一种石英玻璃激光三维切割除料方法及设备技术

本发明专利技术公开了一种石英玻璃激光三维切割除料方法及设备，属于石英玻璃激光切割除料领域。该方法采用纳秒激光从上表面到下表面切割石英玻璃，切割激光频率为30kHz～60kHz，加工路径每次加工下降高度小于0.04mm；切割轨迹为螺旋线轨迹，具体地，激光光斑在加工路径上沿螺旋线前进，螺旋线宽度为0.4mm～0.8mm，重叠率为55％～80％，切割速度为100mm/s～380mm/s。本发明专利技术巧妙地改变了激光切割方向，颠覆了传统对透明物质切割方向需从下往上的认知，结合工艺改进实现了较大厚度的石英玻璃激光高效切割，加工厚度可达1mm以上，同时减少磨抛等后处理工艺的使用，节约加工成本。

A method and equipment for three-dimensional cutting of quartz glass by laser

【技术实现步骤摘要】
一种石英玻璃激光三维切割除料方法及设备
本专利技术属于石英玻璃激光切割除料领域，更具体地，涉及一种石英玻璃激光三维切割除料方法及设备。
技术介绍
石英玻璃在日常生活和科学科研方面有着广泛的运用，在半导体、医疗设备、光学仪器等领域占据着重要乃至主导地位。石英玻璃的性能很好，它的线膨胀系数是普通玻璃的十分之一到二十分之一，可耐1200℃的高温，光透过率可达到93％。但在石英玻璃广泛的运用背景之下，却是效率相对较低的机械切割并加以打磨抛光的加工方式。在石英玻璃越来越薄的背景下，传统机械加工难以满足加工要求。近年来，激光加工是一个热点，激光加工凭借其非接触、边沿没有微裂纹、不需要后续清洗打磨等优点而进入玻璃激光加工领域。并且激光加工速度更快，效率更高。激光玻璃加工的原理是使激光聚焦在加工玻璃表面，对玻璃表面进行加热，致表面产生较大的热压应力，控制该压力使其不足以使玻璃产生破裂，然后对该区域进行急剧冷却，使该处产生较大的温度梯度和拉应力，而后在拉应力的作用下，玻璃按照预定方向开始破裂从而实现加工。但对于石英玻璃来说，引入激光加工却并不像浮法玻璃和压延玻璃一样容易。石英玻璃有着更高的熔沸点，且脆性远大于已经运用领域的玻璃，在加工的过程中很容易产生微裂纹和崩边。因此，现在常见的石英玻璃加工方式为机械加工，通常对于精细程度较高石英玻璃加工的采用计算机数字化控制精密机械加工。但这种加工方式任然难以解决加工过程中微裂纹的产生，并且很容易出现崩边等问题。因此，在后续的加工过程中，还需要进行抛光打磨等工艺，以达到生产需求，这就相对降低了加工效率。现在有少量的激光加工石英玻璃工艺，通常采用飞秒或者皮秒激光器，这是因为皮秒和飞秒激光器相比于纳秒激光器光斑小，热影响区较小，相对来说更不易产生微裂纹和崩边。但是，一方面，皮秒和飞秒激光器的成本远高于纳秒激光器，在工业生产中，需要尽量降低成本；另一方面，现有石英玻璃激光加工工艺即使在使用加工精度较高的皮秒和飞秒激光器的情况下，加工厚度也基本只能控制在0.3mm以下，而且很容易产生崩边，甚至直接使石英玻璃出现炸裂的情况，对于石英玻璃厚度大于0.5mm的情况不能解决。因此，如何提高石英玻璃激光加工厚度及工艺质量，同时降低加工成本，称为当前亟待解决的问题。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种石英玻璃纳秒激光三维切割除料方法及设备，其目的在于，通过加工方向及加工工艺的改进，实现0.5mm以上厚度石英玻璃的纳秒无损激光切割，由此解决现有技术中石英玻璃厚度大于0.5mm的情况容易产生崩边甚至炸裂、工艺成本高昂的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种石英玻璃激光三维切割除料方法，采用纳秒激光从上表面到下表面切割石英玻璃，切割激光频率为30kHz～60kHz，加工路径每次加工下降高度小于0.04mm；切割轨迹为螺旋线轨迹，具体地，激光光斑在加工路径上沿螺旋线前进，螺旋线宽度为0.4mm～0.8mm，重叠率为55％～80％，切割速度为100mm/s～380mm/s。进一步地，加工路径下降方式为螺旋下降；或者，加工路径为逐层下降的等距同心切割线，同一层的相邻同心切割线间距小于0.05mm。进一步地，所述纳秒激光为绿光。按照本专利技术的另一方面，提供了一种石英玻璃激光三维切割除料方法，采用纳秒激光从上表面到下表面切割石英玻璃，切割激光频率为30kHz～60kHz，加工路径每次加工下降高度小于0.04mm；加工路径为同心切割线，具体地，在待切割的区域范围内填上若干等距同心切割线，相邻同心切割线间距小于0.05mm，切割速度3000mm/s～5000mm/s。进一步地，每次加工下降方式为逐层下降，其中，每层的等距同心切割线在同一平面上，该平面按照预设的下降高度逐次下降，从而层间切割线不相交。进一步地，同心切割线的形状与待切割的区域轮廓相同。进一步地，待切割区域为圆形，同心切割线为同心圆。进一步地，所述纳秒激光为绿光。按照本专利技术的另一方面，提供了一种石英玻璃激光三维切割除料方法，将如前任意一项所述的石英玻璃激光三维切割除料方法中的纳秒激光替换为飞秒或皮秒激光。按照本专利技术的另一方面，提供了一种用于实现如前任意一项所述石英玻璃激光三维切割除料方法的设备。总体而言，本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1、本专利技术巧妙地改变了激光切割方向，颠覆了传统对透明物质切割方向需从下往上的认知，结合工艺改进实现了较大厚度的石英玻璃激光高效切割，加工厚度可达1mm以上。相比于使用飞秒、皮秒加工石英玻璃，本专利技术选取的加工方向和加工工艺可以采用纳秒绿光加工获得边缘质量良好的石英玻璃孔，大大降低了成本，对于超高精度加工要求，也可以兼容使用飞秒、皮秒加工，由于成品率大大提升，同样能够节约成本。2.传统的激光加工玻璃设备为便于除尘，都是采用从下往上加工的方式，以使玻璃粉末脱落过程中不干扰激光路径，本专利技术通过改变加工方向，巧妙地解决了激光加工石英玻璃过程中的崩边、炸裂问题，实现了激光高质量加工石英玻璃。经测试，在不做除尘处理的情况下，采用本专利技术的加工方向及工艺参数，通过纳秒激光加工的1mm石英玻璃板粗糙度Rz整体上稳定在40μm以下，粗糙度Ra稳定在3.1μm～3.9μm，最大不超过5μm。3.采用本专利技术的方案对石英玻璃进行激光加工之后不再需要后续的抛光打磨等工序，大大缩短了生产线，减少了人力使用，提高了生产效率，降低了生产成本。附图说明图1是本专利技术实施例1的加工方向、加工路径与现有技术的对比图，其中，a为本专利技术的从上往下切割方向示意，b为现有技术从下往上切割方向示意，c为加工路径，本实施例为螺旋下降路径；图2和图3是两种不同重叠率的螺旋线切割轨迹示意图；图4是螺旋线切割轨迹的加工路径拟合示意图，其中，c是加工路径；d是激光光斑的实际轨迹，为螺旋线切割轨迹；w是螺旋线宽度，L是螺旋线的螺距，l是重叠宽度；加工路径c与螺旋线切割轨迹d共面；图5是采用本专利技术的方法切割得到的1mm厚的石英玻璃成品图；图6是采用传统方法切割得到的1mm厚的石英玻璃成品图；图7中的(a)～(d)是四种不同的同心切割路径示意，其中实线是待加工区域的轮廓线，虚线是同心切割路径；图7最外圈的矩形实线为石英玻璃外轮廓。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本专利技术采用从上表面到下表面切割石英玻璃的方法，激光加工路径包括螺旋线切割和同心轨迹切割两种，螺旋线切割是指激光光斑沿着切割轨迹沿螺旋线前进，而同心轨迹切割是指在需要切割的区域的轮廓范围内填上若干等距同心切割线，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石英玻璃激光三维切割除料方法，其特征在于，采用纳秒激光从上表面到下表面切割石英玻璃，切割激光频率为30kHz～60kHz，加工路径每次加工下降高度小于0.04mm；切割轨迹为螺旋线轨迹，具体地，激光光斑在加工路径上沿螺旋线前进，螺旋线宽度为0.4mm～0.8mm，重叠率为55％～80％，切割速度为100mm/s～380mm/s。/n

【技术特征摘要】
1.一种石英玻璃激光三维切割除料方法，其特征在于，采用纳秒激光从上表面到下表面切割石英玻璃，切割激光频率为30kHz～60kHz，加工路径每次加工下降高度小于0.04mm；切割轨迹为螺旋线轨迹，具体地，激光光斑在加工路径上沿螺旋线前进，螺旋线宽度为0.4mm～0.8mm，重叠率为55％～80％，切割速度为100mm/s～380mm/s。


2.如权利要求1所述的一种石英玻璃激光三维切割除料方法，其特征在于，加工路径下降方式为螺旋下降；或者，加工路径为逐层下降的等距同心切割线，同一层的相邻同心切割线间距小于0.05mm。


3.如权利要求1或2所述的一种石英玻璃激光三维切割除料方法，其特征在于，所述纳秒激光为绿光。


4.一种石英玻璃激光三维切割除料方法，其特征在于，采用纳秒激光从上表面到下表面切割石英玻璃，切割激光频率为30kHz～60kHz，加工路径每次加工下降高度小于0.04mm；加工路径为同心切割线，具体地，在待切割的区域范围内填上若干等距同心切割线，相邻同心切...

【专利技术属性】
技术研发人员：荣佑民，董浩宇，黄禹，李健垚，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42