【摘要】：夾層玻璃材料由于諸多優(yōu)異的特性而廣泛應用于建筑、汽車、航空航天等領(lǐng)域。然而現(xiàn)階段對于夾層玻璃的加工,仍然停留在使用鋸切或金剛石劃線后機械力分離的傳統(tǒng)機械方法。不僅切割效率低、切縫質(zhì)量差,還需后續(xù)磨邊等工藝處理,完全不能滿足高質(zhì)量、高效率的應用需求。激光熱裂紋控制法具有切割分離截面平整、無表面缺陷、無需進一步研磨與清洗等優(yōu)點,但由于單個激光聚焦點加工受限于材料厚度,無法用于多層結(jié)構(gòu)的夾層玻璃激光切割。本論文針對典型夾層玻璃復合材料,提出了一種多焦點激光切割分離夾層玻璃的創(chuàng)新方法。該方法是基于激光熱裂紋控制法和熔化/氣化原理,利用多個環(huán)形聚焦鏡片組成多焦點透鏡,沿夾層玻璃厚度方向形成多個激光焦點,使每層不同性質(zhì)透明材料獲得不同的激光能量密度,同時實現(xiàn)不同機理的切割分離,如對于脆性透射材料(玻璃和晶體等)可采用熱裂紋控制方法進行切割分離,而對非脆性透射材料(PVB等高分子材料)則采用熔化/氣化去除方法進行切割分離,從而實現(xiàn)對夾層玻璃復合材料高質(zhì)量和一次性整體切割分離。通過理論計算與ZEMAX光學設(shè)計軟件模擬相結(jié)合的方式,設(shè)計了能形成三個焦點的光路系統(tǒng),并將理論計算、軟件模擬與實際空氣介質(zhì)中焦點位置、能量分布對比驗證系統(tǒng)設(shè)計準確性。利用多焦點激光加工系統(tǒng)進行了5mm+5mm、3mm+3mm夾層玻璃的切割分離實驗。實驗結(jié)果表明通過調(diào)整激光功率、切割速度、焦點位置等參數(shù),可以得到分離表面平整光滑,無亞表面損傷,粗糙度小的高質(zhì)量分離截面,有效解決了單個激光焦點熱裂紋分離無法切割分離夾層玻璃的問題。并且利用該方法成功切割分離厚度為10-20mm的單層玻璃、超白玻璃等透明脆性材料,證明多焦點激光切割分離厚透明脆性材料的可行性,具有很大的應用前景。
【圖文】：

激光光束直徑小易透過切縫接觸膜層，激光頭靈活可控，提高整體率的同時節(jié)省了能量。這種方法在夾層玻璃機械自動化切割臺的基礎(chǔ)上利特性進行了一定改進，然而本質(zhì)上還是通過機械力對兩層玻璃進行分離，克服傳統(tǒng)機械切割方法的問題。Yoshiharu MIWA[48]等人申請了激光直接分離夾層玻璃的專利，如下圖 1-5 要針對較薄夾層玻璃（厚度不大于 1mm），利用激光單個焦點配合輔助氣體玻璃切割。激光束經(jīng)聚焦鏡匯聚置焦點于夾層玻璃中，該焦點有一最優(yōu)位置璃總厚度的 60%至 80%，即 0.6D＜d＜0.8D），使得焦點能量能夠足夠傳遞玻璃，避免出現(xiàn)最下層玻璃無法有效切割或者上層玻璃已經(jīng)炸裂的情況。激光功率/激光掃描速度為 0.01 0.1W.min/mm 時，可獲得較好的切割質(zhì)量利用雙激光束對射切割分離夾層玻璃的方法。但這種方法在面對較厚夾層割時，不僅玻璃層厚度增加，中間膠層厚度也相應增加，單個焦點很難控向的裂紋走向，因而往往無法實現(xiàn)切割分離。

華 中 科 技 大 學 碩 士 學 位 論 文提高整體加工效率，提出了在光軸方向上實現(xiàn)多個焦點的新型加工方式，即利用同軸的多個焦點擴展聚焦作用區(qū)域，使得激光束作用于材料厚度方向上能量吸收均衡。FORCE Institute 公司率先提出激光雙焦點的加工方式，如圖 1-8 所示，通過改變透鏡不同區(qū)域的曲率半徑實現(xiàn)同一鏡片產(chǎn)生不同焦距的特性，令雙焦鏡片中心部分（直徑為 2h 部分）曲率半徑較大以實現(xiàn)較長距離聚焦，而透鏡其余部分曲率半徑則較小以實現(xiàn)較短距離聚焦，激光束作用于該鏡片時，中心部分與外圍部分各產(chǎn)生一個焦點形成雙焦點。S.E.Nielsen[52]及 J.POWELL[53]等利用雙焦點透鏡進行實際加工研究，發(fā)現(xiàn)其在金屬材料加工上對比激光單焦點方法有明顯提升，不但擴展了材料加工厚度，，提高了加工速度，材料厚度方向上加工質(zhì)量也得到一定改善。但是雙焦透鏡依然存在一定問題，兩個焦點仍略顯不足，能量分布情況不宜控制，且在同一片透鏡上實現(xiàn)不同曲率半徑加工難度很大，目前還未大量推廣應用。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TQ171.727

【參考文獻】

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本文編號：2622443