CN113227001B - 用于借助于ukp激光射束对接焊接两个工件的方法以及所属的光学元件 - Google Patents

用于借助于ukp激光射束对接焊接两个工件的方法以及所属的光学元件 Download PDF

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Abstract

在一种用于借助于脉冲激光射束(3)、尤其UKP激光射束对接焊接两个尤其板状的工件(2)的根据本发明方法，所述激光射束聚焦到所述工件材料中，以便使所述两个工件(2)在其接合面(8)的区域中局部地熔融，被聚焦到所述工件材料中的激光射束(3)的激光焦点(F)横向于、尤其垂直于接合面(8)运动，以便在所述接合面(8)的区域中产生焊缝(101,102)。

Description

用于借助于UKP激光射束对接焊接两个工件的方法以及所属 的光学元件
技术领域
本发明涉及一种用于借助于至少一个脉冲激光射束、尤其UKP激光射束对接焊接两个尤其板状的工件的方法，所述激光射束聚焦到工件材料中，以便使两个工件在它们的接合面的区域中局部地熔融。本发明还涉及一种元件，该元件由至少两个彼此激光焊接的工件接合。
背景技术
超短地脉冲激发(Ultrakurz gepulste，UKP)的、具有小于500ps、尤其在飞秒范围内的脉冲持续时间的激光辐射越来越多地被使用于材料加工。以UKP激光辐射进行的材料加工的特点在于激光辐射与工件的较短的交互作用时间。由这种交互作用时间决定地，可以在固体中产生极度的、热力学的不平衡，所述热力学的不平衡随后导致独特的损害机制或者成形机制。
激光透明的玻璃或者还有其它的、对于激光射束透明的、部分透明的或者进行散射的材料(如例如晶体、聚合物、半导体、陶瓷)借助于超短的激光脉冲进行的激光焊接在没有附加的材料使用的情况下可以实现一种稳定的连接，然而由激光诱导的瞬时的以及持久的应力限制。为了对接焊接两个激光透明的工件(如例如玻璃或者晶体)，使在两个工件的厚度上例如中间地聚焦的UKP激光射束沿接合面运动，以便使两个工件在其接合面的区域中局部地熔融并且由此在两个工件的材料中产生尤其贯通的水平的焊缝。焊缝典型地由从外部可识别为焊泡的熔融带形成，所述熔融带从激光焦点出发并且与入射的激光射束的方向相反地水滴形地延伸。为了加强附接面，多个焊缝在道中并排而置。焊接的这种方式可以实现气密的焊缝和具有较高强度的接合连接并且被使用于例如防护玻璃的接合。
背景在于借助于超短的激光脉冲对材料的局部的熔融。如果将超短的激光脉冲聚焦到玻璃、例如石英玻璃的体积内，则存在于激光焦点内的较高的强度导致非线性的吸收过程，由此，可以根据激光参数诱导不同的材料变型。由这些非线性的吸收过程产生被激发的载流子，所述被激发的载流子按顺序在一定程度上线性地吸收。因此，在吸收区域中局部地形成等离子体。当具有重叠的多个脉冲(以较高的重复率)入射时，产生熔融带，使得被诱导的热积累并且材料熔化。在降温之后，当变型位于接合配件的边界面中时，因此形成持久的连接。在此，实际的焊缝(熔融的区域的尺寸)通常大于吸收区域。如果将变型置于两个玻璃的边界面的区域中，则降温的熔融物生成两个玻璃的稳定的连接。由于非常局部的接合过程，激光诱导的应力典型地小，由此，也可以焊接在其热力学特性上强烈不同的玻璃。也可以使具有部分地还更强地偏差的、热力学特性的和机械特性的、如晶体一样的其它的透明的材料彼此焊接或者与玻璃焊接在一起。
发明内容
本发明提出这样的任务：说明一种对接焊接方法，通过所述对接焊接方法进一步改进焊接结果。特别地，应该使激光透明的工件安全地彼此焊接，即便例如在这些工件表面之一上存在缺陷的情况下仍是如此。
根据本发明，该任务通过一种用于借助于至少一个脉冲激光射束、尤其UKP激光射束对接焊接两个尤其板状的工件的方法解决，所述激光射束聚焦到工件材料中，以便使两个工件在其接合面的区域中局部地熔融，其中，聚焦到工件材料中的激光射束的激光焦点横向于、尤其垂直于接合面运动，以便在接合面的区域中产生横向于激光射束的射束方向延伸的焊缝。优选地，UKP激光射束具有具有小于50ps、优选小于1ps、尤其在飞秒范围内的脉冲持续时间的激光辐射，并且，脉冲激光射束的脉冲持续时间在10fs和500ps之间。
根据本发明，在此，激光焦点纵向于和/或横向于接合面运动。在此，激光射束的射束方向例如平行于接合面和/或垂直于工件上侧。优选地，激光射束的几何形状与相应的工件几何形状相协调并且可以在时空上使其成形。这允许，避免例如由于在材料中的缺陷引起的遮暗或者不足的能量耦入。本发明可以实现，使尤其厚的板状的工件彼此焊接。优选地，工件由玻璃、尤其石英玻璃、由聚合物、玻璃陶瓷、晶体或者它们的组合和/或以不透明的材料形成。它们也可以具有涂层，所述涂层不可能会允许穿过工件的直接的辐射。
在激光焦点的横向运动中，激光焦点横向地越过接合面运动。由此，在焦点区域中被诱导的熔融物被驱动到接合区域中并且在降温之后导致两个工件的持久的连接。此外，可能的是，直接地或者在附近聚焦到接合面中并且在沿接合面(即，沿上侧的接合线)的进给的情况下执行焊接过程。也可能的是，使激光焦点同时纵向于和横向于接合面运动，以便因此例如在接合面的区域中形成非直线的焊缝，所述焊缝的形状通过激光焦点的叠加的横向运动和纵向运动产生。
根据本发明的一种优选的实施方式，在空间上和/或在时间上调整被射入的激光射束的射束轮廓。这例如对于在空间上的射束轮廓意味着，可以使用高斯形的射束轮廓或者然而可以这样调整射束轮廓，使得选择空间上的射束轮廓：其在光学轴线之外具有主要的射束成分。这可能意味着例如两个相对于光学轴线错开的焦点。在空间上调整射束轮廓的其它的可能性是例如，使激光射束倾斜于接合面和/或工件上侧倾斜地入射。用于射束轮廓在时间上的调整的示例是例如，使脉冲激光射束以时间间隔入射。这可以是较短的脉冲列、所谓的短脉冲串。由此可以实现更好的能量耦入。用于所入射的激光射束的射束轮廓在时间上和在空间上的调整的其它的示例是，使多个横向于射束方向相对彼此错开的激光射束入射。这多个激光射束可以例如横向于射束方向相对彼此平行错开，使得产生单个的或者连贯的焊接区域并且因此可以在相同的时间内焊接更大的面积和/或产生更大的纵向的熔融变型，所述熔融变型可以实现更大的焦点位置公差。在此，多个激光射束的激光焦点可以在射束方向上相继地错开，以便因此使在工件表面上或者在接合面上的可能的缺陷的影响最小。然而，多个激光射束不是必须平行错开地延伸，而是其射束轴线可以尤其有利地汇聚在工件中，以便绕开可能缺陷。在这种情况下，多个激光射束共同地在一个方向上运动，所述方向横向于它们的对应的射束方向延伸。
在此，使射束轮廓的调整优选匹配于工件的给定条件。例如，为了焊接具有可能的硬化层的工件，可以在硬化层的横向的方向上或者在应力梯度的方向(垂直于硬化带)上定位熔融带的延展。
通过基于工件的给定条件对射束轮廓在空间上和/或在时间上的调整可例如以避免或者减少(例如由在工件的接合面上的缝隙或者过渡部上的全反射引起的)例如遮暗。也可以减少或者避免由光行差决定的损失，所述损失例如可能在工件的边界面相对彼此错边的情况下在球形的光行差的情况下产生。
激光射束可以例如通过空间上的光调制器或者声光偏转器(akusto-optischenDeflektor，AOD)调制。AOD调制可以在焊接过程期间高动态地进行。激光射束在工件中的吸收区可以例如主动地通过如例如衍射光学元件、空间上的光调制器这样的射束成形的元件和/或通过声光偏转器改变。
在时间上的吸收动态可以通过激光射束以时间间隔入射来进行，例如通过较短的激光脉冲列(所谓的短脉冲串)进行。由此，不仅仅可以改变吸收几何形状和/或熔融几何形状，而且也可以改变降温动态，以便因此调制例如降温率和材料的最终的假想温度。
本发明在另一方面也涉及一种借助以根据本发明的对接焊接方式由至少两个工件接合而成的光学元件。在此，这些工件借助于在接合面的区域中的至少一个焊缝相互焊接。在此，焊缝相对于接合面在纵向方向上和/或在横向方向上延伸。
附图说明
从说明书、权利要求和附图得出本发明的主题的其它的优点和有利的构型。同样地，以上所提到的和还进一步列举的特征可以单独地或者多个以任意的组合使用。所示出的和所描述的实施方式不可理解为最终的列举，而是更确切地说对于本发明的叙述而言具有示例性的特性。附图示出：
图1示意性地示出用于借助于激光射束根据本发明地对接焊接两个工件的激光加工机；
图2a-2c示意性地示出两个板状的工件的截面图，所述两个板状的工件借助于高斯形的激光射束彼此焊接，所述高斯形的激光射束的激光焦点横向于接合面(图2a)、平行于上侧的接合线(图2b)以及横向于接合面并且平行于上侧的接合线(图2c)运动；和
图3a-3c示意性地示出两个板状的工件的截面图，所述两个板状的工件借助于斜置的、高斯形的激光射束(3a)、环形的激光射束(3b)和三个平行地并排延伸的高斯形的激光射束(图3c)彼此焊接。
具体实施方式
在图1中示出的激光加工机1使用于借助于激光射束3对接焊接两个在对接处彼此贴靠的、板状的工件2。两个工件2例如由玻璃、尤其石英玻璃、由聚合物、玻璃陶瓷、晶体或者由它们的组合和/或以不透明的材料形成，和/或以此涂覆。
激光加工机1包括用于产生呈具有小于500ps的脉冲持续时间的UKP激光脉冲5形式、尤其呈飞秒脉冲形式的激光射束3的UKP激光器4和可在X-Y-Z方向上运动的激光加工头6，所述激光加工头具有用于聚焦在下方从激光加工头6射出的激光射束3的聚焦光学系统7。替代地或者附加地，也可以使待焊接的、由两个工件2组成的组件在X-Y方向上运动。优选地，脉冲激光射束3的重复率在1kHz和500GHz之间、尤其在50kHz和500kHz之间，并且脉冲激光射束3的脉冲持续时间在10fs和500ps之间。
聚焦光学系统7可以在空间上和/或在时间上调整激光射束3的射束轮廓。为此，聚焦光学系统7可以包括例如空间上的光调制器和/或声光偏转器。在聚焦光学系统7中，可以主动地调整吸收区，例如通过如例如衍射光学元件、空间上的光调制器或者AOD这样的射束成形的元件主动调整。这也可以在对焊期间高动态地自身发生。替代于或补充于脉冲参数的时间上的调制或者也替代于或补充于直接由激光产生脉冲列，聚焦光学系统7此外可以通过较短的激光脉冲列(所谓的短脉冲串)调制在时间上的吸收动态并且由此直接地或者通过调整后的降温动态间接地改变吸收几何形状和/或熔融几何形状。降温动态的间接的调整可以例如要求调整降温率，使得由密度改变和因此由所诱导的应力影响地调制玻璃的最终的假想温度。同样地，激光射束3可以通过聚焦光学系统7相对于光学轴线错开。
在对接焊接两个工件2时，使激光射束3直角地或者几乎直角地对准朝向激光加工头6的工件上侧2a并且在两个工件2的共同的接合面8的区域中聚焦到工件材料中，以便使两个工件2在接合面8的区域中局部地熔融。在此，激光射束3的激光焦点F横向于(在此垂直于)激光射束3的射束方向9运动，以便在接合面8的区域中产生横向于(在此垂直于)激光射束3的射束方向9延伸的焊缝101，102。在此，焊缝可以横向于(在此垂直于)接合面8延伸(横向缝101)或者纵向于或者平行于两个工件2的上侧的接合线11延伸(纵向缝102)。在纵向运动时，激光焦点F可以在接合面8上或者在接合面8附近位于两个工件2中的一个的材料中。在横向运动时，激光焦点F从一个工件2的工件材料运动到另一工件2的工件材料中并且在此经过接合面8。激光焦点的组合的纵向运动和横向运动也是可能的，以便因此产生例如波浪线形或者锯齿形的焊缝。
图2a-2c分别示出两个在对接处彼此贴靠的板状的工件2的截面视图，所述板状的工件借助于具有例如高斯形的射束轮廓的、脉冲激光射束3彼此焊接。激光射束3平行于接合面8并且垂直地入射到工件上侧2a上。通过被聚焦到工件材料中的激光射束3在工件材料中使在激光焦点F周围的水滴形的熔化带12熔融。
在图2a中，激光焦点F垂直于接合面8在方向A上并且越过接合面8运动，以便因此产生越过接合面8延伸的焊缝101。替代于激光射束3的所示出的、在方向A的方向上的直线的横向运动，激光射束3也可以围绕平行于其入射方向的轴线旋转，以便因此产生环形的焊缝，所述环形的焊缝两次地与接合面8相交。此外，替代地，激光射束3附加于其所示出的、在方向A上的直线的横向运动也可以围绕平行于于其入射方向平行的轴线旋转，以便因此产生圈形的或者较宽的焊缝，所述焊缝与接合面8相交。
在图2b中，使激光焦点F平行于上侧的接合线11在进给方向B上运动，以便因此在接合面8的区域中产生沿接合面8延伸的焊缝102。
在图2c中，激光焦点F不仅垂直于接合面8振荡地来回运动(双箭头C)而且平行于上侧的接合线11在进给方向B上运动，以便因此在接合面8的区域中产生例如波浪线形的或者锯齿形的焊缝103。替代于激光射束3在方向A上的平移式的横向运动，激光射束3也可以摆式地来回偏转或者也可以围绕平行于其入射方向的轴线旋转。在后一种情况下，由激光射束3的与直线的进给运动叠加的旋转在进给方向B上产生圈状的或者较宽的焊缝。
图3a与图2a的不同仅仅在于，在此，激光射束3倾斜于接合面8和工件上侧2a入射并且横向于激光射束3的射束方向在方向A上运动。在激光射束3和接合面8之间的角度α为例如10°至20°。通过这种斜置的激光射束3可以实现，绕开在工件上侧2a上或者接合面8上的可能的缺陷13并且尽管如此实现良好的焊接结果。替代激光射束3的所示出的、在方向A上的平移式的横向运动，斜置的激光射束3也可以摆式地来回偏转或者围绕平行于其入射方向的轴线旋转。
图3b与图3a的不同仅仅在于，在此，激光射束3具有基于环形的角度分布的射束轮廓、例如贝塞尔形状。这种射束轮廓或者贝塞尔形状具有在激光射束3的光学轴线之外的主要的射束成分。由此，可以实现，使在工件表面2a上或者在接合面8上的可能的缺陷13的影响最小并且实现良好的焊接结果。替代如在图3b中倾斜地，激光射束3也可以如在图2a中这样垂直地入射到工件上侧2a上。那么，也降低在对接处的表面缺陷13的干扰性的影响(如果也不是在完全的角度范围内)。
图3c与图2a的不同仅仅在于，在此，使多个(在这里，仅示例性地，三个)具有例如高斯形的射束轮廓的脉冲激光射束3入射。激光射束3在方向3上相对彼此平行错开，并且它们的激光焦点F在射束方向9上相继地错开。激光射束3共同地在方向A上垂直于接合面8越过接合面8运动，以便因此产生多个在深度方向上平行错开的焊缝101。通过所述多个激光射束3也可以实现，得到良好的焊接结果，即使在工件2中存在缺陷13的情况下。
替代于激光射束3的在图3a至3c中所示出的在方向A上的平移式的横向运动，在图3a和3b中的斜置的激光射束3或者多个激光射束3也摆式地来回偏转或者围绕平行于入射方向的轴线旋转。
附加于激光射束3的在图2和3中所示出的横向运动和纵向运动，激光射束3的激光焦点F也可以在射束方向上和与射束方向相反地运动，以便因此产生在工件深度上变化的焊缝。
在根据本发明的对接焊接中的有利的参数为：
-呈具有分别2或4个具有贝塞尔形状的激光脉冲的激光短脉冲形式的激光射束3，
-大约50MHz的重复率，
-大约3-10W的平均功率，和
-在1和50mm/s之间的进给。

Claims (16)

1.一种用于借助于至少一个脉冲式的激光射束(3)对接焊接两个激光透明的工件(2)的方法，所述激光射束聚焦到工件材料中，以便使所述两个工件(2)在其接合面(8)的区域中局部地熔融，其中，所述激光射束(3)的脉冲持续时间在10fs至500ps之间，
其中，聚焦到所述工件材料中的激光射束(3)的激光焦点(F)横向于运动，以便在所述接合面(8)的区域中产生横向于所述激光射束(3)的射束方向(9)延伸的焊缝(101,102,103)，其中，所述激光射束(3)具有贝塞尔形状的射束轮廓。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光射束(3)平行于所述接合面(8)和/或垂直于工件上侧(2a)入射。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，聚焦到所述工件材料中的激光射束(3)的激光焦点(F)纵向于且横向于运动，以便在所述接合面(8)的区域中产生焊缝(101,102,103)。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使所述激光射束(3)倾斜于工件上侧(2a)和/或所述接合面(8)入射。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使横向于所述射束方向(9)相对彼此错开的多个激光射束(3)聚焦到所述工件材料中。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述多个激光射束(3)的激光焦点(F)在射束方向(9)上相继地错开。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述激光射束(3)的重复率在1kHz至500GHz之间。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了产生横向运动，所述激光射束(3)摆式地来回偏转或者围绕平行于入射方向的轴线旋转。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述激光射束(3)的激光焦点(F)沿着所述射束方向运动和/或与所述射束方向相反地运动。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述激光射束(3)具有带有小于50ps的脉冲持续时间的激光辐射。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光射束(3)的激光焦点(F)垂直于所述接合面(8)运动。
12.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，激光射束(3)的激光焦点(F)纵向于且垂直于所述接合面(8)运动。
13.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，使横向于所述射束方向(9)相对彼此平行错开的多个激光射束(3)聚焦到所述工件材料中。
14.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述激光射束(3)的重复率在50kHz至500kHz之间。
15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述脉冲持续时间小于1ps。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述脉冲持续时间在飞秒范围内。
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