一种应用于玻璃和可伐合金的飞秒激光连接方法技术

本发明专利技术涉及一种应用于玻璃和可伐合金的飞秒连接方法。通过飞秒激光对玻璃和可伐合金结合处进行辐照，可伐合金吸收光子能量，产生等离子体，在等离子体的热作用下，焦点处的可伐合金和玻璃发生瞬时熔融，提高原子活性，进而玻璃和可伐合金的元素发生扩散现象，形成焊点。并通过改变飞秒激光相关参数，实现玻璃和可伐合金的可靠连接，又可以降低有热应力导致焊缝开裂。本发明专利技术的述方法，可实现玻璃和可伐合金的连接，保持连接区域的形貌不变，既不会发生氧化现象，也不会引入污染物，进而实现精密连接。本发明专利技术适用于对表面形貌要求严格，工作环境一般，连接部位元素含量不变的玻璃和可伐合金连接场合。

A femtosecond laser joining method for glass and Kovar Alloy

The invention relates to a femtosecond connection method applied to glass and Kovar alloy. The combination of glass and Kovar alloy is irradiated by femtosecond laser. Kovar alloy absorbs photon energy and generates plasma. Under the thermal effect of plasma, kovar alloy and glass at the focus melt instantaneously to improve atomic activity, and then elements of glass and Kovar alloy diffuse to form solder joints. By changing the parameters of femtosecond laser, the reliable connection between glass and Kovar alloy can be realized, and the cracking of weld caused by thermal stress can be reduced. The method of the invention can realize the connection of the glass and the kovar alloy, keep the morphology of the connection area unchanged, neither oxidize nor introduce pollutants, so as to realize the precise connection. The invention is suitable for glass and Kovar alloy connection occasions with strict requirements on surface morphology, general working environment and constant element content in the connection part.

【技术实现步骤摘要】
一种应用于玻璃和可伐合金的飞秒激光连接方法
本专利技术涉及玻璃和可伐合金连接
，具体地说是一种应用于玻璃和可伐合金的飞秒激光连接方法。
技术介绍
可伐合金，英文为KOVAR，也称铁镍钴合金。该合金在222222℃范围内具有较高的居里点以及良好的低温组织稳定性，合金的氧化膜致密，有良好可塑性，可切削加工。可伐合金作为封装行业的最常用的金属外壳材料，被广泛的应用于制作电真空元件，发射管，显像管，开关管，晶体管以及密封插头和继电器外壳，电子封装，航天继电器，集成电路中做引线和结构材料。玻璃和可伐合金润湿性较差，玻璃和可伐合金热膨胀系数不同，封接的匹配性较差。通常生产工艺大都如下：可伐合金在高温湿氢中脱碳除气-表面预氧化处理-装夹-高温熔封，该工艺复杂，需要经过高温，浪费能源，产品都在不可控条件下进行封装的，质量得不到保证。可用于可伐合金与玻璃封装的常见方法也有锡焊连接和长脉冲激光连接，但锡焊连接需要使用松香，存在对人体不友好、引入新的杂质和不可连接复杂结合面等问题，长脉冲激光连接采用热熔的原理，由于热影响区较大，同时两种材料存在不同的热膨胀系数，残余应力易导致焊缝产生裂缝等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种应用于玻璃和可伐合金的飞秒激光连接方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种应用于玻璃和可伐合金的飞秒激光连接方法，该方法包括玻璃和可伐合金连接界面的变磨料顺序抛光、丙酮和乙醇顺序清洁、干燥，再利用强激光飞秒激光诱导焦点处的可伐合金和玻璃发生瞬时熔融，并通过改变飞秒激光相关参数，实现玻璃和可伐合金的可靠连接。具体步骤为：第一步：飞秒激光连接前，对玻璃和可伐合金连接面进行抛光处理，抛光处理工艺为：依次采用622#、1222#、1222#、2222#金刚石砂纸进行打磨，然后依次用W2.2、W1.2的金刚石研磨剂进行抛光，做到连接面结合没有裸眼可辨别的间隙；第二步：采用丙酮对玻璃和可伐合金的待连接面进行清洁，之后采用无水乙醇进行清洁，最后在自然条件下风干；第三步：把玻璃和可伐合金按照连接要求固定后，放置到飞秒激光连接工作台上，玻璃正对激光传输的方向，采用压板固定，保证连接过程中玻璃和可伐合金的空间位置不发生变化；第四步：调整激光功率、脉冲频率、光斑大小等激光参数，改变扫描速度、扫描轨迹、光斑重叠率、扫描轨迹间距等加工工艺参数，使激光聚焦在结合面处，进行扫描连接；第五步：激光连接完成后，取出工件。进一步的，玻璃材质为熔石英、K7，K9，高硼硅玻璃或硅酸盐玻璃的透光性良好的玻璃，厚度为1mm～122mm，尺寸为1mm～1222mm。进一步的，清洁是指玻璃和可伐合金连接面的清洁，清洁主要去除表面的油污，灰尘杂质。进一步的，激光光源可以是单路也可以是多路并行，激光光路可以是一般光路也可以是经过时域整形的光路。进一步的，当连接区域小于22mm时，采用一般光路、单路光源；连接区域大于22mm时，采用时域整形光路、多路并行光源。进一步的，第四步中，加工工艺参数范围为：能量密度2.2J/cm2～2J/cm2，脉宽122fs2322fs，光斑直径2μm～22μm，重复频率222Hz21kHz，光斑重叠率32％～122％进一步的，第四步中，扫描轨迹是“Z”形，螺旋形，S形轨迹或平行轨迹。本专利技术相对于现有技术相比具有显著优点为：1、本专利技术采用的飞秒连接是连接功率密度高，作用时间短，连接影响区小。2、本专利技术采用的飞秒连接不需要焊料，对产品没有污染。3、本专利技术中的连接界面形状对飞秒连接结果没有任何影响。2、本专利技术中采用的飞秒连接对连接环境没有特殊要求，适用场合广。2、本专利技术采用的飞秒连接缝小，连接缝光滑，容易实现自动控制。附图说明图1玻璃和可伐合金的飞秒连接示意图。图2玻璃和可伐合金的飞秒连接路径示意图，其中，a)“S”形，b)螺旋式。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进一步说明：如图1、2所示。一种应用于玻璃和可伐合金的飞秒激光连接方法，其特征在于包含玻璃和可伐合金连接界面的变磨料顺序抛光、丙酮和乙醇顺序清洁、干燥，强激光飞秒激光诱导局部瞬间熔融，实现玻璃和可伐合金连接结合。于本方法步骤具体为：第一步：飞秒激光连接前，对玻璃和可伐合金连接面进行抛光处理，抛光处理工艺为：依次采用622#、1222#、1222#、2222#金刚石砂纸进行打磨，然后依次用W2.2、W1.2的金刚石研磨剂进行抛光，做到连接面结合没有裸眼可辨别的间隙，提高飞秒激光连接性能。第二步：采用丙酮对玻璃和可伐合金的待连接面进行清洁，之后采用无水乙醇进行清洁，最后在自然条件下风干，去除表面油污和杂质。第三步：把玻璃(3)和可伐合金(2)按照连接要求固定在工作台(7)上，玻璃(3)正对激光(2)传输的方向，采用压板(2)、垫铁(6)和螺栓(2)固定，通过调节垫铁(6)保证压板处于水平状态，拧紧螺栓(2)提供压紧力，徒手拧紧，保证连接过程中玻璃和可伐合金的空间位置不发生变化。第四步：调整激光(2)功率、脉冲频率、通过透镜(1)调整光斑大小。根据待连接区域大小选择多光路光源和单光璐光源。根据待连接区域形状与连接具体要求选择扫描轨迹、扫描速度、光斑重叠率、扫描轨迹间距等加工工艺参数，使激光聚焦在结合面处，进行扫描连接。第五步：激光连接完成后，取出工件。本专利技术的原理及依据是：由于飞秒激光脉宽远小于电子-声子耦合时间，远小于材料的热扩散时间，因此在激光整个持续时间内，热量扩散较小，热影响区较小；飞秒激光峰值功率极高，平均功率低，因此有利于控制能量输入的空间位置，有利于控制玻璃加工的易开裂性；飞秒激光在玻璃和可伐合金结合处聚焦后，很高的峰值功率可以达到材料的局部烧蚀阈值，引起材料的一系列非线性吸收，在相对密闭空间里，瞬时形成的热量难以扩散，导致焦点处的材料熔化甚至气化；在适当工艺参考控制下，飞秒激光在玻璃和可伐合金结合处聚焦，将会导致聚焦区域的能量聚集，引起两块材料结合部局部超快熔化，实现玻璃元素和可伐合金元素的扩散，脉冲结束后，熔化块体迅速凝固形成连接接头；采用本专利技术所述的应用于玻璃和可伐合金的飞秒激光连接方法，可适用于融石英玻璃，K9，K7，高硼硅玻璃，硅酸盐玻璃等和可伐合金的飞秒激光连接技术。实施例1对融石英玻璃和可伐合金连接，融石英玻璃厚度2mm。实验是在万级洁净间中进行。实验采用的连接结合面为平面，依次采用222#-2222#砂纸对可伐合金进行抛光，达到镜面效果。检查玻璃和可伐合金连接面之间没有明显孔隙。按顺序采用丙酮，无水乙醇对玻璃和可伐合金的连接面进行清洁，风干。最后把融石英玻璃和可伐合金按照连接要求固定在飞秒激光的附图1的可移动工作平台上7，通过调整垫铁6控制压板2与平台平行，采用螺栓2徒手压紧进而实现融石英玻璃3与可伐合金8的固定。调节激光参数：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用于玻璃和可伐合金的飞秒激光连接方法，其特征在于，该方法包括玻璃和可伐合金连接界面的变磨料顺序抛光、丙酮和乙醇顺序清洁、干燥，再利用强激光飞秒激光诱导焦点处的可伐合金和玻璃发生瞬时熔融，并通过改变飞秒激光相关参数，实现玻璃和可伐合金的可靠连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种应用于玻璃和可伐合金的飞秒激光连接方法，其特征在于，该方法包括玻璃和可伐合金连接界面的变磨料顺序抛光、丙酮和乙醇顺序清洁、干燥，再利用强激光飞秒激光诱导焦点处的可伐合金和玻璃发生瞬时熔融，并通过改变飞秒激光相关参数，实现玻璃和可伐合金的可靠连接。


2.根据权利要求1所述应用于玻璃和可伐合金的飞秒激光连接方法，其特征在于，具体步骤为：
第一步：飞秒激光连接前，对玻璃和可伐合金连接面进行抛光处理，抛光处理工艺为：依次采用600#、1000#、1200#、2000#金刚石砂纸进行打磨，然后依次用W2.5、W1.0的金刚石研磨剂进行抛光，做到连接面结合没有裸眼可辨别的间隙；
第二步：采用丙酮对玻璃和可伐合金的待连接面进行清洁，之后采用无水乙醇进行清洁，最后在自然条件下风干；
第三步：把玻璃和可伐合金按照连接要求固定后，放置到飞秒激光连接工作台上，玻璃正对激光传输的方向，采用压板固定，保证连接过程中玻璃和可伐合金的空间位置不发生变化；
第四步：调整激光功率、脉冲频率、光斑大小等激光参数，改变扫描速度、扫描轨迹、光斑重叠率、扫描轨迹间距等加工工艺参数，使激光聚焦在结合面处，进行扫描连接；
第五步：激光连接完成后，取出工件。


3.根据权利要求1或2所述的应用于玻璃和可伐合金的飞秒激...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓鹏，支新涛，陆广华，袁松梅，王克鸿，王大森，周琦，彭勇，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32