技術(shù)背景

伴隨激光技術(shù)的飛速發(fā)展，激光被廣泛應(yīng)用于焊接各種材料。玻璃作為一種透明易碎的脆性材料，傳統(tǒng)激光光源不能輕易被其所吸收，并且吸熱的玻璃由于熱膨脹系數(shù)較大，焊接時(shí)容易碎裂，故并不適合以傳統(tǒng)的激光焊接方式加工。

通常激光焊接玻璃、塑料等透明材料主要有兩種方法。一種是在焊接界面處涂覆不透明的顏料或者添加中間層辦法來(lái)增加激光吸收率，界面附近材料吸收激光溫度升高，后經(jīng)過(guò)材料融化后再凝固實(shí)現(xiàn)透明材料的連接。另一種方法是采用特種焊接光源進(jìn)行焊接，通過(guò)高功率密度激光使透明材料之間產(chǎn)生非線性吸收從而形成有效焊點(diǎn)，越來(lái)越多的科研工作者和工程師將目光轉(zhuǎn)向了特種光源的激光焊接加工應(yīng)用。

研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，利用特種光源相繼實(shí)現(xiàn)了多種玻璃、玻璃及單晶硅之間的焊接。美國(guó)PolaOnyx公司使用特種激光單線/多線掃描，實(shí)現(xiàn)了玻璃焊接及密封。Hélie等使用激光將100μm厚的玻璃端蓋微焊接到微結(jié)構(gòu)光纖上，成功為標(biāo)準(zhǔn)光纖和微結(jié)構(gòu)光纖焊接端蓋。Tamaki等在研究中使用波長(zhǎng)為1558nm的激光成功實(shí)現(xiàn)了異種玻璃之間、玻璃與硅片之間的焊接，分別獲得了9.87MPa和3.74MPa的焊接強(qiáng)度。

但多數(shù)學(xué)者研究激光焊接玻璃的結(jié)果，焊接融合區(qū)域均呈現(xiàn)水滴狀，其主要由3部分組成，分別為頂部的圓形空腔、中部的熔融區(qū)域和底部的微小空腔構(gòu)成的線形結(jié)構(gòu)。其中頂部和底部的空腔容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，參數(shù)控制不好，也易產(chǎn)生裂紋，另外由于其為水滴狀結(jié)構(gòu)，線間距控制不好可能會(huì)導(dǎo)致斷續(xù)未連接成型的焊縫。

圖1：激光焊接玻璃端面切片

試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)所用材料為光學(xué)玻璃，樣品尺寸為25×25×1mm，其進(jìn)行焊接試驗(yàn)步驟如下：

（a）玻璃表面清潔。采用酒精溶液浸泡玻璃片5~10min，然后使用蒸餾水沖洗玻璃表面3~5次，最后采用熱吹風(fēng)機(jī)吹干玻璃表面的水漬；

（b）壓合焊接玻璃片。將疊合玻璃片放置于夾具定位槽內(nèi)，調(diào)節(jié)焊接夾具機(jī)構(gòu)下壓玻璃片四周區(qū)域使玻璃片達(dá)到緊密貼合。前科研學(xué)者實(shí)驗(yàn)研究表明，對(duì)于玻璃焊接其玻璃貼合間隙要求小于100nm(也有觀點(diǎn)小于激光波長(zhǎng)的四分之一)。

（c）將焦點(diǎn)調(diào)節(jié)至兩片玻璃交界處。激光由空氣傳入玻璃中會(huì)發(fā)生折射作用，其焦點(diǎn)會(huì)發(fā)生偏移現(xiàn)象，故采用貼合玻璃片尋找焦點(diǎn)，等間距調(diào)整垂直玻璃面振鏡頭高度，分別采用相同能量方框掃描玻璃片，取下玻璃片觀察玻璃吸收激光界面位置，即為焦點(diǎn)位置。

（d）玻璃激光焊接。重復(fù)（b）和（c）步驟壓合焊接玻璃片并調(diào)節(jié)焦點(diǎn)至玻璃交界面處，調(diào)整合適的激光焊接工藝參數(shù)（功率、速度及掃描圖形等）對(duì)玻璃進(jìn)行焊接，在玻璃交界面處高能量的激光超過(guò)一定閥值后會(huì)誘發(fā)玻璃材料的多光子電離，電離的自由電子加速與其他原子碰撞引發(fā)雪崩電離，材料溫度升高，使得玻璃溫度達(dá)到熔點(diǎn)發(fā)生熔化，在經(jīng)歷停光時(shí)間的冷卻凝固實(shí)現(xiàn)焊接。

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特種激光玻璃焊接工藝

采用特種激光進(jìn)行玻璃焊接試驗(yàn)，整個(gè)焊接面區(qū)域內(nèi)（4×4mm）焊接成型均勻一致，焊后材料變形小，材料平面度未發(fā)生較大的改變，焊接融合區(qū)位于兩片材料交界面處厚度較小，融合區(qū)域兩側(cè)玻璃均觀察不出熱損傷現(xiàn)象。

圖2：焊接結(jié)合層形貌

焊后玻璃端面切片圖顯示，采用新型激光焊接工藝進(jìn)行焊接時(shí)，焊接融合區(qū)域并未呈現(xiàn)水滴狀，沒(méi)有出現(xiàn)頂部圓形空腔和底部線形結(jié)構(gòu)微小空腔等焊接裂紋源缺陷，其中部熔融區(qū)域也未出現(xiàn)斷續(xù)未焊接成型的線形裂紋缺陷。進(jìn)行焊接強(qiáng)度測(cè)試，材料在母材區(qū)域發(fā)生破裂，焊點(diǎn)未有脫落，焊縫具有較好的焊接強(qiáng)度。

總結(jié)和展望

采用特種激光光源，調(diào)節(jié)合適的焊接工藝參數(shù)，使玻璃材料非線性吸收激光，材料熔化后凝固，使兩塊透明玻璃在不添加焊料條件下形成牢固的焊接區(qū)，成功地實(shí)現(xiàn)了光學(xué)玻璃之間的直接焊接。光學(xué)玻璃焊接融合區(qū)域兩層材料融為一體，無(wú)明顯宏微觀裂紋，未呈現(xiàn)水滴狀，因此不存在頂部水滴狀圓形空腔及底部線形損傷區(qū)，交界面也未出現(xiàn)線形未融合，從而有效避免了裂紋源的產(chǎn)生，進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試后焊點(diǎn)殘留在試樣表面，具有較高的連接強(qiáng)度。

近年來(lái)隨著5G、無(wú)線充電、光通信和芯片技術(shù)的飛速發(fā)展，玻璃材料以其電磁信號(hào)屏蔽低、硬度高、質(zhì)量輕、成本低和適合大量化生產(chǎn)等突出優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為3C電子結(jié)構(gòu)件（如手機(jī)玻璃機(jī)殼）、半導(dǎo)體器件（晶元與面板）、光學(xué)元器件和攝像頭模組的主流材料，玻璃激光焊接加工將迎來(lái)廣闊的應(yīng)用前景。