激光焊接技術在玻璃上的應用

技術背景

伴隨激光技術的飛速發展，激光被廣泛應用於焊接各種材料。玻璃作為一種透明易碎的脆性材料，傳統激光光源不能輕易被其所吸收，並且吸熱的玻璃由於熱膨脹係數較大，焊接時容易碎裂，故並不適合以傳統的激光焊接方式加工。

通常激光焊接玻璃、塑料等透明材料主要有兩種方法。一種是在焊接界面處塗覆不透明的顏料或者添加中間層辦法來增加激光吸收率，界面附近材料吸收激光溫度升高，後經過材料融化後再凝固實現透明材料的連接。另一種方法是採用特種焊接光源進行焊接，通過高功率密度激光使透明材料之間產生非線性吸收從而形成有效焊點，越來越多的科研工作者和工程師將目光轉向了特種光源的激光焊接加工應用。

研究現狀

近年來，利用特種光源相繼實現了多種玻璃、玻璃及單晶硅之間的焊接。美國PolaOnyx公司使用特種激光單線/多線掃描，實現了玻璃焊接及密封。Hélie等使用激光將100μm厚的玻璃端蓋微焊接到微結構光纖上，成功為標準光纖和微結構光纖焊接端蓋。Tamaki等在研究中使用波長為1558nm的激光成功實現了異種玻璃之間、玻璃與矽片之間的焊接，分別獲得了9.87MPa和3.74MPa的焊接強度。

但多數學者研究激光焊接玻璃的結果，焊接融合區域均呈現水滴狀，其主要由3部分組成，分別為頂部的圓形空腔、中部的熔融區域和底部的微小空腔構成的線形結構。其中頂部和底部的空腔容易產生應力集中，參數控制不好，也易產生裂紋，另外由於其為水滴狀結構，線間距控制不好可能會導致斷續未連接成型的焊縫。

圖1：激光焊接玻璃端面切片

試驗材料及方法

試驗所用材料為光學玻璃，樣品尺寸為25×25×1mm，其進行焊接試驗步驟如下：

（a）玻璃表面清潔。採用酒精溶液浸泡玻璃片5~10min，然後使用蒸餾水沖洗玻璃表面3~5次，最後採用熱吹風機吹乾玻璃表面的水漬；

（b）壓合焊接玻璃片。將疊合玻璃片放置於夾具定位槽內，調節焊接夾具機構下壓玻璃片四周區域使玻璃片達到緊密貼合。前科研學者實驗研究表明，對於玻璃焊接其玻璃貼合間隙要求小於100nm(也有觀點小於激光波長的四分之一)。

（c）將焦點調節至兩片玻璃交界處。激光由空氣傳入玻璃中會發生折射作用，其焦點會發生偏移現象，故採用貼合玻璃片尋找焦點，等間距調整垂直玻璃面振鏡頭高度，分別採用相同能量方框掃描玻璃片，取下玻璃片觀察玻璃吸收激光界面位置，即為焦點位置。

（d）玻璃激光焊接。重複（b）和（c）步驟壓合焊接玻璃片並調節焦點至玻璃交界面處，調整合適的激光焊接工藝參數（功率、速度及掃描圖形等）對玻璃進行焊接，在玻璃交界面處高能量的激光超過一定閥值後會誘發玻璃材料的多光子電離，電離的自由電子加速與其他原子碰撞引發雪崩電離，材料溫度升高，使得玻璃溫度達到熔點發生熔化，在經歷停光時間的冷卻凝固實現焊接。

特種激光玻璃焊接工藝

採用特種激光進行玻璃焊接試驗，整個焊接面區域內（4×4mm）焊接成型均勻一致，焊後材料變形小，材料平面度未發生較大的改變，焊接融合區位於兩片材料交界面處厚度較小，融合區域兩側玻璃均觀察不出熱損傷現象。

圖2：焊接結合層形貌

焊後玻璃端面切片圖顯示，採用新型激光焊接工藝進行焊接時，焊接融合區域並未呈現水滴狀，沒有出現頂部圓形空腔和底部線形結構微小空腔等焊接裂紋源缺陷，其中部熔融區域也未出現斷續未焊接成型的線形裂紋缺陷。進行焊接強度測試，材料在母材區域發生破裂，焊點未有脫落，焊縫具有較好的焊接強度。

總結和展望

採用特種激光光源，調節合適的焊接工藝參數，使玻璃材料非線性吸收激光，材料熔化後凝固，使兩塊透明玻璃在不添加焊料條件下形成牢固的焊接區，成功地實現了光學玻璃之間的直接焊接。光學玻璃焊接融合區域兩層材料融為一體，無明顯宏微觀裂紋，未呈現水滴狀，因此不存在頂部水滴狀圓形空腔及底部線形損傷區，交界面也未出現線形未融合，從而有效避免了裂紋源的產生，進行強度測試後焊點殘留在試樣表面，具有較高的連接強度。

近年來隨著5G、無線充電、光通信和晶元技術的飛速發展，玻璃材料以其電磁信號屏蔽低、硬度高、質量輕、成本低和適合大量化生產等突出優點，逐漸成為3C電子結構件（如手機玻璃機殼）、半導體器件（晶元與面板）、光學元器件和攝像頭模組的主流材料，玻璃激光焊接加工將迎來廣闊的應用前景。

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