CN109702343B - 一种对玻璃的透明度可控的激光复合焊接装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体公开了一种对玻璃的透明度可控的激光复合焊接装置，包括：用于产生激光束的激光器、用于传导激光束的光学传导器、用于对激光束进行聚焦的振镜扫描器和用于固定重叠的玻璃焊接件的夹具；产生于激光器的激光束通过所述光学传导器和振镜扫描器到达固定于夹具的玻璃焊接件。本发明又公开了一种对玻璃的透明度可控的激光复合焊接方法，包括：S1，固定若干块重叠的玻璃焊接件；S2，调焦激光束经光学传导器传导至振镜扫描器；S3，进行聚焦，使调焦激光束聚焦于夹具的一块玻璃焊接件与另一块玻璃焊接件的交界面；S4，产生焊接激光束。本发明降低了生产成本及焊接难度，无需光学接触，能够获得透明度可控、损伤小的高质量焊接玻璃。

Description

一种对玻璃的透明度可控的激光复合焊接装置及方法

技术领域

本发明涉及玻璃焊接及激光技术领域，具体涉及一种对玻璃的透明度可控的激光复合焊接装置及方法。

背景技术

玻璃作为一种耐蚀性和光学特性优良的透明材料，广泛应用于微机电***、微流体、光学、生物医疗等行业。实际应用中通常需要两块或多块玻璃连接使用。

传统的连接方式如粘合胶粘剂，光学接触和热处理等。常常因为降解而导致粘合剂缺乏长期稳定性，并且在热处理的情况下形成热应力，使得这些方法不适合某些应用。而激光焊接加工精度高、加工过程灵活、焊接质量高，可以精确控制焊接区域，对玻璃力学性能的影响小，是玻璃焊接的重要方法和发展趋势。

现有的玻璃激光焊接方法主要是使用超短脉冲激光(如皮秒、飞秒激光器)，对玻璃进行无焊料焊接。这种方法使用的焊接设备价格昂贵，焊接时对玻璃表面质量和装配质量要求高(焊接时要求两块玻璃贴合达到光学接触，两块玻璃间距小于λ/4，λ为波长)，并容易对玻璃产生损坏，从而严重影响焊接效果。使用超短激光脉冲对玻璃进行焊接时，对玻璃焊接区域的透明度损伤极大，焊接区域透明度下降明显，甚至有可能得到完全不透明的焊接区域，严重影响了玻璃的光学特性。

发明内容

有鉴于此，有必要针对上述的问题，提出一种对玻璃的透明度可控的激光复合焊接装置及方法，以解决现有玻璃焊接技术的对装配要求高、焊接损伤大、焊接区域透明度不可控、成本高昂的技术问题。

为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：

一种对玻璃的透明度可控的激光复合焊接装置，应用于若干块玻璃焊接件，该激光复合焊接装置包括：用于产生激光束的激光器、用于传导激光束的光学传导器、用于对激光束进行聚焦的振镜扫描器和用于固定若干块重叠的玻璃焊接件的夹具；产生于激光器的激光束通过所述光学传导器和振镜扫描器到达固定于夹具的玻璃焊接件。

进一步地，所述夹具包括安装座和至少两个磁性块；所述安装座中部开设有凹陷区或镂空区；所述玻璃焊接件搭设于所述安装座上；所述玻璃焊接件的焊接区位于凹陷区或镂空区上方；各个磁性块设于所述玻璃焊接件顶面的边沿部上且位于安装座上方。

进一步地，所述激光器为连续激光器、毫秒激光器、微秒激光器或纳秒激光器。

一种对玻璃的透明度可控的激光复合焊接方法，应用于如上所述的对玻璃的透明度可控的激光复合焊接装置，该方法包括以下步骤：

S1，通过夹具对若干块重叠的玻璃焊接件进行固定；

S2，控制激光器产生调焦激光束，所述调焦激光束经光学传导器传导至振镜扫描器；

S3，通过振镜扫描器对所述调焦激光束进行聚焦，使所述调焦激光束聚焦于固定在夹具的一块玻璃焊接件与另一块玻璃焊接件的交界面；

S4，控制激光器产生焊接激光束。

进一步地，于S1之前还包括以下步骤：

S101，清洗待焊接的玻璃焊接件；

S102，烘干清洗后的玻璃焊接件；

S103，对烘干后的一块玻璃焊接件进行镀膜；

S104，将一块已镀膜的玻璃焊接件与另一块已清洗及烘干的未镀膜的玻璃焊接件进行贴合，并且已镀膜的玻璃焊接件的膜层位于两块玻璃焊接件之间。

进一步地，于S104中，已镀膜的玻璃焊接件位于另一块已清洗及烘干的未镀膜的玻璃焊的下方。

进一步地，于S1中，所述玻璃焊接件为铝硅钢化玻璃或钠钙硅酸盐玻璃或硼硅酸盐玻璃或掺杂玻璃。

进一步地，于S103中，所述玻璃焊接件的镀膜层为钛金属膜、镍金属膜、锌金属膜、铝金属膜、铜金属膜、氮化钛膜或氧化铝膜。

进一步地，于S103中，所用镀膜方法为物理气相沉积法、化学气相沉积法或溶胶凝胶法。

进一步地，于S103中，通过控制待焊接玻璃的镀膜层的种类和厚度，从而控制焊接完成后的玻璃透明度；

于S4中，通过控制所述激光器的激光焊接参数，从而控制焊接完成后的玻璃透明度。

本发明的有益效果为：

与现有技术相比，本发明极大地降低了对玻璃的损伤率，对玻璃贴合要求降低，不需达到光学接触；本发明所采用的激光器为连续激光器、毫秒激光器、微秒激光器或纳秒激光器，大大降低了生产成本；本发明可以控制玻璃焊接区域的透明度，对玻璃的光学特性影响小。

本发明降低了玻璃焊接的生产成本，与昂贵的皮秒、飞秒激光焊接设备相比，连续至纳秒激光器设备成本低廉；本发明降低了实现玻璃焊接的难度，在使用皮秒或飞秒激光设备焊接玻璃时，对两块玻璃贴合要求高需达到光学接触，而使用本发明所述方法焊接时只需贴合紧密即可，能够获得透明度可控、损伤小的高质量焊接玻璃。

附图说明

图1为本发明的一种对玻璃的透明度可控的激光复合焊接装置的一种结构示意图；

图2为本发明涉及的两块玻璃焊接件的安装及激光聚焦示意图；

图3为本发明涉及的玻璃焊接件与夹具的安装示意图；

图4为本发明涉及的安装座的结构示意图；

图5为本发明的一种对玻璃的透明度可控的激光复合焊接方法于实施例7中的工作流程图；

图6为本发明的一种对玻璃的透明度可控的激光复合焊接方法于实施例8中的工作流程图；

图7为本发明的一种对玻璃的透明度可控的激光复合焊接装置的另一种结构示意图；

附图标记说明：

激光器——1；光学传导器——2；振镜扫描器——3；夹具——4；工作台——5；安装座——41；磁性块——42；反射镜——21。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等术语仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

实施例1

如图1-4所示，一种对玻璃的透明度可控的激光复合焊接装置，应用于若干块玻璃焊接件，该激光复合焊接装置包括：用于产生激光束的激光器1、用于传导激光束的光学传导器2、用于对激光束进行聚焦的振镜扫描器3和用于固定若干块重叠的玻璃焊接件的夹具4；产生于激光器1的激光束通过所述光学传导器2和振镜扫描器3到达固定于夹具4的玻璃焊接件；

具体的工作工程为：激光器1产生波长为1064nm的激光束，激光束经所述光学传导器2传导后进入振镜扫描器3，振镜扫描器3对激光束聚焦然后在待焊的玻璃焊接件表面形成光斑，随后进行焊接，所述夹具4用于对玻璃焊接件进行固定，使其贴合紧密。

实施例2

实施例2为实施例1的进一步优化；

如图1-2所示，该激光复合焊接装置还包括工作台5；所述夹具4安装于工作台5上。

实施例3

实施例3为实施例1的进一步优化；

如图1-4所示，所述夹具4包括安装座41和至少两个磁性块42；所述安装座41中部开设有凹陷区或镂空区；所述玻璃焊接件搭设于所述安装座41上；所述玻璃焊接件的焊接区位于凹陷区或镂空区上方；各个磁性块42设于所述玻璃焊接件顶面的边沿部上且位于安装座41上方；具体地，所述安装座41为磁性金属支座、磁性块42为超强磁铁、所述玻璃焊接件为两块待焊接的玻璃试样，两块待焊所述玻璃焊接件两端位于所述安装座41和磁性块42中间，所述安装座41与磁性块42产生的磁力使待焊接的两块玻璃贴合紧密，达到固定玻璃及使其贴合紧密的作用，同时所述夹具4中间为镂空区域，使得激光束能够穿透待焊玻璃而使待焊玻璃不受工作台5反射激光的影响。

进一步地，如图4所示，夹具4顶面上围绕镂空区域设有至少两个沉台，用于放置重叠的若干块玻璃焊接件(如图2所示，优选两块玻璃焊接件重叠在一起)。

实施例4

实施例4为实施例1的进一步优化；

如图1、图7所示，所述光学传导器2包括至少一个反射镜21；所述反射镜用于对产生于激光器1的激光束进行反射至振镜扫描器3；所述反射镜21与激光束呈夹角安设。

实施例5

实施例5为实施例1的进一步优化；

如图1、图7所示，所述振镜扫描器3为会聚透镜。

实施例6

实施例6为实施例1的进一步优化；

如图1所示，所述激光器1为连续激光器、毫秒激光器、微秒激光器或纳秒激光器。

实施例7

如图1、图5所示，一种对玻璃的透明度可控的激光复合焊接方法，应用于如上所述的对玻璃的透明度可控的激光复合焊接装置，该方法包括以下步骤S1-4：

S1，通过夹具4对若干块重叠的玻璃焊接件进行固定；具体地，使用夹具4对两块待焊的玻璃焊接件进行固定、夹紧，使其贴合紧密并保持水平。

S2，控制激光器1产生调焦激光束，所述调焦激光束经光学传导器2传导至振镜扫描器3；具体地，通过激光器产生波长为1064nm的激光束，激光束经光学传导器2传导后射入振镜扫描器3；具体地，所述激光器功率为20W、波长为1064nm、脉宽200ns、重复频率20～80KHz可调、扫描方式为线扫描、线间距为20μm～80μm。

S3，通过振镜扫描器3对所述调焦激光束进行聚焦，使所述调焦激光束聚焦于固定在夹具4的一块玻璃焊接件与另一块玻璃焊接件的交界面；

具体地，振镜扫描器3对激光束进行聚焦，使激光束聚焦在已用夹具4固定的两块待焊的玻璃焊接件的表面交界处(具体地，使得焦点恰好位于镀层上)；

具体地，S3中所述的聚焦过程如下：

由于玻璃和空气的折射率不同，除了可以采用CCD图像传感设备直接对焦等直观方法外，还可以先在夹具上放一块和下层玻璃等厚的物体，将激光焦点聚焦于物体表面，再根据公式计算需要调整的焦距，可以采用如下公式计算：

公式(1)的z为需要向上调整的距离，d为上层玻璃的厚度，n₁为上层玻璃的折射率。

S4，控制激光器1产生焊接激光束；具体地，在控制激光器1的激光控制软件中设置好焊接参数，设置完成后实施焊接，从而控制焊接区域的透明度；具体地，激光器1的功率为4W、焊接速度为40mm/s、频率为40KHz、扫描方式为线扫描、线间距为0.04m，设置完成后实施焊接；所述焊接参数包括激光扫描速度、输出功率、重复频率、扫描方式和填充间距。

实施例8

实施例8为实施例7的进一步优化；

如图1、图6所示，于S1之前还包括以下步骤：

S101，清洗待焊接的玻璃焊接件；具体地，将待焊的玻璃焊接件置于装有无水乙醇或丙酮的容器中超声波清洗5-10分钟；

S102，烘干清洗后的玻璃焊接件；具体地，将清洗后的待焊的玻璃焊接件置于真空干燥箱中烘干；

S103，对烘干后的一块玻璃焊接件进行镀膜；具体地，所镀膜层为钛(Ti)膜、镍(Ni)膜、锌(Zn)膜、铝(A1)膜、铜(Cu)膜、氮化钛(TiN)膜、氧化铝(AlO₃)膜等金属及非金属薄膜，厚度为5～500nm；

作为优选的，所用镀膜方法可为物理气相沉积法、化学气相沉积法、溶胶凝胶法等；

作为优选的，所镀膜层为钛(Ti)金属薄膜，厚度为40nm；膜层太薄激光透过率太高，吸收能量太少，不能实现焊接；膜层太厚激光透过率太低，吸收能量太多，焊接质量太差；

作为优选的，利用镀膜设备(本实施例优选真空蒸发镀膜机)在烘干后的玻璃焊接件表面镀上一层5～500nm厚的钛金属薄膜；

S104，将一块已镀膜的玻璃焊接件与另一块已清洗及烘干的未镀膜的玻璃焊接件进行贴合，并且已镀膜的玻璃焊接件的膜层位于两块玻璃焊接件之间。

实施例9

实施例9为实施例8的进一步优化；

如图1、图6所示，于S104中，已镀膜的玻璃焊接件位于另一块已清洗及烘干的未镀膜的玻璃焊的下方。

实施例10

实施例10为实施例7的进一步优化；

如图1、图5所示，于S1中，所述玻璃焊接件为铝硅钢化玻璃或钠钙硅酸盐玻璃或硼硅酸盐玻璃或掺杂玻璃等。优选地，所述玻璃焊接件的厚度≤5mm。

实施例11

实施例11为实施例7的进一步优化；

如图1、图5所示，于S1中，所用夹具4通过金属支架与超强磁铁提供的磁力使两块待焊玻璃贴合紧密，并保持中间区域为镂空区，以防止夹具表面反射的激光对试样造成损伤；于步骤S1中，可以通过控制镀层厚度、镀层种类来控制焊接区域的透明度。

实施例12

实施例12为实施例7的进一步优化；

如图1、图5所示，于S1中，除了通过夹具4对若干块重叠的玻璃焊接件进行固定的手段外，还包括：通过其它热源(激光器、感应加热、电弧或放电等离子烧结等)对若干块重叠的玻璃焊接件进行耦合连接，以增加待焊玻璃的贴合程度。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种对玻璃的透明度可控的激光复合焊接方法，应用于对玻璃的透明度可控的激光复合焊接装置，所述对玻璃的透明度可控的激光复合焊接装置包括：用于产生激光束的激光器、用于传导激光束的光学传导器、用于对激光束进行聚焦的振镜扫描器和用于固定若干块重叠的玻璃焊接件的夹具；产生于激光器的激光束通过所述光学传导器和振镜扫描器到达固定于夹具的玻璃焊接件；

其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1，通过夹具对若干块重叠的玻璃焊接件进行固定；

S2，控制激光器产生调焦激光束，所述调焦激光束经光学传导器传导至振镜扫描器；

S3，通过振镜扫描器对所述调焦激光束进行聚焦，使所述调焦激光束聚焦于固定在夹具的一块玻璃焊接件与另一块玻璃焊接件的交界面；先在夹具上放一块和下层玻璃等厚的物体，将激光焦点聚焦于物体表面，再根据公式计算需要调整的焦距，采用如下公式计算：

公式(1)的z为需要向上调整的距离，d为上层玻璃的厚度，n₁为上层玻璃的折射率；

S4，控制激光器产生焊接激光束；

所述夹具包括安装座和至少两个磁性块；所述安装座为磁性金属支座，所述安装座中部开设有凹陷区或镂空区；所述玻璃焊接件搭设于所述安装座上；所述玻璃焊接件的焊接区位于凹陷区或镂空区上方；各个磁性块设于所述玻璃焊接件顶面的边沿部上且位于安装座上方，所述安装座与磁性块产生的磁力使待焊接的两块玻璃贴合紧密。

2.根据权利要求1所述的对玻璃的透明度可控的激光复合焊接方法，其特征在于，所述激光器为连续激光器、毫秒激光器、微秒激光器或纳秒激光器。

3.根据权利要求1所述的对玻璃的透明度可控的激光复合焊接方法，其特征在于，于S1之前还包括以下步骤：

S101，清洗待焊接的玻璃焊接件；

S102，烘干清洗后的玻璃焊接件；

S103，对烘干后的一块玻璃焊接件进行镀膜；

S104，将一块已镀膜的玻璃焊接件与另一块已清洗及烘干的未镀膜的玻璃焊接件进行贴合，并且已镀膜的玻璃焊接件的膜层位于两块玻璃焊接件之间。

4.根据权利要求3所述的对玻璃的透明度可控的激光复合焊接方法，其特征在于，于S104中，已镀膜的玻璃焊接件位于另一块已清洗及烘干的未镀膜的玻璃焊的下方。

5.根据权利要求1所述的对玻璃的透明度可控的激光复合焊接方法，其特征在于，于S1中，所述玻璃焊接件为铝硅钢化玻璃或钠钙硅酸盐玻璃或硼硅酸盐玻璃或掺杂玻璃。

6.根据权利要求3所述的对玻璃的透明度可控的激光复合焊接方法，其特征在于，于S103中，所述玻璃焊接件的镀膜层为钛金属膜、镍金属膜、锌金属膜、铝金属膜、铜金属膜、氮化钛膜或氧化铝膜。

7.根据权利要求3所述的对玻璃的透明度可控的激光复合焊接方法，其特征在于，于S103中，所用镀膜方法为物理气相沉积法、化学气相沉积法或溶胶凝胶法。

8.根据权利要求3所述的对玻璃的透明度可控的激光复合焊接方法，其特征在于，于S103中，通过控制待焊接玻璃的镀膜层的种类和厚度，从而控制焊接完成后的玻璃透明度；

于S4中，通过控制所述激光器的激光焊接参数，从而控制焊接完成后的玻璃透明度。