CN116890169A - 一种基于变脉宽双脉冲的激光焊接方法及多尺度观测*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于变脉宽双脉冲的激光焊接方法及多尺度观测***，属于飞秒激光焊接应用技术领域。本发明通过将一束飞秒脉冲激光分束成两束飞秒脉冲激光，将其中一束飞秒脉冲激光通过脉冲展宽器展成皮秒‑纳秒的脉宽可调脉冲，通过延时平移台可以调控两束脉冲之间的延时，使被焊接界面先被皮秒‑纳秒脉冲激光辐照产生适量的热效应，再由飞秒脉冲激光辐照形成“冷焊接”，通过调控冷热相变过程提高焊接效率和焊接性能，结合多尺度观测***对焊接过程从飞秒量级到秒量级进行实时观测，本发明具有高效、简单的优点，能够实现对难加工异质材料之间的高质量、高强度、高效率的焊接。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于变脉宽双脉冲的激光焊接方法及多尺度观测***，属于飞秒激光焊接应用技术领域。
背景技术
激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法，是激光材料加工技术应用的重要方面之一；相较于其他的连接手段，比如胶粘、固相键合、阳极键合等，激光焊接具有精度高、热影响区金相变化范围小、可焊材质种类范围大、无需真空环境等优势。飞秒激光是一种脉冲宽度为飞秒量级的脉冲激光，由于其超快、超强的特性，飞秒激光在加工透明样品材料方面具备不可替代的优势，因此可以通过瞬时高温高压连接异质硬脆材料，且焊接质量高、焊接界面热影响区小。
然而在实际的飞秒激光焊接应用中，飞秒激光是透过上层透明样品聚焦于两层样品界面，由于光学克尔效应与和多光子电离之间的竞争，容易导致激光在材料内部呈丝状传播，使得两层样品界面辐照的激光能量衰减，这不利于焊缝的形成且对上层材料内部造成丝状损伤；除此之外，在焊接过程中还需要夹具来夹持两层样品，以保证两层样品之间的间隙小于样品熔化形成的熔池尺寸，最终形成让两层样品连接在一起的焊缝；这就对实现难加工异质材料之间的焊接和对两层样品界面处激光与材料的作用过程的观测提出了严峻的挑战。
因此，发明一种基于可展宽飞秒激光双脉冲激光焊接方法及焊接过程的多尺度观测***，从而对激光焊接难加工异质材料过程中界面处的机理变化有进一步的了解，为激光焊接技术的扩展和实用化发展做下铺垫。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种基于变脉宽双脉冲的激光焊接方法及多尺度观测***，通过将一束飞秒脉冲激光分束成两束飞秒脉冲激光，将其中一束飞秒脉冲激光通过脉冲展宽器展成皮秒-纳秒的脉宽可调脉冲，通过延时平移台可以调控两束脉冲之间的延时，使被焊接界面先被皮秒-纳秒脉冲激光辐照产生适量的热效应，再由飞秒脉冲激光辐照形成“冷焊接”，通过调控冷热相变过程提高焊接效率和焊接性能。结合多尺度观测***对焊接过程从飞秒量级到秒量级进行实时观测，了解激光在两层样品界面与材料的作用机理，避免光学克尔效应与和多光子电离之间的竞争影响样品的焊接强度、损伤透明硬脆材料内部。本发明具有高效、简单的优点，能够实现对难加工异质材料之间的高质量、高强度、高效率的焊接，且通过观测***对整个焊接过程有一个跨多个时间尺度的监测，为揭示材料与皮秒-纳秒脉冲激光之间的“热加工”及与飞秒脉冲激光之间的“冷加工”变换过程提供证据，为飞秒激光焊接技术应用于其他异质材料奠定基础，在微纳加工和航空航天等领域具有重要的应用价值。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的。
本发明公开的基于变脉宽双脉冲的激光焊接方法，是由飞秒激光通过搭建的激光加工光路，经迈克尔逊干涉仪分束产生两束飞秒脉冲激光，其中一束通过脉冲展宽器产生皮秒-纳秒脉宽可调的脉冲激光，另一束飞秒脉冲激光通过延时平移台上的反射镜，两束脉冲激光再经迈克尔逊干涉仪进行合束，最后经物镜聚焦后辐照于样品界面，通过调节两束激光的时间间隔，将热效应与“冷焊接”结合起来，实现对难加工异质材料之间的焊接。
本发明公开的一种基于变脉宽双脉冲的激光焊接***及焊接过程的多尺度观测***，用于实现所述变脉宽双脉冲的激光焊接方法及其过程的多尺度观测方法。所述***包括变脉宽双脉冲激光焊接***，泵浦-探测光延时生成***、等离子体羽辉ICCD收集***及顶端成像CCD收集***三个观测子***。通过泵浦-探测技术、侧面等离子体信号观测技术及计算机控制相机实时监控，对焊接过程进行多尺度观测，避免光学克尔效应与和多光子电离之间的竞争造成的自聚焦效应使焦点***，从而降低焊缝强度；同时实时观察由于样品间隙造成的焊缝周围纳米微细颗粒喷溅，避免焊接失效。通过飞秒激光焊接和多尺度观测的结合，使得焊接结果可靠、重复性高、热影响区小，符合微纳精密电子器件的封装要求。
所述基于变脉宽双脉冲激光焊接***，主要由激光器(及放大级)、反射镜、迈克尔逊干涉仪、脉冲展宽器、延时平移台、二向色镜、物镜和放置样品的三维平移台组成，通过迈克尔逊干涉仪和脉冲展宽器，产生皮秒-纳秒脉宽可调脉冲和飞秒脉冲两束激光，经物镜聚焦于两层样品界面处，实现双脉冲激光焊接。
所述泵浦-探测光延时生成子***主要由激光器(及放大级)、反射镜、BBO晶体、延时平移台、滤色片、CCD相机、20X物镜和放置样品的三维平移台组成。通过所述元器件能够使一束飞秒激光通过分束镜分成两束激光，这两束脉冲激光之间的延时经过设计，第一束激光作为泵浦光用于激发/烧蚀材料，第二束激光经过延时平移台的一定延时到达第一束激光辐照区域进行观测，收集在飞秒激光辐照后不同延时下的探测光信号，研究整个焊接过程中完整的动力学瞬态演化。
所述等离子体羽辉ICCD收集子***主要由高速摄像机、镜筒和计算机控制单元构成。在信号收集之前，需要调节高速摄像机位置和镜筒放大倍数，使焦点在成像平面中心偏下的位置，然后在焊接过程中实时采集焊缝处的等离子体信号，便于及时调整焦点和样品接触界面的相对位置。
所述顶端成像CCD收集子***主要有CCD相机、滤色片、二向色镜、计算机控制单元，通过计算机连接CCD相机，可以对焊接过程进行实时输出CCD采集到的成像信号。
本发明公开的基于变脉宽双脉冲的激光焊接方法，通过不同脉冲激光结合的方式实现难加工异质材料之间的直接焊接，再结合多尺度观测***，对焊接过程进行监测及焊缝处多尺度的实时信号收集；所述基于变脉宽双脉冲激光焊接难加工异质材料及多尺度观测方法包括如下步骤：
步骤一，对需要焊接的材料进行镜面抛光处理，其中上层的硬脆透明样品(玻璃、蓝宝石、陶瓷等等)需要上表面、下表面、侧面三面抛光，下层的样品(金属、陶瓷、半导体等等)需要焊接面单面抛光，将下层样品材料放置在焊接专用夹具凹槽内固定位置，放上硬脆透明样品，紧固夹具使双层样品达到光学接触；
步骤二，准直激光加工光路，将脉冲展宽器加入其中一束激光路径中，调节两束脉冲激光的时间间隔，调整合束激光焦点绝对位置，使激光透过上层样品聚焦于两层样品界面；
步骤三，调整顶端CCD相机，使其能将两层样品间图像清晰成像；
步骤四，调整泵浦-探测光延时生成子***中的延时平台，使探测光脉冲经延时平台的延迟后，照射到样品上经分束镜反射进CCD相机；
步骤五，调整高速摄像机和样品相对位置，令样品的侧抛面对准高速摄像机镜筒，且高速摄像机成像于焦点所在竖直平面；
步骤六，确定焊接加工中的加工路径与加工速度；
步骤七，开始激光焊接异质材料并通过多尺度观测***进行监测，首先通过泵浦-探测技术，对飞秒-皮秒-纳秒时间尺度内对飞秒激光辐照材料表面光子-电子相互作用、电子-声子耦合以及相变等过程中瞬态光学性质演化进行观测，然后打开电控快门对样品进行路径激光焊接，经侧面高速摄像机收集的信息及时调整焦点和两层样品界面的相对位置关系，实时多角度监控纳秒-微秒-毫秒时间尺度内的焊接过程，避免自聚焦效应造成的焦移现象使焊接界面辐照能量降低，焊接强度低；最后通过顶端CCD成像观察毫秒-秒时间尺度的焊接过程，观察不同样品间隙下焊缝处有无微细颗粒喷出，避免因样品间隙过大而导致焊接失效。通过多尺度观测方法和飞秒激光焊接的结合，使得焊接结果可靠、焊接过程清晰、焊接机理明了，符合精密微电子器件的封装要求。
有益效果：
1、本发明公开的基于变脉宽双脉冲的激光焊接方法，充分利用的皮秒-纳秒脉冲激光加工的热效应，并结合飞秒脉冲激光的“非热”效应，在保证焊接效率的同时，又能提高激光加工的性能，通过调控冷热相变过程提高焊接质量和焊接强度。
2、本发明公开的变脉宽双脉冲激光焊接过程的多尺度观测***，从飞秒-秒跨13个时间尺度经三个子***对焊接过程进行观测，从顶端CCD相机观测瞬态反射率演化图像，从侧面高速摄像机观测焊缝处等离子体形貌，从顶端CCD相机实时观测焊缝形成及周围材料颗粒溅射，对焊接中激光与材料的作用全过程了然，揭示了飞秒激光焊接异质材料样品界面焊缝的形成机理；通过三个子***对焊接过程的观测，能有效避免激光在硬脆材料中的非线性吸收和激光自聚焦现象，从而及时调整激光焦点和样品界面的相对位置关系，减少激光能量的损失和焦点***对上层硬脆材料造成的损伤，即通过多尺度、多角度观测和飞秒激光焊接的结合，提高飞秒激光焊接的可控性。本发明适用于几乎所有的硬脆材料和非硬脆/硬脆材料(陶瓷和合金、陶瓷和蓝宝石等)之间的焊接，焊接结果稳定可靠、可重复性好，实验操作效率高。
附图说明
图1为基于变脉宽双脉冲的激光焊接方法及焊接过程的多尺度观测方法流程图。
图2为变脉宽双脉冲激光焊接光路及多尺度观测***的组成结构图。
图3为利用泵浦探测技术对合金表面拍摄了瞬态反射率图像，揭示了飞秒-纳秒时间尺度内激光与合金的作用过程，跨时间尺度的进行了飞秒激光烧蚀动力学过程的研究。
图4为焊接过程中焊缝处的等离子体发光形貌。图中展示了界面处随激光参数变化下的等离子体，不同脉冲个数和不同激光能量下，激光的自聚焦效应强，导致焦点***，焊接强度低；所以要调整激光焦点位置，避免焦点***，保证焊接强度。
图5为顶端CCD相机观测到的焊接过程中焊缝的形成，而在焊缝的周围存在样品溅射的纳米碎屑。
其中，1—分束镜，2—第一反射镜，3—迈克尔逊干涉仪，4为—脉冲展宽器，5—第二反射镜，6—第三反射镜，7—第一延时平移台，8—第四反射镜，9—第五反射镜，10—第一二向色镜，11—滤色片，12—CCD相机，13—BBO晶体，14—第六反射镜，15—第七反射镜，16—第二延时平移台，17—第八反射镜，18—第二二向色镜，19—聚焦物镜，20为加工样品，21—三维精密平移台，22—镜筒，23—高速摄像机ICCD，24—计算机控制单元，25—飞秒激光器。
具体实施方式
为了更好的理解本发明方法，以下结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细介绍。
如图1所示，本实施例公开的一种基于变脉宽双脉冲的激光焊接方法及焊接过程的多尺度观测***，将皮秒-纳秒脉冲激光加工优势和飞秒激光的加工优势结合起来，两束激光脉冲经若干反射镜反射，通过物镜聚焦于样品界面，既保证了激光焊接的加工效率，又提高了激光焊接的加工性能，通过调控冷热相变过程提高焊接质量和焊接强度，也降低了由飞秒激光穿过透明样品时所造成的丝状损伤，使焊缝处的焦点长度减小、光强增加，保证了更好的焊接结果，并结合多尺度观测***，通过观测结果指导实现难加工异质材料的高质量焊接。
如图2所示，所述变脉宽双脉冲激光焊接***及多尺度观测***，包括基于变脉宽双脉冲激光焊接***，泵浦-探测光延时生成***、等离子体羽辉ICCD收集***及顶端成像CCD收集***三个观测子***。
所述基于变脉宽双脉冲激光焊接***，主要由飞秒激光器25(及放大级)发射激光，经第一反射镜2反射，通过迈克尔逊干涉仪3分束为两束脉冲激光，其中一束经过脉冲展宽器4展成皮秒-纳秒脉冲激光，经第二反射镜5反射，另一束飞秒脉冲激光经第一延时平移台7上的第三反射镜6反射，两束脉冲激光重新经迈克尔逊干涉仪3进行合束，调节延时平移台7可以调控两束脉冲激光之间的时间间隔，合束的脉冲激光经第四反射镜8反射，经第五反射镜9反射，通过第一二向色镜10反射，经聚焦物镜19聚焦于三维精密平移台21上的加工样品20，实现皮秒-纳秒脉冲激光和飞秒脉冲激光双脉冲激光焊接。
所述泵浦-探测光延时生成子***，主要由飞秒激光器25(及放大级)发射激光，经分束镜1分为泵浦光和探测光，其中泵浦光为激发光源，经第一反射镜2反射，穿过迈克尔逊干涉仪3，经第三反射镜6反射，经迈克尔逊干涉仪3反射，经第四反射镜8反射，经第五反射镜9反射，通过第一二向色镜10反射，穿过第二二向色镜18，经聚焦物镜19辐照于三维精密平移台21上的加工样品20；探测光经BBO晶体13二倍频为其他波长的激光，经第六反射镜14反射，经第七反射镜15反射，第六反射镜14与第七反射镜15位于第二可调延时平移台16上，调节延时平移台可以改变探测光与泵浦光之间的时间间隔，从而观测不同延时下的样品表面瞬态反射率图像，探测光继续经第八反射镜17反射，通过第二二向色镜18反射，经聚焦物镜19辐照于三维精密平移台21上的加工样品20，样品表面反射的光穿过第二二向色镜18和二第一向色镜10，经滤色片11，携带不同延时下的探测信息照射进入CCD相机12，CCD相机通过有线连接至电脑控制单元24，将观测到的信息显示出来；正如图3所示，样品由泵浦光进行激发，探测光经第二延时平移台与泵浦光产生时差，经CCD相机收集了0-1000ps延时的表面瞬态反射率图像，从而指导焊接过程的高质量加工。
所述等离子体羽辉ICCD收集子***，主要由高速摄像机ICCD 23、镜筒22和计算机控制单元24构成。在加工过程中，计算机控制单元24通过有线连接高速摄像机ICCD，将焊接过程收集的等离子体信号传输过来，在信号收集之前，需要调节高速摄像机位置和镜筒放大倍数，使焦点在成像平面中心偏下的位置，保证焊接过程中实时采集焊缝处的等离子体信息的完整性；正如图4所示，在不同的参数下，等离子体的形貌会发生改变，尤其是激光在经透明样品焊接时所发生的非线性焦移现象会导致焊接强度降低，所以分析收集信息并及时调整焦点和样品接触界面的相对位置，以此来保证焊接强度。
所述顶端成像CCD收集子***，主要有CCD相机22反馈至计算机27显示焊接图像，激光物镜23聚焦在焊接界面，反射光经二向色镜19，通过套筒透镜20和滤色片21，最后进入CCD相机22中进行成像；正如图5所示，在光学接触条件下进行的焊接过程，可以清晰的观察到焊接形状及焊缝周围存在的碎屑。
本实例公开的基于变脉宽双脉冲的激光焊接方法及焊接过程的多尺度观测***操作、微调方法如下：
步骤1：对需要焊接的材料进行抛光处理，其中上层的硬脆透明样品三面(上、下表面和侧面)抛光，下层的样品(金属、陶瓷、半导体等)焊接面单面抛光，将下层材料放置在三维平移台上，放上硬脆透明样品，并经专用夹具夹持双层样品使达到光学接触(判断方法：接触面产生肉眼可见的牛顿环)。
步骤2：准直激光加工光路，将脉冲展宽器4加入其中迈克尔逊干涉仪3分束产生的其中一束激光路径中，调节第一延时平移台7可以调控两束脉冲激光的时间间隔，经聚焦物镜19聚焦后调整激光焦点绝对位置，使激光透过上层样品聚焦于两层样品界面；
步骤3，调整顶端CCD相机12，使其能将两层样品20之间的图像清晰成像；
步骤4，调整探测光延时生成子***中的第二延时平移台16，其中泵浦光经过若干反射镜传播之后，并聚焦物镜19聚焦到样品表面用于激发样品；探测光经过BBO晶体13、第二延时平移台上的第六反射镜14和第七反射镜15，最后经聚焦物镜19聚焦到样品表面用于探测不同延时下的样品表面瞬态反射率图像；
步骤5，调整高速摄像机ICCD 23、镜筒22和样品20之间相对位置，令样品的侧抛面对准高速摄像机镜筒22，且高速摄像机ICCD 23成像于焦点所在竖直平面；
步骤6，经计算机控制单元24控制三维精密平移台21，确定焊接加工中的加工路径与加工速度；
步骤7，开始激光焊接异质材料，并通过改变两束脉冲之间的时间间隔，使焊接结果达到一个最优解；并结合多尺度观测***进行监测，首先通过泵浦探测技术，对飞秒-皮秒-纳秒时间尺度内对飞秒激光辐照材料表面光子-电子相互作用、电子-声子耦合以及相变等过程中瞬态光学性质演化进行观测，然后打开电控快门对样品进行路径激光焊接，经侧面高速摄像机收集的信息及时调整焦点和两层样品界面的相对位置关系，实时多角度监控纳秒-微秒-毫秒时间尺度内的焊接过程，避免自聚焦效应造成的焦移现象使焊接界面辐照能量降低，焊接强度低；最后通过顶端CCD成像观察毫秒-秒时间尺度的焊接过程，观察不同样品间隙下焊缝处有无微细颗粒喷出，避免因样品间隙过大而导致焊接失效。通过多尺度观测方法和飞秒激光焊接的结合，使得焊接结果可靠、焊接过程清晰、焊接机理明了，符合精密微电子器件的封装要求。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于变脉宽双脉冲的激光焊接方法，其特征在于：通过将一束飞秒脉冲激光分束成两束飞秒脉冲激光，其中一束飞秒脉冲激光通过脉冲展宽器展成皮秒-纳秒的脉宽可调脉冲，通过延时平移台调控两束脉冲之间的延时，使被焊接界面先被皮秒-纳秒脉冲激光辐照产生适量的热效应，再由飞秒脉冲激光辐照形成“冷焊接”；将热效应与“冷焊接”结合起来，实现对难加工异质材料之间的焊接；并通过调控冷热相变过程提高焊接效率和焊接性能。
2.实现权利要求1所述方法的装置，其特征在于：该装置称为多尺度观测***；该***包括变脉宽双脉冲激光焊接***、泵浦-探测光延时生成子***、等离子体羽辉ICCD收集子***及顶端成像CCD收集子***；
所述基于变脉宽双脉冲激光焊接***，是通过迈克尔逊干涉仪和脉冲展宽器，产生皮秒-纳秒脉宽可调脉冲和飞秒脉冲两束激光，经物镜聚焦于两层样品界面处，实现双脉冲激光焊接；
所述泵浦-探测光延时生成子***，通过元器件使一束飞秒激光通过分束镜分成两束激光，这两束脉冲激光之间的延时可调，第一束激光作为泵浦光用于激发/烧蚀材料，第二束激光经过延时平移台的一定延时到达第一束激光辐照区域进行观测，收集在飞秒激光辐照后不同延时下的探测光信号，研究整个焊接过程中完整的动力学瞬态演化；
所述等离子体羽辉ICCD收集子***，在信号收集之前，需要调节高速摄像机位置和镜筒放大倍数，使焦点在成像平面中心偏下的位置，然后在焊接过程中实时采集焊缝处的等离子体信号，便于及时调整焦点和样品接触界面的相对位置；
所述顶端成像CCD收集子***，通过计算机连接CCD相机，对焊接过程进行实时输出CCD采集到的成像信号。
3.采用如权利要求2所述装置对异质材料进行焊接的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、对需要焊接的材料进行镜面抛光处理，上层的硬脆透明样品需要上表面、下表面、侧面三面抛光，下层的样品需要焊接面单面抛光，将下层样品材料放置在焊接专用夹具凹槽内固定位置，放上硬脆透明样品，紧固夹具使双层样品达到光学接触；
步骤二、准直激光加工光路，将脉冲展宽器加入其中一束激光路径中，调节两束脉冲激光的时间间隔，调整合束激光焦点绝对位置，使激光透过上层样品聚焦于两层样品界面；
步骤三、调整顶端CCD相机，使其能将两层样品间图像清晰成像；
步骤四、调整泵浦-探测光延时生成子***中的延时平台，使探测光脉冲经延时平台的延迟后，照射到样品上经分束镜反射进CCD相机；
步骤五、调整高速摄像机和样品相对位置，令样品的侧抛面对准高速摄像机镜筒，且高速摄像机成像于焦点所在竖直平面；
步骤六、确定焊接加工中的加工路径与加工速度；
步骤七、开始激光焊接异质材料并通过多尺度观测***进行监测，首先通过泵浦-探测技术，对飞秒-皮秒-纳秒时间尺度内对飞秒激光辐照材料表面光子-电子相互作用、电子-声子耦合以及相变等过程中瞬态光学性质演化进行观测；然后打开电控快门对样品进行路径激光焊接，经侧面高速摄像机收集的信息及时调整焦点和两层样品界面的相对位置关系，实时多角度监控纳秒-微秒-毫秒时间尺度内的焊接过程，避免自聚焦效应造成的焦移现象使焊接界面辐照能量降低，焊接强度低；最后通过顶端CCD成像观察毫秒-秒时间尺度的焊接过程，观察不同样品间隙下焊缝处有无微细颗粒喷出，避免因样品间隙过大而导致焊接失效。
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