探索玻璃雷射加工的現狀和潛力

過去十年，雷射製造技術發展迅猛，其主要應用領域是金屬材料的雷射加工。金屬的雷射切割、雷射焊接和雷射熔覆是金屬雷射加工中最重要的工藝之一。然而，隨著市場集中度的提高，雷射產品的同質化現像日益嚴重，限制了雷射市場的成長。因此，為了突破這一瓶頸，雷射應用必須拓展到新的材料領域。適用於雷射加工的非金屬材料包括織物、玻璃、塑膠、聚合物、陶瓷等等。每種材料都涉及多個行業，但現有的加工技術已經相當成熟，因此雷射取代傳統加工方式並非易事。

要進入非金屬材料領域，必須分析雷射與該材料相互作用是否可行，以及是否會發生不良反應。目前，玻璃因其高附加價值和批量雷射加工應用潛力而脫穎而出，成為重點研究領域。

寬敞的玻璃雷射切割空間

玻璃是一種重要的工業材料，廣泛應用於汽車、建築、醫療和電子等各個行業。其應用範圍從微米級的小型光學濾波器到汽車或建築等行業使用的大型玻璃面板。

玻璃可分為光學玻璃、石英玻璃、微晶玻璃、藍寶石玻璃等。玻璃的顯著特徵是脆性，這對傳統的加工方法提出了巨大的挑戰。傳統的玻璃切割方法通常使用硬質合金或鑽石刀具，切割過程分為兩個步驟。首先，使用鑽石刀具或硬質合金砂輪在玻璃表面產生裂痕。其次，採用機械方法沿裂紋線分離玻璃。然而，這些傳統工藝有明顯的缺點。它們效率相對較低，切割邊緣不平整，通常需要二次拋光，並且會產生大量的碎屑和粉塵。此外，對於在玻璃面板中間鑽孔或切割不規則形狀等任務，傳統方法也難以勝任。而雷射切割玻璃的優勢正體現在這裡。 2022年，中國玻璃產業的銷售收入約為7,443億元。雷射切割技術在玻璃產業的滲透率仍處於起步階段，這表明雷射切割技術作為一種替代工藝，具有巨大的應用潛力。

玻璃雷射切割：從手機開始

玻璃雷射切割通常採用貝塞爾聚焦頭，在玻璃內部產生高功率、高密度的雷射光束。透過將貝塞爾光束聚焦在玻璃內部，可以瞬間汽化材料，形成汽化區，該汽化區迅速擴展，在玻璃的上下表面形成裂縫。這些裂紋構成了由無數微小孔隙組成的切割區域，從而實現透過外部應力裂紋進行切割。

隨著雷射技術的顯著進步，雷射功率也大幅提升。功率超過20W的奈秒綠光雷射可以有效率地切割玻璃，而功率超過15W的皮秒紫外雷射可輕鬆切割厚度小於2mm的玻璃。一些中國企業甚至能夠切割厚度達17mm的玻璃。雷射切割玻璃具有極高的效率。例如，切割一塊直徑10cm、厚度3mm的玻璃，雷射切割僅需約10秒，而機械切割則需要數分鐘。雷射切割邊緣光滑，切口精度可達30μm，一般工業產品無需二次加工。

雷射切割玻璃是一項相對較新的技術，大約在六、七年前才開始應用。手機製造業是最早採用這項技術的行業之一，他們將雷射切割應用於相機玻璃蓋板，並在雷射隱形切割設備的推出後經歷了快速發展。隨著全面螢幕智慧型手機的普及，對整塊大螢幕玻璃面板進行精確的雷射切割顯著提升了玻璃加工能力。如今，雷射切割已成為手機玻璃組件加工的常用技術。這一趨勢主要得益於用於手機蓋板玻璃雷射加工的自動化設備、用於相機保護鏡片的雷射切割設備以及用於雷射鑽孔玻璃基板的智慧型設備。

車載電子螢幕玻璃正逐步採用雷射切割技術

車載螢幕消耗大量玻璃面板，尤其是中控螢幕、導航系統、行車記錄器等。如今，許多新能源汽車都配備了智慧系統和超大尺寸的中控螢幕。智慧型系統已成為汽車標配，大尺寸多螢幕以及3D曲面螢幕正逐漸成為市場主流。車載螢幕的玻璃面板因其優異的特性而被廣泛應用，高品質的曲面屏玻璃能夠為汽車行業帶來更極致的體驗。然而，玻璃的高硬度和脆性給加工帶來了挑戰。

車載玻璃螢幕對精準度要求極高，組裝結構件的公差也非常小。切割方形/條形螢幕時，較大的尺寸誤差會導致組裝問題。傳統的加工方法包括砂輪切割、手工斷裂、數控成型和倒角等多個步驟。由於是機械加工，因此有效率低、品質差、成品率低、成本高等問題。砂輪切割後，對單一汽車中控面板玻璃進行數控加工可能需要8-10分鐘。而使用功率超過100W的超高速雷射器，一次即可切割17mm厚的玻璃；多道工序的整合可將效率提高80%，一台雷射器相當於20台數控機床。這大大提高了生產效率，並降低了單位加工成本。

雷射在玻璃中的其他應用

石英玻璃具有獨特的結構，難以以雷射進行分割切割，但飛秒雷射可用於石英玻璃的蝕刻。這是飛秒雷射在石英玻璃精密加工和蝕刻方面的應用實例。飛秒雷射技術是近年來快速發展的先進加工技術，具有極高的加工精度和速度，能夠在各種材料表面進行微米級到奈米級的蝕刻和加工。雷射冷卻技術隨著市場需求的變化而不斷更新。作為一家經驗豐富的冷卻器製造商，我們始終致力於不斷更新我們的技術。水冷機生產線順應市場趨勢，TEYU 冰水機製造商的 CWUP 系列超快雷射冷水機可為功率高達 60W 的皮秒和飛秒雷射提供高效穩定的冷卻解決方案。

玻璃雷射焊接是一項近兩三年興起的新技術，最初出現在德國。目前，國內只有少數幾家單位，如華工雷射、西安光學精密機械研究所和哈爾濱Hit Weld技術有限公司，掌握了這項技術。在高功率、超短脈衝雷射的作用下，雷射產生的壓力波可以在玻璃中形成微裂紋或應力集中，從而促進兩片玻璃之間的結合。焊接後的玻璃非常牢固，目前已經可以實現3mm厚玻璃之間的緊密焊接。未來，研究人員也將致力於玻璃與其他材料的疊層焊接。目前，這些新工藝尚未大規模應用，但一旦成熟，無疑將在一些高端應用領域發揮重要作用。