CN110142510A - 用于金属纳米元件的激光焊接装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于金属纳米元件的激光焊接装置及方法，沿光路依次布置：激光发生器，产生单色激光束；扩束镜，对激光发生器产生的单色激光束进行放大和准直；光闸，控制激光通过的时间；衰减器，调节激光功率的大小；1/4玻片，改变激光的偏振方向，将激光光束的线偏振转化为圆偏振；光阑，过滤激光光束的杂散光；扫描振镜，用以定位与扫描；聚焦镜，将激光光束进行聚焦形成聚焦光斑；三维运动平台，承载待焊接的金属纳米元件并调节焊接位置，聚焦光斑直接照射至待焊接的金属纳米元件表面。非接触式焊接，只对焊点位置几十纳米范围内进行局域加热，激光光斑聚焦到微米量级，聚焦光斑直径调控在1200nm以下，实现金属纳米尺度上的焊接。

Description

用于金属纳米元件的激光焊接装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种用于金属纳米元件的激光焊接装置及其方法，属于激光精密微细加工技术领域。

背景技术

目前，激光精密微细加工是微纳制造技术的重要组成部分。在微纳加工领域，伴随先进制造技术的进步以及分析工具向更高精度的革新，纳米材料的形貌和特征变化，特别是材料的纳米焊接，催生出了一系列的新兴技术应用，如透明导电电极、薄膜太阳能电池、纳米催化、癌症治疗等。激光微、纳米加工是建立在激光与材料相互作用基础上，利用激光照射来改变材料的性质和物态，实现微米量级到纳米量级或者跨尺度的控形与控性。纳米科技的发展依赖于微纳尺度加工技术的发展，而纳米材料的焊接是目前纳米研究领域中亟待解决的热点和难点问题。

随着纳米材料的不断应用和向前发展，纳米焊接技术也将发挥越来越重要的作用。纳米焊接是人们研发和制造许多纷繁复杂的多功能纳米光电器件和传感器的基础和关键技术之一。是纳米研究能提升到纳米科技水平，并真正能用于大规模地投入实际应用的根本和关键所在。目前纳米连接技术比较典型的有热板加热法、机械压力法、化学合成法、离子束照射法、光照诱导法等等。这些方法在处理大规模纳米线网络焊接的时候效果明显，但由于纳米尺度上的操控技术要求很高，容易造成纳米结构的损伤，所以在材料纳米焊接具体实现过程中都存在一定的局限性，不利于工业化大规模应用。

另有专利申请号201310561021.6的专利文献公开，通过电流产生的焦耳热也可以实现纳米材料的焊接。该方法对于支撑结构的基底等会带来热损伤，而且要求先进的设备来直接接触纳米线，容易对焊接目标附近的纳米结构造成不可逆的机械损伤。

因此，在现有技术之外，需要一种精准可控，效率高，成本低，并且对基底及焊接目标周围材料损伤小的纳米焊接技术来完成纳米材料之间焊接，以保证纳米焊接良好的焊接质量和机械性能，同时，进行纳米焊接技术的推广应用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种简单灵活、精准可控、适应性强的用于金属纳米元件的激光焊接装置及其方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

用于金属纳米元件的激光焊接装置，特点是：沿光路依次布置：

激光发生器，产生单色激光束；

扩束镜，对激光发生器产生的单色激光束进行放大和准直；

光闸，控制激光通过的时间；

衰减器，调节激光功率的大小；

1/4玻片，改变激光的偏振方向，将激光光束的线偏振转化为圆偏振；

光阑，过滤激光光束的杂散光；

扫描振镜，用以定位与扫描；

聚焦镜，将激光光束进行聚焦形成聚焦光斑；

三维运动平台，承载待焊接的金属纳米元件并调节焊接位置，聚焦光斑直接照射至待焊接的金属纳米元件表面。

进一步地，上述的用于金属纳米元件的激光焊接装置，其中，还包含用于控制激光发生器产生单色激光、控制光闸关闭或打开、控制扫描振镜运动的控制单元，控制单元分别与激光发生器、光闸和扫描振镜控制连接。

进一步地，上述的用于金属纳米元件的激光焊接装置，其中，所述激光发生器采用激光波长300nm～800nm、激光束直径0.5cm～1.3cm的脉冲激光器。

进一步地，上述的用于金属纳米元件的激光焊接装置，其中，聚焦镜安装在扫描振镜上，将激光束汇聚为高能量密度的激光光斑。

进一步地，上述的用于金属纳米元件的激光焊接装置，其中，所述三维运动平台包含X轴运动单元、Y轴运动单元和Z轴运动单元，所述X轴运动单元包含X轴大理石底座、X轴直线导轨、X轴连接板和控制X轴连接板运动的X轴直线电机，X轴直线导轨和X轴直线电机安装于X轴大理石底座上，X轴连接板置于X轴直线导轨上，X轴直线电机与X轴连接板驱动连接，从而控制X轴连接板沿X轴直线导轨运动；

所述Y轴运动单元包含Y轴大理石底座、Y轴直线导轨、Y轴连接板和控制Y轴连接板运动的Y轴直线电机，Y轴直线导轨和Y轴直线电机安装于Y轴大理石底座上，Y轴连接板置于Y轴直线导轨上，Y轴直线电机与Y轴连接板驱动连接，从而控制Y轴连接板沿Y轴直线导轨运动；所述Y轴大理石底座连接于X轴连接板上；

所述Z轴运动单元包含Z轴大理石底座、Z轴直线导轨、Z轴连接板和控制Z轴连接板运动的Z轴直线电机，Z轴直线导轨和Z轴直线电机安装于Z轴大理石底座上，Z轴连接板置于Z轴直线导轨上，Z轴直线电机与Z轴连接板驱动连接，从而控制Z轴连接板沿Z轴直线导轨运动；所述Z轴大理石底座连接于Y轴连接板上。

进一步地，上述的用于金属纳米元件的激光焊接装置，其中，所述金属纳米元件的形状为线状、颗粒状、带状或片状。

本发明用于金属纳米元件的激光焊接方法，特点是：

激光发生器产生单色激光束，激光束经过扩束镜对光束进行放大和光束准直；扩束镜将激光光束直径放大10～18倍，激光光束直径越大聚焦的光斑直径越小，且对激光光束进行准直；

光闸打开，光闸控制激光照射焊接的时间，有效时间调节范围在0～1ms；

扩束后激光束经过衰减器、1/4玻片和光阑，衰减器控制激光功率的大小，有效的功率范围在0～300mw；1/4玻片改变激光的偏振方向，将激光光束线偏振转化为圆偏振，提高焊接光斑的圆度；光阑过滤激光光束的杂散光；

继而，激光束传输至扫描振镜中，经扫描振镜后由聚焦镜进行聚焦形成聚焦光斑，光斑直径在1200nm以内；

聚焦后的光斑直接照射至三维运动平台上待焊接的金属纳米元件表面，实现纳米焊接。

更进一步地，上述的用于金属纳米元件的激光焊接方法，其中，激光发生器为脉冲激光器，激光波长范围为300nm～800nm，输出的激光束直径为0.5cm～1.3cm；焊接过程中激光功率小于300mw，形成焊点直径小于1200nm，焊接时间0～1ms。

更进一步地，上述的用于金属纳米元件的激光焊接方法，其中，由控制单元控制激光发生器产生单色激光、控制光闸关闭或打开、控制扫描振镜运动。

更进一步地，上述的用于金属纳米元件的激光焊接方法，其中，金属纳米元件为金属纳米线，金属纳米元件固定在熔点高于金属纳米元件熔点的基底上。

本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：

①纳米金属表面具有独特的光学特性，利用激光在纳米金属表面实现光热转化进行纳米焊接，焊接位置精准可控，且为非接触式焊接；只对焊点位置几十纳米范围内进行局域加热，使纳米材料实现紧密连接，不会对基底材料或其他纳米结构产生影响，且焊接过程中无需额外添加辅料，更无多余能量耗损，节能环保；

②激光焊接可以有效的将激光光斑聚焦到微米量级，实现微纳焊接，精准定位，实现激光聚焦光斑的进一步缩小，聚焦光斑直径调控在1200nm以下，以此实现金属纳米尺度上的焊接；

③聚焦光斑缩小在1200nm以内的主要技术手段是，首先，利用扩束镜将脉冲激光器产生的激光光束直径进行放大10～18倍，激光光束直径越大聚焦的光斑直径越小，并且对激光光束进行准直，避免激光能量损失；然后，经过放大和准直后的激光光束通过扫描振镜后，利用小聚焦镜进行聚焦形成聚焦光斑，聚焦镜越小聚焦光斑越小，控制激光光斑直径在1200nm以内；

④激光焊接装置，结构简洁，适应性强，采用激光扫描振镜直接照射实现金属纳米焊接，振镜可达到很高的扫描速度，具有定位精准、加工效率高等特点，为纳米焊接的规模化应用提供依据；

⑤高效地实现金属纳米焊接工艺，且操作灵活，对基底基本无损伤，焊接质量得到良好的保证，推进了纳米焊接技术的工程化应用。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明具体实施方式了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1：本发明的光路结构示意图；

图2：银纳米线的焊接照片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，方位术语和次序术语等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，用于金属纳米元件的激光焊接装置，沿光路依次布置：

激光发生器2，产生单色激光束；激光发生器可采用脉冲激光器，激光波长范围是300nm～800nm，激光器输出的激光束直径0.5cm～1.3cm，焊接过程中的激光功率小于300mw，形成焊点直径小于1200nm，焊接时间0～1ms；

扩束镜3，对激光发生器2产生的单色激光束进行放大和准直；

光闸4，控制单色激光通过的时间；控制激光照射焊接的时间，有效时间调节范围在0～1ms；

衰减器5，调节控制单色激光的激光功率；控制激光功率的大小，激光导入功率计，功率计上显示出所需的功率大小，有效的功率范围在0～300mw；

1/4玻片6，改变激光的偏振方向，将激光光束的线偏振转化为圆偏振；

光阑7，过滤激光光束的杂散光，保证焊接质量；

扫描振镜8，用于焊接的精准定位与扫描；

聚焦镜9，聚焦镜安装在扫描振镜上，用于将激光束汇聚为高能量密度的激光光斑；

三维运动平台10，承载待焊接的金属纳米元件11并调节焊接位置，聚焦光斑直接照射至待焊接的金属纳米元件11表面待焊接位置上，金属纳米元件受激光热转化效应和热积累实现熔化与焊接；并通过显示器显示图像。

另外，控制单元1分别与激光发生器2、光闸4和扫描振镜8控制连接。

三维运动平台10包含X轴运动单元、Y轴运动单元和Z轴运动单元，所述X轴运动单元包含X轴大理石底座、X轴直线导轨、X轴连接板和控制X轴连接板运动的X轴直线电机，X轴直线导轨和X轴直线电机安装于X轴大理石底座上，X轴连接板置于X轴直线导轨上，X轴直线电机与X轴连接板驱动连接，从而控制X轴连接板沿X轴直线导轨运动；Y轴运动单元包含Y轴大理石底座、Y轴直线导轨、Y轴连接板和控制Y轴连接板运动的Y轴直线电机，Y轴直线导轨和Y轴直线电机安装于Y轴大理石底座上，Y轴连接板置于Y轴直线导轨上，Y轴直线电机与Y轴连接板驱动连接，从而控制Y轴连接板沿Y轴直线导轨运动；所述Y轴大理石底座连接于X轴连接板上；Z轴运动单元包含Z轴大理石底座、Z轴直线导轨、Z轴连接板和控制Z轴连接板运动的Z轴直线电机，Z轴直线导轨和Z轴直线电机安装于Z轴大理石底座上，Z轴连接板置于Z轴直线导轨上，Z轴直线电机与Z轴连接板驱动连接，从而控制Z轴连接板沿Z轴直线导轨运动；所述Z轴大理石底座连接于Y轴连接板上。

具体应用时，金属纳米元件的激光焊接工艺为：

激光发生器2产生单色激光束，激光发生器2是532nm固态纳秒脉冲激光器，相比于连续激光器，脉冲激光器产生的光场更强，脉冲能量更高，所需焊接时间更短，采用激光束提供外能量使金属纳米材料表面发生光热转化效应，通过热量积累实现金属纳米材料的熔化与焊接；

激光束经过扩束镜3对光束进行放大和光束准直；扩束镜3将激光光束直径放大10～18倍，激光光束直径越大聚焦的光斑直径越小，且对激光光束进行准直；

光闸4打开，光闸4控制激光照射焊接的时间，有效时间调节范围在0～1ms；

扩束后激光束经过衰减器5、1/4玻片6和光阑7，衰减器5控制激光功率的大小，有效的功率范围在0～300mw；1/4玻片6改变激光的偏振方向，将激光光束线偏振转化为圆偏振，提高焊接光斑的圆度；光阑7过滤激光光束的杂散光；

继而，激光束传输至扫描振镜8中，经扫描振镜8后由聚焦镜9进行聚焦形成聚焦光斑，光斑直径在1200nm以内；光斑大小的通常变化范围是0.5～13um，但实现纳米焊接过程中所需的光斑直径需控制在1200nm以内；

聚焦后的光斑直接照射至三维运动平台10上待焊接的金属纳米元件11表面，实现纳米焊接。

由控制单元1控制激光发生器2产生单色激光、控制光闸4关闭或打开、控制扫描振镜8运动。

选取合理的激光纳米焊接工艺参数(如激光功率，激光照射时间，激光重复频率等)，可以获得质量良好的金属纳米焊接效果，具体表现在：焊接只发生在特定的焊接位置，且牢靠连接，不会对周围其他的纳米结构造成损伤，如图2中圆圈所示的焊接点，纳米元件表面形貌不受到影响。

金属纳米元件11的形状为线状、颗粒状、带状或片状。金属纳米元件11为金属纳米线，金属纳米元件11固定在熔点高于金属纳米元件熔点的基底上，焊接前，需将焊接样品固定在三维运动平台。

需说明的是，传统焊接工艺无法进行精密微细工件焊接，主要原因是焊接点尺度过大；而激光焊接可以有效的将激光光斑聚焦到微米量级，因而可以实现微纳焊接，本发明提供纳米焊接装备和方法能实现精准定位，关键技术还在于可实现激光聚焦光斑的进一步缩小，将聚焦光斑直径调控在1200nm以下，以此实现金属纳米尺度上的焊接。

将聚焦光斑缩小在1200nm以内的主要技术手段是，首先，利用扩束镜将脉冲激光器产生的激光光束直径进行放大10～18倍，激光光束直径越大聚焦的光斑直径越小，并且对激光光束进行准直，避免激光能量损失；然后，经过放大和准直后的激光光束通过扫描振镜后，利用小聚焦镜进行聚焦形成聚焦光斑，聚焦镜越小聚焦光斑越小，控制激光光斑直径在1200nm以内。

由于纳米金属表面具有独特的光学特性，利用激光在纳米金属表面实现光热转化进行纳米焊接，焊接位置精准可控，且为非接触式焊接；只对焊点位置几十纳米范围内进行局域加热，使纳米材料实现紧密连接，不会对基底材料或其他纳米结构产生影响，且焊接过程中无需额外添加辅料，更无多余能量耗损，节能环保。

本发明金属纳米元件的激光焊接装置，结构简洁，适应性强，采用激光扫描振镜直接照射实现金属纳米焊接，振镜可达到很高的扫描速度，具有定位精准、加工效率高等特点，为纳米焊接的规模化应用提供依据。

金属纳米元件的激光焊接方法精准快速，能够高效地实现金属纳米焊接工艺，且操作灵活，对基底基本无损伤，焊接质量得到良好的保证，推进了纳米焊接技术的工程化应用。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.用于金属纳米元件的激光焊接装置，其特征在于：沿光路依次布置：

激光发生器(2)，产生单色激光束；

扩束镜(3)，对激光发生器(2)产生的单色激光束进行放大和准直；

光闸(4)，控制激光通过的时间；

衰减器(5)，调节激光功率的大小；

1/4玻片(6)，改变激光的偏振方向，将激光光束的线偏振转化为圆偏振；

光阑(7)，过滤激光光束的杂散光；

扫描振镜(8)，用以定位与扫描；

聚焦镜(9)，将激光光束进行聚焦形成聚焦光斑；

三维运动平台(10)，承载待焊接的金属纳米元件(11)并调节焊接位置，聚焦光斑直接照射至待焊接的金属纳米元件(11)表面。

2.根据权利要求1所述的用于金属纳米元件的激光焊接装置，其特征在于：还包含用于控制激光发生器(2)产生单色激光、控制光闸(4)关闭或打开、控制扫描振镜(8)运动的控制单元(1)，控制单元(1)分别与激光发生器(2)、光闸(4)和扫描振镜(8)控制连接。

3.根据权利要求1所述的用于金属纳米元件的激光焊接装置，其特征在于：所述激光发生器(2)采用激光波长300nm～800nm、激光束直径0.5cm～1.3cm的脉冲激光器。

4.根据权利要求1所述的用于金属纳米元件的激光焊接装置，其特征在于：聚焦镜(9)安装在扫描振镜(8)上，将激光束汇聚为高能量密度的激光光斑。

5.根据权利要求1所述的用于金属纳米元件的激光焊接装置，其特征在于：所述三维运动平台(10)包含X轴运动单元、Y轴运动单元和Z轴运动单元，所述X轴运动单元包含X轴大理石底座、X轴直线导轨、X轴连接板和控制X轴连接板运动的X轴直线电机，X轴直线导轨和X轴直线电机安装于X轴大理石底座上，X轴连接板置于X轴直线导轨上，X轴直线电机与X轴连接板驱动连接，从而控制X轴连接板沿X轴直线导轨运动；

所述Y轴运动单元包含Y轴大理石底座、Y轴直线导轨、Y轴连接板和控制Y轴连接板运动的Y轴直线电机，Y轴直线导轨和Y轴直线电机安装于Y轴大理石底座上，Y轴连接板置于Y轴直线导轨上，Y轴直线电机与Y轴连接板驱动连接，从而控制Y轴连接板沿Y轴直线导轨运动；所述Y轴大理石底座连接于X轴连接板上；

所述Z轴运动单元包含Z轴大理石底座、Z轴直线导轨、Z轴连接板和控制Z轴连接板运动的Z轴直线电机，Z轴直线导轨和Z轴直线电机安装于Z轴大理石底座上，Z轴连接板置于Z轴直线导轨上，Z轴直线电机与Z轴连接板驱动连接，从而控制Z轴连接板沿Z轴直线导轨运动；所述Z轴大理石底座连接于Y轴连接板上。

6.根据权利要求1所述的用于金属纳米元件的激光焊接装置，其特征在于：所述金属纳米元件(11)的形状为线状、颗粒状、带状或片状。

7.用于金属纳米元件的激光焊接方法，其特征在于：

激光发生器(2)产生单色激光束，激光束经过扩束镜(3)对光束进行放大和光束准直；扩束镜(3)将激光光束直径放大10～18倍，激光光束直径越大聚焦的光斑直径越小，且对激光光束进行准直；

光闸(4)打开，光闸(4)控制激光照射焊接的时间，有效时间调节范围在0～1ms；

扩束后激光束经过衰减器(5)、1/4玻片(6)和光阑(7)，衰减器(5)控制激光功率的大小，有效的功率范围在0～300mw；1/4玻片(6)改变激光的偏振方向，将激光光束线偏振转化为圆偏振，提高焊接光斑的圆度；光阑(7)过滤激光光束的杂散光；

继而，激光束传输至扫描振镜(8)中，经扫描振镜(8)后由聚焦镜(9)进行聚焦形成聚焦光斑，光斑直径在1200nm以内；

聚焦后的光斑直接照射至三维运动平台(10)上待焊接的金属纳米元件(11)表面，实现纳米焊接。

8.根据权利要求7所述的用于金属纳米元件的激光焊接方法，其特征在于：激光发生器(2)为脉冲激光器，激光波长范围为300nm～800nm，输出的激光束直径为0.5cm～1.3cm；焊接过程中激光功率小于300mw，形成焊点直径小于1200nm，焊接时间0～1ms。

9.根据权利要求7所述的用于金属纳米元件的激光焊接方法，其特征在于：由控制单元(1)控制激光发生器(2)产生单色激光、控制光闸(4)关闭或打开、控制扫描振镜(8)运动。

10.根据权利要求7所述的用于金属纳米元件的激光焊接方法，其特征在于：金属纳米元件(11)为金属纳米线，金属纳米元件(11)固定在熔点高于金属纳米元件熔点的基底上。