CN117773323A - 一种高重频超快激光焊接陶瓷-透明材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高重频超快激光焊接陶瓷‑透明材料的方法，包括如下步骤：S1、将待焊接透明材料叠放于陶瓷材料上方；S2、激光发生器输出高重频超快激光，调节光路使高重频超快激光聚焦于陶瓷材料诱导出等离子体；S3、控制高重频超快激光的激光能量密度为预设值，利用陶瓷材料产生的等离子体对高重频超快激光的屏蔽与吸收作用，形成持续性高温等离子体；S4、陶瓷材料受高温等离子体加热而熔化，通过热传导反向加热熔化透明材料，从而实现陶瓷材料与透明材料的焊接。该发明通过在高重频超快激光作用下，控制适宜的超快激光能量密度，使得陶瓷材料表面体现为熔化而非烧蚀，从而实现陶瓷‑透明材料的超快激光焊接，热作用小，焊接强度可达70MPa以上。
Description
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种高重频超快激光焊接陶瓷-透明材料的方法。
背景技术
现有的超快激光焊接，主要应用于透明-透明材料焊接中，利用超快激光在透明材料内部形成的非线性吸收与热累积实现透明材料的有效融化。而针对陶瓷类材料，超快激光作用下将主要形成烧蚀；现有部分有关陶瓷材料的超快焊接应用中，通过夹具夹持透明材料与陶瓷材料，随后利用超快激光烧蚀氧化铝陶瓷材料形成溅射，高温溅射物沉积在透明材料下表面，通过热传导作用加热反向融化透明材料，最终实现两者的焊接。然而，基于超快激光烧蚀形成的陶瓷-透明异种材料焊接，易因超快激光烧蚀破坏陶瓷-透明材料间的光学接触，且能够实现的强度极低(低于5MPa)，难以满足实际应用需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种高重频超快激光焊接陶瓷-透明材料的方法，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：
一种高重频超快激光焊接陶瓷-透明材料的方法，包括如下步骤：
S1、将待焊接透明材料叠放于陶瓷材料上方，且透明材料与陶瓷材料之间形成光学接触；
S2、激光发生器输出高重频超快激光，调节光路使高重频超快激光聚焦于陶瓷材料诱导出等离子体；
S3、控制高重频超快激光的激光能量密度为预设值，利用陶瓷材料产生的等离子体对高重频超快激光的屏蔽与吸收作用，形成持续性高温等离子体；
S4、陶瓷材料受高温等离子体加热而熔化，通过热传导反向加热熔化透明材料，实现陶瓷材料与透明材料的焊接。
进一步的，所述高重频超快激光的重复频率不小于500kHz。
进一步的，所述高重频超快激光的激光能量密度为5-20J/cm2。
进一步的，所述高重频超快激光的重复频率为1MHz时，控制该高重频超快激光的激光能量密度为8.2-10.5J/cm2。
进一步的，所述步骤S2中，通过调整激光光路，使得高重频超快激光的焦点位于所述陶瓷材料与透明材料的接触界面上，或者位于所述陶瓷材料的上表面以下20微米以内。
进一步的，所述步骤S2中，激光发生器输出高重频超快激光经过在时间上整形成Burst模式，并在空间上整形成贝塞尔光束或平顶光束之后聚焦作用于陶瓷材料上。
进一步的，所述陶瓷材料为氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷或碳化硅陶瓷。
进一步的，所述透明材料为透明玻璃。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明提供的这种高重频超快激光焊接陶瓷-透明材料的方法通过在高重频超快激光作用下，控制适宜的超快激光能量密度，利用超快激光高重频作用陶瓷材料时形成的等离子体屏蔽超快能量，使得陶瓷材料表面体现为熔化而非烧蚀，从而增强了陶瓷材料与透明材料之间的焊接强度，其焊接强度可达到70MPa以上。
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是本发明高重频超快激光焊接陶瓷-透明材料的流程图；
图2是本发明实施例中高重频超快激光焊接陶瓷-透明材料的激光光路示意图；
图3是本发明实施例中不同激光能量密度的高重频超快激光作用陶瓷材料形成的熔融结构示意图。
附图标记说明：1、激光发生器；2、时空整形装置；3、光速扫描装置；4、聚焦镜；5、透明材料；6、陶瓷材料。
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。
如图1和图2所示，本实施例提供了一种高重频超快激光焊接陶瓷-透明材料的方法，具体包括如下步骤：
S1、将待焊接透明材料5叠放于陶瓷材料6上方，且透明材料5与陶瓷材料6之间形成光学接触。其中，所述透明材料5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；所述陶瓷材料6可以是但不限于氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、碳化硅陶瓷等。
S2、激光发生器1输出高重频超快激光，并调节光路使高重频超快激光通过聚焦镜4聚焦于陶瓷材料6诱导出等离子体。
由于一般常规用于陶瓷材料6焊接的超快激光作用于陶瓷材料6时都是直接形成烧蚀，难以形成有效融化，因而在本实施例中，激光发生器1输出的激光采用高重频超快激光，其重复频率不小于500kHz，输出的超快激光可以选用但不限于飞秒激光、皮秒激光。
S3、控制高重频超快激光的激光能量密度为预设值，利用陶瓷材料6产生的等离子体对高重频超快激光的屏蔽与吸收作用，形成持续性高温等离子体。
S4、陶瓷材料6受高温等离子体加热而融熔化，同时通过热传导反向加热熔化透明材料5，实现陶瓷材料6与透明材料5的焊接。
具体的，可以通过调节高重频超快激光的激光功率，聚焦镜4聚焦的焦点位置调节激光光斑大小，以及调节光速扫描装置3的扫描速度来实现控制高重频超快激光作用于陶瓷材料的激光能量密度的目的。其中，本实施例中设计高重频超快激光的焦点位于所述陶瓷材料6与透明材料5的接触界面上，或者位于所述陶瓷材料6的上表面以下20微米以内，以保证高重频超快激光作用于陶瓷材料6时能诱导出等离子体。
而本实施例中要实现超快激光作用陶瓷材料6形成熔融而非烧蚀，其需要控制的高重频超快激光的激光能量密度为5-20J/cm2，其具体激光能量密度大小根据所针对的陶瓷材料6的成分及高重频超快激光的重复频率大小进行确定。
例如，本实施例中，分别采用激光能量密度为14.6J/cm2，14.0J/cm2，12.5J/cm2，10.5J/cm2，8.2J/cm2的五个重复频率均为1MHz的高重频飞秒激光作用于五个相同的氧化铝陶瓷材料上进行实验，五个实验的氧化铝陶瓷材料形成的熔融结构如图3所示，其中，图3中a、b、c、d、e分别对应激光能量密度为14.6J/cm2，14.0J/cm2，12.5J/cm2，10.5J/cm2，8.2J/cm2的结果。由图3可以看出，a、b、c三组实验中氧化铝陶瓷材料表面体现为烧蚀，d、e两组实验中氧化铝陶瓷材料表面体现为熔化，因而氧化铝陶瓷材料在重复频率1MHz、激光能量密度为8.2-10.5J/cm2的高重频作用下可以形成高重频热累积，从而实现陶瓷材料在高重频超快激光作用下，其表面体现为熔化而非烧蚀。
优化的，对于激光发生器1输出高重频超快激光，可通过时空整形装置2，在时间上整形成Burst模式(即突发模式)，并在空间上整形成贝塞尔光束或平顶光束之后再聚焦作用于陶瓷材料6上；其中，将高重频超快激光整形成Burst模式有利于进一步提升焊接形成的热效应，而将高重频超快激光整形成贝塞尔光束或平顶光束，可以优化焊接过程中对激光焦点的敏感性，提高焊接工艺窗口，从而进一步提高焊接强度与稳定性。
本实施例提供的这种高重频超快激光焊接陶瓷-透明材料的方法，充分利用超快激光高重频作用陶瓷材料6时形成的等离子体屏蔽现象，充分屏蔽超快能量，同时利用等离子体对超快激光的有限吸收，使得局部区域陶瓷材料6处于熔化状态，实现陶瓷材料6在超快激光作用下的热量累积，并利用此累积热量通过热传导作用反向加热熔化透明材料5，最终实现陶瓷材料6与透明材料5的焊接，由于本发明在焊接过程中，陶瓷材料6表面在超快激光作用下体现为熔化而非烧蚀，因而不会破坏陶瓷材料6与透明材料5之间的光学接触，并且能够大大增强两者的焊接强度。经实验检测表明，采用本发明的方法焊接陶瓷-透明材料，其形成的焊接强度高于70MPa，远远高于现有的陶瓷-透明材料的焊接强度。
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 (8)
1.一种高重频超快激光焊接陶瓷-透明材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将待焊接透明材料叠放于陶瓷材料上方，且透明材料与陶瓷材料之间形成光学接触；
S2、激光发生器输出高重频超快激光，调节光路使高重频超快激光聚焦于陶瓷材料诱导出等离子体；
S3、控制高重频超快激光的激光能量密度为预设值，利用陶瓷材料产生的等离子体对高重频超快激光的屏蔽与吸收作用，形成持续性高温等离子体；
S4、陶瓷材料受高温等离子体加热而熔化，通过热传导反向加热熔化透明材料，实现陶瓷材料与透明材料的焊接。
2.如权利要求1所述的高重频超快激光焊接陶瓷-透明材料的方法，其特征在于：所述高重频超快激光的重复频率不小于500kHz。
3.如权利要求1所述的高重频超快激光焊接陶瓷-透明材料的方法，其特征在于：所述高重频超快激光的激光能量密度为5-20J/cm2。
4.如权利要求3所述的高重频超快激光焊接陶瓷-透明材料的方法，其特征在于：所述高重频超快激光的重复频率为1MHz时，控制该高重频超快激光的激光能量密度为8.2-10.5J/cm2。
5.如权利要求1所述的高重频超快激光焊接陶瓷-透明材料的方法，其特征在于：所述步骤S2中，通过调整光路，使得高重频超快激光的焦点位于所述陶瓷材料与透明材料的接触界面上，或者位于所述陶瓷材料的上表面以下20微米以内。
6.如权利要求1所述的高重频超快激光焊接陶瓷-透明材料的方法，其特征在于：所述步骤S2中，激光发生器输出高重频超快激光经过在时间上整形成Burst模式，并在空间上整形成贝塞尔光束或平顶光束之后聚焦作用于陶瓷材料上。
7.如权利要求1所述的高重频超快激光焊接陶瓷-透明材料的方法，其特征在于：所述陶瓷材料为氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷或碳化硅陶瓷。
8.如权利要求1所述的高重频超快激光焊接陶瓷-透明材料的方法，其特征在于：所述透明材料为透明玻璃。
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