玻璃是一種廣泛應(yīng)用的工業(yè)材料，特別是在微電子、汽車、生物醫(yī)學(xué)、建筑等行業(yè)廣受青睞。但是因為玻璃本身具有高硬度、高脆性、高折射率、低導(dǎo)熱率等特性，因此加工起來并不容易。而利用激光對玻璃進行焊接，就曾是焊接領(lǐng)域的一大難題。

通常激光焊接玻璃主要有兩種方法。

一種是在焊接界面處涂覆不透明的顏料或者添加中間層，來增加激光的吸收率，界面附近材料吸收激光溫度升高，然后經(jīng)過材料融化后再凝固，從而實現(xiàn)材料之間的連接。

另一種方法是采用特種焊接光源焊接，通過高功率密度激光使材料之間產(chǎn)生非線性吸收，從而形成有效焊點，以達到連接彼此的目的。

隨著超短脈沖激光技術(shù)的發(fā)展，特別是飛秒激光，擁有超強的脈沖能量，能在玻璃內(nèi)部產(chǎn)生非線性吸收，從而使玻璃局部熔融，并通過最終熔融體的凝固達到焊接目的。而且，飛秒脈沖激光與玻璃的相互作用的時間極短，脈沖能量來不及擴散加工就結(jié)束了，能有效避免熱擴散導(dǎo)致的裂紋及材料損傷。

后一種方法正在得到越來越多的科研工作者和工程師的關(guān)注和青睞；很多致力于攻克激光玻璃焊接難關(guān)的企業(yè)，也正在玻璃焊接方面實現(xiàn)著一次次突破。

超短脈沖焊接玻璃的優(yōu)勢

玻璃自身具有的一些有用的特性，如極高的熔點、透明性、脆性和機械剛性等，為激光焊接帶來了很多困難。因此，適用于焊接金屬和其他材料的典型工業(yè)激光器和方法，并不適用于焊接玻璃。

紅外波長超短脈沖(USP)激光器適用于玻璃焊接。聚焦的紅外激光束可以直接穿透玻璃，直到聚焦光束變窄、使得激光脈沖的高峰值功率能夠在玻璃中觸發(fā)“非線性吸收”。

此時，在激光束焦點周圍非常小的區(qū)域內(nèi)(通常直徑小于幾十微米)，玻璃會吸收激光能量迅速熔化。將聚焦得激光束沿著需要焊接的路徑掃描，最終完成焊接。

USP激光玻璃焊接方法的主要優(yōu)勢

首先，鍵合牢固。因為被焊接的兩種材料都部分熔化，然后再凝固在一起形成一個整體。這種工藝適用于玻璃與玻璃、玻璃與金屬以及玻璃與半導(dǎo)體之間的焊接。

此外，產(chǎn)生熱量極少的焊接過程，還能將焊縫放置在非常接近電子電路或其他熱敏組件的地方，為設(shè)計和制造提供了更大自由度，更容易實現(xiàn)產(chǎn)品小型化設(shè)計。

相干公司將激光玻璃焊接投入實用

USP激光玻璃焊接也給實際操作帶來了挑戰(zhàn)，因為聚焦的激光光斑必須非常精確地保持在兩個焊接組件之間的接口處。而部件并不是完全平坦的，所以這很難實現(xiàn)。此外，在焊接系統(tǒng)中部件放置的位置可能并不完全契合。

一種解決方案是使用軸向拉長的焦點。這會“延展”激光束焦點的尺寸以解決位置敏感性問題。但是，這種方法的缺點在于，拉長的光束焦點會在玻璃中產(chǎn)生一個具有非圓形橫截面的熔池。當玻璃在熔化區(qū)凝固時，非圓形熔池更容易形成微裂紋。

針對這個問題，相干公司采用了另一種方法，實現(xiàn)了無微裂紋的焊接效果，并能同時適應(yīng)工藝中接口距離的重大變化。其關(guān)鍵在于：結(jié)合高動態(tài)聚焦技術(shù)，利用高數(shù)值孔徑(NA)的光學(xué)器件，產(chǎn)生小焦點光斑。

相干公司的激光系統(tǒng)實現(xiàn)了高球面度的熔池，從而避免了微裂紋。它還會感應(yīng)接口距離并不斷調(diào)整光學(xué)器件，從而始終保持完美聚焦。其結(jié)果是，幾乎在任何形狀的部件上都能保證高質(zhì)量焊接，并且該工藝不受部件公差和位置的影響。

這項焊接工藝將有望將激光玻璃焊接帶入批量生產(chǎn)的實用化階段。

（資料來源：相干激光）