一种复合激光焊接透明脆性材料的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于激光加工技术领域，并具体公开了一种复合激光焊接透明脆性材料的方法及装置，包括如下步骤：S1将超快激光束聚焦在待焊接的两块透明脆性材料接触处形成白色半透明的初始焊缝以实现初步焊接；S2将连续激光束聚焦在白色半透明的初始焊缝处实现最终焊接。所述装置包括超快激光束发生模块和连续激光束发生模块，超快激光束发生模块用于实现初步焊接；连续激光束发生模块用于实现最终焊接。本发明专利技术可实现具有较大接触间隙的两块透明脆性材料的牢固焊接，具有焊接牢固可靠，适用范围广、工艺流程简单等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种复合激光焊接透明脆性材料的方法及装置
本专利技术属于激光加工
，更具体地，涉及一种复合激光焊接透明脆性材料的方法及装置。
技术介绍
透明脆性材料如玻璃、硅、蓝宝石等因其稳定的化学性质以及优良的物理性质包括透光性、绝缘性、耐腐蚀性和高硬度等，在日常生活和科研生产方面都起到不可或缺的作用。在许多应用场合都会用到多个组装和密封连接在一起的透明脆性材料部件，例如光学中透镜的组装，要求多个透镜连接在一起后还能承受孔径中通过的特定光功率密度；光电子学中对特定光谱相应的半导体传感器的封装，需要对相应波长的信号光透明的绝缘外壳，还要求封装后能将传感器与环境中的水分或其他腐蚀性物质稳定隔离；微机电系统(MEMS)中大量用到使用刻蚀、光刻等半导体制造工艺制造的微型传感器、动作器和微能源部件，要求集成尺度精密和封装密封性好、性能稳定且不影响各微型器件的协同工作；在生物医药方面，无论是微型探测器件还是驻留式功能器件都需要植入人体工作，这些器件不仅要求封装外壳具有生物相容性和无毒性，而且对封装稳定性和耐久性的要求更严苛。随着高新科技产业的发展，透明脆性材料组件因其所具有的优良光学性能、耐腐蚀性能和力学性能将会得到越来越广泛的应用，具有广阔的研究和发展空间。目前透明脆性材料的传统密封方法主要包括胶粘剂粘接、阳极键合、熔融焊接等，传统密封方法各自存在不同的缺陷。超快激光利用极高的峰值功率密度和超短激光脉冲可在透明脆性内部产生非线性吸收，并使材料在焦点处熔融以实现透明脆性介质的微焊接，具有加工精度高、热影响区小、不易破裂、连接强度较高、空间可选择性加工等突出优点，但该方法也表现出以下问题：(1)虽然超快激光由于其焦点处高能量密度能完成瞬时焊接，但由于通常使用大数值孔径显微物镜聚焦，焦点空间范围小，且光束位置不变，要实现区域焊接通常采用光束固定，精密二维工作台带着待焊接材料移动方式进行焊接，加工速度慢，从硬件层面限制了加工速度；(2)超快激光焊接通常要求待焊接表面达到光学接触，即接触面间距<500nm、肉眼观察无干涉条纹存在，较大间隙会导致等离子体溢出造成表面烧蚀或破裂，目前有专门对此的实验研究也要求间隙最大容限在3μm之内才能有效焊接，故此法焊接由于要对表面抛光清洗以达到极高的洁净光滑度，不仅难以实际应用，对大尺寸或异形表面也无能为力，无法实现工程化应用，例如在专利CN106449439A中，使用超快激光封装玻璃芯片时，不仅待封接玻璃表面需要保持很高的水平度，而且在间距大于1μm时，无法直接进行焊接，需在两片玻璃之间加入一个玻璃片，分别对上下两块玻璃与中间层玻璃片进行扫描封装焊接，步骤较为繁琐，效率低。此外，还出现了一种多激光束合束焊接玻璃材料的方法，例如专利CN107892469A公开的多激光束合束焊接玻璃材料的方法及装备，该专利利用超快激光束与连续或长脉冲激光束的合束光实现两块同种玻璃的焊接，其可对不满足光学接触条件的较大的焊接间隙进行焊接，并实现振镜扫描式激光焊接，提高激光焊接效率，实现工程化应用，然而经过研究发现上述焊接方式仍然存在以下问题：(1)合束焊接时超快激光束与连续或长脉冲激光束的能量在焊缝处会叠加，使得材料瞬时温度过高，产生过大的热应力造成材料强度差，因此该种焊接方式对激光束能量的选择具有较高的要求，无法适用于较高能量的激光束；(2)合束焊接时超快激光与连续或长脉冲激光同时作用，当超快激光功率密度过高时会对材料造成烧蚀，影响材料焊接效果，因此合束焊接时需控制超快激光的功率，无法适用于较大功率的激光器。因此在上述的叠加效应及烧蚀作用的限制下虽然其声称可实现接触间隙大于5μm的两块玻璃的焊接，实则经过研究发现其只能实现最大间隙在12μm左右的两种同种材料的焊接。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种复合激光焊接透明脆性材料的方法及装置，其通过利用超快激光实现初步焊接及利用连续激光实现最终焊接的两步焊接的方式，实现具有较大接触间隙的两块透明脆性材料的牢固焊接，具有焊接牢固可靠，适用范围广、工艺流程简单等优点。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提出了一种复合激光焊接透明脆性材料的方法，其包括如下步骤：S1将超快激光束聚焦在待焊接的两块透明脆性材料接触处，超快激光束在两块透明脆性材料接触处产生非线性吸收效应使焦点附近区域的透明脆性材料局部熔化，熔化后的材料经热扩散冷却后固化形成白色半透明的初始焊缝，以此实现初步焊接；S2将连续激光束聚焦在步骤S1形成的白色半透明的初始焊缝处，连续激光束使初始焊缝以及两块透明脆性材料在初步焊接时被烧蚀或破裂部分再次熔化，以修复超快激光束烧蚀损害的部分，熔化后的材料经热扩散冷却后固化形成最终焊缝。作为进一步优选的，两块透明脆性材料相同或不同。作为进一步优选的，两块透明脆性材料的接触间隙不小于15μm，优选为20～25μm。按照本专利技术的另一方面，提供了一种复合激光焊接透明脆性材料的装置，其包括超快激光束发生模块和连续激光束发生模块，其中：所述超快激光束发生模块用于将超快激光束聚焦在待焊接的两块透明脆性材料接触处，以通过超快激光束在两块透明脆性材料接触处产生非线性吸收效应使焦点附近区域的透明脆性材料局部熔化，熔化后的材料经热扩散冷却后固化形成白色半透明的初始焊缝，以此实现初步焊接；所述连续激光束发生模块用于将连续激光束聚焦在白色半透明的初始焊缝处，以通过连续激光束使初始焊缝以及两块透明脆性材料在初步焊接时被烧蚀或破裂部分再次熔化，修复超快激光束烧蚀损害的部分，熔化后的材料经热扩散冷却后固化形成最终焊缝。作为进一步优选的，所述超快激光束发生模块包括位于同一光路中的依次设置的超快激光器、第一扩束准直镜、第一反射镜和超快激光扫描单元，工作时，由超快激光器发射的超快激光束经第一扩束准直镜扩束准直后再经第一反射镜反射至超快激光扫描单元中，然后经超快激光扫描单元聚焦至位于超快激光扫描单元下方的待焊接的两块透明脆性材料接触处进行初步焊接形成初始焊缝；所述连续激光束发生模块包括位于同一光路中的依次设置的连续激光器、第二扩束准直镜、第二反射镜和连续激光扫描单元，工作时，由连续激光器发射的连续激光束经第二扩束准直镜扩束准直后再经第二反射镜反射至连续激光扫描单元中，然后经连续激光扫描单元聚焦至位于连续激光扫描单元下方的已初步焊接的两块透明脆性材料的初始焊缝处进行最终焊接。作为进一步优选的，所述超快激光扫描单元包括沿光路依次设置的且安装于同一横梁上的第三反射镜、第一扫描振镜和第一平场扫描透镜，由第一反射镜反射的激光束经第三反射镜反射至第一扫描振镜中，再经第一平场扫描透镜聚焦形成第一聚焦激光束。作为进一步优选的，所述连续激光扫描单元包括沿光路依次设置的且安装于同一横梁上的第四反射镜、第二扫描振镜和第二平场扫描透镜，由第二反射镜反射的激光束经第四反射镜反射至第二扫描振镜中，再经第二平场扫描透镜聚焦形成第二聚焦激光束。作为进一步优选的，所述超快激光扫描单元连接有第一移动机构；所述连续激光扫描单元连接有第二移动机构。作为进一步优选的，两块透明脆性材料由二维工作平台支撑。作为进一步优选的，所述二维工作平台、第一移动机构、第二移动机构、超快激光器和连续激光器均与工控机相连。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合激光焊接透明脆性材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1将超快激光束聚焦在待焊接的两块透明脆性材料接触处，超快激光束在两块透明脆性材料接触处产生非线性吸收效应使焦点附近区域的透明脆性材料局部熔化，熔化后的材料经热扩散冷却后固化形成白色半透明的初始焊缝，以此实现初步焊接；S2将连续激光束聚焦在步骤S1形成的白色半透明的初始焊缝处，连续激光束使初始焊缝以及两块透明脆性材料在初步焊接时被烧蚀或破裂部分再次熔化，以修复超快激光束烧蚀损害的部分，熔化后的材料经热扩散冷却后固化形成最终焊缝。

【技术特征摘要】
1.一种复合激光焊接透明脆性材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1将超快激光束聚焦在待焊接的两块透明脆性材料接触处，超快激光束在两块透明脆性材料接触处产生非线性吸收效应使焦点附近区域的透明脆性材料局部熔化，熔化后的材料经热扩散冷却后固化形成白色半透明的初始焊缝，以此实现初步焊接；S2将连续激光束聚焦在步骤S1形成的白色半透明的初始焊缝处，连续激光束使初始焊缝以及两块透明脆性材料在初步焊接时被烧蚀或破裂部分再次熔化，以修复超快激光束烧蚀损害的部分，熔化后的材料经热扩散冷却后固化形成最终焊缝。2.如权利要求1所述的复合激光焊接透明脆性材料的方法，其特征在于，两块透明脆性材料相同或不同。3.如权利要求1所述的复合激光焊接透明脆性材料的方法，其特征在于，两块透明脆性材料的接触间隙不小于15μm，优选为20～25μm。4.一种复合激光焊接透明脆性材料的装置，其特征在于，包括超快激光束发生模块和连续激光束发生模块，其中：所述超快激光束发生模块用于将超快激光束聚焦在待焊接的两块透明脆性材料接触处，以通过超快激光束在两块透明脆性材料接触处产生非线性吸收效应使焦点附近区域的透明脆性材料局部熔化，熔化后的材料经热扩散冷却后固化形成白色半透明的初始焊缝，以此实现初步焊接；所述连续激光束发生模块用于将连续激光束聚焦在白色半透明的初始焊缝处，以通过连续激光束使初始焊缝以及两块透明脆性材料在初步焊接时被烧蚀或破裂部分再次熔化，修复超快激光束烧蚀损害的部分，熔化后的材料经热扩散冷却后固化形成最终焊缝。5.如权利要求4所述的复合激光焊接透明脆性材料的装置，其特征在于，所述超快激光束发生模块包括位于同一光路中的依次设置的超快激光器(1)、第一扩束准直镜(3)、第一反射镜(5)和超快激光扫描单元(8)，工作时，由超快激光器(1)发射的超快激光束经第一扩束准直镜(3)扩束准直后再经第一反射镜(5)反射至超快激光扫描单元(8)中，然后经超快激光扫描单元(8)聚焦至位于超快...

【专利技术属性】
技术研发人员：段军，白克强，陈航，曾晓雁，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42