不用添加焊料 激光成功地实现了光学玻璃之间的直接焊接


 

伴随激光技术的飞速发展,激光被广泛应用于焊接各种材料。玻璃作为一种透明易碎的脆性材料,传统激光光源不能轻易被其所吸收,并且吸热的玻璃由于热膨胀系数较大,焊接时容易碎裂,故并不适合以传统的激光焊接方式加工。


通常激光焊接玻璃、塑料等透明材料主要有两种方法。一种是在焊接界面处涂覆不透明的颜料或者添加中间层办法来增加激光吸收率,界面附近材料吸收激光温度升高,后经过材料融化后再凝固实现透明材料的连接。另一种方法是采用特种焊接光源进行焊接,通过高功率密度激光使透明材料之间产生非线性吸收从而形成有效焊点,越来越多的科研工作者和工程师将目光转向了特种光源的激光焊接加工应用。 



近年来,利用特种光源相继实现了多种玻璃、玻璃及单晶硅之间的焊接。美国PolaOnyx公司使用特种激光单线/多线扫描,实现了玻璃焊接及密封。Hélie等使用激光将100μm厚的玻璃端盖微焊接到微结构光纤上,成功为标准光纤和微结构光纤焊接端盖。Tamaki等在研究中使用波长为1558nm的激光成功实现了异种玻璃之间、玻璃与硅片之间的焊接,分别获得了9.87MPa和3.74MPa的焊接强度。


但多数学者研究激光焊接玻璃的结果,焊接融合区域均呈现水滴状,其主要由3部分组成,分别为顶部的圆形空腔、中部的熔融区域和底部的微小空腔构成的线形结构。其中顶部和底部的空腔容易产生应力集中,参数控制不好,也易产生裂纹,另外由于其为水滴状结构,线间距控制不好可能会导致断续未连接成型的焊缝。


 

图1:激光焊接玻璃端面切片


试验材料及方法


验所用材料为光学玻璃,样品尺寸为25×25×1mm,其进行焊接试验步骤如下:


(a)玻璃表面清洁。采用酒精溶液浸泡玻璃片5~10min,然后使用蒸馏水冲洗玻璃表面3~5次,最后采用热吹风机吹干玻璃表面的水渍;


(b)压合焊接玻璃片。将叠合玻璃片放置于夹具定位槽内,调节焊接夹具机构下压玻璃片四周区域使玻璃片达到紧密贴合。前科研学者实验研究表明,对于玻璃焊接其玻璃贴合间隙要求小于100nm(也有观点小于激光波长的四分之一)。


(c)将焦点调节至两片玻璃交界处。激光由空气传入玻璃中会发生折射作用,其焦点会发生偏移现象,故采用贴合玻璃片寻找焦点,等间距调整垂直玻璃面振镜头高度,分别采用相同能量方框扫描玻璃片,取下玻璃片观察玻璃吸收激光界面位置,即为焦点位置。


(d)玻璃激光焊接。重复(b)(c)步骤压合焊接玻璃片并调节焦点至玻璃交界面处,调整合适的激光焊接工艺参数(功率、速度及扫描图形等)对玻璃进行焊接,在玻璃交界面处高能量的激光超过一定阀值后会诱发玻璃材料的多光子电离,电离的自由电子加速与其他原子碰撞引发雪崩电离,材料温度升高,使得玻璃温度达到熔点发生熔化,在经历停光时间的冷却凝固实现焊接。


特种激光玻璃焊接工艺


 

图2:玻璃焊接形貌观察 



      采用特种激光进行玻璃焊接试验,整个焊接面区域内(4×4mm)焊接成型均匀一致,焊后材料变形小,材料平面度未发生较大的改变,焊接融合区位于两片材料交界面处厚度较小,融合区域两侧玻璃均观察不出热损伤现象。


图3:焊接结合层形貌


图4:激光焊接玻璃端面切片和强度测试断口


       焊后玻璃端面切片图显示,采用新型激光焊接工艺进行焊接时,焊接融合区域并未呈现水滴状,没有出现顶部圆形空腔和底部线形结构微小空腔等焊接裂纹源缺陷,其中部熔融区域也未出现断续未焊接成型的线形裂纹缺陷。进行焊接强度测试,材料在母材区域发生破裂,焊点未有脱落,焊缝具有较好的焊接强度。



采用特种激光光源,调节合适的焊接工艺参数,使玻璃材料非线性吸收激光,材料熔化后凝固,使两块透明玻璃在不添加焊料条件下形成牢固的焊接区,成功地实现了光学玻璃之间的直接焊接。光学玻璃焊接融合区域两层材料融为一体,无明显宏微观裂纹,未呈现水滴状,因此不存在顶部水滴状圆形空腔及底部线形损伤区,交界面也未出现线形未融合,从而有效避免了裂纹源的产生,进行强度测试后焊点残留在试样表面,具有较高的连接强度。


近年来随着5G、无线充电、光通信和芯片技术的飞速发展,玻璃材料以其电磁信号屏蔽低、硬度高、质量轻、成本低和适合大量化生产等突出优点,逐渐成为3C电子结构件(如手机玻璃机壳)、半导体器件(晶元与面板)、光学元器件和摄像头模组的主流材料,玻璃激光焊接加工将迎来广阔的应用前景。


国内外很多学者对金属玻璃相互焊接不断尝试,取得一定成绩。但围绕金属焊接还有很多课题需要研究,比如因为锆基金属玻璃与钛合金的焊接难题,才没有让高尔夫球很畅快地飞。的确,金属玻璃与其他晶体非晶体基材焊接一直困扰着产业界。 


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