【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于激光焊接，具体涉及一种基于超快激光的大厚度微晶玻璃与金属的焊接方法。
技术介绍
1、玻璃具有良好的物理和化学特性，如透光率高、机械强度高、耐腐蚀和耐摩擦，是高端光学系统、天文学和卫星、机器视觉和生命科学领域的绝佳材料。然而，玻璃的脆性和低抗冲击性导致其机械性能较差，严重限制了其在实际工程中的应用。将具有良好弹塑性和高抗冲击性的金属和玻璃连接在一起，可以大大提高其整体的机械性能。因此，玻璃-金属连接技术在微机电系统、医疗植入体、光学传感器等领域的应用越来越广泛。
2、目前，连接玻璃和金属的方法有很多种。胶粘剂粘接和活性钎焊引入了额外的填充物，可以满足有间隙连接的要求。但粘合剂容易变形，难以应对高温、潮湿和腐蚀等复杂的工作环境。活性钎焊通常需要在真空炉中进行高温加热(通常在700℃以上)，这大大限制了其应用场景。匹配封接和阳极键合等连接方法是以塑性变形或固态原子扩散的形式实现玻璃与金属的连接，适用于变形量较小的连接场合。但其主要缺点是材料组合需要具有相似的热膨胀系数，且连接强度较低。传统的激光熔焊是通过局部加热金属材料使玻璃和金属材料熔合形成接头，但是在焊接过程中容易对基体造成热损伤并产生裂纹。而超快激光具有热效应小、加工精度高等优点，可以有效避免长脉宽激光加工过程存在的热损伤、热应力的累积以及缺陷等问题，已可以实现各种玻璃和金属的连接。
3、超快激光具有极窄的脉宽和极高的峰值功率，能够诱发玻璃材料的多光子电离和雪崩电离等过程，实现玻璃对激光能量的有效吸收，通过高重频超快激光的热累积效应，玻璃和
4、零膨胀系数微晶玻璃是指以l io2、a l2o3、s io2为主要成分的玻璃,经过严格的受控晶化处理后形成的以负膨胀β-石英固溶体纳米晶相和正膨胀玻璃相构成的一种复合材料，具有优异的光学、热学、力学性能，是目前变温环境尺寸稳定性最好的材料，在航空、航天、电子、兵器、船舶、精密机械等诸多领域得到广泛应用。零膨胀系数微晶玻璃的平均热膨胀系数通常为0±1×10-7/k，最先进的微晶玻璃的平均热膨胀系数可以做到0±0.07×10-7/k。而大多数金属的热膨胀系数通常比微晶玻璃高两个数量级以上，如304不锈钢的热膨胀系数为1.8×10-5/k。巨大的热膨胀系数差异导致微晶玻璃与金属的焊接过程会产生极大的应力，使得玻璃极易产生微裂纹甚至发生整体碎裂，因而对焊接过程中的热输入及热变形提出了严苛的要求。
5、对于大厚度(≥70mm)微晶玻璃来讲，玻璃的高度大幅增加使得短焦距的超快激光在加工时会出现干涉，因此对激光的输入方式提出了更高的要求。同时由于玻璃厚度的增加也导致玻璃对激光的吸收率大大提高，使得激光能量更容易被玻璃基体吸收而无法到达玻璃-金属界面，这也严重限制了超快激光焊接的参数选择。
6、为了解决大厚度零膨胀系数微晶玻璃与金属焊接场景中热膨胀系数差异大以及玻璃厚度大而带来的焊接应力控制及焊接工艺选择等难题，亟需一种简单可靠且通用性较强的焊接方法。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种基于超快激光的大厚度微晶玻璃与金属的焊接方法，以解决热膨胀系数相差超过两个数量级的微晶玻璃与金属在焊接过程中热应力较大，难以可靠连接的问题。
2、本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：
3、一种基于超快激光的大厚度微晶玻璃与金属的焊接方法，包括以下步骤：
4、s1材料准备：将待焊接的微晶玻璃和金属进行清洗，烘干，去除表面油污；
5、s2待焊接材料放置：将待焊接的金属平放于加工平台上，并将待焊接的微晶玻璃放置于金属上；
6、s3激光对焦：调整加工平台水平位置，使得激光光斑位于微晶玻璃与金属的中心；调整加工平台高度，使得激光透过大厚度微晶玻璃的几何焦点位于微晶玻璃与金属界面；
7、s4超快激光焊接：先在待焊接样件中心区域进行多次激光预扫描，使得金属颗粒喷溅在玻璃下表面；所述预扫描激光的脉冲能量低于玻璃的去除阈值；
8、再在待焊接样件中心区域进行多次激光焊接扫描，使得玻璃与金属均发生有效熔化和混合，实现玻璃与金属的可靠连接；所述焊接扫描激光的脉冲能量高于预扫描激光的脉冲能量。
9、作为本专利技术进一步的方案，所述微晶玻璃的厚度≥70mm。
10、作为本专利技术进一步的方案，所述s1中，对微晶玻璃和金属的清洗方式包括超声清洗、酒精清洗或丙酮溶剂清洗。
11、作为本专利技术进一步的方案，所述s2中，待焊接微晶玻璃与待焊接金属的间隙＜10μm，焊接间隙将直接影响到焊接有效性及焊接强度，焊接间隙越小，焊接强度越高。
12、作为本专利技术进一步的方案，所述s3中，激光透过玻璃后会发生折射，导致激光焦点发生变化，因此对焦操作需要考虑激光折射带来的影响，具体变化数值需根据所使用玻璃的折射率进行计算。
13、作为本专利技术进一步的方案，所述超快激光焊接的设备包括超快激光器和大焦距高速扫描振镜系统。
14、作为本专利技术进一步的方案，所述s4中，超快激光根据微晶玻璃和金属种类的不同，选择不同的焊接参数。
15、作为本专利技术进一步的方案，所述s4中，激光的扫描轨迹包括螺旋线或同心圆。
16、与现有技术相比，本专利技术的有益效果：
17、1.本专利技术提供一种基于超快激光的大厚度微晶玻璃与金属的焊接方法，采用大焦距高速扫描振镜系统，解决了大厚度(≥70mm)微晶玻璃焊接过程中可能产生的干涉问题；采用变能量重复高速扫描的焊接工艺，能够实现微晶玻璃与金属的同时熔化，同时有效抑制焊接过程中热应力的产生，避免玻璃内部微裂纹等缺陷的生成，实现热膨胀系数相差超过两个数量级的微晶玻璃与金属的有效焊接。整个焊接过程热输入量小，加热位置集中，加工工序少，易于实现高品质、高效率的自动化焊接。
18、2.本专利技术在激光焊接过程中，首先在较低能量的预扫描超快激光脉冲的作用下，使得金属有效吸收激光能量发生烧蚀，产生大量颗粒喷溅于玻璃下表面；而微晶玻璃由于激光能量远远未达到去除阈值，所以不会通过非线性吸收效应吸收激光能量；当金属颗粒喷溅到玻璃下表面后，金属颗粒直接吸收激光能量发生剧烈升温，然后通过热传导的方式将热量传递给玻璃，从而实现了玻璃去除阈值的降低；其次，在较高能量的焊接扫描超快激光脉冲的作用下，玻璃发生多光子电离和雪崩电离等过程，产生了大量自由电子，实现了对激光能量的有效吸收。在高重频脉冲的热累积效应下，玻璃发生熔化，同时金属也由于直接吸收激光能量而发生熔化。熔化的玻璃与熔化的金属发生混合，激光光斑远离后冷却形成可靠的焊接接头。相较于不变能量直接焊接，可在更低的激光能量下实现玻璃与金属的熔化，降低了焊接应力与热影响。
19、3.本专利技术本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于超快激光的大厚度微晶玻璃与金属的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于超快激光的大厚度微晶玻璃与金属的焊接方法，其特征在于，所述微晶玻璃的厚度≥70mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于超快激光的大厚度微晶玻璃与金属的焊接方法，其特征在于，所述S1中，对微晶玻璃和金属的清洗方式包括超声清洗、酒精清洗或丙酮溶剂清洗。
4.根据权利要求1所述的一种基于超快激光的大厚度微晶玻璃与金属的焊接方法，其特征在于，所述S2中，待焊接微晶玻璃与待焊接金属的间隙＜10μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于超快激光的大厚度微晶玻璃与金属的焊接方法，其特征在于，所述S3中，激光焦点具体数值根据微晶玻璃的折射率进行计算。
6.根据权利要求1所述的一种基于超快激光的大厚度微晶玻璃与金属的焊接方法，其特征在于，所述超快激光焊接的设备包括超快激光器和大焦距高速扫描振镜系统。
7.根据权利要求1所述的一种基于超快激光的大厚度微晶玻璃与金属的焊接方法，其特征在于，所述S4中，超快激光根据微晶玻璃
8.根据权利要求1所述的一种基于超快激光的大厚度微晶玻璃与金属的焊接方法，其特征在于，所述S4中，激光的扫描轨迹包括螺旋线或同心圆。
...【技术特征摘要】
1.一种基于超快激光的大厚度微晶玻璃与金属的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于超快激光的大厚度微晶玻璃与金属的焊接方法，其特征在于，所述微晶玻璃的厚度≥70mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于超快激光的大厚度微晶玻璃与金属的焊接方法，其特征在于，所述s1中，对微晶玻璃和金属的清洗方式包括超声清洗、酒精清洗或丙酮溶剂清洗。
4.根据权利要求1所述的一种基于超快激光的大厚度微晶玻璃与金属的焊接方法，其特征在于，所述s2中，待焊接微晶玻璃与待焊接金属的间隙＜10μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于超...
【专利技术属性】
技术研发人员：沈洪，任浩东，田晨云，杨朝阳，卫星语，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：
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