CN117735862A - 一种基于背向加热激发等离子体的透明材料激光焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于背向加热激发等离子体的透明材料激光焊接方法，包括如下步骤：S1、将待焊接的透明材料叠放于非透明材料上方；S2、激光发生器输出激光并调节激光光路，使得激光经过聚焦镜聚焦于透明材料与非透明材料分界面的上方设计位置，以使激光作用于非透明材料时诱导出等离子体；S3、非透明材料产生的等离子体随着激光入射方向生长，并在透明材料内部形成细长的熔融结构，利用此熔融结构将透明材料的待焊接面焊接。该发明通过高能激光背向加热非透明材料诱发产生等离子体，并利用等离子体的生长特性实现透明材料焊接面的焊接，提高了透明材料的焊接质量和效率。
Description
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种基于背向加热激发等离子体的透明材料激光焊接方法。
背景技术
现有关于透明材料的焊接技术中，采用的光源主要为超快激光，或部分纳秒激光。针对透明-透明材料焊接，依赖于超快激光或纳秒激光的高峰值功率，在透明材料内部形成非线性吸收，从而完成焊接；而由于受作用的脉冲能量影响，可实现的焊接效率低下。针对透明-金属材料焊接中，超快激光或纳秒激光高峰值功率易引发材料烧蚀，产生高压冲击波，导致焊接失效。此外，部分现有连续激光焊接透明-非透明材料技术方案中，所采用的连续激光功率密度较低(低于106W/cm2)，主要通过对非透明材料的加热与融化完成焊接，并未能基于背向加热激发等离子体，也未能利用等离子体的生长特性实现焊接。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于背向加热激发等离子体的透明材料激光焊接方法，至少可以解决现有技术中存在的部分缺陷。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于背向加热激发等离子体的透明材料激光焊接方法，包括如下步骤：
S1、将待焊接的透明材料叠放于非透明材料上方；
S2、激光发生器输出激光并调节激光光路，使得激光经过聚焦镜聚焦于透明材料与非透明材料分界面的上方设计位置，以使激光作用于非透明材料时诱导出等离子体；
S3、非透明材料产生的等离子体随着激光入射方向生长，并在透明材料内部形成细长的熔融结构，利用此熔融结构将透明材料的待焊接面焊接。
进一步的，所述步骤S2中，激光经过聚焦镜调节光斑大小，使激光功率密度为106W/cm2以上。
进一步的，所述激光发生器输出的激光为连续激光、毫秒激光或纳秒激光。
进一步的，所述步骤S3中，透明材料内部形成的熔融结构的深宽比大于100:1。
进一步的，当透明材料与非透明材料激光焊接时，所述步骤S2中，激光发生器输出的激光功率为100-1000W，激光经过聚焦镜调整光斑大小，使激光功率密度为106-107W/cm2，激光作用非透明材料的时间为5-50ms；所述步骤S3中，透明材料内部形成的熔融结构使透明材料与非透明材料互熔，从而在透明材料与非透明材料之间形成焊接界面，完成焊接。
进一步的，当透明材料与透明材料焊接时，所述步骤S1中，将两个待焊接的透明材料层叠后堆叠于非透明材料上方；并在所述步骤S2中，设置激光发生器输出的激光功率为300-3000W，激光经过聚焦镜调整光斑大小，使激光功率密度为106-107W/cm2，激光作用非透明材料的时间为50-500ms；所述步骤S3中，透明材料内部形成的熔融结构贯穿两个透明材料的分界面，使两个透明材料的接触面互熔，从而在两个透明材料之间形成焊接界面，完成焊接。
进一步的，所述熔融结构长度为毫米量级。
进一步的，两个待焊接的所述透明材料相同或不同。
进一步的，所述透明材料为透明玻璃。
进一步的，所述非透明材料为金属材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明提供的这种基于背向加热激发等离子体的透明材料激光焊接方法通过高能激光背向加热非透明材料诱发产生等离子体，并利用等离子体的生长特性实现透明材料焊接面的焊接，提高了透明材料的焊接质量和效率。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例中透明材料激光焊接的激光光路示意图；
图2是本发明实施例中透明材料与非透明材料焊接的示意图；
图3是本发明实施例中透明材料与透明材料焊接的示意图。
附图标记说明：1、激光发生器；2、光束调控组件；3、聚焦镜；4、透明材料；5、非透明材料；6、熔融结构；7、焊接界面。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是抵触连接或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
实施例1：
如图1和图2所示，本实施例针对透明材料4与非透明材料5的焊接，提供一种基于背向加热激发等离子体的透明材料激光焊接方法，具体包括如下步骤：
S1、将待焊接的透明材料4叠放于非透明材料5上方。其中，所述透明材料4可以是透明玻璃，可包括但不限于蓝宝石玻璃、石英玻璃、钠钙玻璃、硼硅玻璃等；所述非透明材料5可以是金属材料，可包括但不限于铝、不锈钢、铜合金、钛合金等。
S2、激光发生器1输出激光并依次经过光束调控组件2和聚焦镜3调节激光光路，使得激光经过聚焦镜3聚焦于透明材料4与非透明材料5分界面的上方设计位置，以使激光作用于非透明材料5时诱导出等离子体。
本实施例中，激光发生器1输出的激光采用高能输出的激光，其输出的激光功率为100-1000W，输出的激光可以选用但不限于连续激光、毫秒激光或纳秒激光。为了保证激光作用于非透明材料5时能诱导产生等离子体，激光经过较短焦距的聚焦镜3调节光斑大小，使激光功率密度提升至106W/cm2以上，而为了避免激光能量过高，对透明材料4与非透明材料5的焊接面造成烧蚀而无法焊接在一起，因而本实施例中控制激光功率密度为106-107W/cm2，激光作用非透明材料的时间为5-50ms。
S3、非透明材料5产生的等离子体会随着激光入射方向生长，即等离子体朝向透明材料4一侧生长，在等离子体生长过程中，将在透明材料4内部形成细长的熔融结构6，此熔融结构6实现了透明材料4与非透明材料5的互熔，从而在透明材料4与非透明材料5之间形成焊接界面7，完成焊接。
优选的，调控透明材料4内部形成的熔融结构6的深宽比大于100:1，以保证透明材料4与非透明材料5的互熔程度，提高透明材料4与非透明材料5的焊接质量。
实施例2：
如图1和图3所示，本实施例针对透明材料4与透明材料4的焊接，提供了一种基于背向加热激发等离子体的透明材料激光焊接方法，具体包括如下步骤：
S1、将两个待焊接的透明材料4层叠后堆叠于非透明材料5上方。其中，所述透明材料4可以是透明玻璃，可包括但不限于蓝宝石玻璃、石英玻璃、钠钙玻璃、硼硅玻璃等，两个待焊接的透明材料4可以相同也可以不同；所述非透明材料5可以是金属材料，可包括但不限于铝、不锈钢、铜合金、钛合金等。
S2、激光发生器1输出激光并依次经过光束调控组件2和聚焦镜3调节激光光路，使得激光经过聚焦镜3聚焦于下方透明材料4与非透明材料5分界面的上方设计位置，以使激光作用于非透明材料5时诱导出等离子体。
本实施例中，激光发生器1输出的激光采用高能输出的激光，其输出的激光功率为300-3000W，输出的激光可以选用但不限于连续激光、毫秒激光或纳秒激光。为了保证诱导产生的等离子体能生长至最上方透明材料4内部，因而相较上述透明材料4与非透明材料5的焊接需要更高的能量，本实施例中通过较短焦距的聚焦镜3调节激光光斑大小，控制激光功率密度为106-107W/cm2，激光作用非透明材料的时间为50-500ms。
S3、非透明材料5产生的等离子体会随着激光入射方向生长，即等离子体朝向透明材料4一侧生长，在等离子体生长过程中，将在透明材料4内部形成细长的熔融结构6，由于上述激光功率密度的控制，此熔融结构6可以贯穿两个透明材料4的分界面，延伸至最上方透明材料4内部，从而实现两个透明材料4接触面的互熔，最终在两个透明材料4之间形成焊接界面7，完成两个透明材料4的焊接。
而由于作用于非透明材料5的激光能量过高，导致非透明材料5和透明材料4之间形成烧蚀，从而下方的透明材料4与非透明材料5之间不会形成有效焊接，因而本实施例基于非透明材料5的背向加热激发等离子体，实现了两个透明材料4的焊接。
本实施例中基于非透明材料5的背向加热，在两个透明材料4内部形成的熔融结构6能够达到毫米长度量级，保证了两个透明材料5之间的互熔程度，提高了透明材料4与透明材料5的焊接质量。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于背向加热激发等离子体的透明材料激光焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将待焊接的透明材料叠放于非透明材料上方；
S2、激光发生器输出激光并调节激光光路，使得激光经过聚焦镜聚焦于透明材料与非透明材料分界面的上方设计位置，以使激光作用于非透明材料时诱导出等离子体；
S3、非透明材料产生的等离子体随着激光入射方向生长，并在透明材料内部形成细长的熔融结构，利用此熔融结构将透明材料的待焊接面焊接。
2.如权利要求1所述的基于背向加热激发等离子体的透明材料激光焊接方法，其特征在于，所述步骤S2中，激光经过聚焦镜调节光斑大小，使激光功率密度为106W/cm2以上。
3.如权利要求1所述的基于背向加热激发等离子体的透明材料激光焊接方法，其特征在于，所述激光发生器输出的激光为连续激光、毫秒激光或纳秒激光。
4.如权利要求1所述的基于背向加热激发等离子体的透明材料激光焊接方法，其特征在于，所述步骤S3中，透明材料内部形成的熔融结构的深宽比大于100:1。
5.如权利要求1所述的基于背向加热激发等离子体的透明材料激光焊接方法，其特征在于，当透明材料与非透明材料激光焊接时，所述步骤S2中，激光发生器输出的激光功率为100-1000W，激光经过聚焦镜调整光斑大小，使激光功率密度为106-107W/cm2，激光作用非透明材料的时间为5-50ms；所述步骤S3中，透明材料内部形成的熔融结构使透明材料与非透明材料互熔，从而在透明材料与非透明材料之间形成焊接界面，完成焊接。
6.如权利要求1所述的基于背向加热激发等离子体的透明材料激光焊接方法，其特征在于，当透明材料与透明材料焊接时，所述步骤S1中，将两个待焊接的透明材料层叠后堆叠于非透明材料上方；并在所述步骤S2中，设置激光发生器输出的激光功率为300-3000W，激光经过聚焦镜调整光斑大小，使激光功率密度为106-107W/cm2，激光作用非透明材料的时间为50-500ms；所述步骤S3中，透明材料内部形成的熔融结构贯穿两个透明材料的分界面，使两个透明材料的接触面互熔，从而在两个透明材料之间形成焊接界面，完成焊接。
7.如权利要求6所述的基于背向加热激发等离子体的透明材料激光焊接方法，其特征在于，所述熔融结构长度为毫米量级。
8.如权利要求6所述的基于背向加热激发等离子体的透明材料激光焊接方法，其特征在于，两个待焊接的所述透明材料相同或不同。
9.如权利要求1所述的基于背向加热激发等离子体的透明材料激光焊接方法，其特征在于，所述透明材料为透明玻璃。
10.如权利要求1所述的基于背向加热激发等离子体的透明材料激光焊接方法，其特征在于，所述非透明材料为金属材料。
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