CN108145312A - 一种激光焊接系统及其焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光加工领域，具体涉及一种激光焊接系统及其焊接方法。包括：控制器，多维微纳移动平台，激光产生器，激光传输镜组，高倍显微镜，光电传感器，显示器；控制器控制激光产生器及多维微纳平台的运动；高倍显微镜和激光产生器分别与激光传输镜组连接，激光传输镜组将激光产生器发出的激光传递到多维微纳平台；光电传感器用来获取高倍显微镜传输来的多维微纳平台上的图像，并将信号传递给显示器；显示器显示图像。利用金属表面的等离子体效应进行焊接，属于非接触式的且焊接位置精确可控，可对焊点进行极小范围的局部加热，使材料紧密连接，对基体材料造成损伤较小；加工过程中不需要额外添加辅料，无多余的能量损耗，环保节能。
Description
技术领域
本发明属于激光加工领域，具体涉及一种激光焊接系统及其焊接方法。
背景技术
激光微纳制造是微纳制造技术的重要部分。激光微纳制造是通过激光与材料相互作用，改变材料的物态和性质，实现微米至纳米尺度或跨尺度的控形与控性。由于激光微纳制造在能量密度、作用的空间和时间尺度、制造体吸收能量的可控尺度都可分别趋于极端，而使制造过程所利用的物理效应、作用机理完全不同于传统制造，其制造复杂结构的能力与品质远高于传统制造，由此产生了一批新技术(如光刻、近场纳米制造、干涉诱导加工、微焊接等)、一批新产品(如大规模集成电路、MEMS/NEMS等)、一批产品的高性能化(如航空发动机、燃气轮机、太阳能电池等)和相应的高新技术产业群。
众所周知，纳米材料的互连技术是由纳米材料走向纳米器件的桥梁,是推动纳米材料大规模应用的必然基础之一。目前在纳米尺度的连接技术主要有三类，即电子束/离子束辅助沉积，纳米熔化焊和冷焊。电子束/离子束辅助沉积是将含有被沉积材料的前驱体，通常是含有被沉积元素的金属有机化合物气体，从工作腔内的喷针喷射向沉积基底表面的同时用电子或离子束进行诱导照射，这些金属有机化合物前躯体在受到电子束或离子束的轰击后分解，金属元素大量富集在基底上，而挥发性元素(如氧和氢)被真空泵抽走，这些富集的金属元素在离子束的作用下重新化合，形成沉积层。这种方法的优点是可进行高精度定点沉积，但效率较低，价格昂贵，伴随沉积过程会产生无定形碳及表面扩散，而且离子也容易注入到样品内，对样品造成污染。
现有技术中，纳米熔化焊是通过电流产生焦耳热，将焊料熔化，从而对焊接物体进行连接。一个典型的案例是将一根焊料纳米线放在待焊接的材料上，通过对焊料纳米线两端通电，就会在电阻大的地方(即焊料与待焊接纳米线接触处)产生较多的焦耳热，从而是焊料局部熔化。利用这种方法可以对纳米线进行焊接固定。相比于电子束/离子束辅助沉积技术，纳米熔化焊技术的优势在于成本低、污染小、精度高。但是由于这类焊接方法均是在远高于金属材料熔点之上进行的，因此容易对待焊接材料造成一定的损伤；而且难以控制焊料的流动速率，所以该技术依然存在着一定问题。再比如，目前有人用到了冷焊接方法，该方法虽然可以连接超细金属纳米线，但是冷焊接方法难焊接较粗的纳米金属线，该方法还需要先进设备直接接触纳米金属线，会对目标结构附近的纳米金属线带来机械损伤。
因此，需要一种无污染，成本低，且精确可控的，对基底材料损伤小的微纳材料的焊接技术，是本领域目前刻不容缓的事情。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术成本高、精度低、污染严重、局部熔化效果差、损伤严重等技术瓶颈，从而提出一种无污染，成本低，且精确可控的，对基底材料损伤小的微纳材料的焊接系统及其焊接方法。
为解决上述技术问题，本发明公开了一种激光焊接系统，所述的系统包括：控制器，多维微纳移动平台，激光产生器，激光传输镜组，高倍显微镜，光电传感器，显示器；所述的控制器控制激光产生器及多维微纳平台的运动；所述高倍显微镜和所述激光产生器分别与所述激光传输镜组连接，所述的激光传输镜组将激光产生器发出的激光传递到多维微纳平台；所述光电传感器用来获取所述高倍显微镜传输来的所述多维微纳平台上的图像，并将信号传递给显示器；显示器显示图像。
优选的，所述激光产生器的激光波长范围是200nm到1110nm，激光束直径0.1μm到2μm，激光功率范围＜1W，形成焊点直径小于960nm，单点焊接时间为2ms到100ms。
优选的，激光产生器产生的激光波长为200nm到600nm，实际输出能量为 100mW到600mW，光斑直径小于0.5μm时，有效焊接直径小于等于1微米的银金属线。
优选的，所述激光产生器为脉冲激光器。
优选的，所述的高倍显微镜用来放大微纳元件的图像。
本发明还公开了任一项所述系统用于激光焊接的方法，所述方法步骤如下：
1)用激光传输镜组将微纳元件反射回来的光传输进入高倍显微镜，然后通过光电传感器来获取高倍显微镜中的微纳元件的图像，把目标图像输出到显示器上。
2)通过控制器控制多维微纳移动平台将微纳元件待焊位置移动到激光束下；
3)通过控制器调节激光功率及激光持续时间，激光进入激光传输镜组，照射到金属微纳元件上；
4)激光的能量被金属微纳元件上纳米粒子表面吸收，光能转化为热能，纳米粒子温度升高，将金属微纳元件上的纳米粒子融化。
优选的，所述步骤3中)，金属微纳元件上的上层微纳元件在激光的光场激励下产生的局域表面等离子体共振，和金属微纳元件的下层纳米元件表面的等离子体发生电磁耦合。
更为优选的，所述步骤3)中，金属微纳元件的底部微纳元件的交叉位置的表面首先融化，并沿上层微纳元件发生外延。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：本发明利用金属表面的等离子体效应进行焊接，该焊接方法属于非接触式的且焊接位置精确可控；可以对焊点进行极小范围的局部加热，使材料紧密连接，对基体材料造成损伤较小；加工过程中不需要额外添加辅料，无多余的能量损耗，环保节能。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是实施例所述系统的结构示意图。
具体实施方式
实施例
实施例1本实施例公开了一种激光焊接系统(具体如图1所述)，所述系统包括：控制器1，多维微纳移动平台4，激光产生器2，激光传输镜组3，高倍显微镜7，光电传感器6，显示器5；所述的控制器1控制激光产生器2 及多维微纳平台4的运动，多维微纳平台4用来保证纳米线的移动精度；所述高倍显微镜7和所述激光产生器2分别与所述激光传输镜组3连接，所述的激光传输镜组3传递激光产生器2发出的激光；所述光电传感器6用来获取通过所述高倍显微镜7放大后的多维微纳平台4上的微纳元件放大后的图像，并将信号传递给显示器5；显示器5显示待焊接的微纳元件的图像。所述的高倍显微镜7用来放大微纳元件的图像。
所述激光器产生器2的所述激光产生器的激光波长范围是200nm到 1110nm(优选的为200nm到600nm)，激光束直径0.1微米到2微米，激光功率范围＜1W，形成焊点直径小于960nm。实际输出能量为100mW到600mW，光斑直径小于0.5μm时，有效焊接直径小于等于1微米的银金属线。
本实施例用到的激光产生器为脉冲激光器；相比于连续激光器，脉冲激光器产生的光场更强，脉冲能量更大，可以使金属表面产生更强的表面等离子体共振，单点焊接时间更短，单点焊接照射时间范围2ms到100ms。
实施例2本实施例公开了实施例1所述系统用于激光焊接的方法，所述方法步骤如下：
1)用激光传输镜组将微纳元件反射回来的光传输进入高倍显微镜，然后通过光电传感器来获取高倍显微镜中的微纳元件的图像，把目标图像输出到显示器上。
2)通过控制器控制多维微纳移动平台将微纳元件待焊位置移动到激光束下；
3)通过控制器调节激光功率及激光持续时间，激光进入激光传输镜组，照射到金属微纳元件上；
4)激光的能量被金属微纳元件上纳米粒子表面吸收，光能转化为热能，纳米粒子温度升高，将金属微纳元件上的纳米粒子融化。
优选的，所述步骤3中)，金属微纳元件上的上层微纳元件在激光的光场激励下产生的局域表面等离子体共振，和金属微纳元件的下层纳米元件表面的等离子体发生电磁耦合。
更为优选的，所述步骤3)中，金属微纳元件的底部微纳元件的交叉位置的表面首先融化，并沿上层微纳元件发生外延。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种激光焊接系统，其特征在于，所述的系统包括：控制器，多维微纳移动平台，激光产生器，激光传输镜组，高倍显微镜，光电传感器，显示器；所述的控制器控制激光产生器及多维微纳平台的运动；所述高倍显微镜和所述激光产生器分别与所述激光传输镜组连接，所述的激光传输镜组将激光产生器发出的激光传递到多维微纳平台；所述光电传感器用来获取所述高倍显微镜传输来的所述多维微纳平台上的图像，并将信号传递给显示器；显示器显示图像。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光产生器的激光波长范围是200nm到1110nm，激光束直径0.1μ到2μ，激光功率范围＜1W，单点焊接时间为2ms到100ms。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述激光产生器产生的激光波长为200nm到600nm，实际输出能量为100mW到600mW，光斑直径小于0.5μm时，有效焊接直径小于等于1微米的银金属线。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，优选的，所述激光产生器为脉冲激光器，脉宽500fs到100ns。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述的高倍显微镜用来放大微纳元件的图像。
6.如权利要求1-5任一项所述系统用于激光焊接的方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
1)用激光传输镜组将微纳元件反射回来的光传输进入高倍显微镜，然后通过光电传感器来获取高倍显微镜中的微纳元件的图像，把目标图像输出到显示器上；
2)通过控制器控制多维微纳移动平台将微纳元件待焊位置移动到激光束下；
3)通过控制器调节激光功率及激光持续时间，激光进入激光传输镜组，照射到金属微纳元件上；
4)激光的能量被金属微纳元件上纳米粒子表面吸收，光能转化为热能，纳米粒子温度升高，将金属微纳元件上的纳米粒子融化。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤3中)，上层微纳元件在激光的光场激励下产生的局域表面等离子体共振，和下层纳米元件表面的等离子体发生电磁耦合。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中，底部微纳元件位于交叉位置的表面首先融化，并沿上层微纳元件发生外延。
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