃表面进行激光加热,较高的能量会使该处的温度急剧升高,表面产生较大的压应力,但该压应力不会使玻璃产生破裂,接着对该区域进行急剧的冷却,一般采用冷却气体或者冷却液,急剧的降温会使玻璃表面产生较大的温度梯度和较大的拉应力,这个拉应力会使玻璃表面沿着预定划线的方向开始破裂,从而实现玻璃的切割。 
  四、控制玻璃表面产生裂纹的方法 
  1.采用多次激光辐射 
  采用一次激光辐射可在玻璃上产生标记,但是裂纹和应力图案的方向将向垂直于激光移动的方向扩展。标记打印后短时间内甚至几天后,这些垂直于激光移动方向的裂纹将形成新的裂纹,扩展到原标记外附近区域形成碎片,从而影响标记的清晰度。利用多次激光辐射,使与标记区域相邻的区域通过热传导被加热,从而使这些区域形成应力梯度,减少二次破裂的可能性。采用这种方法在钠钙玻璃和硼硅酸盐玻璃上打标十分有效。一次激光辐射在熔成氧化硅玻璃和石英玻璃上打标比较有效,因为这两种材料膨胀系数很低。 
  2.采用离散点形成环状裂纹 
  利用一系列环状裂纹形成文字、条形码、方块或矩形码以及其他形状码图案。玻璃通过加热和冷却循环产生低密度环状裂纹。玻璃加热时产生膨胀挤压周围材料,当温度升高到玻璃软化点温度时,玻璃快速膨胀形成一个低密度材料的凸出玻璃表面的圆顶。加热后玻璃收缩到初始表面位置,但是这个弛豫时间正是整个低密度形成的时间,使其无法恢复到软化温度之前的起始位置。粤铭激光行业应用解决方案 
  3.产生龟裂状表面裂纹 
  此方法采用同样的加热和冷却过程,都是使某一特定体积的玻璃表面发生变化。但是此法所用光斑的尺寸比较大,在两种密度区域接合处的界线没有环状裂纹方法那样分明。这种方法产生的标记不是立即就能看得见的,要求稍微加压之后才开始沿激光标记区域产生格状裂纹。用所产生的无碎片龟裂状条纹填充图案形成文字、图形和各种码。因为这种方法要求纯质表面,所以用高质量的汽车玻璃能打印出清晰的标记。 
  五、激光切割技术发展趋势 
  1.高速、高精度激光切割机 
  由于大功率激光器光束模式的改善及64位微机的应用,为激光切割设备的高速、高精度创造了有利条件。目前国际先进水平的激光切割机的切割速度已达到20m/min以上,两轴快速运动可达250m/min,加速度最大为109,定位精度达0.01mm/500mm。采用高速、高精度的激光切割机,在切割板厚lmm,直径10mm的小圆时,每分钟能切割500多个,而其直径误差不大于50mm,实现了真正意义上的飞行切割技术。 
  2.厚板切割和大尺寸工件切割的大型激光切割机 
  如上所述,随着可用于激光切割激光器功率的增大,激光切割正从轻工业薄板的钣金加工向着重工业厚板切割方向发展。6kW大功率激光器,能切割低碳钢板最大厚度达32mm的大尺寸工件。由于厚板激光切割技术的不断改进,目前已经尝试使用3kW的激光器切割通常需要用6kW激光器才能切割的32mm厚的低碳钢板.并已用于试生产。此外,激光切割机的加工尺寸范围也在不断扩大,目前生产最大激光切割机的机宽可达5.4m,长达6m。这都说明了厚板、大尺寸激光切割技术正在逐渐提高。 
  3.三维立体多轴数控激光切割机 
  为了满足汽车、航空等工业的立体工件切割的需要,目前已发展了各种各样的5轴或6轴三维激光切割机,其最大加工工件尺寸可达3500mmx1200mm,数控轴数达到9轴,加工速度快,精度高,在6.2m范围内加工误差仅在0.1mm之内。在先进国家的汽车生产线上,YAG激光切割机器人的应用愈来愈多。目前,三维激光切割机正向高效率、高精度、多功能和高适应性方向发展,其应用范围将会愈来愈大。 
  结束语:随着制造业的快速发展,我国激光切割技术已进入快速增长期,年增长率达50%以上。应用行业包括:汽车、船舶、航空、核工业、机械制造、钢铁、纺织、石油、激光加工中心等。由于对设备的生产良率的不断高升和精度的进一步提高,激光切割技术的不断完善,激光切割质量将会有一个质的提高,更好的发挥其切割优势。 
  参考文献 
  [1] 田兴志.激光加工现状及2l世纪的展望[J].光机电信息,2003(2). 
  [2] 陈树明.激光切割技术现状与发展[J].锻压机械,2002(2):3―5. 
  [3] 乔东凯.谢月强.激光加工机微机控制系统[J].茂名学院学报。2003,13(1):39―42. 
  [4] 阎启.刘丰.工艺参数对激光切割工艺质量的影响[J]应用激光,2006.03.
 
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