一种熔融石英玻璃与金属纳秒激光直接连接方法技术

一种熔融石英玻璃与金属纳秒激光直接连接方法，涉及纳秒激光熔融石英和金属连接技术领域。包括以下步骤：1)对待连接的熔融石英和金属预处理；2)待连接的熔融石英和金属的固定与放置；3)纳秒激光连接。本发明专利技术解决了现有熔融石英和金属的连接方法工艺复杂，连接温度高和接头质量低的问题。实现熔融石英和金属纳秒激光微连接接头的高可靠，低应力和高精密一体化制备和有效调控，获得具有优异综合力学性能的高精密高可靠微连接接头，其接头剪切强度可达26MPa以上。达26MPa以上。

【技术实现步骤摘要】
一种熔融石英玻璃与金属纳秒激光直接连接方法


[0001]本专利技术涉及纳秒激光熔融石英玻璃和金属连接
，具体为一种熔融石英玻璃和金属提供一种纳秒激光连接新方法。

技术介绍

[0002]熔融石英是氧化硅的非晶态，是典型的玻璃又被称为石英玻璃，熔融石英具有一系列优良的物理、化学特性。如：耐高温，石英玻璃的软化点温度约1730℃，可在1100℃下长时间使用，短时间使用温度可达到1450℃；耐腐蚀性，石英玻璃几乎不与其他酸类物质发生化学反应，其耐酸能力是陶瓷的30倍，不锈钢的50倍；热稳定性好，熔融石英玻璃热膨胀系数小，能承受较大的温度变化；具有良好的光学性质，熔融石英玻璃在紫外线到红外线的整个光谱波段都有较好的透光性能可见光透光率在93％以上，在紫外光谱区透光率可达80％以上，是目前已知的对远紫外光谱透射率最高的材料。熔融石英还是优良的高温电绝缘材料，它具有极高的介电强度且导电率极低，在其所应用的频带内几乎不产生介电损耗。因此即使是面对高频、高温及高压这种极恶劣的工作环境，熔融石英仍然能够保持较高的介电强度和电阻。由于它这一系列良好的物理化学性质，熔融石英被广泛用于半导体、微流体器件制造、医疗器材、航空航天、消费电子等领域。尤其是对系统稳定性有较高要求的光学系统，熔融石英是不可取代的光学材料。在这些器件中，不可以避免地需要熔融石英与金属的连接。
[0003]目前，熔融石英与金属的主要连接方法有：胶接、机械连接、活性钎焊、扩散焊、阳极键合以及超快激光连接。其中，胶接成本低，操作简单，适用范围广但存在接头易软化、老化、漂白等缺点；机械连接对结构要求高，且在一定程度上会影响窗口的视觉范围；活性钎焊和扩散焊的连接构件具有强度高、气密性好等优点，但焊接过程所需时间较长，且通常需要插入中间层或钎料层以调控界面反应或缓解残余应力，并需要压力辅助，这些过程大大提高了材料连接的复杂程度以及连接成本，极大地限制了该方法的推广应用，如专利号：200810243068.7题目：玻璃与金属真空扩散焊接工艺，以及专利号201210543587.1题目：一种玻璃与铜或铜合金连接方法。此外，超快激光连接虽然可以完成高强度、高精度连接，但其设备昂贵，成本大，如专利号：201811148103.7。本专利技术对融石英与金属进行直接连接采用的纳秒激光激光器体积小、激光源更加稳定，它拥有更低的制造成本和维护成本，对工作环境要求较低，相对于飞秒激光器其效率更高。且专利技术不需要添加中间层或者对材料表面进行激光、化学处理。所以在满足条件要求的情况下，纳秒激光器拥有巨大的优势。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了解决现有熔融石英玻璃和金属的传统连接方法工艺复杂、连接温度高、接头质量低等的问题，提供一种熔融石英玻璃和金属的纳秒激光连接方法，实现熔融石英玻璃和金属纳秒激光微连接接头的高可靠，低应力和高精密一体化制备和有效调控，获得具有优异综合力学性能的精密可靠微连接接头，其接头剪切强度高，尤其铜可达
26MPa以上。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：提供一种熔融石英玻璃和金属的纳秒激光连接方法，包括以下步骤：
[0006]1)将待连接的熔融石英玻璃和金属进行预处理：将待连接的熔融石英采用0.5
‑
2μm二氧化硅抛光液在呢绒抛光布上进行双面抛光；将待连接的金属采用200#～1500#砂纸进行单面逐级机械打磨，然后在抛光机上抛光至金相显微镜下无明显划痕；将熔融石英和抛光好的金属放入无水乙醇中超声清洗10～15分钟并吹干；
[0007]2)待连接的熔融石英和金属的固定与放置：将处理好的熔融石英和金属叠放在夹具中进行固定夹紧，并将夹具和待连接的熔融石英和金属铜放置在待加工区域；
[0008]3)纳秒激光连接：调整纳秒激光光束的焦点，使其穿过熔融石英聚焦到熔融石英和金属的连接界面处；然后，设定纳秒激光器的输出功率、脉冲宽度、重复频率、扫描速度、扫描路径、扫面线间距、扫描次数等参数进行纳秒激光连接。
[0009]可用的，在所述1)步骤中，采用的金属包括铜、铝、殷瓦合金，进一步铜为黄铜；
[0010]可用的，在所述1)步骤中，待连接的熔融石英材料也可以为商用的双面抛光熔融石英。
[0011]可用的，在所述1)步骤中，待连接的熔融石英抛光方法如下：首先使用颗粒度为0.5
‑
2μm二氧化硅抛光液在呢绒抛光布上进行抛光10～20min，之后用清水在同样的合成革高分子材料黑呢子抛光布上抛光5～10min即可。
[0012]可用的，在所述2)步骤中，所述夹具使为了让熔融石英和金属材料紧密接触，且不影响纳秒激光激光连接过程。
[0013]可用的，在所述3)步骤中，激光扫描路径为特殊的图案，包括：平行线型、十字交叉型、同心矩形型、同心圆型、螺旋线型等。
[0014]可用的，在所述3)步骤中，纳秒激光的空间选择性高，纳秒激光连接熔融石英/金属接头形式多样，包括搭接和对接等。
[0015]可用的，在所述3)步骤中，纳秒激光焊接时的参数如下：脉宽在2ns～200ns之间、激光重复频率在50kHz～2MHz之间、激光功率在5～80W之间、激光光斑直径在20～50μm之间、激光扫描速度在30
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800mm/s之间，扫描线间距在≥20μm、扫描次数为1～10次。
[0016]本专利技术提出了一种新的熔融石英玻璃和金属连接技术，是以前专利从未涉及过的新方法。解决了以往熔融石英和金属铜连接中存在的一些不足。
[0017]本专利技术利用纳秒脉冲激光大大提高了连接的效率，提高熔融石英与金属的焊接精度与质量。与以往熔融石英和金属的连接方法相比，本专利技术解决了熔融石英和金属连接中的接头残余应力大、强度低、易老化、有污染等问题。相对于焊接精度较高的飞秒和皮秒激光焊接而言，纳秒激光的激光器体积小、激光源更加稳定，且扫描速度更高，它拥有更低的制造成本和维护成本，对工作环境要求较低。所以在满足条件要求的情况下，纳秒激光器拥有巨大的优势。
附图说明
[0018]图1为本专利技术实施例提供的一种熔融石英与金属封装的纳秒激光焊接系统同心矩形扫描路径示意图；
[0019]图2为本专利技术实施例的焊接接头形式；
[0020]图3为本专利技术实施例的焊接接头剪切力试验的位移
‑
试验力曲线图；
[0021]图4为本专利技术实施例的熔融石英玻璃/金属铜连接界面光聚焦宏观形貌图；
[0022]图5为本专利技术实施例的熔融石英玻璃/金属铜连接界面SEM微观组织图。
[0023]下面结合实施例对本专利技术做进一步说明，但本专利技术并不限于以下实施例。
[0024]实施例1：本实施方式一种适用于熔融石英和金属铜的纳秒激光焊接方法，按以下步骤进行：
[0025]1)待焊接材料表面预处理：对待连接的金属铜分别采用280#、600#、1000#、1500#砂纸进行单面逐级机械打磨，然后将打磨好的金属在抛光机上使用呢绒抛光布进行抛本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种熔融石英和金属的纳秒激光连接方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将待连接的熔融石英和金属进行预处理：将待连接的熔融石英采用0.5
‑
2μm二氧化硅抛光液在呢绒抛光布上进行双面抛光；将待连接的金属采用200#～1500#砂纸进行单面逐级机械打磨，然后在抛光机上抛光至金相显微镜下无明显划痕；将熔融石英和抛光好的金属放入无水乙醇中超声清洗10～15分钟并吹干；2)待连接的熔融石英和金属的固定与放置：将处理好的熔融石英和金属叠放在夹具中进行固定夹紧，并将夹具和待连接的熔融石英和金属放置在待加工区域；3)纳秒激光连接：调整纳秒激光光束的焦点，使其穿过熔融石英聚焦到熔融石英和金属的连接界面处；然后，设定纳秒激光器的输出功率、脉冲宽度、重复频率、扫描速度、扫描路径、扫面线间距、扫描次数等参数进行纳秒激光连接；在所述1)步骤中，采用的金属包括铜、铝、殷瓦合金，进一步铜为黄铜。在所述1)步骤中，待连接的熔融石英材料也可以为商用的双面抛光熔融石英。2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述1)步骤中，待连接的熔融石英抛光方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘瑞，冯英豪，陈树君，杨东，董志森，周韬帅，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：