激光加工制造技術(shù)過去十多年發(fā)展迅猛，最主要的應(yīng)用是金屬材料的激光加工被充分挖掘，金屬的激光切割、焊接與熔覆加工等都是金屬激光加工的最重要的工藝。隨著集中度變高，激光產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重，成為了激光市場增長的局限。因此激光應(yīng)用要突破就要拓寬新的材料應(yīng)用端，激光適用的非金屬材料還有布匹纖維、玻璃、塑膠、聚合物、陶瓷等類型，每一種材料都涉及多個產(chǎn)業(yè)，但是早已有成熟的加工工藝，激光要進(jìn)行替代并非容易。
要介入某非金屬材料領(lǐng)域，還要從實際分析激光與材料是否容易發(fā)生作用，是否會附帶產(chǎn)生不良反應(yīng)。目前來看，玻璃是具有高附加值以及是激光潛在批量加工應(yīng)用的一大領(lǐng)域。
玻璃是一種重要的產(chǎn)業(yè)材料，應(yīng)用在國民經(jīng)濟(jì)的諸多行業(yè)，如汽車業(yè)、建筑業(yè)、醫(yī)療、顯示器、電子產(chǎn)品等，小到幾微米的小型光學(xué)過濾器、筆記本電腦平板顯示器的玻璃襯底，大到汽車業(yè)或建筑業(yè)等大規(guī)模制造領(lǐng)域所用的大尺寸的玻璃板。
玻璃可以分為光學(xué)玻璃、石英玻璃、微晶玻璃、藍(lán)寶石玻璃等類型。玻璃顯著的特點是硬脆性，給傳統(tǒng)加工帶來很大的困難。傳統(tǒng)玻璃切割手段通常采用硬質(zhì)合金或金剛石刀具，其切割流程分為兩個步驟。第一步，先用金剛石刀尖或硬質(zhì)合金砂輪在玻璃的表面產(chǎn)生一條裂紋;第二步就是采用機(jī)械手段將玻璃沿著裂紋線分割開。這些傳統(tǒng)工藝目前看來缺點是比較明顯的，一方面是加工效率較低，而且切邊不平滑，一般需要二次打磨，而且還帶來很多碎屑粉塵;另一方面是對于對于玻璃板中間開孔，又或者是一些異形切割，是很不容易處理，在這一方面激光切割玻璃的優(yōu)勢就非常明顯了。2022年我國玻璃行業(yè)銷售收入約7443億元。玻璃切割的激光工藝滲透率還處于初始階段，激光切割應(yīng)用的替代空間非常大。
玻璃激光切割常常是采用貝塞爾聚焦頭加工，通過貝塞爾光束產(chǎn)生高峰值功率、高峰值功 率密度激光，在玻璃內(nèi)部聚焦，瞬間氣化該區(qū)域材料產(chǎn)生一個氣化帶， 迅速向上下兩表面擴(kuò)散形成裂孔。由無數(shù)細(xì)小孔點組成切割截面，通過外部應(yīng)力斷裂實現(xiàn)切割。
如今激光器技術(shù)有了很大的突破，功率方面也提升了很多，納秒綠光激光器20W以上的，可以很好地切割玻璃，15W以上的皮秒紫外激光器，可輕松切割2mm以下厚度的玻璃，目前已知國內(nèi)已經(jīng)有企業(yè)可以做17mm厚度的玻璃切割。采用激光切割玻璃效率非常高，假設(shè)要在一塊3mm厚玻璃上切割直徑10厘米的玻璃片，機(jī)械刀要花費幾分鐘，而激光切割只需要10多秒;切割邊沿平滑，崩邊精度可達(dá)30μm，對于一般性的工業(yè)產(chǎn)品要求，基本上不需要二次打磨加工。采用激光切割玻璃，是最近六七年才逐漸開始的，較早展開的行業(yè)是手機(jī)制造，在激光的攝像頭玻璃蓋板上采用了激光切割，后來行業(yè)內(nèi)有一款激光隱形切割設(shè)備火了一陣。手機(jī)全面屏流行后，整版大屏玻璃采用激光精密切割，玻璃加工產(chǎn)能得到大幅提升，如今在手機(jī)產(chǎn)品上涉及玻璃的部件采用激光切割已經(jīng)是標(biāo)配。這一手機(jī)消費產(chǎn)品帶動的主要有手機(jī)蓋板玻璃激光加工自動化設(shè)備，攝像頭保護(hù)鏡片激光切割設(shè)備，玻璃基板激光打孔智能裝備等。
車載汽車屏幕消耗很多玻璃板，特別是中控屏、導(dǎo)航儀、行車記錄儀等。現(xiàn)在許多新能源汽車采用了智能系統(tǒng)與超大幅面中控屏。智能系統(tǒng)成為汽車的標(biāo)配，大屏多屏、3D曲面屏正逐步成為市場主流。 車載蓋板玻璃憑借著優(yōu)異特性而廣泛應(yīng)用于車載顯示屏，一款優(yōu)質(zhì)的車載曲面屏玻璃可以為汽車行業(yè)帶來更極致的體驗。高硬度、高脆性的玻璃對加工來說卻是一個難題。
車載玻璃屏要求精度較高，裝配的結(jié)構(gòu)件的公差很小，如果方形/條形屏切割的時候尺寸誤差大會導(dǎo)致裝配不了。傳統(tǒng)加工方式需要刀輪開料、人工掰片、CNC外形、倒角磨邊等多個工序加工，由于是機(jī)械式加工，因此存在效率低、質(zhì)量差、良率低、成本高的問題。刀輪開料后，CNC加工一片汽車中控蓋板玻璃外形耗時長達(dá)8-10分鐘。 100W以上功率的超快激光器，實現(xiàn)17mm玻璃一刀切;整合多個生產(chǎn)工序，效率提升80%，1臺激光=20臺CNC。極大提升了產(chǎn)能，降低了單位加工成本。
石英玻璃結(jié)構(gòu)較為特殊，采用激光不容易進(jìn)行分裂切割，但是飛秒激光可以在石英玻璃上進(jìn)行刻蝕，這是一項利用飛秒激光對石英玻璃進(jìn)行精細(xì)加工和刻蝕的應(yīng)用。 飛秒激光技術(shù)是近年來發(fā)展迅速的一種先進(jìn)加工技術(shù)，具有極高的加工精度和速度，可以在各種材料表面進(jìn)行微米至納米級別的刻蝕和加工。
特域CWUP-60為飛秒納秒超快激光器持續(xù)穩(wěn)定控溫
激光焊接玻璃則是近兩三年才出現(xiàn)的一項新技術(shù)，最早出現(xiàn)在德國，目前國內(nèi)也僅有華工激光、西安光機(jī)所、哈工大焊接等少數(shù)幾個單位突破了這項技術(shù)。在高功率、超短脈沖激光的作用下，激光產(chǎn)生的壓力波能夠在玻璃中產(chǎn)生微裂紋或應(yīng)力集中，這些微裂紋或應(yīng)力集中可以促進(jìn)兩塊玻璃之間的鍵合。 焊接后的玻璃粘合非常牢固，已經(jīng)可以做到3mm厚度玻璃之間的緊密焊接。未來，研究人員還在關(guān)注玻璃與其它材料的搭接焊。目前這些新工藝尚未形成批量應(yīng)用，但未來工藝成熟后，必將在一些高端應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
