[實(shí)用新型]一種復(fù)合激光焊接透明脆性材料的裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201820959314.8
• 申請日: 2018-06-21
• 公開（公告）號: CN208391259U
• 公開（公告）日: 2019-01-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 段軍;白克強(qiáng);陳航;曾曉雁
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號: B23K26/03
• 分類號: B23K26/03;B23K26/24;B23K26/324;B23K26/70
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 張彩錦;曹葆青

本實(shí)用新型屬于激光加工技術(shù)領(lǐng)域，并具體公開了一種復(fù)合激光焊接透明脆性材料的裝置，包括超快激光束發(fā)生模塊和連續(xù)激光束發(fā)生模塊，超快激光束發(fā)生模塊用于實(shí)現(xiàn)初始焊接，包括位于同一光路中的依次設(shè)置的超快激光器、第一擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡、第一反射鏡和超快激光掃描單元；連續(xù)激光束發(fā)生模塊用于實(shí)現(xiàn)最終焊接，包括位于同一光路中的依次設(shè)置的連續(xù)激光器、第二擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡、第二反射鏡和連續(xù)激光掃描單元。本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)具有較大接觸間隙的兩塊透明脆性材料的牢固焊接，具有焊接牢固可靠，適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型屬于激光加工技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種復(fù)合激光焊接透明脆性材料的裝置。

背景技術(shù)

透明脆性材料如玻璃、硅、藍(lán)寶石等因其穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)以及優(yōu)良的物理性質(zhì)包括透光性、絕緣性、耐腐蝕性和高硬度等，在日常生活和科研生產(chǎn)方面都起到不可或缺的作用。在許多應(yīng)用場合都會用到多個(gè)組裝和密封連接在一起的透明脆性材料部件，例如光學(xué)中透鏡的組裝，要求多個(gè)透鏡連接在一起后還能承受孔徑中通過的特定光功率密度；光電子學(xué)中對特定光譜相應(yīng)的半導(dǎo)體傳感器的封裝，需要對相應(yīng)波長的信號光透明的絕緣外殼，還要求封裝后能將傳感器與環(huán)境中的水分或其他腐蝕性物質(zhì)穩(wěn)定隔離；微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)中大量用到使用刻蝕、光刻等半導(dǎo)體制造工藝制造的微型傳感器、動作器和微能源部件，要求集成尺度精密和封裝密封性好、性能穩(wěn)定且不影響各微型器件的協(xié)同工作；在生物醫(yī)藥方面，無論是微型探測器件還是駐留式功能器件都需要植入人體工作，這些器件不僅要求封裝外殼具有生物相容性和無毒性，而且對封裝穩(wěn)定性和耐久性的要求更嚴(yán)苛。

隨著高新科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，透明脆性材料組件因其所具有的優(yōu)良光學(xué)性能、耐腐蝕性能和力學(xué)性能將會得到越來越廣泛的應(yīng)用，具有廣闊的研究和發(fā)展空間。目前透明脆性材料的傳統(tǒng)密封方法主要包括膠粘劑粘接、陽極鍵合、熔融焊接等，傳統(tǒng)密封方法各自存在不同的缺陷。超快激光利用極高的峰值功率密度和超短激光脈沖可在透明脆性內(nèi)部產(chǎn)生非線性吸收，并使材料在焦點(diǎn)處熔融以實(shí)現(xiàn)透明脆性介質(zhì)的微焊接，具有加工精度高、熱影響區(qū)小、不易破裂、連接強(qiáng)度較高、空間可選擇性加工等突出優(yōu)點(diǎn)，但該方法也表現(xiàn)出以下問題：(1)雖然超快激光由于其焦點(diǎn)處高能量密度能完成瞬時(shí)焊接，但由于通常使用大數(shù)值孔徑顯微物鏡聚焦，焦點(diǎn)空間范圍小，且光束位置不變，要實(shí)現(xiàn)區(qū)域焊接通常采用光束固定，精密二維工作臺帶著待焊接材料移動方式進(jìn)行焊接，加工速度慢，從硬件層面限制了加工速度；(2)超快激光焊接通常要求待焊接表面達(dá)到光學(xué)接觸，即接觸面間距<500nm、肉眼觀察無干涉條紋存在，較大間隙會導(dǎo)致等離子體溢出造成表面燒蝕或破裂，目前有專門對此的實(shí)驗(yàn)研究也要求間隙最大容限在3μm之內(nèi)才能有效焊接，故此法焊接由于要對表面拋光清洗以達(dá)到極高的潔凈光滑度，不僅難以實(shí)際應(yīng)用，對大尺寸或異形表面也無能為力，無法實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，例如在專利CN106449439A中，使用超快激光封裝玻璃芯片時(shí)，不僅待封接玻璃表面需要保持很高的水平度，而且在間距大于1μm時(shí)，無法直接進(jìn)行焊接，需在兩片玻璃之間加入一個(gè)玻璃片，分別對上下兩塊玻璃與中間層玻璃片進(jìn)行掃描封裝焊接，步驟較為繁瑣，效率低。

此外，還出現(xiàn)了一種多激光束合束焊接玻璃材料的方法，例如專利CN107892469A公開的多激光束合束焊接玻璃材料的方法及裝備，該專利利用超快激光束與連續(xù)或長脈沖激光束的合束光實(shí)現(xiàn)兩塊同種玻璃的焊接，其可對不滿足光學(xué)接觸條件的較大的焊接間隙進(jìn)行焊接，并實(shí)現(xiàn)振鏡掃描式激光焊接，提高激光焊接效率，實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，然而經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)上述焊接方式仍然存在以下問題：(1)合束焊接時(shí)超快激光束與連續(xù)或長脈沖激光束的能量在焊縫處會疊加，使得材料瞬時(shí)溫度過高，產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力造成材料強(qiáng)度差，因此該種焊接方式對激光束能量的選擇具有較高的要求，無法適用于較高能量的激光束；(2)合束焊接時(shí)超快激光與連續(xù)或長脈沖激光同時(shí)作用，當(dāng)超快激光功率密度過高時(shí)會對材料造成燒蝕，影響材料焊接效果，因此合束焊接時(shí)需控制超快激光的功率，無法適用于較大功率的激光器。因此在上述的疊加效應(yīng)及燒蝕作用的限制下雖然其聲稱可實(shí)現(xiàn)接觸間隙大于5μm的兩塊玻璃的焊接，實(shí)則經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)其只能實(shí)現(xiàn)最大間隙在12μm左右的兩種同種材料的焊接。

實(shí)用新型內(nèi)容