探索玻璃激光加工的现状和潜力

激光制造技术在过去十年中发展迅速，其主要应用领域是金属材料的激光加工。金属的激光切割、激光焊接和激光熔覆是金属激光加工中最重要的工艺。然而，随着激光产品集中度的提高，同质化现象日益严重，限制了激光市场的增长。因此，激光应用要想取得突破，必须拓展到新的材料领域。适合激光应用的非金属材料包括织物、玻璃、塑料、聚合物、陶瓷等。每种材料都涉及多个行业，但已有成熟的加工技术，激光替代并非易事。

进入非金属材料领域，需要分析激光与材料相互作用是否可行，是否会发生不良反应。目前，玻璃是激光批量加工应用的一个主要领域，具有高附加值和潜力。

玻璃激光切割空间大

玻璃是一种重要的工业材料，广泛应用于汽车、建筑、医疗和电子等各个行业。其应用范围广泛，从微米级的小型光学滤光片到汽车或建筑等行业使用的大型玻璃面板。

玻璃可分为光学玻璃、石英玻璃、微晶玻璃、蓝宝石玻璃等。玻璃的显著特性是脆性，这对传统的加工方法提出了巨大的挑战。传统的玻璃切割方法通常使用硬质合金或金刚石刀具，切割过程分为两个步骤：首先，使用金刚石刀具或硬质合金砂轮在玻璃表面制造裂纹；然后，采用机械方式沿裂纹线分离玻璃。然而，这些传统工艺存在明显的缺陷，效率相对较低，边缘不平整，通常需要二次抛光，并且会产生大量的碎屑和粉尘。此外，对于诸如在玻璃板中间钻孔或切割不规则形状等任务，传统方法也相当具有挑战性。这时，激光切割玻璃的优势就凸显出来了。2022年，中国玻璃行业销售收入约为7443亿元人民币。激光切割技术在玻璃行业的渗透率尚处于起步阶段，激光切割技术作为替代技术的应用空间巨大。

玻璃激光切割：从手机开始

玻璃激光切割通常采用贝塞尔聚焦头，在玻璃内部产生高峰值功率和高密度的激光束。通过将贝塞尔光束聚焦到玻璃内部，玻璃材料瞬间汽化，形成汽化区，汽化区迅速扩展，在玻璃上下表面形成裂纹。这些裂纹形成由无数微小孔隙点组成的切割断面，实现利用外部应力裂纹进行切割。

随着激光技术的显著进步，功率水平也不断提升。功率超过20W的纳秒绿光激光器可以高效切割玻璃，功率超过15W的皮秒紫外激光器可以轻松切割厚度在2毫米以下的玻璃。中国目前已有企业能够切割厚度达17毫米的玻璃。激光切割玻璃效率高，例如，在3毫米厚的玻璃上切割一块直径10厘米的玻璃片，激光切割仅需10秒左右，而机械刀切割则需要几分钟。激光切割边缘光滑，切口精度高达30微米，无需像一般工业产品那样进行二次加工。

激光切割玻璃的发展相对较新，大约始于六七年前。手机制造业是最早采用激光切割技术的企业之一，其摄像头玻璃盖板就采用了激光切割技术，并随着激光隐形切割设备的推出而迎来了蓬勃发展。随着全面屏智能手机的普及，整块大屏幕玻璃面板的精密激光切割显著提升了玻璃加工产能。激光切割已成为手机玻璃部件加工的普遍趋势。这主要得益于手机盖板玻璃激光加工自动化设备、摄像头保护镜片激光切割设备以及玻璃基板激光钻孔智能设备的出现。

车载电子屏幕玻璃逐步采用激光切割

车载屏幕耗费大量的玻璃面板，尤其中控屏、导航、行车记录仪等。如今，许多新能源汽车都配备了智能系统和超大尺寸的中控屏，智能系统已成为汽车的标配，大屏、多屏、3D曲面屏逐渐成为市场主流。车载屏幕玻璃盖板因其优异的特性而被广泛应用，一块优质的曲面屏玻璃能够为汽车行业提供更极致的体验。然而，玻璃的高硬度和脆性给加工带来了挑战。

车载玻璃屏幕精度要求高，组装结构件公差很小。方形/条形屏幕切割时尺寸误差较大，容易导致装配问题。传统加工方式需要经过砂轮切割、手工掰片、CNC整形、倒角等多道工序，由于属于机械加工，存在效率低、质量差、良率低、成本高等问题。砂轮切割后，单个汽车中控盖板玻璃形状的CNC加工时间长达8-10分钟。采用100W以上的超快激光器，一块17mm玻璃可一次性切割完成，多道生产工序集成，效率提升80%，1台激光器相当于20台CNC机床，大大提高生产效率，降低单位加工成本。

激光在玻璃中的其他应用

石英玻璃结构特殊，激光难以进行劈裂切割，而飞秒激光可以用于石英玻璃的刻蚀，这是飞秒激光在石英玻璃上进行精密加工和刻蚀的一种应用。飞秒激光技术是近年来发展迅速的先进加工技术，具有极高的加工精度和速度，能够在各种材料表面进行微米到纳米级的刻蚀加工。激光冷却技术随着市场需求的变化而变化。作为一家经验丰富的冷水机制造商，TEYU冷水机制造商会根据市场趋势更新我们的冷水机生产线，其CWUP系列超快激光冷水机可以为高达60W的皮秒和飞秒激光器提供高效稳定的冷却解决方案。

玻璃激光焊接是近两三年兴起的新技术，最初出现在德国，目前国内仅有华工激光、西安光机所、哈尔滨海特焊接技术等少数单位突破了该项技术。在高功率、超短脉冲激光器作用下，激光产生的压力波可以在玻璃中产生微裂纹或应力集中，从而促进两片玻璃之间的结合。焊接后结合的玻璃非常牢固，目前已经可以实现3mm厚玻璃之间的紧密焊接。未来，研究人员也在关注玻璃与其他材料的堆焊。目前，这些新工艺尚未得到大规模批量应用，但一旦成熟，无疑将在一些高端应用领域发挥重要作用。