一种玻璃激光焊接裂纹抑制方法及装置

1.本发明涉及激光加工领域，特别涉及一种玻璃激光焊接裂纹抑制方法及装置。


背景技术：

2.玻璃具有光吸收率低、化学惰性好、硬度高和耐高温等特性，其作为一种优良的封装材料，在生物医疗、电子半导体、光伏产业、航空航天等领域具有极广泛的应用价值和市场前景。
3.目前，已有通过超快激光对玻璃材料进行直接焊接的技术方案，但其存在如下缺陷：超快激光具有极高的峰值功率，玻璃材料会在极短时间内吸收大量激光能量达到很高的温度，而外围材料的温度仍然很低，因此形成很高的温度梯度。
4.一旦形成的内部拉应力超过玻璃材料的抗拉阈值，则玻璃材料上即会产生微裂纹。另外，由于激光光束的高斯分布和聚焦特点，其轴向光场分布为一个非圆形横截面的椭圆，此种光场分布更容易诱导裂纹的产生。由此影响焊缝的寿命，甚至导致玻璃材料焊接失败。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种玻璃激光焊接裂纹抑制方法及装置，其可对光轴方向的能量进行压缩，使热应力均匀分布，从而抑制由于热应力的分布不均而诱导产生的微裂纹现象，提高玻璃焊缝质量和强度。
6.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一方面，提供了一种玻璃激光焊接裂纹抑制方法，其括如下步骤：s1、激光光源产生激光光束；s2、采用激光光束整形器件对激光光束的空间分布进行整形，以将激光光束的圆形光斑整形为椭圆形光斑，且椭圆形光斑长轴方向与焊接轨迹方向垂直；s3、将整形后的激光光束进行聚焦，完成玻璃样品的焊接。
7.优选的，激光光源波长为200nm-1200nm。
8.优选的，激光光束的脉宽小于或等于15ps，激光光束的脉冲搭接率大于80%。
9.优选的，将整形后的激光光束聚焦于叠放放置的、且位于下方的玻璃样品的上表面的下方。
10.优选的聚焦所形成焦点与位于下方的玻璃样品的上表面之间的距离小于200μm。
11.还提供一种玻璃激光焊接装置，其包括：激光器，其用于产生入射激光光束；扩束镜，其用于对入射激光光束进行扩束；激光光束整形器件，其用于对激光光束的空间分布进行整形，以将激光光束l的圆形光斑整形为椭圆形光斑；以及聚焦物镜，其用于对经过整形的激光光束进行聚焦，以在预定位置形成焦点。
12.优选的，所述激光光束整形器件包括狭缝光阑或衍射光学元件。
13.优选的，当所述激光光束整形器件为狭缝光阑时，所述玻璃激光焊接装置还包括：反射镜，其设置于扩束镜、激光光束整形器件之间，用于对经过扩束后的激光光束进行反射。
14.优选的，当激光光束整形器件为衍射光学元件时，所述玻璃激光焊接装置还包括：导光系统；激光光束整形器件用于对经过扩束后的激光光束的空间分布进行整形并反射，经过激光光束整形器件整形并反射后的激光光束进入导光系统，以完成光路变换，所述聚焦物镜用于对已完成光路变换的激光光束进行聚焦，以在预定位置形成焦点。
15.优选的，所述导光系统包括4f系统、第一透镜以及第二透镜，其中，所述4f系统包括第一4f系统反射镜以及第二4f系统反射镜；且第一透镜、第一4f系统反射镜、第二透镜以及第二4f系统反射镜在激光光束传播方向上依次间隔设置。
16.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明可将圆形高斯光斑整形为椭圆形高斯光斑，以对光轴方向的能量进行压缩，将狭长的椭圆形能量分布调控为圆形分布，使得整形后的激光光束对玻璃材料实施焊接时，轴向激光作用产生的等离子体区被压缩，以消除尖端区域，使热应力均匀分布，从而抑制由于热应力的分布不均而诱导产生的微裂纹现象，提高玻璃焊缝质量和强度。
附图说明
17.图1为为玻璃样品的安装固定示意图；图2为本发明玻璃激光焊接裂纹抑制方法的步骤流程图；图3为激光光束光斑整形前后的效果图；图4为激光光束光斑整形前后的能量分布效果图；图5为激光光束光斑整形前所形成的激光作用热影响区示意图；图6为激光光束光斑整形后所形成的激光作用热影响区示意图；图7为采用本发明玻璃激光焊接裂纹抑制方法前后的玻璃焊接效果图；图8为本发明实施例二中玻璃激光焊接装置的结构示意图；图9为本发明实施例四中玻璃激光焊接装置的结构示意图。
具体实施方式
18.为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
19.实施例一：如图1所示，在进行玻璃材料激光焊接时，需将第一玻璃样品g1以及第二玻璃样品g2层叠放置，且二者之间形成有焊缝间隙p1，再采用夹具a1、a2对第一玻璃样品g1和/或第二玻璃样品g2进行固定。
20.在此基础上，如图2-3所示，本实施例提供了一种玻璃激光焊接裂纹抑制方法，其具体包括如下步骤：s1、激光光源产生激光光束，本实施例中，所述激光光源波长为200nm-1200nm，玻
璃材料由于禁带宽度较大，对该波长范围内的光吸收率很低，有助于激光直接穿透玻璃材料，且聚焦在两层玻璃材料之间的焊缝间隙p1处，而且目前大部分激光器光源均处于这一波长范围内，因此具有很好的针对性和选择性；同时，为了使激光光束仅在焦点处沉积能量，则激光光束的脉宽优选小于或等于15ps；脉冲搭接率大于80%，其有利于激光光束直接通过多光子电离、雪崩电离、隧穿电离等非线性过程与玻璃材料产生相互作用而沉积能量，直到玻璃升温融化并填充焊缝间隙p1，实现上下两层玻璃的连接；s2、采用空间光调制器（spatial light modulator，slm）、衍射光学元件（diffractive optical elements，doe）或光阑等激光光束整形器件对激光光束的空间分布进行整形，以将激光光束的圆形光斑（如图3中的（a）部分所示）整形为椭圆形光斑（如图3中的（b）部分所示），且椭圆形光斑长轴方向与焊接轨迹方向垂直；s3、将整形后的激光光束聚焦于第二玻璃样品g2上表面的下方，且使得所形成焦点与第二玻璃样品g2上表面之间的距离小于200μm；通过位移台等移动装置带动待焊接的玻璃样品沿预定焊接轨迹同步移动，或，激光光束沿预定焊接轨迹，以完成玻璃材料的焊接。
21.如图3中的（a）部分所示，未经过整形的激光光束光斑为圆形高斯光斑，经过聚焦后，如图4中的（a）部分所示，其焦点3附近的中心轴向能量分布为狭长的椭圆形，焦点3处的激光能量通过非线性效应被玻璃材料吸收并产生等离子体，由于等离子体对激光的强烈吸收，使得后续激光无法穿透等离子体而作用于原来的焦点处，表现为对激光的屏蔽效果，因而后续激光脉冲的作用点会高于之前的焦点，且该作用点处再次产生等离子体。因此随着激光脉冲数量的增加，激光作用区域将呈现出从焦点3处沿光轴5向光源方向（即纵向）扩展的现象，最终产生水滴状的等离子体柱作用区4。
22.同时，如图6所示，由于热扩散效应，等离子体柱作用区4的温度向外扩散并影响周边材料，使材料升温改性，形成熔融改性区6，且最终等离子体柱作用区4与外部热扩散形成的熔融改性区6共同构成了水滴状双结构激光作用热影响区7。
23.由于激光作用热影响区7与外部区域存在温度梯度，由此产生内部热应力，尤其是激光作用热影响区7内部的等离子体柱作用区4，此处的激光能量沉积较为集中，温度梯度较大，一旦产生的热应力大于材料的抗拉阈值，即会在玻璃上生成微裂纹（如图7中（a）部分所示的径向裂纹等）。而水滴状的等离子体柱作用区4由于存在尖端区域（即图3中等离子体柱作用区4的底部尖端区域），此处的热应力尤为集中，更易突破材料的抗拉阈值而诱导生成微裂纹，对玻璃焊缝的形成造成不良影响。
24.而如图6所示，本实施例通过光束整形方案，将圆形高斯光斑整形为椭圆形高斯光斑，如此可将其在光轴5方向的能量进行压缩，将狭长的椭圆形能量分布调控为圆形分布，整形后的激光光束对玻璃材料实施焊接时，亦可压缩轴向激光作用产生的等离子体柱作用区4以及熔融改性区6、激光作用热影响区7，使得三者均被压缩为近圆形或椭圆形的分布形式，消除其尖端区域，使热应力均匀分布，从而抑制由于热应力的分布不均而诱导产生的微裂纹现象（如图7中的（b）部分所示），提高焊缝质量和强度。
25.实施例二：本实施例提供了一种用于实现实施例一所述方法的玻璃激光焊接装置，如图8所
示，其包括：激光器10，其用于产生入射激光光束l；扩束镜20，其用于对入射激光光束l进行扩束；激光光束整形器件40，其用于对激光光束l的空间分布进行整形，以将激光光束l的圆形光斑整形为椭圆形光斑；优选的，所述激光光束整形器件40包括狭缝光阑或衍射光学元件（diffractive optical elements，doe）；以及聚焦物镜50，其用于对经过整形的激光光束l进行聚焦，以在预定位置形成焦点。
26.优选的，所述激光光束整形器件40设置在聚焦物镜50的入光口处/出光口处。
27.实施例三：本实施例与实施例二的不同之处仅在于，当激光光束整形器件40为狭缝光阑时，如图8所示，所述玻璃激光焊接装置还包括：反射镜30，其设置于扩束镜20、激光光束整形器件40之间，用于对经过扩束后的激光光束l进行反射，且狭缝光阑的狭缝长宽比为10:1。
28.实施例四：本实施例与实施例二的不同之处仅在于，当激光光束整形器件40为衍射光学元件时，如图9所示，所述玻璃激光焊接装置还包括：导光系统；激光光束整形器件40用于对经过扩束后的激光光束l的空间分布进行整形并反射，经过激光光束整形器件40整形并反射后的激光光束l进入导光系统，以完成光路变换，所述聚焦物镜50用于对已完成光路变换的激光光束l进行聚焦，以在预定位置形成焦点。
29.具体的，所述导光系统包括4f系统、第一透镜402以及第二透镜403，其中，所述4f系统包括第一4f系统反射镜400以及第二4f系统反射镜401；且第一透镜402、第一4f系统反射镜400、第二透镜403以及第二4f系统反射镜401在激光光束l传播方向上依次间隔设置。
30.综上所述，本发明通过对激光光束进行整形，将圆形高斯光斑整形为椭圆形高斯光斑，如此对光轴方向的能量进行压缩，将狭长的椭圆形能量分布调控为圆形分布，使得整形后的激光光束对玻璃材料实施焊接时，轴向激光作用产生的等离子体区被压缩，以消除尖端区域，使热应力均匀分布，从而抑制由于热应力的分布不均而诱导产生的微裂纹现象，提高玻璃焊缝质量和强度。
31.在本发明中,术语“多个”则指两个或两个以上,除非另有明确的限定。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解,例如，“连接”可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;“相连”可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
32.需要说明的是，当元件被称为“装配于”、“安装于”、“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
33.在本说明书的描述中,术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述
意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。。
34.尽管已经示出和描述了本发明的实施例,本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由权利要求及其等同物限定。