探索玻璃雷射加工的現狀和潛力

雷射製造技術在過去十年中發展迅速，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。然而，隨著雷射產品集中度的提高，同質化現像日益嚴重，限制了雷射市場的成長。因此，雷射應用要取得突破，必須拓展到新的材料領域。適合雷射應用的非金屬材料包括織物、玻璃、塑膠、聚合物、陶瓷等。每種材料都涉及多個行業，但已有成熟的加工技術，雷射替代品並非易事。

進入非金屬材料領域，需要分析雷射與材料相互作用是否可行，是否會發生不良反應。目前，玻璃是雷射批量加工應用的一個主要領域，具有高附加價值和潛力。

玻璃雷射切割空間大

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。其應用範圍廣泛，從微米級的小型光學濾光片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。玻璃的顯著特性是脆性，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製造裂縫；然後，以機械方式沿著裂紋線分離玻璃。然而，這些傳統工藝有明顯的缺陷，效率相對較低，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，對於諸如在玻璃板中間鑽孔或切割不規則形狀等任務，傳統方法也相當具有挑戰性。這時，雷射切割玻璃的優勢就凸顯出來了。 2022年，中國玻璃產業銷售收入約7,443億元。雷射切割技術在玻璃產業的滲透率尚處於起步階段，雷射切割技術作為替代技術的應用空間巨大。

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，在玻璃內部產生高峰值功率和高密度的雷射光束。透過將貝塞爾光束聚焦到玻璃內部，玻璃材料瞬間汽化，形成汽化區，汽化區迅速擴展，在玻璃上下表面形成裂縫。這些裂紋形成由無數微小孔隙點組成的切割斷面，實現利用外部應力裂紋進行切割。

隨著雷射技術的顯著進步，功率等級也不斷提升。功率超過20W的奈秒綠光雷射可以高效切割玻璃，功率超過15W的皮秒紫外線雷射可以輕鬆切割厚度在2毫米以下的玻璃。中國目前已有企業能夠切割厚度達17毫米的玻璃。雷射切割玻璃效率高，例如，在3毫米厚的玻璃上切割一塊直徑10公分的玻璃片，雷射切割僅需10秒左右，而機械刀切割則需要幾分鐘。雷射切割邊緣光滑，切口精度高達30微米，無需像一般工業產品一樣進行二次加工。

雷射切割玻璃的發展相對較新，大約始於六、七年前。手機製造業是最早採用雷射切割技術的企業之一，其相機玻璃蓋板就採用了雷射切割技術，並隨著雷射隱形切割設備的推出而迎來了蓬勃發展。隨著全面螢幕智慧型手機的普及，整塊大螢幕玻璃面板的精密雷射切割顯著提升了玻璃加工產能。雷射切割已成為手機玻璃零件加工的普遍趨勢。這主要得益於手機蓋板玻璃雷射加工自動化設備、相機保護鏡片雷射切割設備以及玻璃基板雷射鑽孔智慧型裝置的出現。

車載電子螢幕玻璃逐步採用雷射切割

車載螢幕耗費大量的玻璃面板，尤其中控螢幕、導航、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屏，智慧系統已成為汽車的標配，大屏、多屏、3D曲面屏逐漸成為市場主流。車載螢幕玻璃蓋板因其優異的特性而被廣泛應用，一塊優質的曲面屏玻璃能夠為汽車行業提供更極致的體驗。然而，玻璃的高硬度和脆性給加工帶來了挑戰。

車載玻璃螢幕精度要求高，組裝結構零件公差很小。方形/長條螢幕切割時尺寸誤差較大，容易導致組裝問題。傳統加工方式需經過砂輪切割、手工掰片、CNC整形、倒角等多道工序，由於屬於機械加工，有效率低、品質差、良率低、成本高等問題。砂輪切割後，單車中控蓋板玻璃形狀的CNC加工時間長達8-10分鐘。採用100W以上的超快雷射器，一塊17mm玻璃可一次切割完成，多道生產工序集成，效率提升80%，1台雷射器相當於20台CNC機床，大幅提高生產效率，降低單位加工成本。

雷射在玻璃中的其他應用

石英玻璃結構特殊，雷射難以進行劈裂切割，而飛秒雷射可用於石英玻璃的刻蝕，這是飛秒雷射在石英玻璃上進行精密加工和刻蝕的一種應用。飛秒雷射技術是近年來發展迅速的先進加工技術，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到奈米級的蝕刻加工。雷射冷卻技術隨著市場需求的變化而變化。作為一家經驗豐富的冰水機製造商，TEYU冷水機製造商會根據市場趨勢更新我們的冰水機生產線，其CWUP系列超快雷射冷水機可以為高達60W的皮秒和飛秒雷射器提供高效穩定的冷卻解決方案。

玻璃雷射焊接是近兩三年興起的新技術，最初出現在德國，目前國內僅有華工雷射、西安光機所、哈爾濱海特焊接技術等少數單位突破了該技術。在高功率、超短脈衝雷射作用下，雷射產生的壓力波可以在玻璃中產生微裂紋或應力集中，從而促進兩片玻璃之間的結合。焊接後結合的玻璃非常牢固，目前已經可以實現3mm厚玻璃之間的緊密焊接。未來，研究人員也關注玻璃與其他材料的堆焊。目前，這些新製程尚未大規模批量應用，但一旦成熟，無疑將在一些高端應用領域發揮重要作用。