專利名稱：玻璃加工方法
玻璃加工方法技術領域：
本發明涉及一種板材加工方法，特別是涉及一種玻璃加工方法。背景技術：
玻璃，一種透明的固體物質，在熔融時形成連續網絡結構，冷卻過程中粘度逐漸增大并硬化而不結晶的硅酸鹽類非金屬材料。種類繁多，化學成分多樣，主要成分是二氧化硅。廣泛的用于建筑、日常家庭用品、化工、電子、軍事、工業等領域，是目前應用最為廣泛最為重要的材料之一，與高分子材料、陶瓷材料并稱為三大支柱型非金屬材料。
由于實用中要求各異，因此玻璃的加工技術顯得尤為重要，傳統的工藝包括熔融吹拉或模具成型，機械及化學加工等。近些年來，隨著平板玻璃廣泛應用于電子、化工、生物、微光學領域，對平板玻璃的高精密加工要求越來越高，精度要求在百分之一毫米的級別，傳統的工藝越來越顯得力不從心，無論是在加工質量還是在加工效率方面都大為遜色， 漸漸無法跟上與滿足日益進步的需求。尤其是隨著IPH0NE/IPAD —類平板類消費電子產品的出現，使得我們消費電子產品產生了根本性革命性的變化，無數的領軍企業，龍頭大廠都被迫轉型跟隨蘋果的腳步，這樣高精度高質量高效率的平板玻璃的加工的需求也日益增加，越來越緊迫。
傳統的平面玻璃精密加工技術主要有機械加工、超聲波加工、噴砂加工、化學蝕刻。機械加工、超聲加工、噴砂加工等均屬于接觸性加工，存在速度慢、成品率相對較低、耗材多、精度低等諸多缺點，而化學蝕刻則采用氫氟酸這樣劇毒高腐蝕性或氫氧化鉀等強堿， 盡管安全保護措施很完善，但是依舊存在安全隱患，不斷的發生各類安全事故。此時我們就會考慮到新興的加工技術-激光加工。
激光加工技術被譽為“萬能的加工技術”，以非接觸，速度快，精度高、無耗材，無污染，功能強，應用范圍廣，性價比高，易于自動化集成等優點逐步在許多領域代替傳統工藝。 因此在激光出現后，人們便嘗試使用激光來加工玻璃，到目前為止，出現了使用二氧化碳激光器、YAG激光器、綠光激光器及紫外激光器進行加工的技術。
其中二氧化碳切割玻璃的原理是激光聚焦在玻璃表面，形成橢圓形光斑，玻璃強烈吸收二氧化碳激光，隨著激光與玻璃的相對移動行程切割線，同時淬火嘴將冷水或冷氣噴射到切割道上，使玻璃裂開，但只能產生很淺的裂紋，還需要后續工藝將玻璃裂開，且此種方法只能切割直線，無法加工復雜圖形，如弧形外框，內部開孔等。
YAG的切割原理及優缺點同二氧化碳類似。
綠光和紫外激光的切割原理類似，并不是像二氧化碳激光器那樣單純的依靠熱效應來加工玻璃，但紫外激光波長比綠光更短，可以破壞材料的化學鍵，使材料熔化或氣化， 從而來達到是材料分離的目的。且大部分玻璃通常在紫外波段會有更高的吸收率，因此使用紫外激光切割玻璃效果會更好。尤其是在調Q的綠光及紫外固態激光器出現并迅猛發展的今天，使用綠光及紫外激光切割玻璃會越來越廣泛。但目前綠光和紫外激光切割玻璃是將激光聚焦于材料表面，激光可以很輕易的將玻璃移除掉，形成小的凹槽， 但是由于紫外激光的焦深較短，形成的凹槽較小，因此使得切割無法深入進行下去，切割深度有限，之后激光會被切割處的凹槽側壁及底部吸收，還會引起玻璃溫度上升，甚至爆裂。
另外，紫外激光并非萬能的工具，并不是所有的玻璃都可以切割，目前主要有兩類無法切割，第一類是高透過率的光學玻璃，比如石英玻璃(BK7)或水晶玻璃，他們在大于 300nm的波段，透過率達90%以上；第二類是熱膨脹系數較高的玻璃，由于其受熱膨脹變形較大，會造成玻璃的崩裂，因此無法加工。
發明內容
鑒于上述狀況，有必要提供一種可加工厚度較大的玻璃的加工方法。
一種玻璃加工方法，包括如下步驟
提供一激光束；
所述激光束在玻璃的加工表面沿著切割線形成一個切割槽，所述切割線為螺旋線；及
隨著所述切割槽的深度加大，所述激光束的焦點相對于所述切割槽的底部下降。
進一步地，所述螺旋線的間距小于所述 激光束的光斑直徑，且所述螺旋線的圈數由如下公式確定
N = kD/d
其中，N為所述螺旋線的圈數，D為所述玻璃的厚度，d為所述螺旋線的間距，k為大于等于O. 2且小于等于O. 5的常數。
進一步地，所述螺旋線的間距小于等于O. 03毫米。
進一步地，所述激光束的脈沖能量大于100微焦耳。
進一步地，還包括在所述玻璃的加工表面涂覆吸收層以提高激光的吸收率的步驟。
進一步地，所述激光束為波長為260 360納米的紫外激光。
進一步地，所述激光束為波長為525 540納米的綠光激光。
進一步地，所述激光束可以在所述玻璃表面加工凹槽、劃線、切割、通孔、盲孔或腔體。
進一步地，還包括朝向所述玻璃的加工表面吹冷卻氣流的步驟。
進一步地，所述遠心透鏡焦距小于120毫米。
上述玻璃加工方法控制激光束沿著切割線形成一個切割槽，切割線為螺旋線，隨著切割面的下降，焦點會隨著一同下降，即焦點始終位于切割面上，從而加深切割槽的深度。因此，上述玻璃加工方法可加工厚度較大的玻璃。并且，整個螺旋線作為一條曲線，切割過程中激光從起始點開激光直到終止點結束，無需頻繁開關激光，即提高的切割效率，又可避免的起點終點位置因為延遲參數問題造成起點爆點問題，提高了切割的質量。

圖1為本實施方式的玻璃加工設備的結構示意圖2為圖1所示的玻璃加工設備加工玻璃的狀態示意圖3為圖1所示的玻璃加工設備加工玻璃的另一狀態示意圖4為本實施方式的玻璃加工方法的流程示意圖5為采用本實施方式的玻璃加工方法切割圓形孔的示意圖。具體實施方式

為了便于理解本發明，下面將參照相關附圖對本發明進行更全面的描述。附圖中給出了本發明的較佳的實施例。但是，本發明可以以許多不同的形式來實現，并不限于本文所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本發明的公開內容的理解更加透徹全面。
需要說明的是，當元件被稱為“固定于”另一個元件，它可以直接在另一個元件上或者也可以存在居中的元件。當一個元件被認為是“連接”另一個元件，它可以是直接連接到另一個元件或者可能同時存在居中元件。本文所使用的術語“垂直的”、“水平的”、“左”、 “右”以及類似的表述只是為了說明的目的。
除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬于本發明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在于限制本發明。本文所使用的術語“及/或”包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。
請參閱圖1及圖2，本實施方式的玻璃加工設備100，包括激光器110、高精度平臺 120、擴束鏡(圖未示)、振鏡130、遠心透鏡140、控制裝置150、吹氣裝置160及涂覆裝置 170。
激光器110發射一激光束111。激光器110可為半導體泵浦固態激光器,峰值功率大于10千瓦。具體在本實施方式中，激光器110為調Q半導體泵浦固態綠光激光器或者紫外激光器，其中綠光的波長在525 540nm，紫外激光波長在260 360nm之間，選擇單脈沖能量大，脈沖寬度窄的激光器，這樣會有較高的峰值功率，激光器峰值功率大于10kw，可以超過材料的加工閾值，更容易實現加工，可以得到較好的加工質量和較快的加工速度。
高精度平臺120用于承載待加工的玻璃200，高精度平臺120相對于振鏡130可移動，以調節玻璃200相對于振鏡130的相對位置。
需要說明的是，高精度平臺120不移動，控制裝置130控制振鏡130可移動，同樣可調節玻璃200相對于振鏡130的相對位置。
擴束鏡設于振鏡130與激光器110之間，且與激光器110相對。
振鏡130與擴束鏡相對。遠心透鏡140與振鏡固定連接,激光器110發射的激光束經過擴束鏡、振鏡130后再經遠心透鏡140聚焦。具體在本實施方式中，遠心透鏡焦距小于120毫米。
控制裝置150與激光器110電連接，且控制振鏡130與玻璃200之間的相對位置， 例如，水平位置及高度位置，從而使激光束110經過振鏡130及遠心透鏡140后在玻璃200 的加工表面沿著切割線形成一個切割槽201，切割線為螺旋線。
優選地，為了進一步提高切割效率，防止切割時崩邊，提高切割質量螺旋線的間距小于激光束的光斑直徑，且螺旋線的圈數由如下公式確定
N = kD/d
其中，N為螺旋線的圈數，D為玻璃200的厚度，d為螺旋線的間距，k為大于等于O. 2且小于等于O. 5的常數。
其中k為大于等于O. 2且小于等于O. 5的常數，這是由切割經驗所得，通常切割槽的線寬度為玻璃200厚度D的五分之一到二分之一，小于五分之一時無法切割，大于二分之一時會浪費時間，因此切割線寬為kD;且針對不同的玻璃，k會有一個最佳數值，可以得到最快的切割效率，此數值要依據不同玻璃的性質進行測試而得出；小于此最佳數值時會無法切割或者切割時間較長，且切割質量較差，崩邊較多，大于此最佳數值時會浪費時間，降低生產效率；d為螺旋線的線間距，此線間距要求要小于光斑直徑，以使光斑之間有足夠的重疊率。因此使用線寬kD除以線間距d就可以得到需要添加線的圈數N。只有在合適恰當螺旋線的圈數N的情況下，才可以達到最佳的切割效果及最快的切割效率。
吹氣裝置160受控制裝置150控制，用于朝向玻璃200的加工表面吹冷卻氣體。切割的同時壓縮氣體吹至切割面，將氣化的玻璃和破裂的碎屑，隨著切割深度的增加，避免了玻璃的碎屑的堆積；同時還起到冷卻切割面，避免溫度過高引起玻璃破裂；并且還能保護遠心透鏡140的鏡頭，避免碎屑飛濺污損鏡頭。
涂覆裝置170與控制裝置150電連接，用于在玻璃200的加工表面涂覆吸收層。對于某些透過率較高的光學玻璃，表面加吸收層以增加激光的吸收，提高激光加工效率，使不能切割變為可以切割；并且，吸收層可以同時保護切割槽的邊緣，減少崩邊。
可以理解，涂覆裝置170也可不受控制裝置150控制，可由人工控制涂覆。
為提高激光加工玻璃的效率及精度，玻璃加工設備100還包括與控制裝置150電連接的攝像裝置(圖未示)，攝像裝置用于拍攝加工玻璃的加工位置及加工圖形，從而自動定位、聚焦。
上述玻璃加工設備100的控制裝置150控制激光束沿著切割線形成一個切割槽 201，切割線為螺旋線，隨著切割面的下降，焦點會隨著一同下降，即焦點始終位于切割面上，從而加深切割槽的深度。因此，上述玻璃加工設備100可加工厚度較大的玻璃。并且，整個螺旋線作為一條曲線，切割過程中激光從起始點開激光直到終止點結束，無需頻繁開關激光，即提高的切割效率，又可避免的起點終點位置因為延遲參數問題造成起 點爆點問題， 提聞了切割的質量。
請參閱圖1、圖3及圖4，本實施方式的玻璃加工方法，包括如下步驟S201 S205。
S201，提供一激光束。激光器110發射一激光束111。激光束111的脈沖能量大于 100微焦耳。激光束111為波長為260 360納米的紫外激光或525 540納米的綠光激光。
S202，在玻璃的加工表面涂覆吸收層以提高激光的吸收率。對于某些透過率較高的光學玻璃，涂覆裝置170在玻璃200表面涂覆吸收層以增加激光的吸收，提高激光加工效率，使不能切割變為可以切割；并且，吸收層可以同時保護切割槽的邊緣，減少崩邊。
S203，激光束在玻璃表面沿著切割線形成一個切割槽，切割線為螺旋線。
優選地，為了進一步提高切割效率，防止切割時崩邊，提高切割質量螺旋線的間距小于激光束的光斑直徑，且螺旋線的圈數由如下公式確定
N = kD/d
其中，N為螺旋線的圈數，D為玻璃的厚度，d為螺旋線的間距，k為大于等于O. 2 且小于等于O. 5的常數。
具體在本實施方式中，控制裝置150與激光器110電連接，且控制振鏡130與玻璃 200之間的相對位置,例如,水平位置及高度位置,從而使激光束110經過振鏡130及遠心透鏡140后在玻璃200的加工表面沿著切割線形成一個切割槽201，切割線由平行且等間距的螺旋線組成。螺旋線的間距小于等于O. 03毫米。
S204，朝向玻璃的加工表面吹冷卻氣流。具體在本實施方式中，吹氣裝置160受控制裝置150控制，用于朝向玻璃200的加工表面吹冷卻氣體。切割的同時壓縮氣體吹至切割面，將氣化的玻璃和破裂的碎屑，隨著切割深度的增加，避免了玻璃的碎屑的堆積；同時還起到冷卻切割面，避免溫度過高引起玻璃破裂；并且還能保護遠心透鏡140的鏡頭，避免碎屑飛灘污fe鏡頭。
S205，隨著切割槽的深度加大，激光束的焦點相對于切割槽的底部下降。
如圖3所示，由于激光的焦深較短，使得切割無法深入進行下去，切割深度有限， 之后激光會被切割處的凹槽側壁及底部吸收，形成的切割槽呈梯形，為使形成的切割槽為矩形槽，則可使螺旋線的圈數隨著切割槽的深度的增大而增加，從而形成矩形槽。激光束可以在玻璃表面加工凹槽、劃線、通孔、盲孔或腔體。
請參閱圖5，以切割圓形孔為例來說明，將圖形增加螺旋形邊緣可以在CAD等圖形處理軟件中很輕易的實現，過程簡單。整個螺旋線作為一條曲線，切割過程中激光從起始點開激光直到終止點結束，無需頻繁開關激光，即提高的切割效率，又可避免的起點終點位置因為延遲參數問題造成起點爆點問題，提高了切割的質量。
可以理解，其他形狀如方形、各種異型孔等，也可以在CAD中經過簡單的作圖處理，實現螺旋邊緣，從而采用本實施方式的玻璃加工方法。
可以理解，玻璃的加工圖形由多個小區域圖形拼接形成，即使用由小區域圖形拼接成大圖形的方法實現大范圍加 工。
以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
權利要求
1.一種玻璃加工方法，包括如下步驟 提供一激光束； 所述激光束在玻璃的加工表面沿著切割線形成一個切割槽，所述切割線為螺旋線；及 隨著所述切割槽的深度加大，所述激光束的焦點相對于所述切割槽的底部下降。
2.如權利要求1所述的玻璃加工方法，其特征在于，所述螺旋線的間距小于所述激光束的光斑直徑，且所述螺旋線的圈數由如下公式確定N = kD/d 其中，N為所述螺旋線的圈數，D為所述玻璃的厚度，d為所述螺旋線的間距，k為大于等于O. 2且小于等于O. 5的常數。
3.如權利要求2所述的玻璃加工方法，其特征在于，所述螺旋線的間距小于等于O.03毫米。
4.如權利要求1所述的玻璃加工方法，其特征在于，所述激光束的脈沖能量大于100微焦耳。
5.如權利要求1所述的玻璃加工方法，其特征在于，還包括在所述玻璃的加工表面涂覆吸收層以提高激光的吸收率的步驟。
6.如權利要求1所述的玻璃加工方法，其特征在于，所述激光束為波長為260 360納米的紫外激光。
7.如權利要求1所述的玻璃加工方法，其特征在于，所述激光束為波長為525 540納米的綠光激光。
8.如權利要求1所述的玻璃加工方法，其特征在于，所述激光束可以在所述玻璃表面加工凹槽、劃線、切割、通孔、盲孔或腔體。
9.如權利要求1所述的玻璃加工方法，其特征在于，還包括朝向所述玻璃的加工表面吹冷卻氣流的步驟。
10.如權利要求1所述的玻璃加工方法，其特征在于，所述遠心透鏡焦距小于120毫米。
全文摘要
一種玻璃加工方法，包括如下步驟提供一激光束；所述激光束在玻璃的加工表面沿著切割線形成一個切割槽，所述切割線為螺旋線；隨著所述切割槽的深度加大，所述激光束的焦點相對于所述切割槽的底部下降。上述玻璃加工方法控制激光束沿著切割線形成一個切割槽，切割線為螺旋線，隨著切割面的下降，焦點會隨著一同下降，即焦點始終位于切割面上，從而加深切割槽的深度。因此，上述玻璃加工方法可加工厚度較大的玻璃。并且，整個螺旋線作為一條曲線，切割過程中激光從起始點開激光直到終止點結束，無需頻繁開關激光，即提高的切割效率，又可避免的起點終點位置因為延遲參數問題造成起點爆點問題，提高了切割的質量。
文檔編號C01B33/08GK103011171SQ201110294230
公開日2013年4月3日 申請日期2011年9月28日 優先權日2011年9月28日
發明者湯海林, 彭信翰, 楊偉 申請人:深圳市木森科技有限公司