本論文旨在研究用YAG激光焊接機對玻璃基片進行微焊接時，如何防止裂紋產(chǎn)生。為了在用YAG激光焊接機熔接玻璃基片時保證焊接精度，以往的論文提出了一種新的玻璃焊接方法。在該方法中，兩塊玻璃板被重疊放置，在焊接區(qū)域涂上激光吸收劑。YAG激光照射到基片表面時，僅涂層區(qū)域會吸收激光。因此，只有涂層區(qū)域會熔接在一起，玻璃表面應(yīng)該是透明的。但是以往論文的研究指出，在玻璃基片的熔融區(qū)域會有YAG激光熱沖擊產(chǎn)生的微裂紋出現(xiàn)。在本文的研究中，我們提出用預(yù)加熱基片的方法減少熱沖擊，從而防止熔融區(qū)域的裂紋產(chǎn)生。在預(yù)熱焊接實驗中，以基片預(yù)熱溫度和激光能量為變量，對焊接表面質(zhì)量和焊接強度進行評定。實驗結(jié)果表明，采用預(yù)加熱的方法可以實現(xiàn)玻璃基片的無裂紋焊接。
1. 簡介
目前，光電器件、光傳輸器件等應(yīng)用領(lǐng)域，對玻璃微焊接技術(shù)提出了更高的要求，焊后零件必須具有更高的精度和結(jié)合強度。在傳統(tǒng)方法中，膠黏劑和熱熔都可用于玻璃材料零件的連接。但這些連接方法的精度等級、結(jié)合強度和生產(chǎn)率都不能滿足當(dāng)前的應(yīng)用需求。傳統(tǒng)的玻璃零件焊接方法，固化劑在凝固過程中會有不規(guī)律的收縮，必然導(dǎo)致較大的定位誤差。一些論文中報道了不使用吸收劑完成玻璃焊接的實例，例如采用窄脈沖寬度激光如飛秒脈沖激光來完成焊接。
但是，飛秒激光系統(tǒng)的造價非常昂貴，并且很難應(yīng)用于焊接面積較大的場合。為了克服上述問題，本文提出了一種僅用于玻璃界面焊接的新方法。在該方法中，玻璃板需重疊放置，并且需要在待熔玻璃表面涂覆吸收劑。YAG激光照射在其上，僅被涂層區(qū)域吸收。
以往的論文對玻璃基材的移動焊接的可行性有大量的研究報道，已經(jīng)對實驗的有效性進行了充分論證。這些研究提出的主要問題在于，激光光束能量會讓焊接區(qū)域的溫度變得很高，焊接區(qū)域和非焊接區(qū)的溫度梯度差很大，激光的熱沖擊會導(dǎo)致在焊接區(qū)域產(chǎn)生裂紋，從而使焊接強度降低。
本文研究了玻璃基片的預(yù)熱溫度對焊接質(zhì)量和強度的影響。利用YAG激光焊接機對玻璃板進行了微焊接實驗，通過改變玻璃基片的預(yù)熱溫度來觀察焊接區(qū)域的裂紋狀況和結(jié)合強度。
2. 激光玻璃焊接方法
采用激光在玻璃基體表面進行焊接，被稱為激光玻璃焊接方法。然而，傳統(tǒng)的激光焊接方法無法直接應(yīng)用于玻璃表面，這是由于激光光束波長很難被透明的玻璃基材吸收。但是，當(dāng)將兩玻璃基片重疊放置，并且把石墨碳等激光吸收材料涂覆在兩基片的接觸面時，激光光束就可以被有效吸收了，也就是能夠在玻璃界面實現(xiàn)熔融焊接，如圖1所示。
應(yīng)用該工藝可以完成對玻璃基片的高效點焊。在本文的實驗中，會先在兩基片的熔融界面上涂敷一層激光吸收材料，之后將兩玻璃基片重疊放置，接著YAG激光光束垂直照射于玻璃表面。此時，只有在吸收劑涂敷區(qū)域激光光束才能被吸收，因此可以做到只有焊接區(qū)域的基材會受到影響，其它區(qū)域的玻璃表面不會有損傷。YAG激光焊接機具有良好的聚光性和很小的熱效應(yīng)，同時輸出功率也易于控制，非常適合于微小復(fù)雜零件的焊接，因此非常符合本文的實驗要求。該實驗方法理論上可以作為硅晶體或玻璃微型零件的有效焊接方法。并且有望通過激光束分支技術(shù)，實現(xiàn)兩個或兩個以上點焊區(qū)域的同時焊接。
然而，采用這種工藝通常會在玻璃的焊接區(qū)域留下微裂紋，特別是當(dāng)激光光束能量或焊接區(qū)溫度梯度較高時。本文探討了焊接區(qū)域微裂紋的形成機理，并通過實驗研究玻璃基片預(yù)熱溫度對焊接質(zhì)量和強度的影響。
3. 實驗裝置和方法
激光焊接實驗的設(shè)備示意圖為圖2，實物照片為圖3。本文實驗中使用的是脈沖振蕩YAG激光焊接機，其最高激光能量為40J/脈沖，光纖將激光束引導(dǎo)至焊接室上方。脈沖振蕩激光焊接機非常適合于點焊。激光振蕩器發(fā)出的激光束被光纖分成6束，其中的一束被引導(dǎo)至可以在X、Y、Z三個坐標(biāo)軸上自由移動的焊接頭上，焊接頭上安裝有激光聚焦透鏡，移動精度為10μm。為了控制待焊接工件的溫度，會將工件放置在高溫保溫爐中，如圖4所示。工件被放置在不銹鋼焊接室中，通過附帶的筒式加熱器對其進行加熱，使用隔熱棉材料讓工件的溫度保持恒定。焊接時，激光束穿過焊接室的石英玻璃窗打在工件上。工件的溫度可以通過內(nèi)置的熱電偶測量，保溫范圍在293–873K。
激光焊接條件參數(shù)如表1所示。實驗工件為硼硅玻璃基片，玻璃片的厚度約為1mm。在以往的論文中，為了提高激光的吸收效率，會在工件表面涂黑色油基涂料。本實驗中，理想情況下，玻璃的預(yù)熱溫度應(yīng)遠高于油基涂料的蒸發(fā)溫度（約423K）。因此，需要通過真空沉積法在玻璃片表面涂覆Fe涂層，F(xiàn)e涂層對YAG激光的吸收系數(shù)很高，并且耐高溫性能較好。Fe涂層的厚度約為0.2μm。這里設(shè)置了兩個實驗變量：一是輸出激光束的脈沖寬度分別為2.5ms和7.5ms；二是工件的預(yù)熱溫度分別為293、473、673和873K。
實驗所用的YAG脈沖激光的波長λ=1.06μm。在單點焊接的工藝條件下，如圖5（a）所示，焊接區(qū)域也就是激光照射區(qū)域為25mm×10mm范圍，焊點間隔1mm，也就是說激光束的發(fā)射總數(shù)為250（Nx=25，Ny=10）。在重疊焊接的工藝條件下，如圖5（b）所示，激光束照射區(qū)域為10mm×5mm范圍內(nèi)，激光束的發(fā)射總數(shù)為780，焊接區(qū)域的重疊比率2.0。
在實驗的最后，會對玻璃焊件進行如下測試評估：（1）使用微分干涉差顯微鏡（Nomarski）觀測工件焊接區(qū)域的微觀形貌；（2）使用能譜掃描電鏡（SEM-EDX）分析焊接區(qū)域的元素成分；（3）使用剪切強度測試儀測量焊接區(qū)域的剪切強度。
4. 實驗結(jié)果
4.1 微觀形貌觀測
首先，使用先前的焊接方法，即在293K（20℃）的溫度下焊接玻璃基片，并使用微分干涉差顯微鏡觀測焊接點。圖6為焊接區(qū)域的顯微照片。其中，圖6（a）為焊接區(qū)域的截面圖，圖6（b）為焊接區(qū)域的俯視圖。可以看到在激光照射區(qū)域，也就是吸收劑涂敷區(qū)域周圍存在橢圓形熔融層。在此溫度下，由于基材的激光照射區(qū)域和非照射區(qū)之間有很高的溫度差，可以觀察到焊接區(qū)域有許多裂紋和氣泡。另外，圖7為將玻璃基片的預(yù)熱溫度設(shè)定在673K（400℃）時，焊接區(qū)域的顯微照片。其中，圖7（a）為焊接區(qū)域的截面圖，圖7（b）為焊接區(qū)域的俯視圖。在較高的預(yù)熱溫度下，焊接區(qū)域內(nèi)部未觀察到裂紋和氣泡?？梢哉J為，在這種情況下基材的激光照射區(qū)域和非照射區(qū)之間的溫差較低，也就是熱沖擊降低了，可以有效防止裂紋產(chǎn)生。另外，還觀察到高預(yù)熱溫度比常溫下的焊接區(qū)域的寬度和深度都大。
玻璃基片的預(yù)熱溫度和焊接區(qū)域是否有裂紋的關(guān)系如圖8所示。圖8（a）顯示的是脈沖寬度為2.5ms時的裂紋情況，圖8（b）顯示的是脈沖寬度為7.5ms時的裂紋情況。在這兩種情況下，隨著基片預(yù)熱溫度的升高，裂紋發(fā)生的情況都有所減少，并且激光輸出的能量越大，裂紋出現(xiàn)的幾率越高。這是因為當(dāng)玻璃基片的預(yù)熱溫度升高時，由激光引起的熱沖擊就相對減小了，裂紋出現(xiàn)的幾率也隨之減小了。我們認為，激光輸出的能量越高，玻璃基片上照射區(qū)域的溫度就越高，照射區(qū)域和非照射區(qū)域之間的溫度梯度也越大，焊接區(qū)域裂紋也越容易產(chǎn)生。
4.2 焊接區(qū)域的元素分析
焊接區(qū)域的元素成分使用能譜掃描電鏡（SEM/EDX）進行分析。EDX光譜如圖9所示，定量分析的結(jié)果見表2。原始玻璃基片的EDX光譜見圖9（a），作為參照數(shù)據(jù)，激光焊接后的玻璃基片的EDX光譜如圖9（b）所示。分析結(jié)果顯示，用作激光吸收劑的Fe元素仍有部分殘留在焊接區(qū)域。Fe的熔點為1535°，沸點為2754°。另外，F(xiàn)e對YAG脈沖激光（波長λ=1.06μm）的吸收系數(shù)約為30％，因此不會有熔化或氣化的Fe元素擴散到焊接區(qū)域以外。因此，殘留的Fe只會存在于焊接熔融層中。
焊接后的玻璃片EDX光譜中顯示有Pt元素的存在，這是因為做EDX分析時，需要在玻璃表面涂覆Pt層，以防止靜電荷產(chǎn)生。結(jié)論是，在焊接區(qū)域會有作為吸收劑的Fe元素殘留，但是玻璃成分不會因激光照射而發(fā)生變化。
4.3 焊接區(qū)域的剪切試驗
使用剪切強度測試設(shè)備評估焊接強度。玻璃基片預(yù)熱溫度對焊接強度的影響如圖10所示。這里選擇的是單點焊接的方式，如圖5(a)所示，焊接條件如下：激光的脈沖寬度分別為7.5ms和2.5ms，玻璃基片預(yù)熱溫度分四種293、473、673、873K。隨著基片預(yù)熱溫度的升高，焊接強度在每種脈沖寬度下都有所增加。這里獲得的最大焊接剪切強度為12kN/mm2。焊接時的熱沖擊越大，焊接裂紋就越多，焊接強度也越低。
重疊焊接的示意圖為圖5（b）。圖11顯示了單點焊接和重疊焊接兩種方式下，不同基片預(yù)熱溫度對焊接強度的影響。這里設(shè)置了三種基片預(yù)熱溫度分別為293、673和873K。在單點焊接中，隨著基片溫度的升高焊接強度也隨之上升。在重疊焊接中，焊接強度在任何預(yù)熱溫度下都不高。
重疊焊接的顯微照片顯示在圖12中。在單點焊接方式下，可以通過提高基片預(yù)熱溫度來減少焊接區(qū)域的裂紋，在重疊焊接方式下，即使基片預(yù)熱溫度很高，裂紋仍然會產(chǎn)生。裂紋在激光照射的邊緣區(qū)域尤其嚴重。因此，為了防止焊接裂紋、提高焊接強度，應(yīng)該避免采用重疊焊接方式。這是因為，對比照射區(qū)域與非照射區(qū)域的溫度梯度差，重疊焊接要比單點焊接的溫度差大很多。
5. 結(jié)論
文提出了一種新型的玻璃焊接方法，可以很好地預(yù)防焊接區(qū)域微裂紋的產(chǎn)生。此方法敘述如下：首先在兩玻璃基片的待焊接區(qū)域涂敷激光吸收劑，之后將其重疊放置與具有加熱保溫功能的焊接室中預(yù)熱，最后通過YAG激光焊接機完成焊接步驟。焊接過程是很短的，不會對玻璃基片造成任何損傷。焊接實驗都是在YAG激光焊接機上完成的，通過設(shè)定不同的基片預(yù)熱溫度，研究溫度與微裂紋和焊接強度之間的關(guān)系。實驗結(jié)論如下：
1) 在單點焊接方式下，隨著基片預(yù)熱溫度的升高，焊接強度逐漸加強。而在重疊焊接方式下，基片預(yù)熱和在室溫下焊接的強度差異不大。為了減少焊接裂紋，就要減小焊接區(qū)和非焊接區(qū)的溫度梯度差，避免大的熱沖擊。
2) EDX光譜分析顯示，焊接區(qū)域和非焊接區(qū)域的玻璃元素成分沒有發(fā)生變化，只是在焊接區(qū)域會有作為吸收劑的Fe殘留。
3) 當(dāng)玻璃基片的預(yù)熱溫度提高時，焊接強度也隨之提高，這里獲得的最高焊接強度為12kN/mm2。
4) 在重疊焊接的方式下，焊接強度得不到有效提高，這是因為在這種情況下，即使預(yù)熱溫度很高，也不能避免熱沖擊。
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