皮秒雷射玻璃焊接系統及方法與流程

2023-06-02 00:55:36 1

本發明涉及雷射焊接加工技術領域，尤其涉及一種皮秒雷射玻璃焊接系統及方法。

背景技術：

玻璃作為一種透明材料，具有一些特有的屬性，在電子行業、生物醫療、航空航天等領域有著廣泛的應用。雷射焊接具有加工過程靈活、非接觸加工方式等優點，已經成為焊接玻璃的重要方法。

在傳統的雷射玻璃焊接工藝中，需要在焊接界面處加入中間層或者塗層，使得雷射束聚焦在焊料上，經過材料熔化再凝固的過程實現透明材料的焊接。這種焊接方法存在著很大的缺陷，比如焊接強度隨外界因素變化較大，焊料易腐蝕、老化，並且因為添加劑的緣故，會改變玻璃原有的「中性」屬性，限制玻璃的應用。

技術實現要素：

本發明提供了一種皮秒雷射焊接玻璃系統及方法，旨在解決現有的雷射玻璃焊接方法使用塗層和焊料而導致的易腐蝕和老化的技術問題。

本發明的目的是採用以下技術方案來實現的。

一種皮秒雷射玻璃焊接系統，包括皮秒雷射器，用於發射雷射束；光學傳導系統，所述光學傳導系統位於所述皮秒雷射器的一側；振鏡掃描系統，所述振鏡掃描系統位於所述光學傳導系統的下方；以及工作檯和夾具，其中，所述夾具設於所述工作檯上並位於所述振鏡掃描系統的下方，所述夾具用於固定待焊接玻璃式樣；所述雷射束經過所述光學傳導系統後入射至所述振鏡掃描系統，所述振鏡掃描系統用於對所述雷射束進行聚焦處理，使所述雷射束在所述待焊接玻璃式樣中的交界面形成光斑，並利用所述光斑對所述待焊接玻璃式樣進行焊接。

在一種實施方式中，所述皮秒雷射器為皮秒紅外雷射器，功率為50W，所述雷射束的波長為1064nm，脈寬範圍為30ps，重複頻率的變化範圍為10kHz～10000kHz。

在一種實施方式中，所述待焊接玻璃式樣高於所述工作檯至少10cm。

在一種實施方式中，所述待焊接玻璃式樣的厚度範圍為1mm—4mm。

在一種實施方式中，所述待焊接玻璃式樣的材質為：普通鈉鈣矽酸鹽玻璃、低鹼硼矽酸鹽玻璃或者稀土摻雜硼矽酸鹽玻璃。

在一種實施方式中，所述夾具包括：一個固定定位塊和一個活動定位塊，位於所述待焊接玻璃式樣的水平方向，用於將所述待焊接玻璃式樣夾在所述固定定位塊和所述活動定位塊之間以保持所述待焊接玻璃式樣水平；以及一個上壓板和一個下壓板，所述上壓板和所述下壓板的中間鏤空以露出所述待焊接玻璃樣式，所述上、下壓板用於使所述待焊接玻璃式樣上下緊密貼合。

一種皮秒雷射玻璃焊接方法，包括以下步驟：步驟S100：打開皮秒雷射器，所述皮秒雷射器發射的雷射束經過光學傳導系統入射至振鏡掃描系統；步驟S200：所述振鏡掃描系統對所述雷射束進行聚焦處理，使所述雷射束在由夾具水平固定的待焊接玻璃式樣中的交界面處聚焦形成聚焦光斑；以及步驟S300：通過所述聚焦光斑對所述待焊接玻璃式樣進行非接觸式焊接。

在一種實施方式中，在所述步驟S300中，通過所述振鏡掃描系統採取走點陣的方式、利用聚焦光斑對所述待焊接玻璃式樣進行焊接，點陣的開關光延遲為300us—1000us，點陣間距為0.1mm—0.8mm。

在一種實施方式中，在步驟S200中，進一步包括：利用夾具使所述待焊接玻璃式樣結合得足夠緊密，並使所述雷射束恰好聚焦在所述待焊接玻璃式樣的交界面上，以及，使所述交界面懸空。

在一種實施方式中，在所述步驟S100前還包括：通過脫脂棉和無水乙醇對待焊接玻璃式樣進行表面清洗，以使清潔後的表面經透光觀察無汙點且表面無劃痕。

與現有技術相比，本發明提供的皮秒雷射玻璃焊接系統及方法通過選用皮秒量級的超短脈衝雷射可以實現無焊料添加的玻璃焊接效果，避免因添加塗層和焊料而導致玻璃性能改變，避免了焊接玻璃在使用過程中易老化和被腐蝕等缺點。夾具採用鏤空的方式，使得雷射束透過待焊接玻璃式樣，並且加工臺的高度高於10cm，待焊接玻璃式樣不會受到工作檯反射的雷射的影響。採用振鏡走點陣的加工方式，避免了線加工方式中，因為雷射作用點間距過於緊密而導致的上一個作用點的焊接效果被下一個作用點破壞掉，從而能夠實現無焊料的玻璃疊焊效果。

上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，而可依照說明書的內容予以實施，並且為了讓本發明的上述和其他目的、特徵和優點能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，並配合附圖，詳細說明如下。

附圖說明

圖1為本發明第一實施例提供的皮秒雷射玻璃焊接系統的結構示意圖。

圖2是本發明第一實施例中夾具和工作檯的立體分解圖。

圖3是本發明第一實施例提供的夾具和工作檯的正面視圖。

圖4是本發明第二實施例提供的皮秒雷射玻璃焊接方法的流程圖。

具體實施方式

為了便於理解本發明，下面將參照相關附圖對本發明進行更全面的描述。附圖中給出了本發明的較佳實施方式。但是，本發明可以以許多不同的形式來實現，並不限於本文所描述的實施方式。相反地，提供這些實施方式的目的是使對本發明的公開內容理解的更加透徹全面。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬於本發明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施方式的目的，不是旨在於限制本發明。本文所使用的術語「及/或」包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。

請參閱圖1，圖1是本發明第一實施例提供的皮秒雷射玻璃焊接系統100的結構示意圖。

皮秒雷射玻璃焊接系統100包括皮秒雷射器10、光學傳導系統20、振鏡掃描系統30、工作檯40、夾具50。

皮秒雷射器10位於光學傳導系統20的一側，振鏡掃描系統30位於光學傳導系統20的下方，工作檯40位于振鏡掃描系統30的下方，夾具50設於工作檯40上並位于振鏡掃描系統30的下方，夾具50用於水平固定待焊接玻璃式樣60，待焊接玻璃式樣60包括兩片準備焊接在一起的玻璃，兩片玻璃緊密貼合，形成一個交界面，之後的焊接加工均在該交界面上進行。

在本實施例中，皮秒雷射器10為皮秒紅外雷射器，功率為50W，雷射束的波長為1064nm，脈寬為30ps，重複頻率的變化範圍為10kHz—10000kHz，以非接觸方式實現待焊接玻璃式樣60的焊接。

待焊接玻璃式樣60為普通的鈉鈣矽酸鹽玻璃，待焊接玻璃式樣的厚度範圍為1mm—4mm，可以理解，本發明同樣適用於其他類型或厚度的待焊接玻璃式樣，例如低鹼硼矽酸鹽玻璃、稀土摻雜硼矽酸鹽玻璃等。

本發明第一實施例提供的皮秒雷射玻璃焊接系統100的焊接原理為：通過皮秒雷射器10發射雷射束，發射的雷射束經過光學傳導系統20後入射至振鏡掃描系統30，通過振鏡掃描系統30對雷射束進行聚焦處理，使雷射束在由夾具50固定的待焊接的兩個玻璃片構成的玻璃式樣60的交界面處形成光斑，並利用聚焦光斑對待焊接玻璃式樣60進行焊接，優選地，採用振鏡走點陣的加工方式進行焊接。

振鏡掃描系統30對於待焊接玻璃式樣60可設定相應的工藝參數進行焊接，工藝參數包括雷射頻率、雷射功率、點陣間距、開關光延時及焦點位置等。雷射焊接過程中，高能量密度的雷射束聚焦到待焊接玻璃式樣60的交界面處，由於皮秒雷射具有很高的峰值功率，致使待焊接玻璃式樣60對於皮秒雷射產生非線性吸收作用，從而引起光致電離、熔融、凝固的過程，實現兩個玻璃片焊接在一起的焊接效果。在焊接過程中，可調節工藝參數以達到最優的焊接效果。

請參閱圖2和圖3，在焊接過程中，通過夾具50使待焊接玻璃式樣60水平固定。夾具50包括固定定位塊51、活動定位塊52、上壓板53、下壓板54。固定定位塊51和固定平臺510是固定在一起的，具體地，固定定位塊51通過螺絲固定在固定平臺510上，其下壓部512壓在上壓板53上。固定平臺510位於工作檯40的上方。固定定位塊51和活動定位塊52共同固定待焊接玻璃式樣60，保持待焊接玻璃式樣60水平。上壓板53的中間具有一個橫梁530，其它區域上下鏤空，下壓板54除橫梁530之外，其它結構和上壓板53相同，也是中間上下鏤空。下壓部512壓在上壓板53的橫梁530上以壓緊上壓板53。橫梁530的寬度可根據需要設置。上壓板53位於上方，下壓板54位於下方，共同壓緊待焊接玻璃式樣60，並使其在交界處貼合得足夠緊密，保證焊接效果。最後還可根據需要對待焊接玻璃式樣60的邊緣進行焊接封裝。

雷射束聚焦在待焊接玻璃式樣60的交界面，優選地，保持焊接位置懸空，例如，上壓板53和下壓板54中間鏤空使得雷射的工作區域鏤空，防止反射光影響待焊接玻璃式樣60的焊接效果。優選地，待焊接玻璃式樣60到工作檯40的高度高於10cm。

本發明第一實施例提供的皮秒雷射玻璃焊接系統通過選用皮秒量級的超短脈衝雷射可以實現無焊料添加的玻璃焊接效果，避免因添加塗層和焊料而導致玻璃性能改變，避免了焊接玻璃在使用過程中易老化和被腐蝕等缺點。夾具50採用鏤空的方式，使得雷射束透過待焊接玻璃式樣，並且加工區域鏤空，待焊接玻璃式樣不會受到工作檯反射的雷射的影響。另外，採用振鏡走點陣的加工方式，能夠實現無焊料的玻璃疊焊效果。

請參閱圖4，圖4是本發明第二實施例提供的皮秒雷射玻璃焊接方法的流程圖，包括以下步驟：

步驟S100：打開皮秒雷射器，所述皮秒雷射器發射的雷射束經過光學傳導系統入射至振鏡掃描系統。

優選地，在步驟S100前還包括清洗步驟S101，即通過脫脂棉和無水乙醇對待焊接玻璃式樣進行表面清洗，以使清潔後的表面經透光觀察無汙點且表面無劃痕。

優選地，在步驟S100前還包括固定步驟，即通過夾具對待焊接玻璃式樣進行水平固定，並且使兩個待焊接玻璃式樣的貼合足夠緊密。

可選地，皮秒雷射器為皮秒紅外雷射器，功率為50W，雷射束的波長為1064nm，脈寬為30ps，重複頻率的變化範圍為10kHz—10000kHz。

步驟S200：所述振鏡掃描系統對所述雷射束進行聚焦處理，使所述雷射束在由夾具水平固定的待焊接玻璃式樣中的交界面處聚焦形成聚焦光斑。

步驟S300：通過所述聚焦光斑對所述待焊接玻璃式樣進行非接觸式焊接。

由於皮秒雷射器的重複頻率很大，若是採用振鏡走線陣的加工方式，則待焊接玻璃式樣60上的焊接作用點間距過於緊密，會導致前一個雷射作用點的焊接效果遭到上一個雷射作用點的破壞，無法達到預期的焊接效果，因此，優選地，本實施例通過振鏡掃描系統採取振鏡走點陣的加工工藝方式進行焊接，即二維點陣組合在一起，以增大雷射作用點間距，可實現對不同厚度的待焊接玻璃式樣進行焊接加工，提高焊接效率。參數可以參考：開關光延遲為300us—1000us，點陣間距為0.1—0.8mm。

上壓板53和下壓板54的中間鏤空，使得雷射所及之處，即雷射的工作範圍內是鏤空的，這樣待焊接式樣60懸空，待焊接玻璃式樣不會受到工作檯40反射的雷射的影響。

本發明第二實施例提供的皮秒雷射玻璃焊接方法通過選用皮秒量級的超短脈衝雷射可以實現無焊料添加的玻璃焊接效果，避免因添加塗層和焊料而導致玻璃性能改變，避免了焊接玻璃在使用過程中易老化和被腐蝕等缺點。採用振鏡走點陣的加工方式，避免了線加工方式中，因為雷射作用點間距過於緊密而導致的上一個作用點的焊接效果被下一個作用點破壞掉，從而能夠實現無焊料的玻璃疊焊效果。夾具採用鏤空的方式，使得雷射束透過待焊接玻璃式樣，並且待焊接玻璃式樣到工作檯的距離高於10cm，待焊接玻璃式樣不會受到工作檯反射的雷射的影響。

以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對本發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。