激光焊接頭在玻璃上的應(yīng)用
激光頭技術(shù)背景
隨著激光頭技術(shù)的迅速發(fā)展，激光頭被廣泛用于焊接各種材料。傳統(tǒng)的激光頭光源作為透明脆弱的脆性材料，不易被玻璃吸收。由于其熱膨脹系數(shù)大，吸熱玻璃在焊接過(guò)程中容易開(kāi)裂，不適合傳統(tǒng)的激光焊接頭焊接方法加工。
通常，激光焊接頭焊接透明材料有兩種方法，例如玻璃和塑料。一種方法是涂覆不透明顏料或在焊接界面處添加中間層以增加激光頭吸收速率。界面附近材料的溫度吸收激光增加，然后材料熔化凝固，實(shí)現(xiàn)透明材料的連接。另一種方法是使用特殊的焊接頭光源進(jìn)行焊接，并通過(guò)高功率密度激光在透明材料之間產(chǎn)生非線(xiàn)性吸收，形成有效的焊點(diǎn)。越來(lái)越多的研究人員和工程師將注意力轉(zhuǎn)向使用特殊光源進(jìn)行激光焊接頭的應(yīng)用。
激光頭研究現(xiàn)狀
近年來(lái)，已經(jīng)使用特殊光源來(lái)焊接各種玻璃，玻璃和單晶硅。美國(guó)PolaOnyx公司使用特殊的激光單/多線(xiàn)掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)玻璃焊接和密封。 Hélie等人，使用100μm厚的玻璃端蓋激光微焊接頭焊接到微結(jié)構(gòu)光纖，并成功焊接標(biāo)準(zhǔn)光纖和微結(jié)構(gòu)光纖的端蓋。 Tamaki等，采用1558nm激光頭成功實(shí)現(xiàn)了異種玻璃與玻璃和硅片的焊接，焊接強(qiáng)度分別為9.87MPa和3.74MPa。
但是，大多數(shù)學(xué)者都研究了激光焊接頭焊接玻璃的結(jié)果。焊接熔合區(qū)域是水滴形式，主要由三部分組成，即由頂部的圓形空腔和熔化區(qū)域的中部和底部的小孔組成的線(xiàn)性結(jié)構(gòu)。其中，頂部和底部的空腔容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，參數(shù)控制不好，容易產(chǎn)生裂縫。此外，由于其水滴狀結(jié)構(gòu)，較差的行間距控制可能導(dǎo)致間斷的未連接的成形焊縫。
激光頭試驗(yàn)材料和方法
試驗(yàn)中使用的材料為光學(xué)玻璃，樣品尺寸為25×25×1mm，焊接試驗(yàn)步驟如下：
（a）玻璃表面清潔。用酒精溶液浸泡玻璃板5-10分鐘，然后用蒸餾水沖洗玻璃表面3-5次，最后用熱風(fēng)機(jī)吹干玻璃表面上的水漬。
（b）按焊接玻璃板。將夾層玻璃板放置在夾具定位槽中，并調(diào)節(jié)焊接夾具機(jī)構(gòu)以壓下玻璃板的周邊區(qū)域，使玻璃板緊密貼合。前研究人員的實(shí)驗(yàn)研究表明，玻璃焊接所需的玻璃粘合間隙小于100nm（某些觀(guān)點(diǎn)小于激光波長(zhǎng)的四分之一）。
（c）將焦點(diǎn)調(diào)整到兩個(gè)眼鏡的關(guān)節(jié)。當(dāng)激光從空氣中引入玻璃時(shí)，會(huì)發(fā)生折射并且其焦點(diǎn)會(huì)發(fā)生變化。因此，安裝玻璃板以找到焦點(diǎn)，垂直于玻璃表面的振動(dòng)透鏡的高度以相等的間隔調(diào)整，玻璃板分別用相同的能量盒掃描，并且移除玻璃板的位置在在觀(guān)察期間觀(guān)察玻璃吸收激光界面，這是焦點(diǎn)位置。
（d）玻璃的激光焊接頭焊接。重復(fù)步驟（b）和（c）按壓焊接的玻璃板并將焦點(diǎn)調(diào)整到玻璃界面，并調(diào)整適當(dāng)?shù)募す夂附宇^焊接工藝參數(shù)（功率，速度，掃描圖案等）以焊接玻璃。玻璃界面處的高能激光將在超過(guò)一定閾值后引起玻璃材料的多光子電離。離子化的自由電子加速并與其他原子碰撞引起雪崩電離，材料的溫度升高，玻璃溫度達(dá)到熔點(diǎn)熔化，光線(xiàn)停止后冷卻凝固后實(shí)現(xiàn)焊接。
特種激光玻璃焊接工藝
使用特殊激光進(jìn)行玻璃焊接試驗(yàn)。焊接結(jié)構(gòu)在整個(gè)焊接表面區(qū)域均勻（4×4.4×4mm）。焊接頭焊接后，材料的變形小，材料的平整度變化很小。焊接頭焊接的熔合區(qū)域的厚度在兩種材料之間的界面處非常小。在熔合區(qū)域的兩側(cè)的玻璃上沒(méi)有觀(guān)察到熱損傷。
焊接頭焊接后，玻璃端面部分表明，當(dāng)采用新的激光焊接頭焊接工藝進(jìn)行焊接時(shí)，焊接頭焊接的熔合區(qū)域不會(huì)出現(xiàn)水滴形狀，也沒(méi)有焊接裂紋源缺陷，如線(xiàn)性結(jié)構(gòu)微觀(guān)頂部圓形腔底部的空腔，在中間熔化區(qū)焊接過(guò)程中不形成不連續(xù)的線(xiàn)性裂紋缺陷。根據(jù)焊接強(qiáng)度試驗(yàn)，材料在母材區(qū)域破裂，焊點(diǎn)不脫落，焊點(diǎn)焊接強(qiáng)度好。
總結(jié)和展望
采用特殊的激光頭光源調(diào)整合適的焊接工藝參數(shù)，使玻璃材料非線(xiàn)性吸收激光，熔化的材料凝固，兩塊透明玻璃形成牢固的焊接區(qū)域，不添加焊料，進(jìn)行焊接兩件之間。光學(xué)眼鏡直接且成功地實(shí)現(xiàn)。光學(xué)玻璃焊接熔合區(qū)的兩層材料一體化，沒(méi)有明顯的宏觀(guān)微裂紋和水滴，因此頂部沒(méi)有水滴形圓形腔，底部沒(méi)有線(xiàn)性損傷區(qū)，并且沒(méi)有熔合區(qū)。線(xiàn)性非界面有效避免裂紋源的產(chǎn)生。在強(qiáng)度測(cè)試之后，焊點(diǎn)保留在樣品表面上并具有高連接強(qiáng)度。
近年來(lái)，隨著5G，無(wú)線(xiàn)充電，光通信和芯片技術(shù)的快速發(fā)展，玻璃材料逐漸成為3C電子結(jié)構(gòu)（如手機(jī)玻璃外殼），半導(dǎo)體器件（晶圓和面板）的主流材料和光學(xué)材料。 ）。元件和相機(jī)模塊具有電磁信號(hào)屏蔽低，硬度高，重量輕，成本低的突出優(yōu)點(diǎn)，適合大批量生產(chǎn)。激光焊接頭焊接玻璃將具有廣闊的應(yīng)用前景。
