一文深度探讨玻璃激光加工的现状与潜力

  在过去的十年中，激光加工技术经历了快速的发展，尤其是在金属材料加工领域，如激光切割、焊接和熔覆等工艺已得到了广泛的应用和深入的开发。然而，随市场竞争的加剧，激光产品逐渐呈现出同质化的趋势，这在某些特定的程度上限制了激光市场的进一步增长。

  为了打破这一局限，激光技术的应用需要向新的材料领域拓展。除了金属材料外，激光技术同样适用于加工多种非金属材料，包括布匹纤维、玻璃、塑料、聚合物和陶瓷等。这些材料在多个行业中都有应用，但它们各自已有成熟的加工技术，因此激光技术想要在这些领域取得突破并非易事。

  要成功进入某一非金属材料加工领域，必须从实际出发，深入分析激光与材料之间的相互作用，以及激光工艺流程中可能会产生的不良反应。目前，玻璃材料因其高的附加价值和潜在的大规模激光加工应用前景，被视为激光技术应用的一个重要领域。

  玻璃作为一种关键的工业材料，在国家的经济发展中扮演着多面的角色。它被大范围的应用于多个行业，包括但不限于汽车制造、建筑、医疗设施、显示技术和电子消费品等。从微小的尺度来看，玻璃被用来制造精密的光学滤波器，这些滤波器的尺寸可能仅有几微米，它们是笔记本电脑和平板显示器中不可或缺的组成部分。而从更大的尺度来看，玻璃也被用于汽车和建筑行业中的大尺寸玻璃板的生产，这些玻璃板在大规模制作的完整过程中发挥着及其重要的作用。无论是在高科技产品还是日常建筑中，玻璃都以其独特的物理和化学特性，为各行各业的发展提供了坚实的物质基础。

  玻璃可大致分为光学玻璃、石英玻璃、微晶玻璃、蓝宝石玻璃等类型。玻璃显著的特点是硬脆性，给传统加工带来非常大的困难。传统玻璃切割手段一般会用硬质合金或金刚石刀具，其切割流程分为两个步骤。第一步，先用金刚石刀尖或硬质合金砂轮在玻璃的表面产生一条裂纹；第二步就是采用机械手段将玻璃沿着裂纹线分割开。

  这些传统工艺目前看来缺点是显而易见的，一种原因是加工效率较低，而且切边不平滑，通常要二次打磨，而且还带来很多碎屑粉尘；另一方面是对于对于玻璃板中间开孔，又或者是一些异形切割，是很不容易处理，在这一方面激光切割玻璃的优势就很明显了。

  2022年我国玻璃行业出售的收益约7443亿元。玻璃切割的激光工艺渗透率还处于初始阶段，激光切割应用的替代空间非常大。

  玻璃的激光切割技术一般会用贝塞尔聚焦头来实现。这种技术利用贝塞尔光束产生的高功率和高功率密度激光，能够在玻璃内部形成焦点，使该区域的材料瞬间气化，形成一个气化带。这个气化带会迅速向玻璃的上下表面扩散，形成一个裂孔。

  切割过程是通过在玻璃内部形成无数细小的孔点，这些孔点组成了切割截面，最终通过施加外部应力使得材料沿切割截面断裂，以此来实现切割。这种方法不仅提高了切割的精度和效率，而且减少了对材料的损伤，是玻璃加工领域中的一项重要技术。

  如今激光器技术有了很大的突破，功率方面也提升了很多，纳秒绿光激光器20W以上的，可以很好地切割玻璃，15W以上的皮秒紫外激光器，可轻松切割2mm以下厚度的玻璃，目前已知国内已经有公司能够做17mm厚度的玻璃切割。采取了激光切割玻璃效率非常高，假设要在一块3mm厚玻璃上切割直径10厘米的玻璃片，机械刀要花费几分钟，而激光切割只需要10多秒；切割边沿平滑，崩边精度可达30μm，对于一般性的工业产品要求，基本上不需要二次打磨加工。

  采取了激光切割玻璃，是最近六七年才逐渐开始的，较早展开的行业是手机制造，在激光的摄像头玻璃盖板上采用了激光切割，后来行业内有一款激光隐形切割设备火了一阵。手机全面屏流行后，整版大屏玻璃采用激光精密切割，玻璃加工产能得到大幅度的提高，如今在手机产品上涉及玻璃的部件采取了激光切割已经是标配。

  这一手机消费产品带动的主要有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，玻璃基板激光打孔智能装备等。

  车载汽车屏幕消耗很多玻璃板，特别是中控屏、导航仪、行车记录仪等。现在许多新能源汽车采用了智能系统与超大幅面中控屏。智能系统成为汽车的标配，大屏多屏、3D曲面屏正逐步成为市场主流。车载盖板玻璃凭借着优异特性而大范围的应用于车载显示屏，一款优质的车载曲面屏玻璃可以为汽车行业带来更极致的体验。高硬度、高脆性的玻璃对加工来说却是一个难题。

  车载玻璃屏要求精度较高，装配的结构件的公差很小，如果方形/条形屏切割的时候尺寸误差大会导致装配不了。传统加工方式需要刀轮开料、人工掰片、CNC外形、倒角磨边等多个工序加工，由于是机械式加工，因此存在效率低、质量差、良率低、成本高的问题。刀轮开料后，CNC加工一片汽车中控盖板玻璃外形耗时长达8-10分钟。100W以上功率的超快激光器，实现17mm玻璃一刀切；整合多个生产工序，效率提升80%，1台激光=20台CNC。极大提升了产能，降低了单位加工成本。

  石英玻璃因其独特的分子结构，使得传统的激光切割方法难以实现有效的分裂。然而，飞秒激光技术为石英玻璃的精细加工提供了一种新的解决方案。飞秒激光能够在石英玻璃表明上进行精细的刻蚀，这种技术利用了飞秒激光的超短脉冲特性，能够在极短的时间内释放巨大的能量，实现对材料的非热性加工。

  飞秒激光技术自问世以来发展迅速，以其卓越的加工精度和速度，能够在包括石英玻璃在内的多种材料表明上进行微米乃至纳米级别的精细加工。这种技术的应用场景范围广泛，从微电子到生物医学领域，都能看到飞秒激光技术的身影。它不仅提高了加工效率，还极大地拓展了材料加工的可能性，为精密制造领域带来了革命性的变化。

  激光焊接玻璃则是近两三年才出现的一项新技术，最早出现在德国，目前国内也仅有少数几个单位突破了这项技术。焊接后的玻璃粘合非常牢固，已能做到3mm厚度玻璃之间的紧密焊接。未来，研究人员还在关注玻璃与其它材料的搭接焊。目前这些新工艺尚未形成批量应用，但未来工艺成熟后，必将在一些高端应用领域发挥及其重要的作用。