玻璃鉆孔加工的當(dāng)前背景
玻璃具有良好的透明性和化學(xué)穩(wěn)定性，在生活中應(yīng)用非常廣泛。在醫(yī)療、化工、光伏等特種玻璃領(lǐng)域，隨著科技水平的發(fā)展，需求也在逐年增加。以下是一些常見玻璃的分類及其加工特性： 1. 鈉鈣玻璃、超白玻璃和K9玻璃 ● 鈉鈣玻璃（普通玻璃） ● 超白玻璃（低鐵玻璃） ● K9玻璃 這類型玻璃具有良好的韌性和硬度，適用于0-20mm厚度的鉆孔。 2. 高硼硅玻璃和石英玻璃 ● 高硼硅玻璃：透光性能優(yōu)異，熱膨脹系數(shù)極低。 ● 石英玻璃：常用于光學(xué)鏡頭，具有極高的硬度。 在加工這類型玻璃時，通常使用熱脹冷縮法或激光裂片法。隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，激光玻璃鉆孔逐漸成為一種新的加工選擇。對于高硬度玻璃的加工，需要使用高峰值功率的激光器。 3. 鋼化玻璃 鋼化玻璃是一種預(yù)應(yīng)力玻璃，通過化學(xué)或物理方法在表面形成壓應(yīng)力，從而提高玻璃的強(qiáng)度和承載能力。其抗風(fēng)壓性、耐寒暑性和抗沖擊性都得到了增強(qiáng)。然而，鋼化玻璃在加工后不能再進(jìn)行切割。當(dāng)鋼化玻璃破碎時，碎片呈蜂窩狀鈍角顆粒，減少了對人體的傷害。 不同玻璃類型在不同應(yīng)用場景下都有各自的優(yōu)勢和加工要求，選擇合適的加工方法和工具是確保加工質(zhì)量的關(guān)鍵。 激光玻璃鉆孔的優(yōu)勢 玻璃鉆孔是玻璃生產(chǎn)和深加工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其重要性不言而喻。目前，傳統(tǒng)的玻璃切割工藝主要包括刀具CNC切割和水刀CNC切割兩種方式。對于小型企業(yè)或預(yù)算有限的企業(yè)來說，這兩種傳統(tǒng)切割方式由于高昂的成本難以推廣使用。 激光玻璃鉆孔作為非接觸式加工，利用聚焦后的高能量密度的激光束將玻璃融化甚至氣化。激光利用玻璃的透光性將焦點聚焦在玻璃最底層，通過2.5D振鏡進(jìn)行高速掃描，從下往上將玻璃一層一層去除，可加工不同厚度不同種類的玻璃。激光切割玻璃除了初期成本投入外，無需后續(xù)的耗材成本，逐漸成為玻璃加工行業(yè)的重要選擇。
本次采用杰普特YDFLP-M8-200-S-W-V2激光器，搭配2.5D振鏡，以及三維切割軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行實驗，可以實現(xiàn)常規(guī)圓孔或異形玻璃的打孔切割。相對于傳統(tǒng)的機(jī)械鉆孔而言，這套系統(tǒng)加工效率高、維護(hù)成本低、熱影響小。
01 激光器參數(shù)對玻璃鉆孔的影響
①脈沖寬度對玻璃鉆孔的影響 下面是對超白玻璃進(jìn)行鉆孔實驗，圓的孔徑大小為10mm，厚度為3mm，分別采用6ns模式，9ns模式，12ns模式對應(yīng)的截止頻率測試脈寬對玻璃切割的影響。 圖1 不同脈寬和頻率切割的效果
圖2 崩邊平均值（左）和最大值（右）測量
通過實驗可以得出結(jié)論，9ns的崩邊平均值和崩邊最大值控制得最好，隨后是6ns同樣有著不錯的崩邊表現(xiàn)，12ns的崩邊平均值和最大值略大，分析原因是12ns下熱量堆積造成崩邊。合適的單脈沖能量和峰值功率對于控制崩邊有著重要的影響，相同脈寬下更高的單脈沖能量，更高的峰值功率有著更好的加工效果。 ②重復(fù)頻率對玻璃鉆孔的影響 通過實驗可以得出結(jié)論，重復(fù)頻率為截止頻率時，加工效率最高，加工時間減小降低了熱量堆積，崩邊相比90%和110%最小，截止頻率以下時輸出平均功率低導(dǎo)致效率偏低，截止頻率以上時單脈沖能量和峰值功率下降導(dǎo)致效率偏低。 ③功率對玻璃鉆孔的影響 激光器的功率影響著加工的效率和時間，為了進(jìn)一步探究激光器功率對效率的可觀影響，實驗采用同一參數(shù)僅改變功率百分比的方式進(jìn)行測試。參數(shù)選擇9ns 模式280k頻率，功率百分比設(shè)置為70%，80%，90%，測試3mm厚白玻璃鉆10mm直徑孔的效率。 通過實驗可以得出結(jié)論，隨著平均功率的提高，激光峰值功率提高，相同厚度相同孔徑鉆孔所需時間減小。 02 激光異形鉆孔實驗 激光器輸出激光束，振鏡電機(jī)通過高速移動實現(xiàn)激光束的高速移動，再經(jīng)過F-Theta透鏡聚焦到工作范圍，這種加工方式方便可控可調(diào)，為設(shè)備的自動化加工、集成一體化提供了一種具有競爭力的方案。 圖3 振鏡工作原理
下圖展示了使用YDFLP-200-M8-S-W-V2激光器異形鉆孔效果，崩邊均小于400微米，邊緣效果優(yōu)異。
圖4 異形鉆孔效果
03 不同厚度玻璃鉆孔實驗
在玻璃鉆孔行業(yè)，提高效率和降低成本是普遍的追求。解決行業(yè)痛點和難點是杰普特不懈發(fā)展的目標(biāo)。更大的單脈沖能量和更高的峰值功率顯著提升了加工效率。以下是使用YDFLP-200-M8-S-W-V2測試不同厚度和鉆孔直徑加工效率情況，僅供參考。
鉆孔厚度/直徑相對應(yīng)的加工時間
04 杰普特M8系列激光器 杰普特M8系列激光器采用主振蕩功率放大的MOPA結(jié)構(gòu)，自2021年推出以來，經(jīng)過多次迭代升級和優(yōu)化，針對不同應(yīng)用開發(fā)了多種功率等級的激光器。中低功率激光器（如20瓦、50瓦）適用于對熱量敏感材料的表面處理和刻蝕。中高功率激光器（100瓦至300瓦）在深度切割、深度雕刻和玻璃磨砂處理等高效率、高要求的應(yīng)用中表現(xiàn)出色。 圖5 YDFLP-200-M8-S-W-V2 外觀圖
在保持杰普特M7系列脈沖頻率獨立可調(diào)功能的基礎(chǔ)上，M8系列對脈沖峰值功率和光束質(zhì)量進(jìn)行了重點優(yōu)化。該系列在高功率工作條件下仍能保持優(yōu)異的光束質(zhì)量，峰值功率可達(dá)300KW。高效的M8系列激光器為工業(yè)自動化加工領(lǐng)域帶來了全新的高效加工方式。
圖6 YDFLP-200-M8-S-W-V2 性能指標(biāo)與峰值功率曲線
05 復(fù)雜材料特性應(yīng)用
根據(jù)M8系列高峰值激光器的特點，可以實現(xiàn)一些普通紅外光纖激光器無法做到的效果，比如在塑料上進(jìn)行打標(biāo)。常見的塑料種類很多，通常1064nm紅外光纖激光器被認(rèn)為不適合在塑料材料上打標(biāo)，普遍使用的是紫外固體激光器或CO2激光器。然而，高峰值激光器的低熱量特性使這種打標(biāo)成為可能。
圖7 POM塑料和ABS塑料打高對比度顏色效果
相比傳統(tǒng)接觸式加工中存在的各種問題，高峰值高功率激光器的非接觸式加工方式優(yōu)勢顯著。盡管初期投入較大，但后續(xù)加工的穩(wěn)定性更強(qiáng)，且持續(xù)投入更少。在加工具有復(fù)雜材料特性和物理特性的應(yīng)用，杰普特M8系列高峰值激光器憑借其優(yōu)異的光束質(zhì)量和可調(diào)的參數(shù)選擇，能夠輕松應(yīng)對并高質(zhì)量完成。
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