激光焊接头在玻璃上的应用

激光头技术背景

随着激光头技术的迅速发展，激光头被广泛用于焊接各种材料。传统的激光头光源作为透明脆弱的脆性材料，不易被玻璃吸收。由于其热膨胀系数大，吸热玻璃在焊接过程中容易开裂，不适合传统的激光焊接头焊接方法加工。

通常，激光焊接头焊接透明材料有两种方法，例如玻璃和塑料。一种方法是涂覆不透明颜料或在焊接界面处添加中间层以增加激光头吸收速率。界面附近材料的温度吸收激光增加，然后材料熔化凝固，实现透明材料的连接。另一种方法是使用特殊的焊接头光源进行焊接，并通过高功率密度激光在透明材料之间产生非线性吸收，形成有效的焊点。越来越多的研究人员和工程师将注意力转向使用特殊光源进行激光焊接头的应用。

激光头研究现状

近年来，已经使用特殊光源来焊接各种玻璃，玻璃和单晶硅。美国PolaOnyx公司使用特殊的激光单/多线扫描来实现玻璃焊接和密封。 Hélie等人，使用100μm厚的玻璃端盖激光微焊接头焊接到微结构光纤，并成功焊接标准光纤和微结构光纤的端盖。 Tamaki等，采用1558nm激光头成功实现了异种玻璃与玻璃和硅片的焊接，焊接强度分别为9.87MPa和3.74MPa。

但是，大多数学者都研究了激光焊接头焊接玻璃的结果。焊接熔合区域是水滴形式，主要由三部分组成，即由顶部的圆形空腔和熔化区域的中部和底部的小孔组成的线性结构。其中，顶部和底部的空腔容易产生应力集中，参数控制不好，容易产生裂缝。此外，由于其水滴状结构，较差的行间距控制可能导致间断的未连接的成形焊缝。

激光头试验材料和方法

试验中使用的材料为光学玻璃，样品尺寸为25×25×1mm，焊接试验步骤如下：

（a）玻璃表面清洁。用酒精溶液浸泡玻璃板5-10分钟，然后用蒸馏水冲洗玻璃表面3-5次，最后用热风机吹干玻璃表面上的水渍。

（b）按焊接玻璃板。将夹层玻璃板放置在夹具定位槽中，并调节焊接夹具机构以压下玻璃板的周边区域，使玻璃板紧密贴合。前研究人员的实验研究表明，玻璃焊接所需的玻璃粘合间隙小于100nm（某些观点小于激光波长的四分之一）。

（c）将焦点调整到两个眼镜的关节。当激光从空气中引入玻璃时，会发生折射并且其焦点会发生变化。因此，安装玻璃板以找到焦点，垂直于玻璃表面的振动透镜的高度以相等的间隔调整，玻璃板分别用相同的能量盒扫描，并且移除玻璃板的位置在在观察期间观察玻璃吸收激光界面，这是焦点位置。

（d）玻璃的激光焊接头焊接。重复步骤（b）和（c）按压焊接的玻璃板并将焦点调整到玻璃界面，并调整适当的激光焊接头焊接工艺参数（功率，速度，扫描图案等）以焊接玻璃。玻璃界面处的高能激光将在超过一定阈值后引起玻璃材料的多光子电离。离子化的自由电子加速并与其他原子碰撞引起雪崩电离，材料的温度升高，玻璃温度达到熔点熔化，光线停止后冷却凝固后实现焊接。

特种激光玻璃焊接工艺

使用特殊激光进行玻璃焊接试验。焊接结构在整个焊接表面区域均匀（4×4.4×4mm）。焊接头焊接后，材料的变形小，材料的平整度变化很小。焊接头焊接的熔合区域的厚度在两种材料之间的界面处非常小。在熔合区域的两侧的玻璃上没有观察到热损伤。

焊接头焊接后，玻璃端面部分表明，当采用新的激光焊接头焊接工艺进行焊接时，焊接头焊接的熔合区域不会出现水滴形状，也没有焊接裂纹源缺陷，如线性结构微观顶部圆形腔底部的空腔，在中间熔化区焊接过程中不形成不连续的线性裂纹缺陷。根据焊接强度试验，材料在母材区域破裂，焊点不脱落，焊点焊接强度好。

总结和展望

采用特殊的激光头光源调整合适的焊接工艺参数，使玻璃材料非线性吸收激光，熔化的材料凝固，两块透明玻璃形成牢固的焊接区域，不添加焊料，进行焊接两件之间。光学眼镜直接且成功地实现。光学玻璃焊接熔合区的两层材料一体化，没有明显的宏观微裂纹和水滴，因此顶部没有水滴形圆形腔，底部没有线性损伤区，并且没有熔合区。线性非界面有效避免裂纹源的产生。在强度测试之后，焊点保留在样品表面上并具有高连接强度。

近年来，随着5G，无线充电，光通信和芯片技术的快速发展，玻璃材料逐渐成为3C电子结构（如手机玻璃外壳），半导体器件（晶圆和面板）的主流材料和光学材料。 ）。元件和相机模块具有电磁信号屏蔽低，硬度高，重量轻，成本低的突出优点，适合大批量生产。激光焊接头焊接玻璃将具有广阔的应用前景。

推荐阅读《激光头制造分类与特点》