CN111936433A - 用于激光焊接透明工件的方法和对应的激光加工机 - Google Patents

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Abstract

根据本发明，在一种用于借助脉冲式的激光射束(3)、尤其是UKP激光射束将相互重叠的两个工件(2a，2b)激光焊接的方法中，使所述激光射束穿过其中一个工件(2a)指向到另一工件(2b)上并且相对于两个工件(2a，2b)沿着进给方向(10)运动，以在相互贴靠的两个工件(2a，2b)之间产生焊缝(12)，给沿进给方向(10)运动的激光射束(3)叠加激光射束(3)的横向于或平行于进给方向(10)指向的来回偏转(11)。

Description

用于激光焊接透明工件的方法和对应的激光加工机
技术领域
本发明涉及一种用于借助脉冲激光射束、尤其是UKP激光射束激光焊接相互重叠的两个工件的方法，其中，使所述激光射束穿过其中一个工件指向到另一工件上并且相对于这两个工件沿进给方向运动，以便在贴靠在彼此上的这两个工件之间产生焊缝，本发明还涉及一种适用于执行这种激光焊接方法的激光加工机。
背景技术
脉冲时长小于500ps的超短脉冲激光辐射(UKP)越来越多地应用于材料加工。以UKP激光辐射进行的材料加工的特别之处在于激光辐射与工件的短的相互作用时间。由于这种相互作用时间，会在固体中产生极端的热动态不平衡，这会导致独特的去料或成形机理。例如能在最小的热输入的情况下高精度地对金属、半导体、电介质或复合材料进行去料或能激励微米结构或纳米结构的成形过程(例如Gottmann,J.，Hermans,M.，Ortmann,J.，“Digital Photonic Production of Micro Structures in Glass by In-VolumeSelective Laser-Induced Etching using a High Speed Micro Scanner”，PhysicsProcedia 39,2012,534-541)。
借助超短激光脉冲对激光可透的玻璃或对于激光射束可透的、半透的或散射的其他材料进行的激光焊接使得能没有附加的材料投入地稳定连接，但是会受由激光引起的瞬时的以及永久的应力的限制。因而为了提高附接横截面，大多将激光射束多次沿着接合配对件的接合线、即沿着焊缝经过。原则上，激光引起的应力也可借助合适的激光和/或过程参数降低，但由此会产生其他的缺点(缝隙可跨接性)。
背景是借助超短激光脉冲在当地熔化材料。如果将超短激光脉冲聚焦到玻璃、例如石英玻璃的体积中，则在焦点处存在的高的射束强度导致非线性的吸收过程，由此根据激光参数而定会引起不同的材料改性。当在时间上的脉冲间隔短于玻璃的典型的热扩散时间时，则在焦点区域处的温度随脉冲数(所谓的热积累)提高并且会导致在当地熔化。如果将改性定位在两个玻璃的边界面的区域，则冷却的熔化物生成两个玻璃的稳定的连接。基于在当地的接合过程，激光引起的应力通常是小的，由此也能将在热学上极其不同的玻璃结合。但应力影响强度并且限制激光结合的可行性。除了与诸如平均激光功率以及脉冲重叠的过程参数相关的改性参量之外，焊缝的几何形状也对激光引起的应力具有决定性的影响。线形的焊缝会预给定出偏好平面，裂纹会沿着该偏好平面传播，这对于强度是不利的并且会导致材料失效(断裂)。
发明内容
因而本发明的任务在于，在开头提到的类型的方法的情况下将要相互焊接的工件中由激光引起的应力减小并且尽可能以唯一一次驶过(指驶过焊缝)产生足够稳定的焊缝以及提供一种合适的激光加工机。
根据本发明，该任务以下述方式解决，给沿进给方向运动的激光射束叠加激光射束的来回偏转。激光辐射的来回偏转能横向于、尤其是垂直于进给方向进行或平行于进给方向进行。激光射束的横向于进给方向的来回偏转在此包括激光射束的不平行于进给方向的每个偏转。激光射束的垂直于进给方向的来回偏转尤其是也可沿射束传播方向进行。通过激光射束的横向于进给方向的来回偏转可产生之字形的或蜿蜒线形的焊缝。在此，激光焦点有利地并不处于接合面的高度，而是在下方工件的接合面下方在下方工件的体积中或在上方工件的接合面上方在上方工件的体积中。通过该方式可形成并不会将两个工件的接合面包围在其中的熔化体积。
根据本发明使得能实现在激光射束驶过期间激光射束的横向于或平行于进给方向的动态偏转，以将在焊接过程期间由激光引起的应力减小或者说再分配，使得与传统的焊接相比实现较高的强度。由于激光射束的横向于进给方向的动态偏转产生的之字形或蜿蜒线形的焊缝尤其是引起比在直线的焊缝的情况下在平均值上较小的应力或者说应力双折射，其中，应力最大值彼此分开独立地出现。基于工件材料的体积改变而产生的微小移动(应变)不会沿着偏好方向累积并从而不产生断裂线。尤其是在非直线的焊缝的情况下，能以唯一一次驶过产生焊接连接的需要的稳定性。
本发明使得能将激光结合的工件的强度提高，该提高与接合配对件事后是否为了进一步的品质改善而被处理无关。此外，可将熔化面的有效尺寸增大，这又能改善接合连接的稳定性。另外的优点在于能增大熔化体积并且同时将熔化体积的几何形状以比迄今更灵活的方式进行控制。在此，以唯一的驶过在体积和几何形状方面进行控制的熔化的优点既可在强度也可在生产率方面加以利用。
优选，至少所述一个工件(尤其是所述另一工件也是如此)由玻璃、尤其是石英玻璃、聚合物、玻璃陶瓷、晶体或其组合和/或不透明材料制成并且具有在激光波长的情况下至少90％的透射率。在此，该值涉及激光射束在未被处理的材料中的线性吸收过程。
原理上，激光射束沿进给方向和横向于或平行于进给方向的相对运动可单独通过工件的运动、单独通过激光射束的偏转实现或通过其组合来实现。在最后的情况中，优选，两个工件仅仅沿进给方向运动并且同时激光射束仅仅横向于或平行于相应的进给方向偏转。进给速度和偏转速度有利地这样选择，使得偏转速度在进给速度的0.01倍至100倍之间。在原则上，激光射束沿进给方向的相对运动能沿着任意每个轨迹曲线进行。
在一方法变型中，两个工件以恒定的进给速度沿进给方向运动并且激光射束以相同的幅值横向于或平行于进给方向来回偏转，以优先产生呈有规律的之字形线或正弦曲线形式的焊缝。
焊接过程在此尤其是基于通过非线性效应引起的对激光射束的吸收，其导致超过对应的材料的改性阈值，使得出现材料的永久改性。在此，所有的或一部分的激光脉冲的参数这样选择，使得出现非线性的吸收过程并且由此超过改性阈值。尤其是通过一个或多个脉冲启动焊接过程，所述一个或多个脉冲的参数这样选择，使得出现通过非线性的吸收引起并且导致永久材料改性的过程。
本发明在另一方面也涉及一种用于将相互重叠的两个工件激光焊接的激光加工机，在所述两个工件中，至少一个工件在激光波长的情况下具有至少90％的透射率，另一个工件尤其也是如此，所述激光加工机具有：激光器、尤其是UKP激光器用于产生尤其是呈UKP激光脉冲形式的脉冲激光射束；扫描器，用于将激光射束横向于或平行于进给方向偏转；和，机器控制器，其编程为将扫描器这样驱控，使得给激光射束的沿进给方向的运动叠加激光射束的横向于或平行于进给方向指向的来回偏转。
激光射束沿进给方向的运动可通过扫描器和/或用于使相互重叠的两个工件沿进给方向运动的运动单元来实现。
优选，扫描器由至少一个电光的、声光的、能压电调节的或基于微机电***技术的偏转器(扫描镜)构成。
附图说明
本发明的主题的另外的优点和有利的构型由说明书、权利要求书和附图得到。前面提到的和后面还会举出的特征同样可自身单独使用或在多个特征的情况下以任意组合使用。所示的和所述的实施方式不应理解为穷举，而是具有用于解释本发明的示例性特征。
附图示出：
图1示意性示出用于借助激光射束激光焊接两个激光可透的工件的激光加工机，其中，上面的工件以部分破开的方式示出；
图2a，2b在激光焊接后的两个工件上的两个不同的根据本发明的焊缝，其中，上面的工件以部分破开的方式示出；和
图3分别以对激光焊接后的两个工件的搭接接头的俯视图示出在激光焊接后的两个工件上的笔直的和之字形的焊缝的偏振衬度强度。
具体实施方式
图1所示的激光加工机1用于借助激光射束3将相互重叠的两个工件2a，2b激光焊接，其中，至少在图1中在上方的工件2a具有在激光波长情况下至少90％的透射率并且例如由玻璃、尤其是石英玻璃、聚合物、玻璃陶瓷、晶体或它们的组合和/或不透明材料构成，尤其是在下方的另一工件2b也是如此。
激光加工机1包括：UKP激光器4用于产生激光射束3，激光射束3呈脉冲时长小于500ps、尤其是小于10ps的UKP激光脉冲5的形式；能沿XY方向运动的运动单元(例如工件台)6，用于使要焊接的两个工件2a，2b一起运动；以及，扫描器7，用于使激光射束3在要焊接的两个工件2a，2b上二维偏转。
扫描器7例如涉及具有高NA显微物镜的微扫描器。在此，从UKP激光器4发出的UKP激光脉冲5通过电流计扫描器7偏转，该电流计扫描器7的射束偏转通过望远镜在显微物镜的焦平面的区域中成像。激光射束3能由扫描器7在两个横向轴线上偏转，并且，偏转后的激光射束3借助未示出的望远镜在扫描器7的比要加工的工件位置稍前的显微物镜上成像。替代地，射束偏转也可借助电光、声光、能压电调节的或基于微机电***技术(MEMS)的偏转器进行。
在对两个工件2a，2b进行激光焊接时，使激光射束3穿过图1中在上方的工件2a指向到在下方的工件2b上并——通过运动单元6的运动——相对于两个工件2a，2b沿着在这里为直线的进给轨迹曲线8运动，以使两个工件2a，2b在其相互贴靠的接合面9a，9b上在当地熔化并从而相互连接。给沿着进给轨迹曲线8运动的激光射束3叠加激光射束3的横向于、在此垂直于对应的进给方向10指向的来回偏转(双向箭头11)，以由此在上侧面8上产生例如之字形或蜿蜒线形的焊缝12。聚焦的激光射束3的激光焦点在此有利地并不处于接合面上，而是在第二工件2b的体积中靠近第二工件的接合面9b。焊缝12可通过激光射束3的一式的进给运动和周期性的横向偏转构造为有规律的之字形线(图2a)或正弦曲线(图2b)。
之字形或蜿蜒线形的焊缝12引起与直线的焊缝相比平均较小的应力，其中，应力最大值彼此分开独立地出现。基于工件材料的体积改变而产生的微小移动(应变)不会沿着偏好方向累积并从而不产生断裂线。在激光射束3驶过期间由激光引起的应力被减小或者说被再分配，使得与传统激光焊接相比达到更高的强度。
取代于横向，也可给沿着进给轨迹曲线8运动的激光射束3叠加激光射束3的平行于对应的进给方向10指向的来回偏转，以由此在上侧8上产生纵向焊缝(未示出)。
优选选择以下激光参数：
在200至5000nm之间的激光波长；
在1kHz至500GHz之间的激光脉冲重复率；
在10fs至500ps之间的激光脉冲时长；
聚焦和脉冲能量选择成，使得在焦点区的注量大于0.01J/cm2。
在脉冲时长为约1ps并且激光波长为约1μm的情况下的改性阈值在此例如在玻璃的情况下在体积中为约1至5J/cm2，在表面上为约0.1至0.5J/cm2。
激光引起的应力的一种尺度(应力双折射)是偏振衬度强度，其在图3中示例性地针对直线焊缝(曲线a)和根据本发明的之字形或蜿蜒线形焊缝(曲线b)示出。在直线焊缝(a)的情况下，引起的应力在整个改性区域中都类似地高并且表明统一的连贯的应力分布。之字形或蜿蜒线形的焊缝(b)示出在平均上较小的应力最大值，其具有相互分开地出现的强度峰值，由此提高了激光结合连接的强度。

Claims (10)

1.一种用于借助脉冲式的激光射束(3)、尤其是UKP激光射束将相互重叠的两个工件(2a，2b)激光焊接的方法，使所述激光射束穿过其中一个工件(2a)指向到另一工件(2b)上并且相对于两个工件(2a，2b)沿着进给方向(10)运动，以在相互贴靠的两个工件(2a，2b)之间产生焊缝(12)，
其特征在于，
给沿进给方向(10)运动的激光射束(3)叠加激光射束(3)的横向于或平行于进给方向(10)指向的来回偏转(11)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，至少所述一个工件(2a)由玻璃、聚合物、玻璃陶瓷、晶体或它们的组合和/或不透明材料构成，尤其是所述另一工件(2b)也是如此，所述玻璃尤其是石英玻璃。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述一个工件(2a)具有在激光波长的情况下至少90％的透射率，尤其是所述另一工件(2b)也是如此。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述两个工件(2a，2b)仅仅沿进给方向(10)运动并且同时激光射束(3)仅仅横向于或平行于进给方向(10)来回偏转。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述两个工件(2a，2b)沿进给方向(10)以恒定的进给速度(v)运动或加速运动。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，激光射束(3)周期性地以相同的幅值横向于进给方向(10)来回偏转，以产生焊缝(12)、尤其是呈有规律的之字形线或正弦曲线形式的焊缝。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，脉冲式的激光射束(3)的一个或多个脉冲具有的参数选择成，使得在焊接过程期间在一个或两个工件(2a，2b)中出现非线性的吸收过程。
8.一种用于将相互重叠的两个工件(2a，2b)激光焊接的激光加工机(1)，在所述两个工件中，至少一个工件具有在激光波长的情况下至少90％的透射率，尤其是另一工件也是如此，所述激光加工机具有：用于产生脉冲式的激光射束(3)、尤其是呈UKP激光脉冲(5)形式的激光射束的激光器(4)、尤其是UKP激光器；扫描器(7)，用于将激光射束(3)横向于或平行于进给方向(10)偏转；和，机器控制器(14)，其编程为驱控扫描器(7)，以使得给激光射束(3)的沿进给方向(10)的运动叠加激光射束(3)的横向于或平行于进给方向(10)指向的来回偏转(11)。
9.根据权利要求8所述的激光加工机，其特征在于，设有运动单元(6)，用于使相互重叠的两个工件(2a，2b)沿进给方向(10)运动，其中，机器控制器(14)编程为驱控运动单元(6)和扫描器(7)，以使激光射束(3)沿进给方向(10)运动并且给该运动叠加激光射束(3)的横向于或平行于进给方向(10)指向的来回偏转(11)。
10.根据权利要求8或9所述的激光加工机，其特征在于，扫描器(7)通过至少一个电光的、声光的、能压电调节的或基于微机电***技术的偏转器构成。
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