1967年， Sullivanh和Houldcroft首次实现了用300 W的CO2 激光器并辅以O2 切割厚度2.5 mm内的金属，为激光的应用开辟了新的应用领域，自此之后，激光切割以其独特的优点迅速发展起来，目前已经融合了计算机技术、数控技术、检测技术和材料加工技术等学科，成为复合型高新技术，激光切割的对象从金属材料逐渐扩展到塑料、木材、陶瓷、橡胶、复合材料、玻璃等非金属材料领域。与其他切割方式相比较，激光切割具有切割速度快、割无噪音、切缝窄并且边缘垂直度好、切割面粗糙度低、切割面质量好、热影响区和热变形小、材料损耗少、成本低、效率高、适用材料范围广、可实现复杂与精密切割，易于自动化等优点。突破了许多传统制造方法无法实现的技术瓶颈，成为一种重要的现代先进加工技术，在工业生产中得到广泛应用，目前激光切割已广泛地应用于航空航天、钢铁、汽车、轻工化工、电器与电子、石油冶金、医疗器械等领域。
在玻璃生产及加工领域，激光切割的发展和引进相对比较落后，用于玻璃切割的激光设备数量很少。近年来，随着电子显示设备的快速发展，等离子显示器、液晶显示器等电子显示设备被广泛应用于电视机、电脑、监视器、手机等电子产品，在这些电子产品的显示器制作过程中，需要对玻璃进行切割分片以及对显示器用的玻璃基板进行切割加工。传统的切割方式就是采用金刚石或者硬金属划线，辅助使用机械方式使玻璃分片，但是这种传统切割方式很容易损坏玻璃基板，特别是对超薄玻璃、超厚玻璃、高硬度硼硅玻璃以及用于汽车行业的钢化玻璃等特殊玻璃的切割，破损率较高，造成玻璃的利用率较低，增加了生产成本，并且切割后玻璃切面粗糙，毛刺多，玻璃微裂纹增多。使用传统切割方式切割后，还必须进行清洗以及抛光等二次处理，工序增多，并且使用金刚石或者硬金属对玻璃基板划线时，也会对玻璃内部造成破坏，这也是导致显示器失效的潜在因素之一。因此，传统的玻璃切割技术已经不能满足生产的需求，激光切割因其高精度、高速度、高质量、高效率等独特的优势成为玻璃切割的宠儿和热点，激光切割在玻璃行业具有十分广阔的应用前景。
1 玻璃的激光切割原理
激光切割是以激光的大功率密度直接聚焦在被切材料的表面，能量聚焦到微小的空间，将产生足以使切割材料熔化或者汽化的温度，再辅以喷射气体吹化或者冷却，从而达到使材料分离的目的。玻璃能否进行激光切割很大程度上取决于玻璃对该激光波长的吸收，CO2 激光器发出的波长为10.6um的激光，当CO2 激光照射到玻璃表面时， 90%以上的能量都能被玻璃吸收，并且吸收深度小于15um ，几乎在玻璃表面就被完全吸收，玻璃表面在短时间内就会达到较高温度，从而产生压应力又不至于破坏玻璃，当CO2 激光器停止对玻璃表面加热时，由于空气或者辅助气体的冷却作用， 加热与冷却会产生一个应力场，温度急剧变化所产生的应力将使玻璃产生微裂纹并向厚度方向扩展，从而使玻璃断裂，并且CO2 激光切割玻璃成本低、能量转换率高、工作稳定，是一种非接触切割方法，因此，CO 2激光切割非常适用于玻璃的切割。
2 CO 2激光器切割玻璃分类
CO2 激光器切割玻璃可分为非聚焦CO2激光切割、单束聚焦CO2 激光切割、双束CO2激光切割3种类型。
2.1 非聚焦CO 2激光切割
非聚焦CO2 激光切割原理是一束非聚焦的CO2 激 光在玻璃表面以适当的速度移动，在CO 2激光照射区域，CO 2激光的高能量使照射区域内玻璃表面的温度急剧上升，产生一定的压应力， 而在CO2 激光经过的区域中，玻璃存在一个较大的拉应力，由于玻璃的抗拉能力较弱，玻璃在这个拉应力的作用下开始断裂，随着CO 2激光的移动， 玻璃会在压应力和拉应力的综合热应力的作用下实现分离。
使用非聚焦CO 2激光切割方法， 由于玻璃是在热应力的作用下自由断裂的，因此断面光滑、毛刺很少，但是切缝弯曲，不是严格的直线，并且裂纹的断裂方向和扩展方向无法人为控制，也不规则。
2.2 单束聚焦CO2 激光切割
单束聚焦CO2 激光切割原理是利用一束聚焦的CO 2激光在玻璃表面进行移动， 聚焦的CO2 激光能量密度较高，在玻璃表面会形成一条划线，在冷却过程中，冷热温差产生的热应力使玻璃沿着划线方向断裂。
单束聚焦CO2 激光切割的优点是可以控制玻璃断裂方向沿着既定方向进行，但是断面裂纹及毛刺较多，并且对激光功率要求比较高，如功率过大， 划线产生的划槽较深，会产生很多裂纹，切面粗糙；功率太低，玻璃在冷却的过程中产生的热应力较小，达不到玻璃的断裂应力极限，不能实现玻璃的切割分离。
2.3 双束CO 2激光切割
双光束CO2 激光切割基本原理是先用一小功率的聚焦CO2 激光在玻璃表面形成一条划线，既保证划线对切割质量影响达到最小，又可以保证断裂沿划线方向进行，然后用一束非聚焦CO2 激光沿着划线方向进行扫描，在冷却过程中，由于冷热温差产生的热应力使玻璃沿着划线方向断裂，从而实现玻璃的切割分离。
双束CO 2激光切割既可以保证玻璃断面的质量，又可以控制玻璃的断裂方向，但是在双束CO 2激光切割玻璃的过程中，聚焦和非聚焦CO2 激光的功率、两束CO2 激光之间的距离以及切割速度等参数的设置都会直接影响到玻璃的切割质 量。
3 玻璃激光切割的研究现状与发展趋势
激光切割过程是一个复杂的热加工过程，切割受到众多因素的影响，这些因素包括激光器的功率模式、功率密度、光束模式，光斑形状和大小、切割速度以及玻璃的厚度、热膨胀系数等。到目前为止，国内外已经公开发表的激光切割的论文非常多，研究重点主要集中激光切割温度场与应力场的模拟、激光切割路径的优化、激光切口的裂纹形成机理、激光切割质量的影响因素与 控制等方面，并且取得了一定的成果和解决问题的方法。为了提高激光切割的质量，减小表面粗糙度，减小切口宽度、切边热影响区的宽度、抑制切口微裂纹、挂渣等切割质量问题，研究者们提出利用脉冲激光切割方式、高压氮气辅助切割以及优化切割工艺参数等方式，但是所获得的成果和结论局限于特定的工艺条件，普遍性不够，适用性也受限制。
激光切割以下几个方面依然需要研究者们开展深入的研究：
（1）跨学科开展激光切割玻璃机理的普遍性基础研究，建立激光切割玻璃的科学理论基础；
（2）为保证玻璃的激光切割质量，需要大量实验和模拟来确定激光切割的相关参数范围，例如激光功率、扫描速度、光斑大小等，并在此基础上探索商用激光切割工艺参数数据库供企业直接应用；
（3）发展和提高激光切割的新工艺、新技术方面的研究和应用开发，特别是在超厚、超薄件切割、小尺寸精度切割、曲线形状的高质量切割加工等领域；
（4）加强工业生产用的玻璃激光切割设备的研发和生产，激光切割作为一种新技术，要取代传统刀轮切割有一定的困难，虽然玻璃的激光切割现在已经有了定型的工业设备， 如德国Grenzebach 公司的在线浮法玻璃激光切割设备、美国 Fonon DSS 公司用于电子显示方面的玻璃激 光切割设备，但这些设备的推广和工业化应用还需要一定的时间；
（5）开展激光切割动态行为、在线监测以及三维切割机理和关键技术的研究。
4 结语
玻璃的激光切割具有切割速度快、切割无噪音、切缝窄并且边缘垂直度好、切割面粗糙度低、切割面质量好、热影响区和热变形小、材料损耗少、成本低、效率高、适用材料范围广、可实现复杂与精密切割、易于自动化等优点，成为一种重要的现代先进加工技术和加工手段，随着人们对激光切割技术认识的深入和激光器价格的下降，玻璃的激光切割技术将会在玻璃的生产加工领域特别是玻璃基板电子显示行业有着广阔的市场应用前景。
(《玻璃》杨慧杰 田芳 郭卫)
