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      玻璃熱裂法切割固定真空吸盤夾具

      放大字體  縮小字體 發布日期:2020-02-17 12:45:32    瀏覽次數:28    評論:0
      導讀

      玻璃和陶瓷等硬脆材料在軍事航天、電力電子、汽車工業等領域均有廣泛應用。如何高效高質量地對上述材料進行切割加工一直是該領域亟需解決的關鍵問題。切割加工方法主要有機械切割[1-4]、激光熔融切割[5-6]、等離子切割[7]、水射流切割[8]、電火花切割[9-10]和水導激光切割[11]等, 但上述方法均存在切割質量差、切割效率低、

      玻璃和陶瓷等硬脆材料在軍事航天、電力電子、汽車工業等領域均有廣泛應用。如何高效高質量地對上述材料進行切割加工一直是該領域亟需解決的關鍵問題。切割加工方法主要有機械切割[1-4]、激光熔融切割[5-6]、等離子切割[7]、水射流切割[8]、電火花切割[9-10]和水導激光切割[11]等, 但上述方法均存在切割質量差、切割效率低、噪音大等缺點, 無法實現綠色環保等先進制造理念, 亟需新的切割加工方法。

      熱裂紋作為一種缺陷形式, 廣泛存在于各種材料之中, 是影響材料機械性能的關鍵因素之一[12-13]。材料中裂紋的產生及擴展是材料科學與工程領域的關鍵問題[14-16]。熱誘導裂紋擴展切割法(Thermal Cracking Method, 中文簡稱熱裂法)是由美國學者Lumley等1969年提出并申請專利[17]。該方法不再將裂紋的產生與擴展視為影響材料性能的因素, 相反, 該方法致力于發展誘導裂紋沿預定軌跡產生及擴展的理論。該領域理論的發展將進一步豐富微宏觀材料斷裂行為科學體系的內容, 并以此為基礎開發出適用于多種材料綠色環保的高效切割技術[18-19]。

      1 熱裂法應用現狀

      熱裂法基本原理是利用熱源掃描產生的熱應力驅動并控制板材外表面初始裂紋沿預定軌跡擴展, 從而實現板材切割成型。

      目前利用熱裂法基本原理進行切割加工的成型工藝有兩種: 非預制軌跡熱裂切割[20]和預制軌跡熱裂切割[21], 分別見圖1和圖2。非預制切割軌跡工藝過程為: 首先在板材邊緣處預制一定深度微裂紋, 然后用熱源掃描產生的熱應力驅動該裂紋沿掃描軌跡擴展直至整個板材發生斷裂, 最終實現切割。預制切割軌跡工藝過程為: 首先在板材上表面或下表面預制一定深度的切割軌跡, 然后用熱源掃描產生的熱應力驅動切割軌跡向深度方向擴展直至整個板材發生斷裂。

      熱裂法屬于非接觸無材料損失加工, 切割過程中無碎屑、無噪聲, 具有切割質量好, 綠色環保等優點, 在綠色制造領域獨樹一幟。經過近60年的發展, 該方法已發展為較有潛力的玻璃陶瓷等無機非金屬硬脆材料先進切割成型工藝, 能夠滿足一定市場需求, 目前在裂片加工硅片、LCD液晶屏等領域得到一定應用[22-23]。

      熱裂法加工主要存在軌跡偏移、切割速度低和表面質量不穩定等問題。本實驗室通過總結國內外學者多年研究成果, 發現開發多種熱源形式、冷卻方式及優化工藝流程是解決上述問題的關鍵。下面將按非預制軌跡熱裂切割和預制軌跡熱裂切割兩種工藝路線, 分別綜述相關領域的研究歷程和進展。

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      圖1 非預制軌跡熱裂切割原理[20]

      Fig. 1 Mechanism of non-premade trajectory cutting(NPTC)[20]

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      圖2 預制軌跡熱裂切割原理[21]

      Fig. 2 Mechanism of premade trajectory cutting (PTC)[21]

      2 非預制軌跡熱裂切割

      非預制軌跡熱裂切割主要用于較厚玻璃和陶瓷片的粗加工, 可以切割較厚板材, 在切割軌跡中間部位沒有碎屑和微裂紋, 切割表面質量較好。國內外學者的研究目標是提升切割速度, 減小切割軌跡與掃描軌跡偏移和改善切割表面質量。

      2.1 切割速度

      利用非預制軌跡熱裂法切割玻璃片時, 提升切割速度的一種有效方法是改變熱源能量分布形狀和施加冷卻。Yamamoto等[24-29]采用橢圓形分布CO2激光+水冷的方法對玻璃進行熱裂切割, 首先用金剛石砂輪在劃切路徑首端一側玻璃平板邊緣上表面預制裂紋缺口, 然后用橢圓形CO2激光光斑進行熱裂, 激光光斑尺寸為22 mm2.1 mm, 最后在其掃描方向光斑后方隨動噴水進行冷卻以完成熱裂切割。研究表明, 提高激光熱源功率或施加冷卻措施可使初始裂紋處的應力強度因子快速達到閾值, 以此提升切割速度。2010年美國康寧公司Abramov等[30-31]采用激光誘導熱裂切割化學強化玻璃,他們采用線狀光斑(橢圓光斑長軸長度與短軸長度的比值極大)的CO2激光, 對中心拉應力為26~45 MPa的1 mm厚的強化玻璃進行了激光誘導熱裂切割。2011年,他們又實現了1000 mm/s的玻璃切割速度, 并且將切割后材料邊緣處的殘余應力值控制在3.49 MPa以下。

      提高切割速度的另一個有效方法是采用體加熱熱源。日本LEMI公司基于此研發了多款激光誘導熱裂切割機, 提出了當激光波長處于CO2激光(10.6 μm)和YAG激光(1.06 μm)之間時, 激光能夠透過玻璃表面射入玻璃內部, 并在內部全部吸收而不射出玻璃(即體加熱熱源), 此時能夠達到較高速度的熱裂法切割。該公司的研究人員[32]給出了提高切割速度的多種解決方案: 用線光源(橢圓型光斑)替代常用的圓形光斑, 通過提高熱源面積可以提高切割速度3倍; 用表面熱源進行加工, 在材料上方200 mm處布置輸出功率為1 kW的管形紅外燈(實現體加熱), 疊加在LD激光掃描上, 掃過580 mm寬的玻璃中心線, 可以獲得300 mm/s的切割速度, 而不加紅外燈的切割速度僅23 mm/s, 提高了13倍[33]。該文獻還給出了切割速度隨平板寬度變化的曲線, 其中寬度為 2000 mm的玻璃板的切割速度為10 mm/s, 見圖3[33]。

      2.2 裂紋軌跡偏移

      裂紋軌跡偏移一直是非預制軌跡熱裂法亟需解決的問題。2009年, Salman等[34]對二極管激光熱裂法切割玻璃進行了一系列研究,他們采用功率為770 W、波長為808~940 nm、光斑直徑為3 mm的二極管連續式激光, 以33 mm/s的速度切割5 mm厚的鈉鈣玻璃, 指出在材料的切入口和切出口處存在嚴重的軌跡偏移現象, 偏移角度在10°左右, 見圖4。他們對切割過程中的工件應力場進行了仿真分析, 研究發現切入口和切出口處的拉應力過大, 使得軌跡發生偏移。同年, Salman等[35]在完成連續式激光對稱切割玻璃的研究后, 又對脈沖激光熱裂法對稱切割玻璃進行了研究, 指出脈沖參數和切割速度對于切入口和切出口處的偏移角度和切割表面質量的影響關系, 結果表明采用脈沖激光可以減少能量的輸入, 降低溫度變化, 熱應力也相應減小, 從而有效地減小切入口和切出口處的軌跡偏移值。采用占空比為0.6的脈沖激光可以減小軌跡角度偏移量和軌跡位移偏移量的36%(與連續式激光所產生的軌跡偏移相比)。2010年, Salman等[36]為了得到切入口、切出口處最小的軌跡偏移量, 就不同的激光光斑形狀對切割軌跡偏移的影響進行了研究, 比較了圓形、長方形短邊、長方形長邊、正三角形、反三角形和菱形光斑的溫度場和應力場, 并通過仿真與實驗結果的對比表明: 正三角形光斑在切入口處使得拉應力變化較小, 可以起到改善軌跡偏移的作用;而反三角形光斑在切出口處也有相同的作用。另外, 他們還指出激光的發散角對于改善切入口、切出口處的軌跡偏移有著重要作用。

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      圖3 玻璃平板寬度對切割速度的影響規律曲線[33]

      Fig. 3 Cutting velocity-plate width curve[33]

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      圖4 非預制軌跡熱裂切割出入口偏移現象[34]

      Fig. 4 Trajectory deviation of NPTC[34]

      2015年, Salman等[37]還針對切入口和切出口處的應力分布狀態從仿真角度進行了深入研究, 分別應用人工神經網絡和有限元模型, 預測不同玻璃板厚度和激光掃描速度時切入口和切出口處的熱應力, 并比較兩種模型的效果。結果表明, 人工神經網絡模型的預測結果要比有限元模型的預測結果更好。

      日本長岡科學技術大學Miyashita等[38]在裂紋尖端的前后方各布置一束激光, 形成姊妹激光光束(見圖5), 并通過移動裂紋尖端后方光束使得兩束激光連線沿著裂紋擴展偏轉的方向,通過調節強度比例來控制裂紋擴展的方向。研究表明二者的強度比例可以顯著影響到Ⅱ型裂紋強度因子。Miyashita等利用該方法實現了30度裂紋擴展偏轉的切割,

      哈爾濱工業大學楊立軍等[39]應用YAG激光對玻璃實現了體加熱熱裂法切割, 研究發現YAG激光可以穿透玻璃, 進行體吸收形式的切割, 其原理見圖6。在板類和管類玻璃件上切割曲線軌跡有很大的優越性, 見圖7。

      2.3 玻璃切割面強度

      玻璃切割面的強度與切割方法直接相關。熱裂法切割玻璃獲得的表面質量有效地提升了玻璃板的彎曲強度。2003年德國Silvio[40]總結了用激光加工脆性材料的方法, 并對各種方法切割3 mm厚玻璃所得到的加工邊緣強度進行了對比, 如圖8所示。

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      圖5 雙束激光完成軌跡偏轉切割原理 [38]

      Fig. 5 Double laser beam for cutting with turn[38]

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      圖6 YGA激光體加熱熱裂切割原理圖[39]

      Fig. 6 YAG laser cutting glass based on volumetric heating method[39]

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      圖7 YGA體加熱激光熱裂切割玻璃樣品[39]

      Fig. 7 Glass cut by NPTC with YAG[39]

      (a) Plate; (b) Tube

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      圖8 不同加工方法的加工邊緣強度對比[40]

      Fig. 8 Comparison of bending strength of cutting section with multiple cut methods[40]

      2009年富士康公司與俄羅斯莫斯科國立儀器與信息大學Kondratenko等[41]研究了激光誘導熱裂切割厚度達4~19 mm的玻璃, 他們采用CO2激光(實際用20~100 W), 雙透鏡(柱鏡+球鏡)形成線形光斑(長約40~60 mm, 寬約1.5~2.5 mm), 輔以空氣-水混合冷卻法控制工藝過程中的開裂階段, 對800 mm800 mm4mm的玻璃進行了切割, 并對用機械、磨削及激光切割的6 mm厚玻璃的強度進行了比較, 得到激光誘導熱裂切割玻璃由于斷面無表面微裂紋, 質量較好, 其邊緣強度是傳統機械切割強度的5.5倍。

      斷面質量是影響板材強度的關鍵因素。對于雙層玻璃, 提升斷面質量的有效方法是使上下層同時得到加熱和冷卻。2014年, 韓國Choi等[42]提出在第一層玻璃下表面涂炭, 并通過脈沖YAG激光掃描該玻璃產生等離子體, 該等離子體作用在第二層玻璃上, 改變該層玻璃的光學特性, 同時產生局部的快速加熱和冷卻, 使得第二層玻璃開裂分離, 其原理如圖9所示。研究指出激光參數(激光能量與脈沖寬度)和兩層玻璃間的距離是影響切割質量的主要因素, 給出了一組最優參數,即當激光峰值功率密度為45~50 GW/cm2, 玻璃間距為150 μm, 脈沖寬度為4 ns時, 斷面的質量最好。

       
      關鍵詞: 玻璃切割 激光切割
      (文/小編)
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