CN106495454A - 皮秒激光玻璃焊接系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种皮秒激光玻璃焊接系统及焊接方法，该皮秒激光玻璃焊接系统包括皮秒激光器、光学传导系统、振镜扫描系统、工作台和夹具，其中，所述皮秒激光器位于所述光学传导系统的一侧，所述振镜扫描系统位于所述光学传导系统的下方，所述夹具设于所述工作台上并位于所述振镜扫描系统的下方，所述夹具用于固定待焊接玻璃式样。本发明提供的皮秒激光玻璃焊接系统及方法通过选用皮秒量级的超短脉冲激光可以实现无焊料添加的玻璃焊接效果。

Description

皮秒激光玻璃焊接系统及方法
技术领域
本发明涉及激光焊接加工技术领域，尤其涉及一种皮秒激光玻璃焊接系统及方法。
背景技术
玻璃作为一种透明材料，具有一些特有的属性，在电子行业、生物医疗、航空航天等领域有着广泛的应用。激光焊接具有加工过程灵活、非接触加工方式等优点，已经成为焊接玻璃的重要方法。
在传统的激光玻璃焊接工艺中，需要在焊接界面处加入中间层或者涂层，使得激光束聚焦在焊料上，经过材料熔化再凝固的过程实现透明材料的焊接。这种焊接方法存在着很大的缺陷，比如焊接强度随外界因素变化较大，焊料易腐蚀、老化，并且因为添加剂的缘故，会改变玻璃原有的“中性”属性，限制玻璃的应用。
发明内容
本发明提供了一种皮秒激光焊接玻璃系统及方法，旨在解决现有的激光玻璃焊接方法使用涂层和焊料而导致的易腐蚀和老化的技术问题。
本发明的目的是采用以下技术方案来实现的。
一种皮秒激光玻璃焊接系统，包括皮秒激光器，用于发射激光束；光学传导系统，所述光学传导系统位于所述皮秒激光器的一侧；振镜扫描系统，所述振镜扫描系统位于所述光学传导系统的下方；以及工作台和夹具，其中，所述夹具设于所述工作台上并位于所述振镜扫描系统的下方，所述夹具用于固定待焊接玻璃式样；所述激光束经过所述光学传导系统后入射至所述振镜扫描系统，所述振镜扫描系统用于对所述激光束进行聚焦处理，使所述激光束在所述待焊接玻璃式样中的交界面形成光斑，并利用所述光斑对所述待焊接玻璃式样进行焊接。
在一种实施方式中，所述皮秒激光器为皮秒红外激光器，功率为50W，所述激光束的波长为1064nm，脉宽范围为30ps，重复频率的变化范围为10kHz～10000kHz。
在一种实施方式中，所述待焊接玻璃式样高于所述工作台至少10cm。
在一种实施方式中，所述待焊接玻璃式样的厚度范围为1mm—4mm。
在一种实施方式中，所述待焊接玻璃式样的材质为：普通钠钙硅酸盐玻璃、低碱硼硅酸盐玻璃或者稀土掺杂硼硅酸盐玻璃。
在一种实施方式中，所述夹具包括：一个固定定位块和一个活动定位块，位于所述待焊接玻璃式样的水平方向，用于将所述待焊接玻璃式样夹在所述固定定位块和所述活动定位块之间以保持所述待焊接玻璃式样水平；以及一个上压板和一个下压板，所述上压板和所述下压板的中间镂空以露出所述待焊接玻璃样式，所述上、下压板用于使所述待焊接玻璃式样上下紧密贴合。
一种皮秒激光玻璃焊接方法，包括以下步骤：步骤S100：打开皮秒激光器，所述皮秒激光器发射的激光束经过光学传导系统入射至振镜扫描系统；步骤S200：所述振镜扫描系统对所述激光束进行聚焦处理，使所述激光束在由夹具水平固定的待焊接玻璃式样中的交界面处聚焦形成聚焦光斑；以及步骤S300：通过所述聚焦光斑对所述待焊接玻璃式样进行非接触式焊接。
在一种实施方式中，在所述步骤S300中，通过所述振镜扫描系统采取走点阵的方式、利用聚焦光斑对所述待焊接玻璃式样进行焊接，点阵的开关光延迟为300us—1000us，点阵间距为0.1mm—0.8mm。
在一种实施方式中，在步骤S200中，进一步包括：利用夹具使所述待焊接玻璃式样结合得足够紧密，并使所述激光束恰好聚焦在所述待焊接玻璃式样的交界面上，以及，使所述交界面悬空。
在一种实施方式中，在所述步骤S100前还包括：通过脱脂棉和无水乙醇对待焊接玻璃式样进行表面清洗，以使清洁后的表面经透光观察无污点且表面无划痕。
与现有技术相比，本发明提供的皮秒激光玻璃焊接系统及方法通过选用皮秒量级的超短脉冲激光可以实现无焊料添加的玻璃焊接效果，避免因添加涂层和焊料而导致玻璃性能改变，避免了焊接玻璃在使用过程中易老化和被腐蚀等缺点。夹具采用镂空的方式，使得激光束透过待焊接玻璃式样，并且加工台的高度高于10cm，待焊接玻璃式样不会受到工作台反射的激光的影响。采用振镜走点阵的加工方式，避免了线加工方式中，因为激光作用点间距过于紧密而导致的上一个作用点的焊接效果被下一个作用点破坏掉，从而能够实现无焊料的玻璃叠焊效果。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的皮秒激光玻璃焊接系统的结构示意图。
图2是本发明第一实施例中夹具和工作台的立体分解图。
图3是本发明第一实施例提供的夹具和工作台的正面视图。
图4是本发明第二实施例提供的皮秒激光玻璃焊接方法的流程图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1，图1是本发明第一实施例提供的皮秒激光玻璃焊接系统100的结构示意图。
皮秒激光玻璃焊接系统100包括皮秒激光器10、光学传导系统20、振镜扫描系统30、工作台40、夹具50。
皮秒激光器10位于光学传导系统20的一侧，振镜扫描系统30位于光学传导系统20的下方，工作台40位于振镜扫描系统30的下方，夹具50设于工作台40上并位于振镜扫描系统30的下方，夹具50用于水平固定待焊接玻璃式样60，待焊接玻璃式样60包括两片准备焊接在一起的玻璃，两片玻璃紧密贴合，形成一个交界面，之后的焊接加工均在该交界面上进行。
在本实施例中，皮秒激光器10为皮秒红外激光器，功率为50W，激光束的波长为1064nm，脉宽为30ps，重复频率的变化范围为10kHz—10000kHz，以非接触方式实现待焊接玻璃式样60的焊接。
待焊接玻璃式样60为普通的钠钙硅酸盐玻璃，待焊接玻璃式样的厚度范围为1mm—4mm，可以理解，本发明同样适用于其他类型或厚度的待焊接玻璃式样，例如低碱硼硅酸盐玻璃、稀土掺杂硼硅酸盐玻璃等。
本发明第一实施例提供的皮秒激光玻璃焊接系统100的焊接原理为：通过皮秒激光器10发射激光束，发射的激光束经过光学传导系统20后入射至振镜扫描系统30，通过振镜扫描系统30对激光束进行聚焦处理，使激光束在由夹具50固定的待焊接的两个玻璃片构成的玻璃式样60的交界面处形成光斑，并利用聚焦光斑对待焊接玻璃式样60进行焊接，优选地，采用振镜走点阵的加工方式进行焊接。
振镜扫描系统30对于待焊接玻璃式样60可设定相应的工艺参数进行焊接，工艺参数包括激光频率、激光功率、点阵间距、开关光延时及焦点位置等。激光焊接过程中，高能量密度的激光束聚焦到待焊接玻璃式样60的交界面处，由于皮秒激光具有很高的峰值功率，致使待焊接玻璃式样60对于皮秒激光产生非线性吸收作用，从而引起光致电离、熔融、凝固的过程，实现两个玻璃片焊接在一起的焊接效果。在焊接过程中，可调节工艺参数以达到最优的焊接效果。
请参阅图2和图3，在焊接过程中，通过夹具50使待焊接玻璃式样60水平固定。夹具50包括固定定位块51、活动定位块52、上压板53、下压板54。固定定位块51和固定平台510是固定在一起的，具体地，固定定位块51通过螺丝固定在固定平台510上，其下压部512压在上压板53上。固定平台510位于工作台40的上方。固定定位块51和活动定位块52共同固定待焊接玻璃式样60，保持待焊接玻璃式样60水平。上压板53的中间具有一个横梁530，其它区域上下镂空，下压板54除横梁530之外，其它结构和上压板53相同，也是中间上下镂空。下压部512压在上压板53的横梁530上以压紧上压板53。横梁530的宽度可根据需要设置。上压板53位于上方，下压板54位于下方，共同压紧待焊接玻璃式样60，并使其在交界处贴合得足够紧密，保证焊接效果。最后还可根据需要对待焊接玻璃式样60的边缘进行焊接封装。
激光束聚焦在待焊接玻璃式样60的交界面，优选地，保持焊接位置悬空，例如，上压板53和下压板54中间镂空使得激光的工作区域镂空，防止反射光影响待焊接玻璃式样60的焊接效果。优选地，待焊接玻璃式样60到工作台40的高度高于10cm。
本发明第一实施例提供的皮秒激光玻璃焊接系统通过选用皮秒量级的超短脉冲激光可以实现无焊料添加的玻璃焊接效果，避免因添加涂层和焊料而导致玻璃性能改变，避免了焊接玻璃在使用过程中易老化和被腐蚀等缺点。夹具50采用镂空的方式，使得激光束透过待焊接玻璃式样，并且加工区域镂空，待焊接玻璃式样不会受到工作台反射的激光的影响。另外，采用振镜走点阵的加工方式，能够实现无焊料的玻璃叠焊效果。
请参阅图4，图4是本发明第二实施例提供的皮秒激光玻璃焊接方法的流程图，包括以下步骤：
步骤S100：打开皮秒激光器，所述皮秒激光器发射的激光束经过光学传导系统入射至振镜扫描系统。
优选地，在步骤S100前还包括清洗步骤S101，即通过脱脂棉和无水乙醇对待焊接玻璃式样进行表面清洗，以使清洁后的表面经透光观察无污点且表面无划痕。
优选地，在步骤S100前还包括固定步骤，即通过夹具对待焊接玻璃式样进行水平固定，并且使两个待焊接玻璃式样的贴合足够紧密。
可选地，皮秒激光器为皮秒红外激光器，功率为50W，激光束的波长为1064nm，脉宽为30ps，重复频率的变化范围为10kHz—10000kHz。
步骤S200：所述振镜扫描系统对所述激光束进行聚焦处理，使所述激光束在由夹具水平固定的待焊接玻璃式样中的交界面处聚焦形成聚焦光斑。
步骤S300：通过所述聚焦光斑对所述待焊接玻璃式样进行非接触式焊接。
由于皮秒激光器的重复频率很大，若是采用振镜走线阵的加工方式，则待焊接玻璃式样60上的焊接作用点间距过于紧密，会导致前一个激光作用点的焊接效果遭到上一个激光作用点的破坏，无法达到预期的焊接效果，因此，优选地，本实施例通过振镜扫描系统采取振镜走点阵的加工工艺方式进行焊接，即二维点阵组合在一起，以增大激光作用点间距，可实现对不同厚度的待焊接玻璃式样进行焊接加工，提高焊接效率。参数可以参考：开关光延迟为300us—1000us，点阵间距为0.1—0.8mm。
上压板53和下压板54的中间镂空，使得激光所及之处，即激光的工作范围内是镂空的，这样待焊接式样60悬空，待焊接玻璃式样不会受到工作台40反射的激光的影响。
本发明第二实施例提供的皮秒激光玻璃焊接方法通过选用皮秒量级的超短脉冲激光可以实现无焊料添加的玻璃焊接效果，避免因添加涂层和焊料而导致玻璃性能改变，避免了焊接玻璃在使用过程中易老化和被腐蚀等缺点。采用振镜走点阵的加工方式，避免了线加工方式中，因为激光作用点间距过于紧密而导致的上一个作用点的焊接效果被下一个作用点破坏掉，从而能够实现无焊料的玻璃叠焊效果。夹具采用镂空的方式，使得激光束透过待焊接玻璃式样，并且待焊接玻璃式样到工作台的距离高于10cm，待焊接玻璃式样不会受到工作台反射的激光的影响。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种皮秒激光玻璃焊接系统，其特征在于，包括：
皮秒激光器，用于发射激光束；
光学传导系统，所述光学传导系统位于所述皮秒激光器的一侧；
振镜扫描系统，所述振镜扫描系统位于所述光学传导系统的下方；以及
工作台和夹具，其中，所述夹具设于所述工作台上并位于所述振镜扫描系统的下方，所述夹具用于固定待焊接玻璃式样；
所述激光束经过所述光学传导系统后入射至所述振镜扫描系统，所述振镜扫描系统用于对所述激光束进行聚焦处理，使所述激光束在所述待焊接玻璃式样中的交界面形成光斑，并利用所述光斑对所述待焊接玻璃式样进行焊接。
2.如权利要求1所述的皮秒激光玻璃焊接系统，其特征在于，所述夹具包括：
一个固定定位块和一个活动定位块，位于所述待焊接玻璃式样的水平方向，用于将所述待焊接玻璃式样夹在所述固定定位块和所述活动定位块之间以保持所述待焊接玻璃式样水平；以及
一个上压板和一个下压板，所述上压板和所述下压板的中间镂空以露出所述待焊接玻璃样式，所述上、下压板用于使所述待焊接玻璃式样上下紧密贴合。
3.如权利要求1所述的皮秒激光玻璃焊接系统，其特征在于，所述待焊接玻璃式样高于所述工作台至少10cm。
4.如权利要求1所述的皮秒激光玻璃焊接系统，其特征在于，所述皮秒激光器为皮秒红外激光器，功率为50W，所述激光束的波长为1064nm，脉宽范围为30ps，重复频率的变化范围为10kHz～10000kHz。
5.如权利要求1所述的皮秒激光玻璃焊接系统，其特征在于，所述待焊接玻璃式样的厚度范围为1mm—4mm。
6.如权利要求1所述的皮秒激光玻璃焊接系统，其特征在于，所述待焊接玻璃式样的材质为：普通钠钙硅酸盐玻璃、低碱硼硅酸盐玻璃或者稀土掺杂硼硅酸盐玻璃。
7.一种皮秒激光玻璃焊接方法，包括以下步骤：
步骤S100：打开皮秒激光器，所述皮秒激光器发射的激光束经过光学传导系统入射至振镜扫描系统；
步骤S200：所述振镜扫描系统对所述激光束进行聚焦处理，使所述激光束在由夹具水平固定的待焊接玻璃式样中的交界面处聚焦形成聚焦光斑；以及
步骤S300：通过所述聚焦光斑对所述待焊接玻璃式样进行非接触式焊接。
8.如权利要求7所述的皮秒激光玻璃焊接方法，其特征在于，在所述步骤S300中，所述振镜扫描系统采取走点阵的方式、通过所述聚焦光斑对所述待焊接玻璃式样进行焊接，点阵的开关光延迟为300us—1000us，点阵间距为0.1mm—0.8mm。
9.如权利要求7所述的皮秒激光玻璃焊接方法，其特征在于，在步骤S200中，进一步包括：利用夹具使所述待焊接玻璃式样结合得足够紧密，并使所述激光束恰好聚焦在所述待焊接玻璃式样的交界面上，以及，使所述交界面悬空。
10.如权利要求7所述的皮秒激光玻璃焊接方法，其特征在于，在所述步骤S100前还包括：通过脱脂棉和无水乙醇对待焊接玻璃式样进行表面清洗，以使清洁后的表面经透光观察无污点且表面无划痕。
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