真空压合治具、使用该治具的激光玻璃焊接系统及方法与流程

专利2022-05-10  2



1.本发明属于超快激光玻璃焊接技术领域,具体为一种真空压合治具、使用该治具的激光玻璃焊接系统及方法。


背景技术:

2.激光焊接是利用高能量密度的激光光束作为热源,焊接过程中热量从表面通过热传导至材料内部,通过控制脉冲激光的脉宽,能量,峰值功率,重复频率等参数,使得材料融化,形成特定的熔池。金属激光焊接技术已经发展四十多年了,广泛应用在各个领域,如汽车工业,航天工业,微电子领域等。然而脆性材料激光焊接技术是近十五年才产生的,特别是近5年才往工业应用领域发展。传统脆性材料(如玻璃,陶瓷,蓝宝石等)间的连接用的是胶水粘连方式,虽然材料和工艺已经十分成熟,但仍然存在许多问题,例如,胶水/粘合剂是耗材,增加了原料成本;在长时间不稳定环境(湿度,温度等变化较大)下使用,胶水会发生失效脱落;有机高分子聚合物胶水对环境有一定影响,不符合环保趋势。因此脆性材料激光焊接技术市场前景可观,特别是玻璃激光焊接,其应用十分广泛,如芯片封装,3c产品焊接,半导体材料键合等。
3.玻璃激光焊接是将两层玻璃叠加在一起,超快激光通过聚焦物镜聚焦至下层待焊材料内,通过超快激光短脉冲、高频率的特点在玻璃材料内产生非线性吸收,形成低密度等离子体,高温融化材料后快速凝固,形成焊接熔池(填满间隙),在焦点与待焊材料相对运动的过程中,熔池沿运动轨迹分布,最终形成了焊接轨迹。
4.从工艺上来讲,玻璃激光焊接需要调整玻璃待焊料间的接触间隙,通常要小于四分之一的激光波长甚至100纳米;间隙过大,焊接熔池无法填充间隙,会导致虚焊,焊不牢,焊不上,此时若仅提高激光焊接功率,增加吸收能量,是会破坏材料结构,达不到提高熔池的目的。因此控制待焊料间的贴合间隙是个巨大的挑战。
5.目前实验室阶段,使用手工机械式治具来保证玻璃间的紧密贴合费时耗力,且很难准确控制玻璃的接触间隙,整个过程无法量化和管理。


技术实现要素:

6.为克服上述现有技术的不足,本发明提供一种真空压合治具、使用该治具的激光玻璃焊接系统及方法,解决了待焊玻璃料的间隙控制问题,实现了接触间隙的量化和过程管理,并且使用该治具成功高效地完成玻璃样品的焊接。
7.根据本发明说明书的一方面,提供一种真空压合治具,包括可开合的密封腔体,所述密封腔体内设有波纹管,所述波纹管上表面固定有支撑板,所述支撑板用于放置待焊料;所述密封腔体的侧壁下方设有充气孔,侧壁上方设有抽气孔,底部设有出气孔;所述密封腔体的顶部中间位置设有玻璃板,所述玻璃板与支撑板相适配。
8.上述技术方案中,首先将充气孔与气压表、压缩空气瓶连接,抽气孔与真空读数表、真空泵连接;然后打开密封腔体,将两片待焊料经手工初步定位贴合后放入支撑板上,
盖上并锁紧密封腔体;接着打开抽气孔,给密封腔体内支撑板上方形成的上腔体抽真空,波纹管向上运动带动支撑板上移压合两层叠放的待焊料于支撑板和玻璃板之间,当真空度值达到预设值后,打开充气孔,同时调节出气孔,向支撑板下方形成的下腔体内充气,此时波纹管进一步向上撑起,达到更紧密的压合,两片待焊料之间的接触间隙由贴合压力控制,而贴合压力由充气压力和真空度来控制,从而实现对接触间隙的量化和过程管理,解决了待焊料的间隙控制问题。
9.进一步地,不同厚度、不同表面粗糙度及不同形状的玻璃焊料的间隙控制方式不同,可通过量化的充气压力及真空度的组合来进行控制。
10.作为进一步的技术方案,所述密封腔体包括底板,底座和盖框,所述底座固定在底板上,所述盖框设置在底座上方且与底座可拆卸连接。这样设置的目的是便于密封腔体的打开和密封。进一步来说,所述底板的两端开设有螺纹孔,用于对底板进行固定安装。
11.进一步地,所述底座、盖框均为金属材质。
12.进一步地,所述玻璃板为石英玻璃板。玻璃板优选石英玻璃,微晶玻璃等,因为这些玻璃材料线膨胀系数小,热稳定性好,耐热,抗震性好。
13.作为进一步的技术方案,所述盖框与底座之间设有密封圈。所述密封圈是为了增强盖框与底座的密封性,保证腔体内的抽真空效果。
14.作为进一步的技术方案,所述波纹管为可伸缩波纹管。波纹管的材料可选用橡胶、pvc、布/pvc、金属等。所述支撑板将密封腔体隔开为上腔体和下腔体,利用可伸缩波纹管的伸缩性,使得在上腔体被抽真空时,波纹管能向上移动以带动支撑板向上,进而将待焊料压合在支撑板与玻璃板之间,同样,其在下腔体被充气时,能进一步向上移动,带动支撑板继续向上,使支撑板与玻璃板之间的待焊料达到更紧密的压合。
15.作为进一步的技术方案,所述支撑板的制作材料包括铝、铁氟龙或铁。
16.根据本发明说明书的另一方面,提供了一种激光玻璃焊接系统,使用所述的真空压合治具实现,所述激光玻璃焊接系统包括激光器、光学单元和真空压合治具,所述激光器产生的激光经由光学单元传导后,透过真空压合治具顶部的玻璃板聚焦于待焊料上;所述真空压合治具的充气孔连接压缩空气瓶,且进气管道上设有压力表;所述真空压合治具的抽气孔连接真空泵,其抽气管道上设有真空读数表。
17.上述技术方案中,当通过真空压合治具实现两片待焊料之间的间隙控制且密封腔体内达到气体平衡后,打开激光器,通过该光学单元引导激光聚焦于待焊料上,对待焊料进行激光焊接,该技术方案通过真空压合治具实现了两片待焊料之间接触间隙的量化控制及管理,从而能够高效地完成玻璃样品的焊接,在保证焊接质量的基础上提高了焊接效率。
18.作为进一步的技术方案,所述光学单元包括沿光路依次设置的扩束镜、反射镜和聚焦物镜。所述激光器产生的激光入射到扩束镜,经扩束镜扩束后入射到反射镜,所述反射镜为45度反射镜,经该45度反射镜反射的光再经由聚焦物镜聚焦以入射到待焊料上。
19.根据本发明说明书的另一方面,提供了一种激光玻璃焊接方法,使用所述的激光玻璃焊接系统实现,所述方法包括:
20.将两片玻璃待焊料预贴合后置于真空压合治具内的支撑板上,盖好并锁紧密封治具;
21.打开真空抽气孔,对支撑板上方形成的上腔体抽真空,波纹管向上移动带动支撑
板上移,将两片玻璃待焊料压合于支撑板与玻璃板之间;
22.当上腔体的真空度值达到预设值时,打开充气孔,向支撑板下方形成的下腔体充气,直到下腔体达到气体平衡;
23.打开激光器,进行焊接。
24.上述技术方案中,将两片玻璃待焊料通过手工初步定位等预贴合后置于真空压合治具的支撑板上,然后盖好并锁紧治具;先对上腔体抽真空,调整腔体的真空度,这样可以首先把待焊样品接触面间的空气抽出来,减少后续激光加工过程中彩虹纹等缺陷的产生;当上腔体的真空度达到一定值后,再进行下腔体充气,调整下腔体内的充气压力,提高两片待焊料之间的贴合压力;当压力表的指针稳定不晃动后,表明腔体内达到气体平衡;此时即可打开激光器,进行玻璃待焊料的激光焊接。
25.作为进一步的技术方案,所述方法进一步包括:当真空度值达到

20
‑‑
90kpa时,打开充气孔开始向下腔体内充气。当真空度达到

20
‑‑
90kpa时候可以打开充气孔的充气阀,在真空度为

20
‑‑
90kpa时,待焊料接触面间的空气基本被完全抽出,极少见彩虹纹路产生。真空度的预设范围也可以优选为

20
‑‑
50kpa,或者更优选为

30kpa。
26.作为进一步的技术方案,所述方法进一步包括:打开充气孔开始充气时,同时打开出气孔进行出气调节,当压力表上的指针保持稳定不晃动时,腔内达到气体平衡。
27.进一步地,充气孔的充气流量会始终大于出气孔的出气流量,出气孔的设置是为了让腔体内气体达到动态平衡,持续且稳定产生充气压力。充气压力=进气量

出气量。出气量一般来说是非常小的,在受力分析上可以忽略,压力表上面的数值是气体平衡后的充气压力,因此压力表的数值指针是稳定的,不会晃动,表明达到动态平衡。
28.与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
29.(1)本发明提供一种治具,该治具通过充气孔与气压表、压缩空气瓶连接,通过抽气孔与真空读数表、真空泵连接;打开密封腔体,将两片待焊料经手工初步定位贴合后放入支撑板上,盖上并锁紧密封腔体;接着打开抽气孔,给密封腔体内支撑板上方形成的上腔体抽真空,波纹管向上运动带动支撑板上移压合两层叠放的待焊料于支撑板和玻璃板之间,当真空度值达到预设值后,打开充气孔,同时调节出气孔,向支撑板下方形成的下腔体内充气,此时波纹管进一步向上撑起,达到更紧密的压合,两片待焊料之间的接触间隙由贴合压力控制,而贴合压力由充气压力和真空度来控制,从而实现对接触间隙的量化和过程管理,解决了待焊料的间隙控制问题。
30.(2)本发明提供一种系统,该系统可在真空压合治具实现两片待焊料之间的间隙控制且密封腔体内达到气体平衡后,打开激光器,通过光学单元引导激光聚焦于待焊料上,对待焊料进行激光焊接,该系统在真空压合治具实现了两片待焊料之间接触间隙的量化控制及管理的基础上,能够高效地完成玻璃样品的焊接,在保证焊接质量的基础上提高了焊接效率。
31.(3)本发明提供一种方法,该方法在将两片玻璃待焊料通过手工初步定位等预贴合后置于真空压合治具的支撑板上,盖好并锁紧治具后;先对上腔体抽真空,调整腔体的真空度,这样可以首先把待焊样品接触面间的空气抽出来,减少后续激光加工过程中彩虹纹等缺陷的产生;当上腔体的真空度达到一定值后,再进行下腔体充气,调整下腔体内的充气压力,提高两片待焊料之间的贴合压力;当压力表的指针稳定不晃动后,表明腔体内达到气
体平衡;此时即可打开激光器,进行玻璃待焊料的激光焊接,该方法能够高效高质量地完成激光焊接。
附图说明
32.图1为根据本发明实施例的真空压合治具的结构示意图。
33.图2为根据本发明实施例的激光玻璃焊接系统的结构示意图。
34.图中:1、盖框;2、玻璃板;3、底座;4、螺纹孔;5、底板;6、波纹管;7、支撑板;8、充气孔;9、抽气孔;10、腔体;11、出气孔;12、密封垫;100、真空压合治具;200、激光器;300、扩束镜;400、反射镜;500、聚焦物镜;600、压力表;700、压缩空气瓶;800、真空读数表;900、真空泵。
具体实施方式
35.以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述,显然,所描述发实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例,都属于本发明所保护的范围。
36.在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
37.在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接或可以相互通讯;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
38.在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触,也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
39.本发明提供一种真空压合治具100,包括可开合的密封腔体10,所述密封腔体10内设有波纹管6,所述波纹管6上表面固定有支撑板7,所述支撑板7用于放置待焊料;所述密封腔体10的侧壁下方设有充气孔8,侧壁上方设有抽气孔9,底部设有出气孔11;所述密封腔体10的顶部中间位置设有玻璃板2,所述玻璃板2与支撑板7相适配。所述充气孔8用于对支撑
板7下方形成的下腔体进行充气。所述抽气孔9用于对支撑板7上方形成的上腔体进行抽真空。在对上腔体抽真空或对下腔体充气时,所述支撑板7均会随着波纹管6上移,将待焊料压合于支撑板7与玻璃板2之间。
40.所述密封腔体10包括底板5,底座3和盖框1,所述底座3固定在底板5上,所述盖框1设置在底座3上方且与底座3可拆卸连接。所述底板5的两端开设有螺纹孔4。所述底座3、盖框1均为金属材质。所述玻璃板2为石英玻璃板。所述盖框1与底座3之间设有密封垫12。所述支撑板7的制作材料包括铝、铁氟龙或铁。所述波纹管6为可伸缩波纹管。波纹管6的材料可选用橡胶、pvc、布/pvc、金属等。
41.所述支撑板7将密封腔体10隔开为上腔体和下腔体,利用可伸缩波纹管的伸缩性,使得波纹管6在上腔体被抽真空时,能向上移动以带动支撑板7向上,进而将待焊料压合在支撑板7与玻璃板2之间,同样,其在下腔体被充气时,能进一步向上移动,带动支撑板7继续向上,使支撑板7与玻璃板2之间的待焊料达到更紧密的压合。
42.所述治具的工作原理是:如图1和图2所示,8为充气孔,连接气压阀和压力表600及压缩空气瓶700;9为抽气孔,连接真空读数表800和真空泵900;6为可伸缩的波纹管,7为支撑板。待焊玻璃料经过清洗和烘干流程后,经手工初步定位、贴合平放于支撑板7上,盖上并锁紧治具的盖框1和底座3,然后打开抽气孔9,给腔体10抽真空,波纹管6向上运动压合两层叠放的待焊料于支撑板7和石英玻璃板2之间,然后打开充气阀和充气孔8,同时调节出气孔11,往下腔体内充气,此时波纹管6会进一步向上撑起,达到更紧密的压合,其接触间隙可由贴合压力控制,贴合压力可由进气流量(充气孔8进气流量大于出气孔11的出气流量)和真空度来控制。
43.这里的进气流量是充气压力的一种不同表述方式,实质上两者一样。
44.充气压力由“压力表”读数读取,显示为多少kpa,真空度由真空泵900的读数表读取,显示为多少kpa(负值)。二者相加为贴合压强,单位为mpa,贴合压力是贴合压强与焊接样品接触面积的乘积。不同的样品形状,不同的面积,得到不同的贴合压力。
45.充气压力和真空度产生的向上的合力即为贴合压力。充气压力(进气流量)和真空度越大,向上的合力越大,贴合压力越大,玻璃间接触间隙越小(越接近<100nm)。
46.在实际操作当中需要先抽真空,即调整真空度,这样可以首先把待焊样品接触面间的空气抽出来,减少后续激光加工过程中彩虹纹等缺陷的产生;而后再调整充气压力,来提高贴合压力。
47.本实施例通过真空度和充气压力的组合调整方式,解决待焊料表面接触间隙的量化控制问题,而使用传统工业真空泵单一抽真空方式,由于工业真空泵真空极限值为“小于一个大气压”,即真空度小于0.1mpa,其最大真空度不会超过一个大气压(<

100kpa),不一定满足光学接触间隙的需求。
48.作为一种实施方式,针对不同厚度,不同表面粗糙度或不同形状的玻璃,其接触间隙的控制方式不一样,可通过量化的充气压力和真空度来组合控制,保证接触间隙满足光学需求。
49.本发明还提供一种激光玻璃焊接系统,使用所述的真空压合治具100实现。如图1和2所示,所述激光玻璃焊接系统包括激光器200、光学单元和真空压合治具100,所述激光器200产生的激光经由光学单元传导后,透过真空压合治具100顶部的玻璃板2聚焦于待焊
料上;所述真空压合治具100的充气孔8连接压缩空气瓶700,且进气管道上设有压力表600;所述真空压合治具100的抽气孔9连接真空泵900,其抽气管道上设有真空读数表800。
50.所述光学单元包括沿光路依次设置的扩束镜300、反射镜400和聚焦物镜500。所述激光器200产生的激光入射到扩束镜300,经扩束镜300扩束后入射到反射镜400,所述反射镜400为45度反射镜,经该45度反射镜反射的光再经由聚焦物镜500聚焦以入射到待焊料上。
51.本系统在使用时,当通过真空压合治具100实现两片待焊料之间的间隙控制且密封腔体内达到气体平衡后,打开激光器200,通过该光学单元引导激光聚焦于待焊料上,对待焊料进行激光焊接,该技术方案通过真空压合治具实现了两片待焊料之间接触间隙的量化控制及管理,从而能够高效地完成玻璃样品的焊接,在保证焊接质量的基础上提高了焊接效率。
52.实施例1
53.本实施例提供一种激光玻璃焊接方法,包括如下步骤:
54.1.清洗、烘干、除尘两片玻璃待焊料(尺寸50*50*1mm和80*80*1mm);
55.2.预贴合待焊料,并平置于真空治具中,盖好并锁紧密封治具;
56.3.打开真空抽气孔9,并抽气达到真空度值v1;
57.4.打开充气孔8,并充气达到充气压力p1;
58.5.静置样品和治具,当达到腔内气体平衡,打开激光器,进行焊接(速度u,功率p,线宽d),得到激光焊接样品s1;
59.6.将样品s1进行焊接质量(q1)评判:外观、焊接强度、焊线连续性。
60.实施例2
61.1.重复实施例1中步骤1和2;
62.2.打开真空抽气孔9,并抽气达到真空度值v2;
63.3.打开充气孔8,并充气达到充气压力p2;
64.4.静置样品和治具,当达到腔内气体平衡,打开激光器,进行焊接(速度u,功率p,线宽d),得到激光焊接样品s2;
65.5.将样品s2进行焊接质量(q2)评判:外观、焊接强度、焊线连续性。
66.实施例3
67.1.重复实施例1中步骤1和2;
68.2.打开真空抽气孔9,并抽气达到真空度值v3;
69.3.打开充气孔8,并充气达到充气压力p3;
70.4.静置样品和治具,当达到腔内气体平衡,打开激光器,进行焊接(速度u,功率p,线宽d),得到激光焊接样品s3;
71.5.将样品s3进行焊接质量(q3)评判:外观、焊接强度、焊线连续性。
72.对比例1
73.1.清洗、烘干、除尘两片玻璃待焊料(尺寸50*50*1mm和80*80*1mm);
74.2.预贴合待焊料,并平置于普通机械压合治具中,下层玻璃由若干顶丝向上挤压,上层玻璃由石英玻璃盖板向下挤压,控制间隙方式是控制顶丝的行程;
75.3.打开激光器,进行焊接(速度u,功率p,线宽d),得到激光焊接样品s4;
76.4.将样品s4进行焊接质量(q4)评判:外观、焊接强度、焊线连续性。
77.对比例2
78.1.清洗、烘干、除尘两片玻璃待焊料(尺寸50*50*1mm和80*80*1mm);
79.2.直接手工压合两片待焊玻璃(玻璃间的静电吸附),置于治具上;
80.3.打开激光器,进行焊接(速度u,功率p,线宽d),得到激光焊接样品s5;
81.将样品s5进行焊接质量(q5)评判:外观、焊接强度、焊线连续性。
82.实施例1

3及对比例1

2的焊接参数如下表所示:
[0083][0084][0085]
从表中可见,对于焊接质量,q3>q2≈q4>q1>q5。
[0086]
由于实施例1采用的充气压力及真空度值较小,其贴合压力(对应的压强60kpa)小于对比例1中由石英玻璃盖板和顶丝产生的机械合力(对应的压强80kpa),对比例1中80kpa对应的压合力是其所用治具的最大安全范围内的压合力。即,采用对比例1中的方式,其压合力上限对应的压强为80kpa,此时待焊料间的接触间隙并不能达到光学接触,因此存在间隙过大,焊接熔池无法填充间隙,导致虚焊、焊不牢或焊不上的问题,而此时也不能简单通过提高激光焊接功率来解决。
[0087]
实施例2中,真空度值增加,使得待焊料之间的贴合压力增大,此情况与对比例1中能达到的极限贴合压力相同,因此,两者所得到的焊接质量相差不大。
[0088]
实施例3中,真空度值与实施例2一致,但是充气压力增大,因此,待焊料之间的贴合压力增大,玻璃焊料间的接触间隙减小,并且通过进一步控制充气压力及真空度来控制贴合压力,能够使接触间隙减小到小于100纳米,实现接触间隙的精确控制,且通过该精确控制,极大地提高了焊接效率和质量。
[0089]
本发明设计的真空压合治具可量化控制接触间隙,利用此治具的激光焊接设备能高效地提升激光焊接熔池的稳定性,连续性,从而提高焊接强度和精密性;此外,待焊玻璃放入真空环境,可以完全抽走两片玻璃间的空气,完全剔除玻璃间的微气泡、杂质等,大大降低了彩虹纹的产生,提高了焊接质量和美观度。
[0090]
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书
中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
[0091]
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。
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