超快激光微焊接脆性材料工艺及机理研究

发布时间：2020-04-08 02:37

【摘要】：在光电子、航空航天等高新技术领域,脆性材料如玻璃、硅、蓝宝石等因独特而优良的光、电、声、热、化学性质得到广泛应用,常作为封装材料与同性或异性材料连接,提供可靠的密封性的同时不影响器件功能。现有的脆性材料连接方法普遍存在稳定性不好、需额外添加材料或对待焊接材料表面质量要求苛刻、膨胀系数必须接近等不足,亟需新的高效精密连接加工手段。基于此本文对超快激光微焊接的机理以及技术进行了研究。在机理上,总结了透明脆性材料对超快激光非线性吸收、光能转化为材料热能的整个过程,表明在微焊接领域皮秒激光与飞秒等脉宽更短的激光相比存在非线性吸收率以及热作用上的优势。叙述了超快激光对透明脆性材料微焊接机理,指出需通过可逆膨胀与不可逆膨胀填充材料间隙,同时避免热应力在焊缝横向及纵向上造成缺陷。在技术上,提出了一种透明脆性材料的皮秒激光振镜扫描微焊接方法。特点在于使用扫描振镜多次扫描高速焊接,提升了加工效率;同时由于所使用的平场扫描聚焦镜聚焦光束瑞利长度大,放宽了焦点定位精度与材料表面粗糙度要求,扩展可焊接材料间隙至3μm使这一技术易于实用。对本方法与现有超快激光焊接方法相比所特有的干涉、多次加工机理作出解释。对物理性质差异较大的石英玻璃和钠钙玻璃实验分析脉冲重复频率、脉冲能量、离焦量、加工次数以及搭接率对焊缝剪切强度的影响,正交实验得到较好的焊接参数,分析各因素对焊缝剪切强度影响显著性;做加工速度、脉冲能量完全实验检测焊缝密封性,得到密封性良好的能量-速度范围。为进一步改善现有皮秒激光焊接方式,在现有皮秒加工系统基础上加入了连续激光系统。在验证了双光束20μm大间距焊接的可行性后,对复合光束加工机理作出初步分析并测定复合光束焊接焊缝剪切强度及密封性,发现一定程度上优于皮秒激光焊接效果,可使焊缝剪切强度达到20MPa以上的同时保持优异的密封性。
【图文】：

条纹,间隙宽度,焦点位置,超快激光

图 1-1 不同焦点位置与间隙宽度下焊接效果图[14]这些研究，可以看到经过十数年的研究在实验室条件下已能做料的焊缝。然而，现阶段超快激光脆性材料微焊接技术仍表现了这一技术的实际工程化广泛应用。虽然超快激光由于其焦点处高峰值功率密度能完成瞬时焊接，值孔径显微物镜聚焦，焦点空间范围小，对焦点位置精度要求固定光束位置，，由精密二维工作台带着待焊接材料移动进行焊速度较慢，从硬件层面限制了加工速度。超快激光焊接通常要求待焊接表面达到光学接触，即间距小于0nm）、肉眼观察无干涉条纹存在。由于熔化材料量少，间隙过出造成表面烧蚀或破裂，目前国外专门对此的实验研究也要求之内才能有效焊接；且焊接的材料限定于本身强度高、导热率

皮秒激光,玻璃,横截面,光致电离

中科技大学硕士学位论滴状结构底部端点与激光焦点重合，外部结构在能成水滴状焊缝形貌结构的原因是由于玻璃材料非线成的等离子体所导致纵向能量的不均匀吸收而造成率密度光场作用引发光致电离，产生的等离子体达与反射打破了激光的纵向对称性，使得光强沿入射材料光致电离形成等离子体，造成入射激光能量分焦量过大，光斑扩散导致光功率密度无法支持等离子扩散纵向不均匀的等离子体吸收光能并烧蚀周围材结构。此外，光束的聚焦到介质时球差引起光束纵也被证明影响了水滴状结构的产生[29]。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG456.7

【参考文献】