技術(shù)背景

伴隨激光技術(shù)的飛速發(fā)展，激光被廣泛應(yīng)用于焊接各種材料。玻璃作為一種透明易碎的脆性材料，傳統(tǒng)激光光源不能輕易被其所吸收，并且吸熱的玻璃由于熱膨脹系數(shù)較大，焊接時(shí)容易碎裂，故并不適合以傳統(tǒng)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兩種方法。一種是在焊接界面處涂覆不透明的顏料或者添加中間層辦法來增加激光吸收率，界面附近材料吸收激光溫度升高，后經(jīng)過材料融化后再凝固實(shí)現(xiàn)透明材料的連接。另一種方法是采用特種焊接光源進(jìn)行焊接，通過高功率密度激光使透明材料之間產(chǎn)生非線性吸收從而形成有效焊點(diǎn)，越來越多的科研工作者和工程師將目光轉(zhuǎn)向了特種光源的激光焊接加工應(yīng)用。

研究現(xiàn)狀

近年來，利用特種光源相繼實(shí)現(xiàn)了多種玻璃、玻璃及單晶硅之間的焊接。美國PolaOnyx公司使用特種激光單線/多線掃描，實(shí)現(xiàn)了玻璃焊接及密封。Hélie等使用激光將100μm厚的玻璃端蓋微焊接到微結(jié)構(gòu)光纖上，成功為標(biāo)準(zhǔn)光纖和微結(jié)構(gòu)光纖焊接端蓋。Tamaki等在研究中使用波長為1558nm的激光成功實(shí)現(xiàn)了異種玻璃之間、玻璃與硅片之間的焊接，分別獲得了9.87MPa和3.74MPa的焊接強(qiáng)度。

但多數(shù)學(xué)者研究激光焊接玻璃的結(jié)果，焊接融合區(qū)域均呈現(xiàn)水滴狀，其主要由3部分組成，分別為頂部的圓形空腔、中部的熔融區(qū)域和底部的微小空腔構(gòu)成的線形結(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，也易產(chǎn)生裂紋，另外由于其為水滴狀結(jié)構(gòu)，線間距控制不好可能會導(dǎo)致斷續(xù)未連接成型的焊縫。

圖1：激光焊接玻璃端面切片

試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)所用材料為光學(xué)玻璃，樣品尺寸為25×25×1mm，其進(jìn)行焊接試驗(yàn)步驟如下：

（a）玻璃表面清潔。采用酒精溶液浸泡玻璃片5~10min，然后使用蒸餾水沖洗玻璃表面3~5次，最后采用熱吹風(fēng)機(jī)吹干玻璃表面的水漬；

（b）壓合焊接玻璃片。將疊合玻璃片放置于夾具定位槽內(nèi)，調(diào)節(jié)焊接夾具機(jī)構(gòu)下壓玻璃片四周區(qū)域使玻璃片達(dá)到緊密貼合。前科研學(xué)者實(shí)驗(yàn)研究表明，對于玻璃焊接其玻璃貼合間隙要求小于100nm(也有觀點(diǎn)小于激光波長的四分之一)。

（c）將焦點(diǎn)調(diào)節(jié)至兩片玻璃交界處。激光由空氣傳入玻璃中會發(fā)生折射作用，其焦點(diǎn)會發(fā)生偏移現(xiàn)象，故采用貼合玻璃片尋找焦點(diǎn)，等間距調(diào)整垂直玻璃面振鏡頭高度，分別采用相同能量方框掃描玻璃片，取下玻璃片觀察玻璃吸收激光界面位置，即為焦點(diǎn)位置。

（d）玻璃激光焊接。重復(fù)（b）和（c）步驟壓合焊接玻璃片并調(diào)節(jié)焦點(diǎn)至玻璃交界面處，調(diào)整合適的激光焊接工藝參數(shù)（功率、速度及掃描圖形等）對玻璃進(jìn)行焊接，在玻璃交界面處高能量的激光超過一定閥值后會誘發(fā)玻璃材料的多光子電離，電離的自由電子加速與其他原子碰撞引發(fā)雪崩電離，材料溫度升高，使得玻璃溫度達(dá)到熔點(diǎn)發(fā)生熔化，在經(jīng)歷停光時(shí)間的冷卻凝固實(shí)現(xiàn)焊接。

特種激光玻璃焊接工藝

采用特種激光進(jìn)行玻璃焊接試驗(yàn)，整個(gè)焊接面區(qū)域內(nèi)（4×4mm）焊接成型均勻一致，焊后材料變形小，材料平面度未發(fā)生較大的改變，焊接融合區(qū)位于兩片材料交界面處厚度較小，融合區(qū)域兩側(cè)玻璃均觀察不出熱損傷現(xiàn)象。

圖2：焊接結(jié)合層形貌

焊后玻璃端面切片圖顯示，采用新型激光焊接工藝進(jìn)行焊接時(shí)，焊接融合區(qū)域并未呈現(xiàn)水滴狀，沒有出現(xiàn)頂部圓形空腔和底部線形結(jié)構(gòu)微小空腔等焊接裂紋源缺陷，其中部熔融區(qū)域也未出現(xiàn)斷續(xù)未焊接成型的線形裂紋缺陷。進(jìn)行焊接強(qiáng)度測試，材料在母材區(qū)域發(fā)生破裂，焊點(diǎn)未有脫落，焊縫具有較好的焊接強(qiáng)度。

總結(jié)和展望

采用特種激光光源，調(diào)節(jié)合適的焊接工藝參數(shù)，使玻璃材料非線性吸收激光，材料熔化后凝固，使兩塊透明玻璃在不添加焊料條件下形成牢固的焊接區(qū)，成功地實(shí)現(xiàn)了光學(xué)玻璃之間的直接焊接。光學(xué)玻璃焊接融合區(qū)域兩層材料融為一體，無明顯宏微觀裂紋，未呈現(xiàn)水滴狀，因此不存在頂部水滴狀圓形空腔及底部線形損傷區(qū)，交界面也未出現(xiàn)線形未融合，從而有效避免了裂紋源的產(chǎn)生，進(jìn)行強(qiáng)度測試后焊點(diǎn)殘留在試樣表面，具有較高的連接強(qiáng)度。

近年來隨著5G、無線充電、光通信和芯片技術(shù)的飛速發(fā)展，玻璃材料以其電磁信號屏蔽低、硬度高、質(zhì)量輕、成本低和適合大量化生產(chǎn)等突出優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為3C電子結(jié)構(gòu)件（如手機(jī)玻璃機(jī)殼）、半導(dǎo)體器件（晶元與面板）、光學(xué)元器件和攝像頭模組的主流材料，玻璃激光焊接加工將迎來廣闊的應(yīng)用前景。