CN1475325A - 一种激光焊接吸收薄膜 - Google Patents

Abstract

本发明为一种激光焊接吸收薄膜，由三层构成：第一金属层、介质层和第二金属层，介质层置于第一金属层和第二金属层之间。本发明的目的在于解决现有技术中的难题，为穿透性激光焊接技术提供一种强吸收薄膜，大幅降低目前激光焊接中的强反射损耗，降低焊接所需激光功率，减小激光对被穿透物质的破坏作用。

Description

一种激光焊接吸收薄膜

                            技术领域

本发明涉及激光焊接技术领域，更具体的说是一种激光焊接吸收薄膜。

                            技术背景

现有技术中采用激光焊接的一大优点就是具有穿透性，在非金属和金属的穿透焊接中，激光可以穿透晶体、玻璃等非金属材料，入射到非金属的表面，从而在两种材料的介面产生热量，进行焊接。然而，在两种材料的连接面处，金属材料会对焊接使用的激光，如波长为1.06μ的激光，产生强烈的反射，达到80％作用，对CO₂激光器(10.6μ)的反射更为严重，不仅造成光能量的极大浪费，而且反射光可能会损坏光源系统，因而金属对红外的反射一直是激光焊接中极力解决的一个问题。目前，一般采用的避免红外反射的方法有两种，第一种是在金属的表面镀制一些吸收能力很强的材料，以此提高光束的能量吸收系数，一般采用的材料是氧化铜、石墨、多晶钨等，然而，在工厂条件下很难获得高质量的膜层，而且这些材料的热传递系数较低，会影响热穿透的深度，从而降低焊接质量；第二种方法是采取改变激光脉冲波形的方法，在主脉冲之前，有一个较短的很尖的脉冲，对要焊接区域进行预热，从而提高金属对光的吸收系数，这种方法对吸收系数的改善也是非常有限；仍然会有40％左右的光反射，因此，需要入射并穿过透明材料的激光功率仍然很高，可能会对损害透明材料。

                            发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的难题，为穿透性激光焊接技术提供一种强吸收薄膜，大幅降低目前激光焊接中的强反射损耗，降低焊接所需激光功率，减小激光对被穿透物质的破坏作用。

本发明是通过以下技术来实现其发明目的：

穿透型激光焊接一般用于透明材料和衬底材料之间的焊接，衬底材料可以是金属或者非金属材料。透明材料和衬底材料的焊接面镀有金属预镀层，金属预镀层可以为Cu、Cr或其他金属，金属预镀层起粘结作用；衬底材料在其金属预镀层上镀有焊接层，焊接层可以为Sn或其他金属。由于金属预镀层对激光有强烈的反射作用，反射损失达到80％左右，不仅造成光能量的极大浪费，而且反射光可能会损坏光源系统。我们运用光学干涉薄膜原理，设计了一种对激光强吸收的光学吸收薄膜，并提出运用光学镀膜技术在透明材料和其金属预镀层之间镀上这种激光焊接吸收薄膜，从而实现大幅降低激光焊接反射损失。本发明为一种激光焊接吸收薄膜，由三层构成：第一金属层、介质层和第二金属层，介质层置于第一金属层和第二金属层之间。

将透明材料称为入射材料，其金属预镀层称为出射材料，与本发明形成了“入射材料|金属 介质 金属|出射材料”的结构。设入射层的折射率为η₀，出射层的折射率为η₄；吸收膜系中间为介质层，紧挨入射层的金属层为第一金属层，折射率为η₁，膜厚为d₁；介质层的折射率为η₂，膜厚为d₂；紧挨出射层的金属层为第三层金属层，折射率为η₃，膜厚为d₃。由导纳矩阵法，得出膜系反射率推导过程： $\left[\begin{array}{c}B\\ C\end{array}\right]=\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Π}}}\left[\begin{array}{cc}{\cos \mathrm{\δ}}_j& i\frac{{\sin \mathrm{\δ}}_i}{{\mathrm{\η}}_j}\\ {\mathrm{i\η}}_j{\sin \mathrm{\δ}}_j& {\cos \mathrm{\δ}}_j\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}1\\ {\mathrm{\η}}_4\end{array}\right]--\left(1\right)$ ${\mathrm{\δ}}_j=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\η}}_j{d}_j\cos {\mathrm{\θ}}_j$ (θ_j为激光在第j层的折射角)；λ＝1.06微米，为激光波长，激光束垂直入射，θ_j＝0；所以， ${\mathrm{\δ}}_j=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\η}}_j{d}_j.$ 所以 $\left[\begin{array}{c}B\\ C\end{array}\right]=\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Π}}}\left[\begin{array}{cc}\cos \frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\η}}_j{d}_j& i\sin \frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\η}}_j{d}_j/{\mathrm{\η}}_j\\ {\mathrm{i\η}}_j\sin \frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\η}}_j{d}_j& \cos \frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\η}}_j{d}_j\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}1\\ {\mathrm{\η}}_4\end{array}\right]--\left(2\right)$ 等效导纳 $Y=\frac{C}{B}=y_1+i{y}_2$ 膜系的振幅反射率 $r=\frac{{\mathrm{\η}}_0-Y}{{\mathrm{\η}}_0+Y}=r_1+i{r}_2,$ 能量反射率R＝r·r^*＝r₁ ²+r₂ ²

由于金属膜足够厚，透过率基本为零，所以激光能量吸收率A＝1-R，因此，使R＝0，就能实现激光能量的全吸收。各层材料折射率已知，激光波长已知，所以由上述(2)式知道，R为d₁，d₂，d₃的函数。根据实际情况选定各层的厚度，第3层金属层主要是对激光的吸收，d₃选为35nm～70nm中任一值，第2层介质层的光学厚度η₂d₂取值在γ/4附近，确定d₂为180nm～250nm中任一值。所以R为d₁的函数。设R为0～20％中任一值，即可求得d₁的值。令R＝0，就可求得相应的d₁值，若设R取值范围为0～20％，即可求得d₁的取值范围。从而确定吸收膜各层厚度范围，d₁[10，45]，d₂[180，250]，d₁[35，70]单位nm。

在材料选择上，介质层可以为SiO₂等折射率相似介质材料，第一金属层和第三金属参可以为Cr、Ni、Mn或Pd等折射率相似的金属材料，也可以是这些金属其中的两种或两种以上的合金。

本发明相对于现有技术有显著性的效果，当第一金属层的厚度控制在10～45nm之间，介质层的厚度控制在：180～250nm之间，第二金属层的厚度控制在35～70nm之间的时候，理论效果可以达到0％的反射率。在使用过程由于误差的存在与理论数值有一定的差距，但是也可以很容易的将反射率控制在0～10％之间，最多不会超过20％。相对于现有技术至少40％的反射率，本发明不仅大大的降低了激光的反射率，而且可以让更小的激光能量穿透透明材料；不仅节省能源，也为实现特殊材料的激光焊接提供了解决方案。

本发明相对于现有技术具有以下优点：

1.大幅降低穿透型激光焊接中金属材料对激光的反射损失，使目前激光焊接的反射损失从40％以上降为20％以下，节省能源；

2.大幅降低穿透型激光焊接所需的激光能量，使焊接激光器小型化；

3.减少激光对透明材料的破坏，为实现特殊材料的激光焊接提供了解决方案。

                         附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明使用状态的结构示意图；

图3为实施例1中使用本发明与未使用本发明的激光反射率对比图；

图4为当入射材料为玻璃时，激光反射率随第一金属层厚度变化的曲线；

图5为实施例2中使用本发明与未使用本发明的激光反射率对比图；

图6为当入射材料为石英时，激光反射率随第一金属层厚度变化的曲线；

图7为实施例3中使用本发明与未使用本发明的激光反射率对比图；

图8为当入射材料为铌酸锂晶体时，激光反射率随第一金属层厚度变化的曲线；

                         具体实施方式

如图1所示，本发明为一种激光焊接吸收薄膜，由三层构成：第一金属层(2)、介质层(3)和第二金属层(4)，介质层(3)置于第一金属层(2)和第二金属层(4)之间；介质层(3)材料为SiO₂，第一金属层(2)和第二金属层(4)材料为Cr。如图2所示，用于激光焊接的焊接材料为透明材料(1)和衬底材料(8)，透明材料(1)可以为玻璃，石英，铌酸锂晶体等，衬底材料(8)可以是金属或者非金属材料。透明材料(1)的焊接面镀有金属预镀层(5)，金属预镀层(5)为材料Cu，衬底材料(8)的焊接面镀有金属预镀层(7)，金属预镀层(7)为材料Cr，金属预镀层(5)和金属预镀层(7)起粘结作用；衬底材料(8)在其金属预镀层(7)上镀有焊接层(6)，焊接层(6)材料为Sn。由于金属预镀层(5)对激光有强烈的反射作用，所以在透明材料(1)和其金属预镀层(5)之间镀上本发明的一种激光焊接吸收薄膜。

以下通过具体实施例来对比镀了本发明的一种激光焊接吸收薄膜与未镀膜的激光焊接反射率，入射激光采用波长为1.06μ的激光。

实施例1

透明材料(1)为玻璃，玻璃的折射率为1.53。激光焊接吸收薄膜各层的厚度分别为：第一金属层(2)厚度为19nm，介质层(3)厚度为200nm，第二金属层厚度(4)为60nm。其反射率随入射激光波长变化的曲线如图3所示。当入射材料为玻璃时，激光反射率随第一金属层厚度变化的曲线如图4所示。

实施例2

透明材料(1)为石英，石英的折射率为1.47。激光焊接吸收薄膜各层的厚度分别为：第一金属层(2)厚度为19nm，介质层(3)厚度为200nm，第二金属层厚度(4)为60nm。其反射率随入射激光波长变化的曲线如图5所示。当入射材料为石英时，激光反射率随第一金属层厚度变化的曲线如图6所示。

实施例3

透明材料(1)为铌酸锂晶体，铌酸锂晶体的折射率为2.183。激光焊接吸收薄膜各层的厚度分别为：第一金属层(2)厚度为26nm，介质层(3)厚度为200nm，第二金属层厚度(4)为60nm。其反射率随入射激光波长变化的曲线如图7所示。当入射材料为铌酸锂晶体时，激光反射率随第一金属层厚度变化的曲线如图8所示。

Claims (9)

1.一种激光焊接吸收薄膜，由三层构成：第一金属层、介质层和第二金属层，介质层置于第一金属层和第二金属层之间。

2.根据权利要求1所述的一种激光焊接吸收薄膜，其特征是所述介质层为SiO₂。

3.根据权利要求1所述的一种激光焊接吸收薄膜，其特征是所述第一金属层为Cr、Ni、Mn或Pd。

4.根据权利要求1所述的一种激光焊接吸收薄膜，其特征是所述第二金属层为Cr、Ni、Mn或Pd。

5.根据权利要求3所述的一种激光焊接吸收薄膜，其特征是所述第一金属层为Cr、Ni、Mn或Pd其中两种或两种以上的合金。

6.根据权利要求4所述的一种激光焊接吸收薄膜，其特征是所述第二金属层为Cr、Ni、Mn或Pd其中两种或两种以上的合金。

7.根据权利要求2所述的一种激光焊接吸收薄膜，其特征是所述介质层厚度为180～250nm。

8.根据权利要求3所述的一种激光焊接吸收薄膜，其特征是第一金属层的厚度为10～45nm。

9.根据权利要求4所述的一种激光焊接吸收薄膜，其特征是第二金属层的厚度为35～70nm。

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