切割蓝宝石的冷激光加工法

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蓝宝石是目前应用广泛的一种材料,其同时具有耐划伤、耐冲击与柔性的各种性能。蓝宝石长期以来用于制作手表保护玻璃或相机镜头的防护玻璃罩和滤光玻璃,现在其也越来越多地应用于制作手机屏幕。蓝宝石玻璃由无色的合成刚玉板(即采用熔融氧化铝生产的多种矿物质)构成。事实上,严格说来蓝宝石并不是一种玻璃,因其并不具备玻璃质的无定形结构,而是一种晶体结构。由于其莫氏硬度为9,蓝宝石在所有透明材料中硬度排名第二,仅次于钻石。

由于蓝宝石独有的特性,与通常用于显示器行业的化学强化玻璃相比,更具优势。蓝宝石材料硬度高但易碎,因此只有借助先进的激光加工技术,才可有效地应用于批量生产。采用微秒级短脉冲激光器的”热”激光束切割;采用超短脉冲”冷”激光加工法(所谓超短脉冲激光器的脉冲持续时间只有几个皮秒)。”冷”激光加工能够提供更好的断面质量,但是它们通常比用于热激光切割蓝宝石、能够产生高达300 W的平均输出功率的光纤激光器更昂贵。

> 无微裂纹,无崩边

“热”激光切割适用于切割盖板玻璃的外轮廓和内轮廓,比如用于安装相机、LED或扬声器的孔。通常情况下,玻璃基底厚度不超过1毫米,切割后经过抛光减薄,最终厚度在600-800 μm之间。在这种情况下,切割就是一种熔化的过程:通过将能量传递到接触面的方式来熔化加工材料,在相对高压气体的作用下,熔体从相互作用区吹出来。如此一来,在切边上不会有熔体残留,再次冷却固化而损害切边质量。使用”热”激光工艺加工蓝宝石时,蓝宝石不会产生微裂纹或崩边。该法提高了蓝宝石切割的强度和耐弯性。

使用”热”切割工艺时,可以使用多种惰性气体:这样,就可以隔绝氧气,从而对边缘性质产生积极的影响。根据客户需求,可以灵活配置脉冲宽度、气体、压力、速度以及工艺重复(即”加工”的次数)等参数。虽然切割的结果会有所不同,但切边有一个共同点:它们都呈90度直角。

> 可获得白色断面的超短脉激光

使用皮秒级激光对蓝宝石玻璃进行”冷”加工时,所切割的材料不是被熔化而是被气化了。由于脉冲持续时间非常短,产生的脉冲峰值能量非常高,才使得气化得以实现。激光切割头采用永久式安装,不再沿线性轴移动。激光束通过高速振镜转移。除此之外,皮秒级激光不再以光纤传输,而是利用反射镜片进行自由光路传输。

与采用热激光光束相比,采用皮秒级激光的”冷”加工方法,可获得更高的切边质量,同时边缘的粗糙度更低。尽管热切割的产量可能更高,但为了满足质量要求,必要时仍需对其产生的黑色断面进行费力的打磨。这正是皮秒级激光器的主要优势所在:尽管其加工速度在一定程度上低于”热”激光束切割的速度,但能直接提高白色切边的质量,并降低其粗糙度。由此,之后的打磨将变得为轻松了(如果有必要打磨的话)。虽然皮秒级激光器的购置成本比光纤激光器更高,但是除了能够得到更好的边缘质量,这种超短脉冲激光器还具有更多其他优势,这些优势更证明了它的物超所值:微秒级激光器加工的切割面有一个倾斜面或”锥度”,一般不超过10度。这提高了显示屏幕的强度。利用高斯强度分布,可轻松从边缘上移除的强度不同的材料。

客户所期望的、能够提高显示屏强度的另一种技术要求是对接触面进行的倒角处理–对断面进行的局部倒角处理,如以45度角削掉30-50 mm(深度)的材料。同样,只有皮秒级激光器才能实现这种倒角处理–由工艺参数设置而定。即便有镀膜的蓝宝石基底,皮秒级激光器仍能对其进行切割,因为这皮秒级激光器只会对表面造成极小的损伤。采用”热”切割工艺对带有镀膜的材料进行干净利落的切割是不可行的,因为表面会被熔化,膜层也会因此受损。