CN114160975B - 异种材料的大幅面高强度激光焊接方法及装备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种异种材料的大幅面高强度激光焊接方法和装备，方法具体包括：通过抛光制备透明硬脆材料和金属材料，材料的口径大于100mm且表里面粗糙度低于百纳米级别，将透明硬脆材料和金属材料叠放，透明硬脆材料置于金属材料上方；通过测距仪实时测量透明硬脆材料和金属材料间的距离；通过合束实现长脉冲激光和超快激光的复合输出，通过光学调控令长脉冲激光和超快激光焦点分离至预定位置，根据测距仪测量到的距离基于功率‑高度数据库设置合理的长脉冲光功率，此时金属材料受热膨胀与透明硬脆材料达到光学贴合；长脉冲激光/超快激光复合输出的同时与测距仪保持同步移动，依照指定路径完成大幅面异种材料的焊接。

Description

异种材料的大幅面高强度激光焊接方法及装备
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，特别涉及一种异种材料的大幅面高强度激光焊接方法及装备。
背景技术
激光焊接低污染、高精度、高效率，目前已广泛应用于光电子、汽车制造和生物医疗等领域元器件的焊接封装中，制造需求的逐步提高已提出大幅面异种材料的高强度焊接需求，例如高功率微波源的核心部件等，如何保证大幅面(口径大于100mm)需求背景下的透明硬脆与金属异种材料的高强度焊接是国际难题，成为极大的挑战。
目前，与透明硬脆材料、金属材料相关的焊接技术可分为以下两类：超快激光具备极小的能量输入、超高的峰值功率密度等特点，可在透明硬脆材料内部引起非线性吸收，基于高重频的脉冲激光注入实现能量累积，从而完成透明硬脆材料的选区焊接，但其作用于金属时仅在材料表面引起吸收从而导致烧蚀效应，难以实现金属材料的焊接。另一方面，长脉冲激光具备高的能量输出，可在金属材料表面引起强烈的线性吸收，基于持续性的能量注入可实现金属的高强度焊接，但其作用于透明硬脆材料时存在吸收低且易导致裂纹等问题，难以完成透明硬脆材料的高强度焊接。
现有技术方案中，为实现透明硬脆/金属异种材料的高强度焊接，样品的光学接触成为必要条件，要求样品有极高的平整度(低于1微米)和极低的粗糙度(百纳米级别)，这就使得大幅面范围内的光学接触其贴合难度极大，成本极高，难以满足实际需求。
此外，中国专利文献CN108581188A“一种复合激光焊接透明脆性材料的装置”，CN107892469A“一种多激光束合束焊接玻璃材料的方法及装备”通过超快激光和连续激光两步或同步复合焊接的方式实现透明脆性材料的焊接，超快激光用于增强吸收，连续激光用于实现焊接，且两焦点均在两材料中间位置，适用的范围为透明硬脆材料。然而，该方式用于透明硬脆/金属异种材料焊接时，超快激光作用下金属材料线性吸收易导致烧蚀从而造成显著缺陷，连续激光会进一步增加缺陷大小，因而难以实现高强度异种材料焊接，且该方式无法解决大尺寸材料焊接过程的贴合问题；中国专利文献CN112846499A“玻璃与金属封装的超快激光焊接方法以及系统”中提出采用超短脉冲激光实现玻璃/金属的焊接，该方式基于超短脉冲激光，通过特定的夹具实现几毫米大小的金属与玻璃焊接，该方式因基于光学接触可实现的幅面仅有几毫米尺寸，同样难以实现大幅面(口径大于100mm)下透明硬脆材料与金属材料的异种材料贴合问题，因而难以实现大幅面异种材料的高强度焊接。
因而，如何解决异种材料的大幅面高强度激光焊接需求全新的技术方法。
发明内容
本发明提供了一种异种材料的大幅面高强度激光焊接方法及装备，其目的是为了解决现有焊接方案，大幅面范围内光学接触难度大、焊接成本高，透明硬脆/金属异种材料焊接难的问题。
为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种异种材料的大幅面高强度激光焊接方法，包括：
步骤一、通过抛光制备透明硬脆材料和金属材料，材料的口径大于100mm且表里面粗糙度为百纳米级别，将透明硬脆材料和金属材料叠放，透明硬脆材料置于金属材料上方；
步骤二、通过合束实现长脉冲激光和超快激光的复合输出，通过光学调控令长脉冲激光和超快激光焦点分离至预定位置，所述长脉冲激光的焦点在金属材料的内部，所述超快激光的焦点在透明硬脆材料的内部；
步骤三、通过测距仪测量实时测量透明硬脆材料和金属材料间的动态距离，根据测距仪测量到的动态距离基于功率-高度数据库动态设置合理的长脉冲光功率，控制金属材料受热膨胀程度，使得金属与透明硬脆材料达到光学贴合；
步骤四、长脉冲激光/超快激光复合输出的同时与测距仪保持同步移动，长脉冲激光实现金属材料的加热融化，超快激光实现硬脆材料的加热融化，从而完成异种材料的焊接，最终基于指定路径实现大幅面异种材料的高强度焊接。
其中，步骤二中，所述长脉冲激光的焦点在金属内部，靠近金属材料的上表面。
其中，步骤二中，所述超快激光的焦点在透明硬脆材料内部，靠近透明硬脆材料的下表面。
其中，步骤三中，所述功率-高度数据库预先存储有不同功率和/或不同扫描速度时长脉冲激光加热下金属材料的热膨胀高度值。
其中，所述透明硬脆材料为石英、硅或陶瓷。
其中，所述长脉冲激光为连续激光、毫秒激光或微秒激光。
其中，所述超快激光为皮秒激光或飞秒激光。
其中，所述长脉冲激光和超快激光的合束模式为偏振合束、双色镜合束、光谱合束或空间合束。
本发明的实施例还提供了一种异种材料的大幅面高强度激光焊接装备应用所述异种材料的大幅面高强度激光焊接方法，包括：
控制系统、长脉冲激光器、超快激光器、高精度测距仪、光学调制器、合束器和聚焦镜；
所述控制系统与所述长脉冲激光器、超快激光器和高精度测距仪电连接，所述长脉冲激光器输出的长脉冲激光通过所述光学调制器照射至所述合束器，所述超快激光器输出的超快激光照射至所述合束器，所述长脉冲激光和超快激光通过所述合束器合束照射至所述聚焦镜，所述聚焦镜用于聚焦激光于透明硬脆材料和金属材料的内部，所述透明硬脆材料和金属材料均设置在所述聚焦镜的下方，所述透明硬脆材料和金属材料通过夹具支撑底部并固定四周，所述透明硬脆材料叠放在所述金属材料上方。
其中，所述长脉冲激光器输出的激光波长范围为266nm-2000nm；所述超快激光器输出的激光波长范围为266nm-2000nm。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
本发明所述的异种材料的大幅面高强度激光焊接方法及装备，运用异种材料异种激光作用与吸收的策略，利用金属材料对长脉冲激光的线性预吸收、吸收、后吸收实现金属材料的热膨胀、融化、及后热，达到减小样品间距、实现焊接、控制应力的综合目的；利用透明硬脆材料对超快激光的非线性吸收，实现透明硬脆材料的熔融，且样品在超快激光激发的非线性吸收下可极大的增强对长脉冲激光能量的吸收、增大熔融材料的体积，从而提高焊接效率与质量。该策略可极大提高异种材料焊接的强度。此外，本发明针对大幅面焊接的需求，运用高精度测距仪的预测量，结合长脉冲激光的预热，可动态调整大幅面焊接时样品间的间距，使得焊接过程中样品可以保证高质量的光学接触，具体为根据间隙大小的动态变化合理设置长脉冲激光功率密度，有效调控金属材料的热膨胀高度，使得金属材料与透明硬脆材料紧密结合，降低样品间距，达到光学贴合，最终实现大幅面异种材料的全面贴合与激光焊接。
附图说明
图1为本发明的异种材料的大幅面高强度激光焊接装备的系统图。
【附图标记说明】
1-长脉冲激光器；2-控制系统；3-超快激光器；4-高精度测距仪；5-光学调制器；6-合束器；7-聚焦镜；8-透明硬脆材料；9-金属材料；10-超快激光焦点；11-长脉冲激光焦点。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有焊接方案平整度和粗糙度要求高、大幅面范围内光学接触难度大、焊接成本高的问题，提供了一种异种材料的大幅面高强度激光焊接方法及装备。
实施例1
本发明的实施例提供了一种异种材料的大幅面高强度激光焊接方法，包括：
步骤一、通过抛光制备透明硬脆材料和金属材料，材料的口径大于100mm且表里面粗糙度为百纳米级别，将透明硬脆材料和金属材料叠放，透明硬脆材料置于金属材料上方，利用透明硬脆材料对激光的高透过率达到异种材料异种激光作用与吸收的目的；
步骤二、通过合束实现长脉冲激光和超快激光的复合输出，通过光学调控令长脉冲激光和超快激光焦点分离至预定位置，所述长脉冲激光的焦点在金属材料的内部并且具体位于靠近金属材料的上表面，所述超快激光的焦点在透明硬脆材料的内部并且躯体位于透明硬脆材料的下表面；
步骤三、通过测距仪测量实时测量透明硬脆材料和金属材料间的动态距离，根据测距仪测量到的动态距离基于功率-高度数据库动态设置合理的长脉冲光功率，所述功率-高度数据库预先存储有不同功率和/或不同扫描速度时长脉冲激光加热下金属材料的热膨胀高度值，通过控制金属材料受热膨胀程度，使得金属与透明硬脆材料达到光学贴合；
步骤四、长脉冲激光/超快激光复合输出的同时与测距仪保持同步移动，长脉冲激光实现金属材料的加热融化，超快激光实现硬脆材料的加热融化，从而完成异种材料的焊接，最终基于指定路径实现大幅面异种材料的高强度焊接。
其中，所述透明硬脆材料为石英、硅或陶瓷。
其中，所述长脉冲激光为连续激光、毫秒激光或微秒激光。
其中，所述超快激光为皮秒激光或飞秒激光。
其中，所述长脉冲激光和超快激光的合束模式为偏振合束、双色镜合束、光谱合束或空间合束。
实施例2
如图1所示，本发明提供了一种异种材料的大幅面高强度激光焊接装备应用所述异种材料的大幅面高强度激光焊接方法，包括：控制系统2、长脉冲激光器1、超快激光器3、高精度测距仪4、光学调制器5、合束器6和聚焦镜7；所述控制系统2与所述长脉冲激光器1、超快激光器3和高精度测距仪4电连接，所述长脉冲激光器1输出的长脉冲激光通过所述光学调制器5照射至所述合束器6，所述超快激光器3输出的超快激光照射至所述合束器6，所述长脉冲激光和超快激光通过所述合束器6合束照射至所述聚焦镜7，所述聚焦镜7用于聚焦激光于透明硬脆材料8和金属材料9的内部，所述透明硬脆材料8和金属材料9均设置在所述聚焦镜7的下方，所述透明硬脆材料8和金属材料9通过夹具支撑底部并固定四周，所述透明硬脆材料8叠放在所述金属材料9上方。
其中，所述超快激光器3可为皮秒激光器或飞秒激光器，输出光束的波长范围为266nm-2000nm；激光器输出的光束通过光学调制器5可扫描焦点高度的任意调制；长脉冲激光器1可为连续激光器、毫秒激光器、微秒激光器，波长范围为266nm-2000nm；控制系统2用于控制超快激光器3和长脉冲激光器1的输出时序，获取高精度测距仪4适时测量的样品间距反馈数据且基于数据设置合适的激光功率；合束器6可为偏振合束、双色镜合束、光谱合束、空间合束等，通过合束长脉冲和短脉冲激光，实现两激光器的空间聚焦与匹配；聚焦镜7(可采用物镜或大焦距的透镜等)用于聚焦激光于透明硬脆材料8和金属材料9内部，其中长脉冲激光焦点11靠近金属材料9上表面；超快激光焦点10靠近透明硬脆材料8下表面。
实施例3
针对石英和不锈钢的异种材料的大幅面焊接(口径300mm)。首先制备口径300mm，表面粗糙度优于20nm的石英和不锈钢样品，通过夹具固定；超快激光器采用波长1064nm、脉宽10fs、输出功率50W、重频10MHz的飞秒激光器，通过整形装置实现包含8脉冲的burst输出，空间上形成焦深3mm的贝塞尔聚焦光束，聚焦光斑直径5um；长脉冲激光器采用波长1070nm、脉宽1ms、输出功率500W、重频100Hz的毫秒激光，其聚焦光斑直径约10um；高精度测距仪采用精度为200nm的红外共聚焦测距仪；聚焦镜采用NA为0.4(20X)的显微物镜；三维移动平台移动速度为10mm/s；飞秒激光焦点在石英下表面上50um处，毫秒激光焦点在金属上表面下50um处；通过移动平台形成焊接，本实施例在300mm口径范围内焊接强度均可达50MPA。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种异种材料的大幅面高强度激光焊接方法，其特征在于，包括：
步骤一、通过抛光制备透明硬脆材料和金属材料，材料的口径大于100mm且表里面粗糙度为百纳米级别，将透明硬脆材料和金属材料叠放，透明硬脆材料置于金属材料上方；
步骤二、通过合束实现长脉冲激光和超快激光的复合输出，通过光学调控令长脉冲激光和超快激光焦点分离至预定位置，所述长脉冲激光的焦点在金属材料的内部，所述超快激光的焦点在透明硬脆材料的内部；
步骤三、通过测距仪测量实时测量透明硬脆材料和金属材料间的动态距离，根据测距仪测量到的动态距离基于功率-高度数据库动态设置合理的长脉冲光功率，控制金属材料受热膨胀程度，使得金属与透明硬脆材料达到光学贴合；
步骤四、长脉冲激光/超快激光复合输出的同时与测距仪保持同步移动，长脉冲激光实现金属材料的加热融化，超快激光实现硬脆材料的加热融化，从而完成异种材料的焊接，最终基于指定路径实现大幅面异种材料的高强度焊接；
步骤二中，所述长脉冲激光的焦点在金属内部，靠近金属材料的上表面；
步骤二中，所述超快激光的焦点在透明硬脆材料内部，靠近透明硬脆材料的下表面。
2.根据权利要求1所述的异种材料的大幅面高强度激光焊接方法，其特征在于，步骤三中，所述功率-高度数据库预先存储有不同功率和/或不同扫描速度时长脉冲激光加热下金属材料的热膨胀高度值。
3.根据权利要求1所述的异种材料的大幅面高强度激光焊接方法，其特征在于，所述透明硬脆材料为石英、硅或陶瓷。
4.根据权利要求1所述的异种材料的大幅面高强度激光焊接方法，其特征在于，所述长脉冲激光为连续激光、毫秒激光或微秒激光。
5.根据权利要求1所述的异种材料的大幅面高强度激光焊接方法，其特征在于，所述超快激光为皮秒激光或飞秒激光。
6.根据权利要求1所述的异种材料的大幅面高强度激光焊接方法，其特征在于，所述长脉冲激光和超快激光的合束模式为偏振合束、双色镜合束、光谱合束或空间合束。
7.一种异种材料的大幅面高强度激光焊接装备，应用如权利要求1至权利要求6任一项所述的异种材料的大幅面高强度激光焊接方法，其特征在于，包括：
控制系统、长脉冲激光器、超快激光器、高精度测距仪、光学调制器、合束器和聚焦镜；
所述控制系统与所述长脉冲激光器、超快激光器和高精度测距仪电连接，所述长脉冲激光器输出的长脉冲激光通过所述光学调制器照射至所述合束器，所述超快激光器输出的超快激光照射至所述合束器，所述长脉冲激光和超快激光通过所述合束器合束照射至所述聚焦镜，所述聚焦镜用于聚焦激光于透明硬脆材料和金属材料的内部，所述透明硬脆材料和金属材料均设置在所述聚焦镜的下方，所述透明硬脆材料和金属材料通过夹具支撑底部并固定四周，所述透明硬脆材料叠放在所述金属材料上方。
8.根据权利要求7所述的异种材料的大幅面高强度激光焊接装备，其特征在于，所述长脉冲激光器输出的激光波长范围为266nm-2000nm；所述超快激光器输出的激光波长范围为266nm-2000nm。
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