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焊接

新技術(shù)助力激光玻璃焊接實用化

來源:核技術(shù)網(wǎng)2022-06-28 我要評論(0 )   

超短脈沖激光器結(jié)合精妙的自聚焦技術(shù)提供了所需的質(zhì)量和工藝可靠性,使激光玻璃焊接應(yīng)用到批量生產(chǎn)中成為可能。玻璃獨特而優(yōu)異的特性使其廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、微電子等...

超短脈沖激光器結(jié)合精妙的自聚焦技術(shù)提供了所需的質(zhì)量和工藝可靠性,使激光玻璃焊接應(yīng)用到批量生產(chǎn)中成為可能。玻璃獨特而優(yōu)異的特性使其廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、微電子等不同領(lǐng)域的各種高科技產(chǎn)品中。我們以前已經(jīng)介紹了它給制造商所帶來的挑戰(zhàn),特別是在大批量、精密玻璃切割領(lǐng)域。它還帶來了鍵合方面的困難,包括將單個玻璃組件焊接在一起,以及將玻璃焊接到金屬和半導(dǎo)體等其他材料上。


融為一體

所有用于焊接玻璃的傳統(tǒng)方法都難以為經(jīng)濟高效的批量生產(chǎn)提供所需的精度、鍵合質(zhì)量和生產(chǎn)速度。例如,粘合劑鍵合是一種經(jīng)濟的方法,但會在零件上殘留膠材,甚至需要脫氣。

介質(zhì)焊接是將粉末材料放在接觸點處,然后將其熔化以完成鍵合。無論這種熔化是通過烘箱還是激光實現(xiàn),都會有大量熱量被泵入零件中。這對于微電子設(shè)備和許多醫(yī)療器械都是一個問題。

離子鍵合是一種巧妙的方法,可提供極高的鍵合強度。兩片嶄新且極其平坦的玻璃表面被壓在一起,并通過分子鍵真正融合在一起。但是,要在生產(chǎn)環(huán)境中執(zhí)行此操作并不現(xiàn)實。


激光玻璃焊接

那么,激光焊接呢?玻璃有許多非常有用的特性,比如極高的熔點、透明性、脆性和機械剛性,但同時也給激光焊接帶來了很多困難。因此,用于焊接金屬和其他材料的典型工業(yè)激光器和方法并不適用于玻璃。

就像精密玻璃切割一樣,其秘訣在于使用紅外波長超短脈沖(USP)激光器。玻璃在紅外線中是透明的,因此聚焦的激光束可以直接穿過它,直到聚焦光束變窄并變得集中以致觸發(fā)“非線性吸收”。這種“非線性吸收”只會發(fā)生在具備高峰值功率的超短脈沖激光中,而無法使用其他類型的激光來完成同樣的事情。

所以,在激光束焦點周圍非常小的區(qū)域(通常直徑小于幾十微米)內(nèi),玻璃吸收激光并迅速熔化。該聚焦光束沿著所需的焊接路徑進行掃描,以完成鍵合,就像其他形式的激光焊接一樣。


USP 激光玻璃焊接方法具有三個主要優(yōu)勢。

首先,它會產(chǎn)生一種牢固的鍵合,因為被焊接的兩種材料都部分熔化,然后再凝固在一起形成焊縫。而且,該工藝同樣適用于將玻璃與玻璃、玻璃與金屬以及玻璃與半導(dǎo)體粘結(jié)起來。



其次,在該工藝中,僅有極少的熱量進入部件中,最多在幾百微米寬的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生這種熱量。這允許將焊縫放置在非??拷娮与娐坊蚱渌麩崦艚M件的位置,這為設(shè)計人員和制造商提供了更大的自由度,并支持更出色的產(chǎn)品小型化設(shè)計。

最后,如果 USP 激光玻璃焊接實施得當(dāng),則不會在焊縫周圍產(chǎn)生微裂紋。微裂紋會降低玻璃的機械強度。此外,經(jīng)過溫度周期變化(這對所有事情來說都是不可避免的)后,微裂紋可能會成為設(shè)備最終故障的根源。


相干公司將 USP 激光玻璃焊接投入實用

USP 激光玻璃焊接的優(yōu)勢源于玻璃僅在很小的體積內(nèi)被加熱。但這也給實際操作帶來了挑戰(zhàn)。這意味著,即使部件移動,激光對焦位置也必須非常精確地保持在兩個焊接組件之間的接口處。因為現(xiàn)實世界的部件并不是完全平坦的,所以這很難實現(xiàn)。此外,在焊接系統(tǒng)中部件放置的位置可能并不完全契合。

一種解決方案是使用軸向拉長的焦點。這會“延展”激光束焦點的尺寸以解決位置敏感性問題。但是,這種方法的缺點在于,拉長的光束焦點會在玻璃中產(chǎn)生一個具有非圓形橫截面的熔池。當(dāng)玻璃在熔化區(qū)凝固時,非圓形熔池更容易形成微裂紋。

相干公司采用另一種方法實現(xiàn)無微裂紋的焊接效果,并能同時適應(yīng)工藝中接口距離的重大變化。其秘訣在于,結(jié)合高動態(tài)聚焦技術(shù),利用高數(shù)值孔徑(NA)光學(xué)器件產(chǎn)生小的焦點光斑。

因此,相干公司的激光系統(tǒng)實現(xiàn)了高球面度的熔池,從而避免了微裂紋。它還會感應(yīng)接口距離并不斷調(diào)整光學(xué)器件,從而始終保持完美聚焦。其結(jié)果是,幾乎在任何形狀的部件上都能保證高質(zhì)量焊接,并且該工藝不受部件公差和位置的影響。


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