一种复合激光焊接透明脆性材料的装置的制作方法

本实用新型属于激光加工技术领域，更具体地，涉及一种复合激光焊接透明脆性材料的装置。

背景技术：

透明脆性材料如玻璃、硅、蓝宝石等因其稳定的化学性质以及优良的物理性质包括透光性、绝缘性、耐腐蚀性和高硬度等，在日常生活和科研生产方面都起到不可或缺的作用。在许多应用场合都会用到多个组装和密封连接在一起的透明脆性材料部件，例如光学中透镜的组装，要求多个透镜连接在一起后还能承受孔径中通过的特定光功率密度；光电子学中对特定光谱相应的半导体传感器的封装，需要对相应波长的信号光透明的绝缘外壳，还要求封装后能将传感器与环境中的水分或其他腐蚀性物质稳定隔离；微机电系统(MEMS)中大量用到使用刻蚀、光刻等半导体制造工艺制造的微型传感器、动作器和微能源部件，要求集成尺度精密和封装密封性好、性能稳定且不影响各微型器件的协同工作；在生物医药方面，无论是微型探测器件还是驻留式功能器件都需要植入人体工作，这些器件不仅要求封装外壳具有生物相容性和无毒性，而且对封装稳定性和耐久性的要求更严苛。

随着高新科技产业的发展，透明脆性材料组件因其所具有的优良光学性能、耐腐蚀性能和力学性能将会得到越来越广泛的应用，具有广阔的研究和发展空间。目前透明脆性材料的传统密封方法主要包括胶粘剂粘接、阳极键合、熔融焊接等，传统密封方法各自存在不同的缺陷。超快激光利用极高的峰值功率密度和超短激光脉冲可在透明脆性内部产生非线性吸收，并使材料在焦点处熔融以实现透明脆性介质的微焊接，具有加工精度高、热影响区小、不易破裂、连接强度较高、空间可选择性加工等突出优点，但该方法也表现出以下问题：(1)虽然超快激光由于其焦点处高能量密度能完成瞬时焊接，但由于通常使用大数值孔径显微物镜聚焦，焦点空间范围小，且光束位置不变，要实现区域焊接通常采用光束固定，精密二维工作台带着待焊接材料移动方式进行焊接，加工速度慢，从硬件层面限制了加工速度；(2)超快激光焊接通常要求待焊接表面达到光学接触，即接触面间距<500nm、肉眼观察无干涉条纹存在，较大间隙会导致等离子体溢出造成表面烧蚀或破裂，目前有专门对此的实验研究也要求间隙最大容限在3μm之内才能有效焊接，故此法焊接由于要对表面抛光清洗以达到极高的洁净光滑度，不仅难以实际应用，对大尺寸或异形表面也无能为力，无法实现工程化应用，例如在专利CN106449439A中，使用超快激光封装玻璃芯片时，不仅待封接玻璃表面需要保持很高的水平度，而且在间距大于1μm时，无法直接进行焊接，需在两片玻璃之间加入一个玻璃片，分别对上下两块玻璃与中间层玻璃片进行扫描封装焊接，步骤较为繁琐，效率低。

此外，还出现了一种多激光束合束焊接玻璃材料的方法，例如专利CN107892469A公开的多激光束合束焊接玻璃材料的方法及装备，该专利利用超快激光束与连续或长脉冲激光束的合束光实现两块同种玻璃的焊接，其可对不满足光学接触条件的较大的焊接间隙进行焊接，并实现振镜扫描式激光焊接，提高激光焊接效率，实现工程化应用，然而经过研究发现上述焊接方式仍然存在以下问题：(1)合束焊接时超快激光束与连续或长脉冲激光束的能量在焊缝处会叠加，使得材料瞬时温度过高，产生过大的热应力造成材料强度差，因此该种焊接方式对激光束能量的选择具有较高的要求，无法适用于较高能量的激光束；(2)合束焊接时超快激光与连续或长脉冲激光同时作用，当超快激光功率密度过高时会对材料造成烧蚀，影响材料焊接效果，因此合束焊接时需控制超快激光的功率，无法适用于较大功率的激光器。因此在上述的叠加效应及烧蚀作用的限制下虽然其声称可实现接触间隙大于5μm的两块玻璃的焊接，实则经过研究发现其只能实现最大间隙在12μm左右的两种同种材料的焊接。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种复合激光焊接透明脆性材料的装置，其通过超快激光束发生模块和连续激光束发生模块以利用超快激光实现初步焊接及利用连续激光实现最终焊接，进而实现具有较大接触间隙的两块透明脆性材料的牢固焊接，具有焊接牢固可靠，适用范围广等优点。

为实现上述目的，本实用新型提出了一种复合激光焊接透明脆性材料的装置，其包括超快激光束发生模块和连续激光束发生模块，其中：

所述超快激光束发生模块包括位于同一光路中的依次设置的超快激光器、第一扩束准直镜、第一反射镜和超快激光扫描单元，由超快激光器发射的激光束经第一扩束准直镜扩束准直后再经第一反射镜反射至超快激光扫描单元中，然后经超快激光扫描单元聚焦至位于超快激光扫描单元下方的待焊接的两块透明脆性材料接触处进行初步焊接形成初始焊缝；

所述连续激光束发生模块包括位于同一光路中的依次设置的连续激光器、第二扩束准直镜、第二反射镜和连续激光扫描单元，由连续激光器发射的激光束经第二扩束准直镜扩束准直后再经第二反射镜反射至连续激光扫描单元中，然后经连续激光扫描单元聚焦至位于连续激光扫描单元下方的已初步焊接的两块透明脆性材料的初始焊缝处进行最终焊接。

作为进一步优选的，所述超快激光扫描单元包括沿光路依次设置的且安装在同一横梁上的第三反射镜、第一扫描振镜和第一平场扫描透镜。

作为进一步优选的，所述连续激光扫描单元包括沿光路依次设置的且安装在同一横梁上的第四反射镜、第二扫描振镜和第二平场扫描透镜。

作为进一步优选的，所述超快激光扫描单元连接有第一移动机构。

作为进一步优选的，所述连续激光扫描单元连接有第二移动机构。

作为进一步优选的，两块透明脆性材料由二维工作平台支撑。

作为进一步优选的，两块透明脆性材料相同或不同。

作为进一步优选的，两块透明脆性材料的接触间隙不小于15μm。

作为进一步优选的，两块透明脆性材料的接触间隙为20μm～25μm。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本实用新型综合了超快激光和连续激光两种焊接方式的特点，依次对透明脆性材料进行彼此独立的两步焊接，即利用超快激光实现初步焊接以及利用连续激光实现最终焊接，以此实现两块透明脆性材料的牢固焊接，具有焊接牢固可靠，适用性强等优点。

2.本实用新型的复合激光焊接方法将超快激光和连续激光两种激光完全独立开来，由超快激光实现初步焊接，由连续激光实现最终焊接，最终焊接时可修复初步焊接时超快激光对材料的等离子烧蚀损害，因此在初步焊接时无需担心超快激光的高温等离子烧蚀效应，可采用更高的激光功率实现初步焊接，适用于输出功率较大(例如输出功率为40W)的超快激光器，适用性更强、更广，而现有的多激光束合束焊接方法中超快激光和连续激光同时作用，超快激光功率较高时仍然会对材料产生烧蚀伤害，为降低这一伤害，其只能适用于功率较低(例如15W)的超快激光器。

3.本实用新型的复合激光焊接方法将超快激光和连续激光两种激光完全独立开来，利用一种激光束独立实现一次焊接，以此使得单次焊接的能量为一种激光束的能量，无叠加效应，因此适用于功率更高的激光器，且焊接后的焊缝强度高，剪切强度达到35Mpa以上，而现有的多激光束合束焊接方法中超快激光和连续激光同时作用，因此焊接的总能量为两种激光束的能量之和，存在叠加效应，使得材料瞬时温度过高，进而产生过大的热应力造成焊缝强度下降，无法适用于较高功率的激光器。

4.本实用新型的复合激光焊接方法适用于更高功率的激光器，以此使得材料的熔化量增大，因而适用于大接触间隙的同种或不同种透明脆性材料的焊接，尤其适用于接触间隙不小于15μm(优选20～25μm)的两块透明脆性材料的焊接，适用的接触间隙提高了将近一倍，而现有的多激光束合束焊接方法碍于两种激光束的叠加效应以及超快激光束的烧蚀作用，使得其只能适用于较低功率的激光器，因而只能实现小接触间隙(最大间隙在12μm左右)的同种玻璃材料的焊接。

5.本实用新型的复合激光焊接在扫描方式上利用扫描振镜配合扫描透镜控制聚焦激光束在固定的材料上按预设图案扫描，与工作台移动相比，扫描光线速度快，焊接速度和效率高，可实现较大的接触间隙焊接，放宽了对材料表面粗糙度洁净度要求，节省人力物力，降低了生产成本。

6.本实用新型的复合激光焊接继承了超快激光焊接的优势，可直接对透明脆性材料进行焊接，无需任何填充物或中间层，不但提高了焊缝质量和密封性能，而且简化了工艺流程，焊缝位置精度高且抗腐蚀、稳定性好。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种复合激光焊接透明脆性材料的装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

由于现有的多激光束合束焊接玻璃材料的方法碍于其合束焊接的原理，使得两束合束光的热量叠加，进而累积热应力降低焊缝强度，并且由于过高的超快激光功率会对材料造成烧蚀，影响材料焊接效果，因此合束焊接时超快激光的功率不能太大，其对超快激光能量大小要求苛刻，只能使用较小功率的超快激光，由此使得其只能适用于间隙在12μm以内的尤其是同种玻璃的焊接。而为了实现更大间隙(不小于15μm)的焊接，尤其是更大间隙的两种不同材料的焊接，本实用新型经过不断的研究与探索，提供了一种全新的复合激光焊接透明脆性材料的装置，其是采用对透明脆性材料具有透射性的两种激光束独立分步进行两次焊接，一种是超快激光束(皮秒或飞秒激光束)，另一种是连续激光束，并采用扫描振镜将两种激光束均聚焦在透明脆性材料接触的间隙处，通过控制激光束的扫描轨迹对透明脆性材料进行两步焊接。其焊接原理是：第一步，利用超快激光极高的峰值功率密度(具体为10¹²W/cm²)在极短(具体为数十皮秒)的作用时间，使透明脆性材料在局部产生非线性吸收效应，形成高温等离子体使材料局部微熔化，熔化的材料经热扩散冷却后固化实现初步微焊接，由于待焊接的两块脆性材料间隙较大，较大间隙将导致等离子体溢出造成两块脆性材料接触表面烧蚀或破裂，但超快激光束同时也改变了微焊接区域的光学性能，形成白色半透明的初始焊缝，该白色半透明焊缝可有效提高对透射性激光束的吸收率(具体从2％提高至60～70％)；第二步，将连续激光聚焦在初始焊缝上，其能量被提高了吸收率的初始焊缝吸收，并且由于连续激光峰值密度低，材料吸收的激光能量只会达到材料熔化温度，使初始焊缝以及两块脆性材料接触表面烧蚀或破裂的材料再次熔化，而不会产生高温等离子烧蚀效应，从而不但修复了超快激光等离子烧蚀损害的部分，而且经热扩散使烧蚀或破裂部分附近的材料熔化，产生更多的熔化材料，填充更大的间隙，形成强度和密封性能良好的焊缝。

如图1所示，本实用新型提供的一种复合激光焊接透明脆性材料的装置，其包括超快激光束发生模块和连续激光束发生模块，其中，超快激光束发生模块用于将超快激光束聚焦在待焊接的两块透明脆性材料接触处，超快激光束在两块透明脆性材料接触处产生非线性吸收效应使激光束焦点附近区域的透明脆性材料局部熔化，熔化后的材料经热扩散冷却后固化形成白色半透明的初始焊缝，以此实现初步焊接；连续激光束发生模块用于将连续激光束聚焦在白色半透明的初始焊缝处，连续激光束使初始焊缝以及两块透明脆性材料在初步焊接时被烧蚀或破裂部分再次熔化，以修复超快激光束烧蚀损害的部分，熔化后的材料经热扩散冷却后固化形成最终焊缝。本实用新型的装置适用于两块相同或不同的透明脆性材料，该透明脆性材料例如为钠钙玻璃、石英玻璃、硼硅酸盐玻璃等，两块透明脆性材料可选择上述具体材料的任意一种。本实用新型的装置适用于间隙大于15μm的两块透明脆性材料的焊接，尤其适用于间隙在20μm～25μm之间的两块透明脆性材料的焊接。

如图1所示，超快激光束发生模块包括位于同一光路中的依次设置的超快激光器1、第一扩束准直镜3、第一反射镜5和超快激光扫描单元8，工作时，由超快激光器1发射的超快激光束经第一扩束准直镜3扩束准直后再经第一反射镜5反射至超快激光扫描单元8中，然后经超快激光扫描单元8聚焦至位于超快激光扫描单元8下方的待焊接的两块透明脆性材料接触处进行初步焊接形成初始焊缝。

具体的，超快激光扫描单元8包括沿光路依次设置的第三反射镜6、第一扫描振镜7和第一平场扫描透镜10，由第一反射镜5反射的激光束经第三反射镜6反射至第一扫描振镜7中，再经第一平场扫描透镜10聚焦形成第一聚焦激光束11。此外，超快激光扫描单元8连接有第一移动机构9，通过第一移动机构实现超快激光扫描单元结构的整体位置调节，两块透明脆性材料由二维工作平台19支撑并移动。

工作时，第一扩束准直镜3用于将超快激光器1输出的第一激光束2进行扩束和准直，第一反射镜5和第三反射镜6用于将扩束准直后的第二激光束4导入第一扫描振镜7，再经第一平场扫描透镜10聚焦形成第一聚焦激光束11，第一移动机构9用于在z轴方向(即竖直方向)移动超快激光扫描单元8，确保激光焦点在所需位置；二维工作平台19用于移动焊接材料16(由两块透明脆性材料12、13上下叠加而成，两者之间的空隙为14)，实现复合激光焊接效果。

如图1所示，连续激光束发生模块包括位于同一光路中的依次设置的连续激光器21、第二扩束准直镜23、第二反射镜25和连续激光扫描单元28，工作时，由连续激光器21发射的连续激光束经第二扩束准直镜23扩束准直后再经第二反射镜25反射至连续激光扫描单元28中，然后经连续激光扫描单元28聚焦至位于连续激光扫描单元28下方的已初步焊接的两块透明脆性材料的初始焊缝处进行最终焊接。

具体的，连续激光扫描单元28包括沿光路依次设置的第四反射镜26、第二扫描振镜27和第二平场扫描透镜30，由第二反射镜25反射的激光束经第四反射镜26反射至第二扫描振镜27中，再经第二平场扫描透镜30聚焦形成第二聚焦激光束31。此外，连续激光扫描单元28连接有第二移动机构29，通过第二移动机构实现连续激光扫描单元结构的整体位置调节，二维工作平台19上设置有CCD定位装置32，该装置还设置有工控机20，工控机20与二维工作平台19、第一移动机构9、第二移动机构29、超快激光器1和连续激光器21相连。

工作时，第二扩束准直镜23用于将连续激光器21输出的第三激光束22进行扩束和准直，第二反射镜25和第四反射镜26用于将扩束准直后的第四激光束24导入第二扫描振镜27，再经第二平场扫描透镜30聚焦形成第二聚焦激光束31，第二移动机构29用于在z轴方向(即竖直方向)移动连续激光扫描单元28，确保激光焦点在所需位置；CCD定位装置32用于确保第二聚焦激光束31对准初始焊缝；工控机20用于控制超快激光器1、连续激光器21、超快激光扫描单元8、连续激光扫描单元28以及二维工作平台19的协同工作。其中，第一平场扫描透镜10和第二平场扫描透镜30优选为f-θ平场扫描透镜。

下面对本实用新型的复合激光焊接透明脆性材料的装置的操作过程进行说明。

首先将两块透明脆性材料12、13自然叠放在一起的焊接材料16固定在二维工作平台19上，并启动二维工作平台19将焊接材料16移动到超快激光扫描单元8下方，调节第一移动机构9使超快激光扫描单元8输出的第一聚焦激光束11(即超快激光束)的聚焦点位于两块透明脆性材料12、13之间空隙14；然后工控机20启动超快激光器1输出第一激光束2，并利用超快激光扫描单元8的扫描振镜7控制第一聚焦激光束11按照预设扫描图案在焊接材料16的两块透明脆性材料12、13之间空隙14按设计轨迹进行扫描焊接，在空隙14形成白色半透明的初始焊缝15，提高了对透射性激光束的吸收率；随后关闭超快激光器1和超快激光扫描单元8，启动二维工作平台19，将焊接材料16移动到连续激光扫描单元28的下方，通过CCD定位装置32将连续激光聚焦束对准初始焊缝15，并调节第二移动机构29使连续激光扫描单元28输出的第二聚焦激光束31(即连续激光束)聚焦点位于两块透明脆性材料12、13之间的初始焊缝15上；工控机20启动连续激光器21输出第三激光束22，并利用连续激光扫描单元28的扫描振镜27控制第二聚焦激光束31按照预设扫描图案在焊接材料16的两块透明脆性材料12、13之间初始焊缝15进行扫描，初始焊缝15吸收激光能量达到熔化温度，使表面烧蚀或破裂的材料再次熔化，修复超快激光等离子烧蚀损害的部分，并经热扩散使焦点附近材料也达到熔化温度，产生较多的熔化材料，填充较大的间隙，形成强度和密封性能良好的焊缝18。

当然复合光束光路的搭建也可以采用其他方式实现，只要超快激光和连续激光能通过扫描振镜和平场扫描透镜聚焦先后对材料焊接即可，实现焦点调节的装置也不限于上述实例中所列举的结构。

以下为本实用新型的实施例：

实施例1

使用输出波长为1064nm、脉宽为10ps、输出最大功率为90W、脉冲重复频率1MHz的Nd：YAG皮秒激光器，以及输出波长为1064nm、最大输出功率为100W的光纤连续激光器，焊接两块自然叠放的尺寸为50×25mm、厚度为1mm的普通钠钙玻璃，两块玻璃叠放之间的间隙为15μm。皮秒激光和连续激光的焦点均在两块自然叠玻璃之间空隙位置，先启动皮秒激光器，输出功率为25W的激光束，经过扫描振镜和f-θ平场扫描透镜，以3000mm/s速度扫描长度为20mm和宽度为10mm的长方形密封初始焊缝；之后将焊接材料移动连续激光扫描单元下方，启动连续激光器，输出40W功率光束，经扫描振镜和f-θ平场扫描透镜，沿长度为20mm和宽度为10mm的长方形密封初始焊缝，以10mm/s速度进行扫描焊接。焊接结果表明：在叠放的两块玻璃之间较大间隙中白粉完全熔化，防水密封性好，剪切强度大于35Mpa，且玻璃表面无损伤痕迹。

实施例2

使用输出波长为1064nm、脉宽为10ps、输出最大功率为90W、脉冲重复频率1MHz的Nd：YAG皮秒激光器和输出波长为1064nm、最大输出功率为100W的光纤连续激光器，焊接两块叠放的尺寸为60×40mm、厚度为2mm的异种玻璃，其中上层为石英玻璃、下层为钠钙玻璃，两块玻璃叠放之间的间隙为20μm。采用复合激光脆性材料焊接方法，皮秒激光和连续激光的焦点均在两块自然叠玻璃之间空隙位置，先启动皮秒激光器，输出功率为35W皮秒脉冲激光束，经过扫描振镜和f-θ平场扫描透镜，以3000mm/s速度扫描长度为40mm和宽度为30mm的长方形密封初始焊缝，形成40×30mm长方形白色半透明初始焊密封焊缝；之后将焊接材料移动连续激光扫描单元下方，启动连续激光器输出60W功率连续光束，经扫描振镜和f-θ平场扫描透镜，沿长度为40mm和宽度为30mm的长方形密封初始焊缝，以40mm/s速度进行扫描焊接。焊接结果表明：在叠放的两块玻璃之间较大间隙中白粉完全熔化，防水密封性好，剪切强度大于40Mpa，且玻璃表面无损伤痕迹。

实施例3

使用输出波长为1064nm、脉宽为10ps、输出功率最大功率为90W、脉冲重复频率1MHz的Nd：YAG皮秒激光器，以及输出波长为1064nm、最大输出功率为100W的光纤连续激光器，焊接两块叠放的尺寸为50×50mm、厚度为1.5mm的石英玻璃，两块玻璃叠放之间的间隙为25μm。采用复合激光脆性材料焊接方法，皮秒激光和连续激光的焦点均在两块自然叠玻璃之间空隙位置，先启动皮秒激光器，输出功率为40W皮秒脉冲激光束，经过扫描振镜和f-θ平场扫描透镜，以4000mm/s速度扫描长度为40mm和宽度为40mm的正方形密封初始焊缝，形成40×40mm正方形白色半透明初始焊密封焊缝；之后将焊接材料移动连续激光扫描系统下方，启动连续激光器输出80W功率连续光束，经扫描振镜和f-θ平场扫描透镜，沿正方形密封初始焊缝，以60mm/s速度进行扫描焊接。焊接结果表明：在叠放的两块玻璃之间较大间隙中白粉完全熔化，防水密封性好，剪切强度大于45Mpa，且玻璃表面无损伤痕迹。

实施例4

使用输出波长为1064nm、脉宽为10ps、输出最大功率为90W、脉冲重复频率1MHz的Nd：YAG皮秒激光器和输出波长为1064nm、最大输出功率为100W的光纤连续激光器，焊接两块叠放的尺寸为55×55mm、厚度为1mm的异种玻璃，其中上层为硼硅酸盐玻璃、下层为石英玻璃，两块玻璃叠放之间的间隙为22μm。采用复合激光脆性材料焊接方法，皮秒激光和连续激光的焦点均在两块自然叠玻璃之间空隙位置，先启动皮秒激光器，输出功率为35W皮秒脉冲激光束，经过扫描振镜和f-θ平场扫描透镜，以3500mm/s速度扫描长度为35mm和宽度为35mm的正方形密封初始焊缝，形成35×35mm的正方形白色半透明初始焊密封焊缝；之后将焊接材料移动连续激光扫描单元下方，启动连续激光器输出70W功率连续光束，经扫描振镜和f-θ平场扫描透镜，沿长度为35mm和宽度为35mm的正方形密封初始焊缝，以65mm/s速度进行扫描焊接。焊接结果表明：在叠放的两块玻璃之间较大间隙中白粉完全熔化，防水密封性好，剪切强度大于35Mpa，且玻璃表面无损伤痕迹。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。