激光切割技術在液晶玻璃行業的應用及發展

畢相群

摘要：隨著激光技術的飛速發展，2000年以后逐漸在液晶玻璃基板切割應用。采用激光切割，無接觸、玻璃碎屑少，切割斷面平滑、玻璃性能基本無變化。通過對液晶玻璃基板進行的激光切割實驗，結果表明：激光波長，功率，切割速度，對玻璃切割質量影響很大，并且由于激光焦點距離限制，要求切割物體與激光切割頭距離保持穩定，所以在液晶玻璃基板生產線中目前未能普遍應用，主要應用于線下，液晶玻璃基板靜止狀態下切割。

關鍵詞：激光切割;液晶玻璃;發展

Abstract： With the rapid development of laser technology， it has been gradually applied in the cutting of liquid crystal glass substrates after 2000. Laser cutting has no contact， less glass debris， smooth cutting section and no change in glass properties. Through the laser cutting experiment on the liquid crystal glass substrate， the results show that the laser wavelength， power， and cutting speed have a great influence on the quality of glass cutting， and due to the limitation of the laser focus distance， the distance between the cutting object and the laser cutting head is required to be stable， so it is currently not widely used in the liquid crystal glass substrate production line. It is mainly used for offline cutting of the liquid crystal glass substrate in a static state.

0? 引言

玻璃是一種應用廣泛的材料，建筑、汽車、民生等諸多行業都有大量應用，隨著IT產業的迅速發展，用于平板顯示器與電子產品領域的液晶玻璃需求與日俱增。玻璃激光切割作為一項創新技術，發展迅速，經歷了CO2激光，皮秒激光，飛秒激光。玻璃激光切割優勢明顯，加工精度高，斷面平整、無碎屑和粉塵問題，不需要后續二次加工，對玻璃性能無不良影響。玻璃激光切割簡化了加工程序，提高了加工效率。相信激光切割技術會越來越成熟，激光切割玻璃的技術的發展也將會越來越好。

1? 激光的發展歷史及切割原理

激光又稱“鐳射”，英文叫LASER，它是大量原子由于受激輻射所產生的發光行為，最早由愛因斯坦在1917年發現其原理。1990年用于制造業，2000年以后逐漸在TFT-LCD液晶玻璃基板切割應用，代表公司為日本白井公司。

1.1 激光的特點

激光定向發光，不擴散，接近平行;能量密度大，可以在極短的時間內在特定的一點處匯聚大量的能量。

激光切割是一種熱切割方法。匯聚大量能量的激光束，照射到被切割的工件，激光束的焦點需要在工件表面或者表面以下，通過高溫快速熔斷工件，殘渣被氣化并被吹走，實現被切割的工件分離，達到切割工件的目的。

激光切割效率更高、可通過自動化程序控制，實現復雜路線的切割，精度更高。激光束不與工件接觸，高溫熔化工件，使得工件邊緣強度更高，斷面無裂紋和殘渣，根據具體工件要求不同，可省略后續清潔等加工步驟。

1.2 玻璃的激光切割原理

與激光切割金屬板料的熔斷方式不同，激光切割液晶玻璃，通過匯聚高能量的激光束照射在玻璃上，玻璃局部發生熔融，造成應力變化從而使得玻璃沿激光束裂開。玻璃激光切割的方法可以分為兩種：一種是熔融切割法，另一種是裂紋控制法。

熔融切割法是根據玻璃的延展性和塑性，高能量的激光束照射到玻璃表面，高溫使玻璃融斷，同時氣流吹走熔融的玻璃碎屑，產生一道溝槽，并利用輔助的機械裝置沿著溝槽把玻璃掰斷，實現玻璃的切割分離。

裂紋控制法在玻璃工業內應用比較普遍。首先，匯聚高能量的激光束對玻璃表面進行加熱，玻璃表面局部快速升溫，從而產生很大的壓應力;隨后對玻璃表面快速降溫冷卻，快速的溫度變化會使玻璃表面產生較大的拉應力和不同的溫度梯度，從而使玻璃表面沿著激光束的行進方向開始裂開，再輔以機械的掰斷裝置加以掰斷，實現玻璃的分離。

2? 玻璃的激光切割實驗研究及發展

在玻璃的加工過程中，影響最大的是玻璃的硬度和脆性，還有反射和透射性。機械切割玻璃的方式，具體是采用刀輪，其材質是金剛石、硬質合金或高硬度金屬，刀輪通過驅動力，并有一定的壓力，壓在玻璃表面同時沿直線滾動，在玻璃表面劃出一條溝痕，深度約為玻璃厚度的20%，刀輪在滾動過程中，使玻璃沿著切割方向產生切向張力，并沿著劃出的溝痕裂開，再用輔助機械裝置將玻璃沿著溝痕線進行掰斷，使玻璃分割開。機械切割的玻璃邊緣會因為切割效果不同，產生大小不一的裂痕和分布不均的應力，同時可能吸附大量的在切割過程中產生的粉塵和玻璃碎屑，因此必須通過后續的清洗和打磨工序對玻璃進行再次處理，增加了成品玻璃制品的造價。

2.1 激光切割玻璃的優越性

玻璃激光切割優勢明顯：激光束可以通過自動化程序控制，行走路線可以是直線，也可以是曲線，可以加工出不同的玻璃形狀;激光切割與玻璃不接觸，減少了玻璃碎屑和粉塵的產生，不會對玻璃性能產生影響;切割邊緣受高溫加熱，產生自然回火效應，提高了玻璃邊緣強度，玻璃部件更加不易破碎和損壞。玻璃激光切割斷面平整、無碎屑殘留，減少清洗和打磨工序，提高了加工效率。

2.2 CO2激光切割液晶玻璃實驗與研究

2015年之前，激光切割玻璃大多采用CO2激光器。CO2激光器發射的激光，95%的激光能量都能被普通玻璃表面所吸收，因此CO2激光器適用于玻璃切割應用。

由于液晶玻璃不同于一般普通玻璃，液晶玻璃具有更高的穩定性，較低的密度，較高的彈性模量和韌性，所以采用CO2激光切割時具有更高的難度。

CO2激光切割厚度為0.5mm液晶玻璃實驗，經過反復試驗優化，選用CO2激光功率150W，切割速度300mm/s，切割效果如圖1，切割試驗中由于沒有加冷卻氣體（液體）噴嘴，激光切割后，液晶面板無法快速冷卻下來，導致液晶面板出現局部熔融狀態，且加工表面出現熱裂紋，燒邊較為嚴重，效果不理想。

為了提高CO2激光器切割液晶玻璃的加工質量，在切割中可以引入有兩個重要條件，第一個是增加冷卻噴嘴，第二是預設的起始裂痕。

第一，冷卻噴嘴，添加的冷卻氣（水）嘴，將隨著激光束的移動，冷卻氣（水）嘴將冷空氣（水）吹出，對玻璃表面受熱區域進行快速降溫冷卻，玻璃將沿著應力最大的方向產生斷裂，從而將玻璃的切割。

第二，預設起始裂紋是為了更好的實現玻璃斷裂，在切割線的起始點用機械的方法劃出微小的一道裂痕。若不預設起始裂痕而直接在玻璃表面進行激光切割，切割后斷裂面會存在熱裂紋，在激光束的路徑附近無規則的擴展，切割效果會受到影響。

CO2激光切割液晶玻璃實驗中，加入冷卻噴嘴和預設的起始裂痕。切割效果如圖2，基本沒有產生裂痕，但是燒邊依然存在，如果將燒邊情況可以很好的解決，效果將不錯。

通過試驗結果可以看出，CO2激光切割液晶玻璃還存在一些困難，切割效果不夠完美，切割速度在200～400mm/s之間，如果切割速度超過400mm/s，液晶玻璃將無法被切斷，所以在大幅面的液晶玻璃切割中，CO2激光切割未能被采用。

2.3 皮秒、飛秒激光切割液晶玻璃的應用

隨著激光技術的發展，2015年之后皮秒，飛秒激光器越來越多應用在玻璃切割上，可以快速，精確的切割不同形狀。皮秒激光器通過快速的脈沖式打點穿透玻璃，切割完成后，玻璃并不能自身分離，需要增加一步裂片動作，使用微小的力就可以使被切割的玻璃分離。

皮秒激光器切割0.3mm厚度的液晶玻璃效果，如圖3所示。

可以看出，切割效果非常好，遠遠超過CO2激光切割和刀輪機械切割。目前液晶屏幕面板廠家進行的液晶玻璃切割都是采用皮秒或者飛秒激光器。唯一的缺點就是價格比較昂貴，一臺皮秒激光器上百萬人民幣。

影響皮秒激光器切割的最重要一個參數是激光的焦深，激光的焦點必須精確聚集打到玻璃上面才能完成切割，激光的焦深一般在0.05mm。由于激光焦深的限制，皮秒和飛秒激光器主要應用在面板廠家小幅面的液晶玻璃切割，在線的大幅面液晶玻璃使用起來存在一定困難。需要對目前的液晶玻璃生產線進行局部改造，保證在線的液晶玻璃穩定，包括平整度和液晶玻璃的晃動或震動量在激光焦深范圍內，才能很好的對液晶玻璃進行激光切割。

3? 結語

激光切割技術正在快速發展，應用的領域越來越多，相信在不久的將來，激光切割可以很好的應用在液晶玻璃生產線中，充分的發揮激光切割的高精度、高效率、自動化、環保節能等優勢。

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