多焦点激光分离夹层玻璃技术及工艺研究

发布时间：2020-04-10 16:19

【摘要】：夹层玻璃材料由于诸多优异的特性而广泛应用于建筑、汽车、航空航天等领域。然而现阶段对于夹层玻璃的加工,仍然停留在使用锯切或金刚石划线后机械力分离的传统机械方法。不仅切割效率低、切缝质量差,还需后续磨边等工艺处理,完全不能满足高质量、高效率的应用需求。激光热裂纹控制法具有切割分离截面平整、无表面缺陷、无需进一步研磨与清洗等优点,但由于单个激光聚焦点加工受限于材料厚度,无法用于多层结构的夹层玻璃激光切割。本论文针对典型夹层玻璃复合材料,提出了一种多焦点激光切割分离夹层玻璃的创新方法。该方法是基于激光热裂纹控制法和熔化/气化原理,利用多个环形聚焦镜片组成多焦点透镜,沿夹层玻璃厚度方向形成多个激光焦点,使每层不同性质透明材料获得不同的激光能量密度,同时实现不同机理的切割分离,如对于脆性透射材料(玻璃和晶体等)可采用热裂纹控制方法进行切割分离,而对非脆性透射材料(PVB等高分子材料)则采用熔化/气化去除方法进行切割分离,从而实现对夹层玻璃复合材料高质量和一次性整体切割分离。通过理论计算与ZEMAX光学设计软件模拟相结合的方式,设计了能形成三个焦点的光路系统,并将理论计算、软件模拟与实际空气介质中焦点位置、能量分布对比验证系统设计准确性。利用多焦点激光加工系统进行了5mm+5mm、3mm+3mm夹层玻璃的切割分离实验。实验结果表明通过调整激光功率、切割速度、焦点位置等参数,可以得到分离表面平整光滑,无亚表面损伤,粗糙度小的高质量分离截面,有效解决了单个激光焦点热裂纹分离无法切割分离夹层玻璃的问题。并且利用该方法成功切割分离厚度为10-20mm的单层玻璃、超白玻璃等透明脆性材料,证明多焦点激光切割分离厚透明脆性材料的可行性,具有很大的应用前景。
【图文】：

示意图,夹层玻璃,激光,示意图

激光光束直径小易透过切缝接触膜层，激光头灵活可控，提高整体率的同时节省了能量。这种方法在夹层玻璃机械自动化切割台的基础上利特性进行了一定改进，然而本质上还是通过机械力对两层玻璃进行分离，克服传统机械切割方法的问题。Yoshiharu MIWA[48]等人申请了激光直接分离夹层玻璃的专利，如下图 1-5 要针对较薄夹层玻璃（厚度不大于 1mm），利用激光单个焦点配合辅助气体玻璃切割。激光束经聚焦镜汇聚置焦点于夹层玻璃中，该焦点有一最优位置璃总厚度的 60%至 80%，即 0.6D＜d＜0.8D），使得焦点能量能够足够传递玻璃，避免出现最下层玻璃无法有效切割或者上层玻璃已经炸裂的情况。激光功率/激光扫描速度为 0.01 0.1W.min/mm 时，可获得较好的切割质量利用双激光束对射切割分离夹层玻璃的方法。但这种方法在面对较厚夹层割时，不仅玻璃层厚度增加，中间胶层厚度也相应增加，单个焦点很难控向的裂纹走向，因而往往无法实现切割分离。

示意图,示意图,曲率半径,双焦点

华中科技大学硕士学位论文提高整体加工效率，提出了在光轴方向上实现多个焦点的新型加工方式，即利用同轴的多个焦点扩展聚焦作用区域，使得激光束作用于材料厚度方向上能量吸收均衡。FORCE Institute 公司率先提出激光双焦点的加工方式，如图 1-8 所示，通过改变透镜不同区域的曲率半径实现同一镜片产生不同焦距的特性，令双焦镜片中心部分（直径为 2h 部分）曲率半径较大以实现较长距离聚焦，而透镜其余部分曲率半径则较小以实现较短距离聚焦，激光束作用于该镜片时，中心部分与外围部分各产生一个焦点形成双焦点。S.E.Nielsen[52]及 J.POWELL[53]等利用双焦点透镜进行实际加工研究，发现其在金属材料加工上对比激光单焦点方法有明显提升，不但扩展了材料加工厚度，，提高了加工速度，材料厚度方向上加工质量也得到一定改善。但是双焦透镜依然存在一定问题，两个焦点仍略显不足，能量分布情况不宜控制，且在同一片透镜上实现不同曲率半径加工难度很大，目前还未大量推广应用。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ171.727

【参考文献】