切割玻璃用的非对称激光聚焦切割头、切割装置及方法与流程

本发明属于激光切割技术领域，具体涉及一种切割玻璃用的非对称激光聚焦切割头、切割装置及方法。

背景技术：

玻璃作为一种脆性材料，具有透明度好，机械强度高，质地均匀，表面光滑，耐腐蚀等优点，在工农业生产和科学研究中有着广泛的应用。尤其是近年来,随着it产业的迅速发展，液晶显示器（lcd）和等离子体显示器（pdp）等高科技电子产品的应运而生，并且广泛运用于高清挂壁电视、笔记本电脑、监视器以及通讯设备。而对玻璃进行切割、分离是制成这些玻璃相关器件的关键的一道工序，现有的玻璃切割方法有刀轮切割和激光切割。

采用刀轮切割玻璃片时，会产生玻璃屑且玻璃基板切割后边缘较为锋利，分割精度较差，切割边缘强度变弱（脆），切割工序后面还需要有磨边、抛光、清洗等流程。经过这些处理后，玻璃的边缘强也只能恢复大概30%，并且，采用刀轮切割工艺时，人工手取或手放玻璃基板易对操作员产生身体伤害。

采用激光切割玻璃片时，每一个打在玻璃上的激光点会在激光的焦点处产生热应力裂纹，当打在玻璃上的斑点距离足够近，每个斑点产生的裂纹相互贯通或者靠近时，只要再施加一定的外力，就可以使玻璃板沿着所产生的裂纹，实现分离，激光切割出来的玻璃片边缘自然成磨沙效果，强度高，同时免去了后续的磨边和清洗的工艺流程，是一种先进的玻璃切割、分离的解决方案。然而，如图1所示，现有圆形激光束经过激光切割头后产生圆形的聚焦光斑，而对于此种圆形聚焦光斑，当移动的聚焦光斑作用在玻璃片上时，其产生的热应力诱导裂纹并不一定是沿着激光束的前进轨迹，在大部分情况下，裂纹的方向会与光斑前进方向形成一个较大的夹角，这样，当提高光斑移动的速度，斑点之间的距离较大时，连续的激光脉冲打在玻璃上所产生的热应力裂纹不易贯通或靠近，就会使玻璃不易分离，而要想使玻璃能够被分离，必须减小光斑的移动速度，才能使每个斑点产生的裂纹相互贯通或靠近，完成对玻璃切割，这样使得激光切割速度大大降低。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有激光切割玻璃片的热应力诱导裂纹与光斑移动方向不一致而降低激光切割速度，影响切割效率的问题。

为此，本发明提供了一种切割玻璃用的非对称激光聚焦切割头，包括沿激光束传输方向依次设置的柱面镜和聚焦镜组，所述柱面镜的轴线与激光束传输方向垂直，且柱面镜的平面与激光束传输方向垂直，所述聚焦镜组位于所述柱面镜的聚焦范围内。

进一步的，所述柱面镜为平凸柱面镜。

进一步的，所述聚焦镜组包括一个或多个聚焦透镜，且多个聚焦透镜依次间隔设置。

本发明还提供了一种切割玻璃用的激光切割装置，包括步进电机、中空旋转平台以及上述非对称激光聚焦切割头，所述步进电机通过中空旋转平台与非对称激光聚焦切割头连接，且中空旋转平台的轴线与非对称激光聚焦切割头的轴线同轴布置。

进一步的，上述切割玻璃用的激光切割装置还包括用于调节非对称激光聚焦切割头高度的z轴模组。

进一步的，所述中空旋转平台上设有光电开关，所述非对称激光聚焦切割头上设有遮光片，所述遮光片与光电开关对应配合布置。

另外，本发明还提供了采用上述切割玻璃用的激光切割装置进行激光切割玻璃的方法，包括如下步骤：

1)采用脉冲激光器发出激光束，使激光束垂直于柱面镜的轴线，且垂直于柱面镜的平面的方向入射至非对称激光聚焦切割头内；

2)从非对称激光聚焦切割头射出光束垂直入射至待切割玻璃表面，在待切割玻璃表面形成椭圆形光斑；

3)通过步进电机驱动中空旋转平台转动而同轴旋转非对称激光聚焦切割头，调节待切割玻璃表面的椭圆形光斑长轴方向，使之与激光光斑的移动方向一致。

进一步的，所述步骤3)中旋转非对称激光聚焦切割头之前，先检测椭圆形光斑长轴方向与激光光斑移动方向形成的角度，再同轴旋转非对称激光聚焦切割头相同的角度。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)本发明提供的这种切割玻璃用的非对称激光聚焦切割头通过柱面镜的设置可将圆形光束整形为椭圆形光斑，从而使热应力产生的诱导裂纹沿椭圆形光斑的长轴方向发展，便于调整热应力裂纹的发展方向。

(2)本发明通过调整聚焦光斑椭圆长轴方向，使玻璃中热应力裂纹的发展方向与激光光斑移动方向一致，从而可大大提高激光切割玻璃的速度，且操作方便、精度高。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是现有激光切割头的光路传输原理示意图；

图2是本发明非对称激光聚焦切割头的光路传输原理示意图；

图3是图2中a向的光路传输原理示意图；

图4是本发明中激光切割装置的结构示意图。

附图标记说明：1、聚焦镜组；2、柱面镜；3、z轴模组；4、步进电机；5、中空旋转平台；6、光电开关；7、遮光片；8、非对称激光聚焦切割头。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图2和图3所示，本实施例提供了一种切割玻璃用的非对称激光聚焦切割头，包括沿激光束传输方向依次设置的柱面镜2和聚焦镜组1，所述柱面镜2的轴线与激光束传输方向垂直，且柱面镜2的平面与激光束传输方向垂直，所述聚焦镜组1位于所述柱面镜2的聚焦范围内。本实施中圆形激光束穿过柱面镜2弯曲的柱面时，激光光路产生折射，而使激光在玻璃上沿垂直于柱面镜2轴线方向上发生偏移，进而圆形激光束在玻璃上形成椭圆形光斑，对于非圆形的激光光斑而言，热应力产生的诱导裂纹是沿着激光光斑椭圆的长轴方向发展，从而可方便的调整激光切割玻璃时热应力裂纹的发展方向，实现玻璃切割分离。

其中，本实施例中柱面镜2选用平凸柱面镜，激光在玻璃上沿垂直于柱面镜2轴线方向上向内收缩，这样圆形激光束在玻璃上形成椭圆形光斑的长轴方向与柱面镜2的轴线方向平行。而柱面镜2的曲率半径影响椭圆形光斑的椭圆度，曲率半径越小，对椭圆形光斑的椭圆度影响越大，因而柱面镜2的曲率半径则可根据设计椭圆形光斑的椭圆度大小进行计算得到。另外，根据激光聚焦实际需求，所述聚焦镜组1可以包括一个或多个聚焦透镜，且多个聚焦透镜依次间隔设置，而聚焦镜组1与柱面镜2之间的间距大小则影响椭圆形光斑的大小，因此，聚焦镜组1与柱面镜2之间的间距大小可根据设计的椭圆形光斑大小进行选取，一般使聚焦镜组1尽量靠近柱面镜2布置。

采用本实施例的切割玻璃用的非对称激光聚焦切割头对玻璃进行切割的具体过程如下：

首先，采用脉冲激光器发出激光束，使激光束垂直于柱面镜2的轴线，且垂直于柱面镜2的平面的方向入射至上述非对称激光聚焦切割头内；而从非对称激光聚焦切割头射出光束垂直入射至待切割玻璃表面，由于非对称激光聚焦切割头内柱面镜2的存在，使得圆形激光束在待切割玻璃表面整形成椭圆形光斑。

然后，通过调节待切割玻璃表面形成的椭圆形光斑长轴方向，使之与激光光斑的移动方向一致，从而使得待切割玻璃中热应力裂纹的发展方向贴合激光光斑的移动方向，这样连续的激光脉冲打在待切割玻璃上所产生的热应力裂纹能贯通或靠近，而使得玻璃易分离，无需减小激光光斑的移动速度，大大提高了激光切割玻璃的效率。

而对于调节待切割玻璃表面形成的椭圆形光斑长轴方向的一种具体实施方式，可采用如图4所示的激光切割装置，包括步进电机4、中空旋转平台5以及本实施例中的非对称激光聚焦切割头8，所述步进电机4通过中空旋转平台5与非对称激光聚焦切割头8连接，且中空旋转平台5的轴线与非对称激光聚焦切割头8的轴线同轴布置，通过步进电机4驱动中空旋转平台5转动而同轴旋转非对称激光聚焦切割头8。优化的，该激光切割玻璃装置还包括用于调节非对称激光聚焦切割头高度的z轴模组3，通过z轴模组3调节切割头高度至合适位置，保证激光光斑聚焦焦深完全通过待切割玻璃。

进一步的，在所述中空旋转平台5上设置光电开关6，所述非对称激光聚焦切割头8上设置遮光片7，遮光片7随非对称激光聚焦切割头8旋转，可通过软件程序控制步进电机4转动中空旋转平台5而带动非对称激光聚焦切割头8旋转一定角度，程序零点位置即光电开关6与遮光片7初始重合位置，从而可精确地调整激光脉冲点打在玻璃上时，玻璃裂纹的发展方向，尽量贴合激光光斑的移动方向，使玻璃裂纹的发展方向与平台运动方向一致，达到可裂片的最佳角度,从而达到省时高效的加工效果。

进一步的，在旋转非对称激光聚焦切割头8之前，可先通过实验找出玻璃热应力裂纹的发展方向（即椭圆形光斑长轴方向）与激光光斑移动方向形成的角度，再据此同轴旋转非对称激光聚焦切割头8相同的角度，从而更加精确地调整激光脉冲点打在玻璃上时，玻璃裂纹的发展方向与激光光斑移动方向的一致性。

综上所述，采用本发明的切割玻璃用的非对称激光聚焦切割头可使玻璃中热应力裂纹的发展方向与激光光斑移动方向一致，在使用相同功率的激光切割设备上，可实现比现有激光切割头的设备高达6～7倍的切割速度，大大地提高了激光切割玻璃的效率。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。