本發(fā)明涉及激光焊接加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種皮秒激光玻璃焊接系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

玻璃作為一種透明材料，具有一些特有的屬性，在電子行業(yè)、生物醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。激光焊接具有加工過程靈活、非接觸加工方式等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為焊接玻璃的重要方法。

在傳統(tǒng)的激光玻璃焊接工藝中，需要在焊接界面處加入中間層或者涂層，使得激光束聚焦在焊料上，經(jīng)過材料熔化再凝固的過程實(shí)現(xiàn)透明材料的焊接。這種焊接方法存在著很大的缺陷，比如焊接強(qiáng)度隨外界因素變化較大，焊料易腐蝕、老化，并且因?yàn)樘砑觿┑木壒?，?huì)改變玻璃原有的“中性”屬性，限制玻璃的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種皮秒激光焊接玻璃系統(tǒng)及方法，旨在解決現(xiàn)有的激光玻璃焊接方法使用涂層和焊料而導(dǎo)致的易腐蝕和老化的技術(shù)問題。

本發(fā)明的目的是采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。

一種皮秒激光玻璃焊接系統(tǒng)，包括皮秒激光器，用于發(fā)射激光束；光學(xué)傳導(dǎo)系統(tǒng)，所述光學(xué)傳導(dǎo)系統(tǒng)位于所述皮秒激光器的一側(cè)；振鏡掃描系統(tǒng)，所述振鏡掃描系統(tǒng)位于所述光學(xué)傳導(dǎo)系統(tǒng)的下方；以及工作臺(tái)和夾具，其中，所述夾具設(shè)于所述工作臺(tái)上并位于所述振鏡掃描系統(tǒng)的下方，所述夾具用于固定待焊接玻璃式樣；所述激光束經(jīng)過所述光學(xué)傳導(dǎo)系統(tǒng)后入射至所述振鏡掃描系統(tǒng)，所述振鏡掃描系統(tǒng)用于對(duì)所述激光束進(jìn)行聚焦處理，使所述激光束在所述待焊接玻璃式樣中的交界面形成光斑，并利用所述光斑對(duì)所述待焊接玻璃式樣進(jìn)行焊接。

在一種實(shí)施方式中，所述皮秒激光器為皮秒紅外激光器，功率為50W，所述激光束的波長(zhǎng)為1064nm，脈寬范圍為30ps，重復(fù)頻率的變化范圍為10kHz～10000kHz。

在一種實(shí)施方式中，所述待焊接玻璃式樣高于所述工作臺(tái)至少10cm。

在一種實(shí)施方式中，所述待焊接玻璃式樣的厚度范圍為1mm—4mm。

在一種實(shí)施方式中，所述待焊接玻璃式樣的材質(zhì)為：普通鈉鈣硅酸鹽玻璃、低堿硼硅酸鹽玻璃或者稀土摻雜硼硅酸鹽玻璃。

在一種實(shí)施方式中，所述夾具包括：一個(gè)固定定位塊和一個(gè)活動(dòng)定位塊，位于所述待焊接玻璃式樣的水平方向，用于將所述待焊接玻璃式樣夾在所述固定定位塊和所述活動(dòng)定位塊之間以保持所述待焊接玻璃式樣水平；以及一個(gè)上壓板和一個(gè)下壓板，所述上壓板和所述下壓板的中間鏤空以露出所述待焊接玻璃樣式，所述上、下壓板用于使所述待焊接玻璃式樣上下緊密貼合。

一種皮秒激光玻璃焊接方法，包括以下步驟：步驟S100：打開皮秒激光器，所述皮秒激光器發(fā)射的激光束經(jīng)過光學(xué)傳導(dǎo)系統(tǒng)入射至振鏡掃描系統(tǒng)；步驟S200：所述振鏡掃描系統(tǒng)對(duì)所述激光束進(jìn)行聚焦處理，使所述激光束在由夾具水平固定的待焊接玻璃式樣中的交界面處聚焦形成聚焦光斑；以及步驟S300：通過所述聚焦光斑對(duì)所述待焊接玻璃式樣進(jìn)行非接觸式焊接。

在一種實(shí)施方式中，在所述步驟S300中，通過所述振鏡掃描系統(tǒng)采取走點(diǎn)陣的方式、利用聚焦光斑對(duì)所述待焊接玻璃式樣進(jìn)行焊接，點(diǎn)陣的開關(guān)光延遲為300us—1000us，點(diǎn)陣間距為0.1mm—0.8mm。

在一種實(shí)施方式中，在步驟S200中，進(jìn)一步包括：利用夾具使所述待焊接玻璃式樣結(jié)合得足夠緊密，并使所述激光束恰好聚焦在所述待焊接玻璃式樣的交界面上，以及，使所述交界面懸空。

在一種實(shí)施方式中，在所述步驟S100前還包括：通過脫脂棉和無水乙醇對(duì)待焊接玻璃式樣進(jìn)行表面清洗，以使清潔后的表面經(jīng)透光觀察無污點(diǎn)且表面無劃痕。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的皮秒激光玻璃焊接系統(tǒng)及方法通過選用皮秒量級(jí)的超短脈沖激光可以實(shí)現(xiàn)無焊料添加的玻璃焊接效果，避免因添加涂層和焊料而導(dǎo)致玻璃性能改變，避免了焊接玻璃在使用過程中易老化和被腐蝕等缺點(diǎn)。夾具采用鏤空的方式，使得激光束透過待焊接玻璃式樣，并且加工臺(tái)的高度高于10cm，待焊接玻璃式樣不會(huì)受到工作臺(tái)反射的激光的影響。采用振鏡走點(diǎn)陣的加工方式，避免了線加工方式中，因?yàn)榧す庾饔命c(diǎn)間距過于緊密而導(dǎo)致的上一個(gè)作用點(diǎn)的焊接效果被下一個(gè)作用點(diǎn)破壞掉，從而能夠?qū)崿F(xiàn)無焊料的玻璃疊焊效果。

上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，而可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實(shí)施例，并配合附圖，詳細(xì)說明如下。

附圖說明

圖1為本發(fā)明第一實(shí)施例提供的皮秒激光玻璃焊接系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明第一實(shí)施例中夾具和工作臺(tái)的立體分解圖。

圖3是本發(fā)明第一實(shí)施例提供的夾具和工作臺(tái)的正面視圖。

圖4是本發(fā)明第二實(shí)施例提供的皮秒激光玻璃焊接方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關(guān)附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更全面的描述。附圖中給出了本發(fā)明的較佳實(shí)施方式。但是，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實(shí)現(xiàn)，并不限于本文所描述的實(shí)施方式。相反地，提供這些實(shí)施方式的目的是使對(duì)本發(fā)明的公開內(nèi)容理解的更加透徹全面。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術(shù)語只是為了描述具體的實(shí)施方式的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。本文所使用的術(shù)語“及/或”包括一個(gè)或多個(gè)相關(guān)的所列項(xiàng)目的任意的和所有的組合。

請(qǐng)參閱圖1，圖1是本發(fā)明第一實(shí)施例提供的皮秒激光玻璃焊接系統(tǒng)100的結(jié)構(gòu)示意圖。

皮秒激光玻璃焊接系統(tǒng)100包括皮秒激光器10、光學(xué)傳導(dǎo)系統(tǒng)20、振鏡掃描系統(tǒng)30、工作臺(tái)40、夾具50。

皮秒激光器10位于光學(xué)傳導(dǎo)系統(tǒng)20的一側(cè)，振鏡掃描系統(tǒng)30位于光學(xué)傳導(dǎo)系統(tǒng)20的下方，工作臺(tái)40位于振鏡掃描系統(tǒng)30的下方，夾具50設(shè)于工作臺(tái)40上并位于振鏡掃描系統(tǒng)30的下方，夾具50用于水平固定待焊接玻璃式樣60，待焊接玻璃式樣60包括兩片準(zhǔn)備焊接在一起的玻璃，兩片玻璃緊密貼合，形成一個(gè)交界面，之后的焊接加工均在該交界面上進(jìn)行。

在本實(shí)施例中，皮秒激光器10為皮秒紅外激光器，功率為50W，激光束的波長(zhǎng)為1064nm，脈寬為30ps，重復(fù)頻率的變化范圍為10kHz—10000kHz，以非接觸方式實(shí)現(xiàn)待焊接玻璃式樣60的焊接。

待焊接玻璃式樣60為普通的鈉鈣硅酸鹽玻璃，待焊接玻璃式樣的厚度范圍為1mm—4mm，可以理解，本發(fā)明同樣適用于其他類型或厚度的待焊接玻璃式樣，例如低堿硼硅酸鹽玻璃、稀土摻雜硼硅酸鹽玻璃等。

本發(fā)明第一實(shí)施例提供的皮秒激光玻璃焊接系統(tǒng)100的焊接原理為：通過皮秒激光器10發(fā)射激光束，發(fā)射的激光束經(jīng)過光學(xué)傳導(dǎo)系統(tǒng)20后入射至振鏡掃描系統(tǒng)30，通過振鏡掃描系統(tǒng)30對(duì)激光束進(jìn)行聚焦處理，使激光束在由夾具50固定的待焊接的兩個(gè)玻璃片構(gòu)成的玻璃式樣60的交界面處形成光斑，并利用聚焦光斑對(duì)待焊接玻璃式樣60進(jìn)行焊接，優(yōu)選地，采用振鏡走點(diǎn)陣的加工方式進(jìn)行焊接。

振鏡掃描系統(tǒng)30對(duì)于待焊接玻璃式樣60可設(shè)定相應(yīng)的工藝參數(shù)進(jìn)行焊接，工藝參數(shù)包括激光頻率、激光功率、點(diǎn)陣間距、開關(guān)光延時(shí)及焦點(diǎn)位置等。激光焊接過程中，高能量密度的激光束聚焦到待焊接玻璃式樣60的交界面處，由于皮秒激光具有很高的峰值功率，致使待焊接玻璃式樣60對(duì)于皮秒激光產(chǎn)生非線性吸收作用，從而引起光致電離、熔融、凝固的過程，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)玻璃片焊接在一起的焊接效果。在焊接過程中，可調(diào)節(jié)工藝參數(shù)以達(dá)到最優(yōu)的焊接效果。

請(qǐng)參閱圖2和圖3，在焊接過程中，通過夾具50使待焊接玻璃式樣60水平固定。夾具50包括固定定位塊51、活動(dòng)定位塊52、上壓板53、下壓板54。固定定位塊51和固定平臺(tái)510是固定在一起的，具體地，固定定位塊51通過螺絲固定在固定平臺(tái)510上，其下壓部512壓在上壓板53上。固定平臺(tái)510位于工作臺(tái)40的上方。固定定位塊51和活動(dòng)定位塊52共同固定待焊接玻璃式樣60，保持待焊接玻璃式樣60水平。上壓板53的中間具有一個(gè)橫梁530，其它區(qū)域上下鏤空，下壓板54除橫梁530之外，其它結(jié)構(gòu)和上壓板53相同，也是中間上下鏤空。下壓部512壓在上壓板53的橫梁530上以壓緊上壓板53。橫梁530的寬度可根據(jù)需要設(shè)置。上壓板53位于上方，下壓板54位于下方，共同壓緊待焊接玻璃式樣60，并使其在交界處貼合得足夠緊密，保證焊接效果。最后還可根據(jù)需要對(duì)待焊接玻璃式樣60的邊緣進(jìn)行焊接封裝。

激光束聚焦在待焊接玻璃式樣60的交界面，優(yōu)選地，保持焊接位置懸空，例如，上壓板53和下壓板54中間鏤空使得激光的工作區(qū)域鏤空，防止反射光影響待焊接玻璃式樣60的焊接效果。優(yōu)選地，待焊接玻璃式樣60到工作臺(tái)40的高度高于10cm。

本發(fā)明第一實(shí)施例提供的皮秒激光玻璃焊接系統(tǒng)通過選用皮秒量級(jí)的超短脈沖激光可以實(shí)現(xiàn)無焊料添加的玻璃焊接效果，避免因添加涂層和焊料而導(dǎo)致玻璃性能改變，避免了焊接玻璃在使用過程中易老化和被腐蝕等缺點(diǎn)。夾具50采用鏤空的方式，使得激光束透過待焊接玻璃式樣，并且加工區(qū)域鏤空，待焊接玻璃式樣不會(huì)受到工作臺(tái)反射的激光的影響。另外，采用振鏡走點(diǎn)陣的加工方式，能夠?qū)崿F(xiàn)無焊料的玻璃疊焊效果。

請(qǐng)參閱圖4，圖4是本發(fā)明第二實(shí)施例提供的皮秒激光玻璃焊接方法的流程圖，包括以下步驟：

步驟S100：打開皮秒激光器，所述皮秒激光器發(fā)射的激光束經(jīng)過光學(xué)傳導(dǎo)系統(tǒng)入射至振鏡掃描系統(tǒng)。

優(yōu)選地，在步驟S100前還包括清洗步驟S101，即通過脫脂棉和無水乙醇對(duì)待焊接玻璃式樣進(jìn)行表面清洗，以使清潔后的表面經(jīng)透光觀察無污點(diǎn)且表面無劃痕。

優(yōu)選地，在步驟S100前還包括固定步驟，即通過夾具對(duì)待焊接玻璃式樣進(jìn)行水平固定，并且使兩個(gè)待焊接玻璃式樣的貼合足夠緊密。

可選地，皮秒激光器為皮秒紅外激光器，功率為50W，激光束的波長(zhǎng)為1064nm，脈寬為30ps，重復(fù)頻率的變化范圍為10kHz—10000kHz。

步驟S200：所述振鏡掃描系統(tǒng)對(duì)所述激光束進(jìn)行聚焦處理，使所述激光束在由夾具水平固定的待焊接玻璃式樣中的交界面處聚焦形成聚焦光斑。

步驟S300：通過所述聚焦光斑對(duì)所述待焊接玻璃式樣進(jìn)行非接觸式焊接。

由于皮秒激光器的重復(fù)頻率很大，若是采用振鏡走線陣的加工方式，則待焊接玻璃式樣60上的焊接作用點(diǎn)間距過于緊密，會(huì)導(dǎo)致前一個(gè)激光作用點(diǎn)的焊接效果遭到上一個(gè)激光作用點(diǎn)的破壞，無法達(dá)到預(yù)期的焊接效果，因此，優(yōu)選地，本實(shí)施例通過振鏡掃描系統(tǒng)采取振鏡走點(diǎn)陣的加工工藝方式進(jìn)行焊接，即二維點(diǎn)陣組合在一起，以增大激光作用點(diǎn)間距，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同厚度的待焊接玻璃式樣進(jìn)行焊接加工，提高焊接效率。參數(shù)可以參考：開關(guān)光延遲為300us—1000us，點(diǎn)陣間距為0.1—0.8mm。

上壓板53和下壓板54的中間鏤空，使得激光所及之處，即激光的工作范圍內(nèi)是鏤空的，這樣待焊接式樣60懸空，待焊接玻璃式樣不會(huì)受到工作臺(tái)40反射的激光的影響。

本發(fā)明第二實(shí)施例提供的皮秒激光玻璃焊接方法通過選用皮秒量級(jí)的超短脈沖激光可以實(shí)現(xiàn)無焊料添加的玻璃焊接效果，避免因添加涂層和焊料而導(dǎo)致玻璃性能改變，避免了焊接玻璃在使用過程中易老化和被腐蝕等缺點(diǎn)。采用振鏡走點(diǎn)陣的加工方式，避免了線加工方式中，因?yàn)榧す庾饔命c(diǎn)間距過于緊密而導(dǎo)致的上一個(gè)作用點(diǎn)的焊接效果被下一個(gè)作用點(diǎn)破壞掉，從而能夠?qū)崿F(xiàn)無焊料的玻璃疊焊效果。夾具采用鏤空的方式，使得激光束透過待焊接玻璃式樣，并且待焊接玻璃式樣到工作臺(tái)的距離高于10cm，待焊接玻璃式樣不會(huì)受到工作臺(tái)反射的激光的影響。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。