CN115889987A - 一种用于吸收激光能量的薄膜 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于吸收激光能量的薄膜，所述薄膜包括高折射率层、低折射率层和金属层，其中高折射率层的数量和低折射率层的数量相等；高折射率层和低折射率层间隔层叠形成介质层；所述金属层设置于介质层折射率较低的一侧；所述高折射率层的折射率为2.3～2.7，所述低折射率层的折射率为1.2～1.8。利用本发明所述薄膜进行激光焊接，理论上可以达到0％的激光反射作用，在激光焊接过程中即使由于误差的存在，也可以将激光反射作用控制在8％以内，可以显著提高激光焊接质量，使更小的激光能量穿透透明材料，实现更小激光能量的高质量激光焊接。
Description
技术领域
本发明涉及激光焊接技术领域，具体地，涉及一种用于吸收激光能量的薄膜。
背景技术
激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法，激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导先工件内部传递，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件融化，形成特定的“熔池”。
现有激光焊接技术的一大优点是具有穿透性，在激光焊接过程中，激光可以穿过晶体、玻璃等透明非金属材料，入射到金属材料表面，从而在透明非金属材料和金属材料的表面产生前的热量进行焊接。然而，金属材料的表面经常会对激光焊接过程中采用的激光产生强烈的反射作用，如对Nd：YAG激光器发出的波长为1.06μm激光，金属表面可以产生80％以上的反射作用。不仅对激光焊接过程的焊接能量有着巨大的损耗，同时强烈的激光反射作用会对激光焊接系统产生一定的破坏作用，会导致透明材料的损坏。
目前，主要有三种方法用于提高激光焊接是的红外焊接能量。第一种方法实在金属材料的表面镀制一些高吸收能力的材料，如氧化铜、石墨、多晶钨等，然而这些材料难以获得高质量的膜层，同时当膜层材料厚度增大时，这些高吸收能力的材料的热传导能力会受到影响，影响能量穿透深度从而降低焊接质量。第二种方法是采用双激光脉冲复合焊接的方法，在采用主脉冲对材料进行焊接之前，先利用一个次要的激光脉冲对材料进行预热，增加材料熔融状态的持续时间，从而提高金属在焊接过程中对激光能量的吸收。但是这种方法对金属材料的吸收系数的提高效果也十分有限，使用了这种方法仍然会产生40％左右的反射作用。第三种方法是采用光学干涉薄膜降低激光焊接过程中的激光反射损失，但是工厂条件难以满足光学干涉条件，光学干涉薄膜的膜层厚度和光束方向对光的干涉有较大的影响，导致焊接质量的降低。
因此，如何降低红外区域焊接薄膜对激光焊接过程中激光的反射作用，提高材料焊接处光束的能量，一直是激光焊接技术致力解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的上述不足，提供一种用于吸收激光能量的薄膜。
本发明的第一目的是提供一种用于吸收激光能量的薄膜。
本发明的第二目的是提供上述薄膜在减少激光焊接过程中激光反射损失中的应用。
为了实现上述目的，本发明是通过以下方案予以实现的：
一种用于吸收激光能量的薄膜，所述薄膜包括高折射率层、低折射率层和金属层，其中高折射率层的数量和低折射率层的数量相等；
高折射率层和低折射率层间隔层叠形成介质层；所述金属层设置于介质层折射率较低的一侧；所述高折射率层的折射率为2.3～2.7，所述低折射率层的折射率为1.2～1.8。
优选地，所述薄膜包括3个高折射率层、3个低折射率层和1个金属层。
优选地，所述高折射率层的折射率为2.5。
优选地，所述高折射率层的材料为二氧化钛(TiO2)。
优选地，所述高折射率层的厚度为80～110nm。
优选地，所述低折射率层的折射率为1.5。
更优选地，所述低折射率层的材料为二氧化硅(SiO2)。
优选地，所述低折射率层的厚度为140～180nm。
优选地，所述金属层的材料为铝、银和/或铝银合金。
更优选地，所述金属层的材料为铝。
本发明还请求保护上述任一所述的薄膜在减少激光焊接过程中激光反射损失中的应用。
穿透式激光焊接一般用于透明材料和衬底材料的焊接，透明材料和衬底材料的焊接面上分别镀有金属预镀层，金属预镀层材料可以为铜(Cu)、铬(Cr)或其他金属；而金属预镀层材料会对焊接采用的激光有强反射作用，导致焊接过程中激光焊接能量的巨大损耗。将上述薄膜镀在透明材料和透明材料的金属预镀层之间，可以有效降低金属预镀层的激光反射作用，从而实现大幅降低激光的反射率，实现激光反射损失的减少。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种用于吸收激光能量的薄膜，所述薄膜包括高折射率层、低折射率层和金属层，其中高折射率层的数量和低折射率层的数量相等；高折射率层和低折射率层间隔层叠形成介质层；所述金属层设置于介质层折射率较低的一侧；所述高折射率层的折射率为2.3～2.7，所述低折射率层的折射率为1.2～1.8。利用本发明所述薄膜进行激光焊接，理论上可以达到0％的激光反射作用，在激光焊接过程中即使由于误差的存在，也可以将激光反射作用控制在8％以内，可以显著提高激光焊接质量，使更小的激光能量穿透透明材料，实现更小激光能量的高质量激光焊接。
附图说明
图1为本发明所述薄膜的结构示意图；
图2为本发明所述薄膜用于穿透式激光焊接时的使用状态图；
图3为利用实施例3中入射激光波长和焊接过程中反射率的关系图；
图4为利用实施例4中入射激光波长和焊接过程中反射率的关系图；
图5为利用实施例5中入射激光波长和焊接过程中反射率的关系图。
具体实施方式
下面结合说明书附图及具体实施例对本发明作出进一步地详细阐述，所述实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。下述实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，为可从商业途径得到的试剂和材料。
实施例1一种用于吸收激光能量的薄膜
一种用于吸收激光能量的薄膜，其膜层结构记为(HL)SM，其中H和L分别为高折射率层和低折射率层，S为镀膜周期数；M为金属层。
薄膜的结构示意图如图1所示，薄膜包括3个高折射率层(H)、3个低折射率层(L)和一个金属层(M)。其中第2、第4和第6层为高折射率层(H)，第3、第5和第7层为低折射率层(L)，高折射率层(H)和低折射率层(L)间隔层叠形成介质层；第8层为金属层(M)，金属层(M)设置于介质层上折射率较低的一侧(即与第7层相接)。
高折射率层(H)的材料选用二氧化钛(TiO2)，厚度为97.2nm，折射率为2.5；低折射率层(L)的材料选用二氧化硅(SiO2)，厚度为162.2nm，折射率为1.5；金属层(M)的材料选用铝(Al)，厚度为20nm。
实施例2一种用于吸收激光能量的薄膜
一种用于吸收激光能量的薄膜2，其膜层结构记为(HL)SM，其中H和L分别为高折射率层和低折射率层，S为镀膜周期数；M为金属层。
薄膜2的结构示意图如图1所示，薄膜包括3个高折射率层(H)、3个低折射率层(L)和一个金属层(M)。其中第2、第4和第6层为高折射率层(H)，第3、第5和第7层为低折射率层(L)，高折射率层(H)和低折射率层(L)间隔层叠形成介质层；第8层为金属层(M)，金属层(M)设置于介质层上折射率较低的一侧(即与第7层相接)。
高折射率层(H)的材料选用二氧化钛(TiO2)，厚度为98.5nm，折射率为2.5；低折射率层(L)的材料选用二氧化硅(SiO2)，厚度为164.5nm，折射率为1.5；金属层(M)的材料选用铝(Al)，厚度为30nm。
实施例3一种镀有用于吸收激光能量的薄膜的穿透式激光焊接方法及性能测试
1、实验方法
实验组设置为：利用实施例1得到的用于吸收激光能量的薄膜进行穿透式激光焊接，该薄膜的使用状态结构示意图如图2所示。
其中第2～8层为实施例1得到的用于吸收激光能量的薄膜，第2、4和6层为高折射率层(H)，高折射率层材料为二氧化钛(TiO2)，厚度为97.2nm，折射率为2.5；第3、5和7层为低折射率层(L)，低折射率层材料为二氧化硅(SiO2)，厚度为162.2nm，折射率为1.5；第8层为金属层(M)，金属层材料为铝(Al)，厚度为20nm。
穿透式激光焊接用于透明材料和衬底材料的焊接，其中，第12层为衬底材料层，衬底材料选用金属或非金属材料；在衬底材料层的焊接面上镀有金属预镀层1(第11层)，金属预镀层1(第11层)的材料为铬(Cr)；在第11层上镀有焊接层(第10层)，焊接层(第10层)的材料为锡(Sn)。
第1层为透明材料层，透明材料选用玻璃，折射率为1.53；透明材料的焊接面上镀有实施例1得到的用于吸收激光能量的薄膜，即第2～8层；金属层(第8层)上镀有金属预镀层2(第9层)，金属预镀层2(第9层)的材料为铜(Cu)。
利用穿透式激光焊接技术将金属预镀层2(第9层)和焊接层(第10层)进行焊接，其中激光垂直于透明材料层入射。
对照组和实验组的区别在于：不加入实施例1得到的用于吸收激光能量的薄膜进行穿透式激光焊接，其余步骤同实验组相同。
2、效果评测
按照本实施例步骤1所示使用方法进行穿透式激光焊接，采用膜系反射率公式计算反射率，膜系反射率公式如公式I所示。
公式I：
其中，η0为透明材料层的折射率(第1层折射率)，B和C如公式II计算得到；
公式II：
其中
θr为入射激光在第r层的折射角度，dr为第r层的厚度，λ为入射激光波长，ηr为第r层的折射率，r取自为0～8的任一整数；本实施例激光垂直于透明材料层入射，θr＝0，所以
改变激光入射波长λ的大小，测定激光入射波长对应的反射率R。
以激光入射波长λ(nm)为横坐标，反射率R为纵坐标，绘制激光入射波长和反射率之间的图像。
对实验组和对照组进行同等处理，分别得到对应的图像并汇总。。
3、实验结果
实验组以及对照组的入射激光波长和反射率之间的关系如图3所示，结果显示：在穿透式激光焊接时，在透明材料层和金属预镀层之间镀上本发明实施例1所述薄膜可以有效降低焊接过程中的激光反射率；而在穿透式激光焊接过程中，将透明材料和衬底材料直接进行焊接，激光反射率大于90％，焊接效率低。
结果说明：实施例1制备得到的用于吸收激光能量的薄膜可以有效降低激光焊接过程中的激光反射率，并且理论上当激光入射波长λ＝1060nm时，激光反射率可以达到0％，尽管在使用过程中由于客观存在的误差使的实际激光反射率与理论激光存在一定差距，当也可以将激光反射率控制在8％以内。
实施例4一种镀有用于吸收激光能量的薄膜的穿透式激光焊接方法
1、实验方法
实验组1设置为：利用实施例1得到的用于吸收激光能量的薄膜进行穿透式激光焊接，薄膜的使用状态图如图2所示。
其中第2～8层为实施例1得到的用于吸收激光能量的薄膜，第2、4和6层为高折射率层(H)，高折射率层材料为二氧化钛(TiO2)，厚度为97.2nm，折射率为2.5；第3、5和7层为低折射率层(L)，低折射率层材料为二氧化硅(SiO2)，厚度为162.2nm，折射率为1.5；第8层为金属层(M)，金属层材料为铝(Al)，厚度为20nm。
第12层为衬底材料层，衬底材料选用金属或非金属材料；在衬底材料层的焊接面上镀有金属预镀层1(第11层)，金属预镀层1(第11层)的材料为铬(Cr)；在第11层上镀有焊接层(第10层)，焊接层(第10层)的材料为锡(Sn)。
第1层为透明材料层，透明材料选用石英，石英折射率为1.47；透明材料的焊接面上镀有实施例1得到的用于吸收激光能量的薄膜，即第2～8层；金属层(第8层)上镀有金属预镀层2(第9层)，金属预镀层2(第9层)的材料为铜(Cu)。
利用穿透式激光焊接技术将金属预镀层2(第9层)和焊接层(第10层)进行焊接，其中激光垂直于透明材料层入射。
对照组1和实验组1的区别在于：不加入实施例1得到的用于吸收激光能量的薄膜进行穿透式激光焊接，其余步骤同实验组1相同。
2、效果评测
按照实施例3步骤2所示方法测定本实施例中激光入射波长和反射率之间的关系，绘制激光入射波长和反射率之间的图像。
对实验组1和对照组1进行同等处理，分别得到对应的图像并汇总。
3、实验结果
实验组1以及对照组1的入射激光波长和反射率之间的关系如图4所示，结果显示：在穿透式激光焊接时，在透明材料层和金属预镀层之间镀上本发明实施例1所述薄膜可以有效降低焊接过程中的激光反射率；而在穿透式激光焊接过程中，将透明材料和衬底材料直接进行焊接，激光反射率大于90％，焊接效率低。
结果说明：实施例1制备得到的用于吸收激光能量的薄膜可以有效降低激光焊接过程中的激光反射率，并且理论上当激光入射波长λ＝1060nm时，激光反射率可以达到0％，尽管在使用过程中由于客观存在的误差使的实际激光反射率与理论激光存在一定差距，当也可以将激光反射率控制在8％以内。
实施例5一种镀有用于吸收激光能量的薄膜的穿透式激光焊接方法
1、实验方法
实验组2设置为：利用实施例2得到的用于吸收激光能量的薄膜2进行穿透式激光焊接，薄膜2的使用状态图如图2所示。
其中第2～8层为实施例2得到的用于吸收激光能量的薄膜2，第2、4和6层为高折射率层(H)，高折射率层材料为二氧化钛(TiO2)，厚度为98.5nm，折射率为2.5；第3、5和7层为低折射率层(L)，低折射率层材料为二氧化硅(SiO2)，厚度为164.5nm，折射率为1.5；第8层为金属层(M)，金属层材料为铝(Al)，厚度为30nm。
穿透式激光焊接用于透明材料和衬底材料的焊接，其中，第12层为衬底材料层，衬底材料选用金属或非金属材料；在衬底材料层的焊接面上镀有金属预镀层1(第11层)，金属预镀层1(第11层)的材料为铬(Cr)；在第11层上镀有焊接层(第10层)，焊接层(第10层)的材料为锡(Sn)。
第1层为透明材料层，透明材料选用铌酸锂晶体，折射率为1.53；透明材料的焊接面上镀有实施例2得到的用于吸收激光能量的薄膜2，即第2～8层；金属层(第8层)上镀有金属预镀层2(第9层)，金属预镀层2(第9层)的材料为铜(Cu)。
利用穿透式激光焊接技术将金属预镀层2(第9层)和焊接层(第10层)进行焊接，其中激光垂直于透明材料层入射。
对照组2和实验组2的区别在于：不加入实施例2得到的用于吸收激光能量的薄膜2进行穿透式激光焊接，其余步骤同实验组2相同。
2、效果评测
按照实施例3步骤2所示方法测定本实施例中激光入射波长和反射率之间的关系，绘制激光入射波长和反射率之间的图像。
对实验组2和对照组2进行同等处理，分别得到对应的图像并汇总。
3、实验结果
实验组2以及对照组2的入射激光波长和反射率之间的关系如图5所示，结果显示：在穿透式激光焊接时，在透明材料层和金属预镀层之间镀上本发明实施例1所述薄膜可以有效降低焊接过程中的激光反射率；而在穿透式激光焊接过程中，将透明材料和衬底材料直接进行焊接，激光反射率大于90％，焊接效率低。
结果说明：实施例1制备得到的用于吸收激光能量的薄膜可以有效降低激光焊接过程中的激光反射率，并且理论上当激光入射波长λ＝1060nm时，激光反射率可以达到0％，尽管在使用过程中由于客观存在的误差使的实际激光反射率与理论激光存在一定差距，当也可以将激光反射率控制在8％以内。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明及思路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。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于吸收激光能量的薄膜，其特征在于，所述薄膜包括高折射率层、低折射率层和金属层，其中高折射率层的数量和低折射率层的数量相等；
高折射率层和低折射率层间隔层叠形成介质层；所述金属层设置于介质层折射率较低的一侧；所述高折射率层的折射率为2.3～2.7，所述低折射率层的折射率为1.2～1.8。
2.根据权利要求1所述的薄膜，其特征在于，所述薄膜包括3个高折射率层、3个低折射率层和1个金属层。
3.根据权利要求1所述的薄膜，其特征在于，所述高折射率层的折射层为2.5。
4.根据权利要求1所述的薄膜，其特征在于，所述高折射率层的厚度为80～110nm。
5.根据权利要求1所述的薄膜，其特征在于，所述低折射率层的折射率为1.5。
6.根据权利要求1所述的薄膜，其特征在于，所述低折射率层的材料为二氧化硅。
7.根据权利要求1所述的薄膜，其特征在于，所述低折射率层厚度为140～180nm。
8.根据权利要求1所述的薄膜，其特征在于，所述金属层的材料为铝、银和/或铝银合金。
9.根据权利要求8所述的薄膜，其特征在于，所述金属层的材料为铝。
10.权利要求1～9任一所述的薄膜在减少激光焊接过程中激光反射损失中的应用。
Priority Applications (1)
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| CN202211625326.4A CN115889987A (zh) | 2022-12-16 | 2022-12-16 | 一种用于吸收激光能量的薄膜 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202211625326.4A CN115889987A (zh) | 2022-12-16 | 2022-12-16 | 一种用于吸收激光能量的薄膜 |
Publications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202211625326.4A Pending CN115889987A (zh) | 2022-12-16 | 2022-12-16 | 一种用于吸收激光能量的薄膜 |
Country Status (1)
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2022
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