一种透明陶瓷和金属的超快激光连接方法与流程

1.本发明涉及超快激光透明陶瓷和金属连接技术领域，具体为透明陶瓷和金属提供一种超快激光连接新方法。


背景技术：

2.目前国内外对透明陶瓷与金属的连接主要采用胶接、机械连接、扩散焊以及活性钎焊等方法实现，其中，胶接操作简单，适用广泛，但存在粘结剂易脱气、易漂白、易软化、易老化等缺点；机械连接涉及钻孔等复杂工艺，且连接结构复杂，一定程度上影响透明陶瓷的视觉范围；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，这些无疑给连接过程带来了额外的复杂性，极大地限制了该方法的推广应用。因此，上述传统连接方法虽能取得良好的连接效果，但在接头强度、连接精度以及连接效率方面仍存在一定程度的制约。
3.近年来，超快激光的快速发展为材料的精密和高效连接提供了新的强大工具。超快激光的非线性吸收效应为透明陶瓷和金属之间的高效可靠连接提供了新的可能。
4.目前专利关于超快激光连接的专利报道仅见针对玻璃材料/金属材料以及陶瓷材料/陶瓷材料之间的连接，比如cn202011605205.4、cn201911220520.2、cn111574238a等，尚未发现超快激光连接陶瓷材料和金属材料的相关报道。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种透明陶瓷和金属的超快激光连接方法，旨在提高接头强度、接头精度以及连接效率，以解决现有技术中的部分缺陷。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是:提供一种透明陶瓷和金属的超快激光连接方法，包括以下步骤:
7.1)待连接的透明陶瓷和金属表面预处理：将待连接的透明陶瓷采用1000#～3000#金刚石磨盘进行逐级双面机械打磨，并在合成革高分子材料黑抛光布上进行双面抛光；将待连接金属采用280#～2000#砂纸进行逐级单面机械打磨，然后在抛光机上使用尼龙抛光布抛光至镜面；将抛光好的待连接的透明陶瓷和金属进行超声波清洗并吹干；
8.2)待连接的透明陶瓷和金属的固定与放置：将预处理好后的透明陶瓷和金属叠采用夹具进行固定夹紧，并将夹具固定的待连接的透明陶瓷和金属放置在激光待加工区域；
9.3)超快激光系统连接：调整超快激光光束焦点，使其聚焦到透明陶瓷和金属待连接界面处；然后，设定超快激光器的输出功率、脉冲宽度、重复频率、扫描路径、扫描速度、扫描线间距、扫描次数等参数进行超快激光焊接。
10.优选，在所述1)步骤中，采用的透明陶瓷包括蓝宝石(单晶氧化铝陶瓷)、白刚玉、氧化镁、氧化铍、氧化钇、氧化钇-二氧化锆等氧化物系列透明陶瓷以及砷化镓、硫化锌、硒化锌、氟化镁、氟化钙、铝酸镁等非氧化物透明陶瓷。
11.优选，在所述1)步骤中，采用的金属材料为铜、ti及ti合金、不锈钢、各类fe-ni合金等常用金属材料。
12.优选，在所述1)步骤中，待连接的透明陶瓷抛光方法如下：首先使用颗粒度为0.5～2μm金刚石抛光剂在合成革高分子材料黑抛光布上抛光10～20min，之后用清水在同样的合成革高分子材料黑抛光布上抛光5～10min即可。
13.优选，在所述2)步骤中，所述夹具是为了让透明陶瓷和金属紧密接触，且不影响超快激光激光连接过程，透明陶瓷和金属的间隙小于1微米。
14.优选，在所述3)步骤中，所述超快激光为飞秒激光或皮秒激光。
15.优选，在所述3)步骤中，所述超快激光光束类型为常见的高斯光束。
16.优选，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。
17.优选，在所述3)步骤中，由于超快激光的空间选择性高，超快激光连接透明陶瓷/金属接头形式多样，包括搭接和对接等；透明陶瓷/金属搭接时，透明陶瓷位于金属之上，激光先作用于透明陶瓷穿过透明陶瓷直接作用在透明陶瓷/金属搭接界面上；若透明陶瓷/金属对接时，透明陶瓷/金属在同一平面上对接，激光直接作用于对接缝上。
18.优选，在所述3)步骤中，超快激光焊接时的参数如下：脉宽在250fs～10ps之间、激光重复频率在1khz～2mhz之间、激光功率在4～40w之间、激光光斑直径在20～60μm之间、激光扫描速度在10～1000mm/s之间，扫描线间距在20μm～1mm之间、扫描次数为1～10次。
19.本发明提出了一种新的透明陶瓷和金属连接技术，是以前专利从未涉及过的新方法。解决了传统透明陶瓷和金属连接方法中存在的一些不足。
20.本发明利用超快脉冲激光在透明材料中可以实现非线性吸收的特性，使得透明陶瓷和金属材料可以在焦点区域对应的附近极小的范围完成材料之间的强结合作用，有效避免了材料过多的热量积累，因而不会引起透明陶瓷过热膨胀而产生裂纹，有助于提高透明陶瓷与金属的焊接精度与质量。与传统透明陶瓷和金属的连接方法相比，本发明解决了透明陶瓷和金属连接中的接头残余应力大、效率低、工艺繁琐、精度低等问题。
附图说明
21.图1为本发明实施例的平行线型扫描路径示意图(非实际比例尺)；
22.图2为本发明实施例的焊接接头剪切力试验的位移-试验力曲线图(横坐标单位为mm，纵坐标单位为kn)；
23.图3为本发明实施例的透明陶瓷(蓝宝石)/金属(4j36殷瓦合金)连接界面sem微观组织图；
24.图4为超快激光系统连接系统。
具体实施方式
25.下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例，
26.实施例1
27.一种适用于透明陶瓷和金属的超快激光连接方法，按以下步骤进行：
28.1)待连接的透明陶瓷和金属表面预处理：本实施例中选择的待连接透明陶瓷材料
为蓝宝石(厚度为3mm)；本实施例中选择的待连接金属材料为4j36殷瓦合金；对待连接的透明陶瓷(蓝宝石)分别采用1000#、1500#、2000#、3000#的金刚石磨盘进行双面逐级机械打磨，并在合成革高分子材料黑抛光布上进行双面抛光，具体抛光方法为：使用颗粒度为1μm的金刚石抛光剂在合成革高分子材料黑抛光布上抛光10～20min，之后用清水在同样的合成革高分子材料黑抛光布上抛光5～10min；对待连接的金属(4j36殷瓦合金)分别采用280#、600#、1000#、2000#砂纸进行单面逐级机械打磨，然后将打磨好的金属(4j36殷瓦合金)在抛光机上使用尼龙抛光布进行抛光，具体抛光方法为：分别使用2.5μm、1μm、0.5μm的金刚石研磨膏在尼龙抛光布上逐级抛光至镜面；然后将打磨抛光处理后的透明陶瓷(蓝宝石)和金属(4j36殷瓦合金)置于无水乙醇中，经频率为80hz的超声波清洗10min左右，然后将清洗完毕后的透明陶瓷(蓝宝石)和金属(4j36殷瓦合金)用镊子取出并吹干。其中待连接的蓝宝石也可为同厚度(3mm)的商用双面抛光蓝宝石；
29.2)待连接的透明陶瓷和金属的固定与放置：将预处理好后的透明陶瓷(蓝宝石)放在金属(4j36殷瓦合金)上叠放在夹具中，夹具是为了让透明陶瓷(蓝宝石)和金属(4j36殷瓦合金)紧密接触，且不影响超快激光焊接过程；此外，可通过调整夹具的夹紧力度来调整透明陶瓷(蓝宝石)和金属(4j36殷瓦合金)的间隙。为确保超快激光焊接透明陶瓷(蓝宝石)和金属(4j36殷瓦合金)的精度和强度，调整夹具夹紧力度使透明陶瓷(蓝宝石)和金属(4j36殷瓦合金)叠放时出现牛顿环即可，此时透明陶瓷(蓝宝石)和金属(4j36殷瓦合金)的间隙小于1微米；
30.3)超快激光连接，见图4：将夹具夹好的透明陶瓷(蓝宝石)和金属(4j36殷瓦合金)放在激光加工平台上，通过激光指示器来调整夹具放置方位，确保超快激光的预设扫描位置；调整超快激光光束焦点位置，使其穿过透明陶瓷(蓝宝石)，聚焦到透明陶瓷(蓝宝石)和金属(4j36殷瓦合金)待连接界面处；然后，在激光器操作系统上设定超快激光的参数，包括：输出功率、脉冲宽度、重复频率、扫描路径、扫描速度、扫描线间距、扫描次数等。确认信息无误后控制激光器发射激光进行焊接即可。
31.作为本发明实施例的优化方案，采用的超快激光为飞秒激光；具体激光参数为：脉宽为800fs、重复频率为200khz、功率为8w、光斑直径为36μm、扫描速度为100mm/s、扫描次数1次、扫描面积为20mm2的正方形；扫描路径为平行线型，如图1所示，其中平行线型路径的线间距l为72μm，按此标准来填充扫描区域；超快激光连接透明陶瓷(蓝宝石)/金属(4j36殷瓦合金)的接头形式为搭接。
32.作为本发明实施例的优化方案，激光扫描路径除平行线性外，还有其他特殊图案，包括：十字交叉型、同心矩形型、同心圆型、螺旋线型等。
33.作为本发明实施例的优化方案，由于超快激光的空间选择性高，超快激光连接透明陶瓷/金属接头形式多样，除搭接外，还有对接等其他形式。
34.实验测试：连接完成后，测试焊接接头的剪切强度。如图2可知，当试验力达2236n时焊接接头发生断裂。由剪切强度公式p＝f/s可知，f为焊接接头断裂时所受的最大剪切力，s可近似为扫描面积，故可计算透明陶瓷(蓝宝石)/金属(4j36殷瓦合金)搭接接头的拉伸剪切强度，约为112mpa。将连接好的透明陶瓷(蓝宝石)和金属(4j36殷瓦合金)工件沿连接界面的垂直方面切开，对透明陶瓷(蓝宝石)/金属(4j36殷瓦合金)连接界面进行打磨、抛光、喷金处理，然后在sem下观察透明陶瓷(蓝宝石)/金属(4j36殷瓦合金)连接界面的微观
组织，发现透明陶瓷(蓝宝石)/金属(4j36殷瓦合金)连接界面出现交错，且金属(4j36殷瓦合金)颗粒相对较多地进入到透明陶瓷(蓝宝石)一侧，接头宽度不超过1微米，具有亚微米级的连接精度，如图3所示。

技术特征：
1.一种透明陶瓷和金属的超快激光连接方法，其特征在于，包括以下步骤:1)待连接的透明陶瓷和金属表面预处理：将待连接的透明陶瓷采用1000#～3000#金刚石磨盘进行逐级双面机械打磨，并在合成革高分子材料黑抛光布上进行双面抛光；将待连接金属采用280#～2000#砂纸进行逐级单面机械打磨，然后在抛光机上使用尼龙抛光布抛光至镜面；将抛光好的待连接的透明陶瓷和金属进行超声波清洗并吹干；2)待连接的透明陶瓷和金属的固定与放置：将预处理好后的透明陶瓷和金属叠采用夹具进行固定夹紧，并将夹具固定的待连接的透明陶瓷和金属放置在激光待加工区域；3)超快激光系统连接：调整超快激光光束焦点，使其聚焦到透明陶瓷和金属待连接界面处；然后，设定超快激光器的输出功率、脉冲宽度、重复频率、扫描路径、扫描速度、扫描线间距、扫描次数等参数进行超快激光焊接。2.按照权利要求1所述的一种透明陶瓷和金属的超快激光连接方法，其特征在于，在所述1)步骤中，采用的透明陶瓷包括蓝宝石(单晶氧化铝陶瓷)、白刚玉、氧化镁、氧化铍、氧化钇、氧化钇-二氧化锆等氧化物系列透明陶瓷以及砷化镓、硫化锌、硒化锌、氟化镁、氟化钙、铝酸镁等非氧化物透明陶瓷。3.按照权利要求1所述的一种透明陶瓷和金属的超快激光连接方法，其特征在于，在所述1)步骤中，采用的金属材料为铜、ti及ti合金、不锈钢、各类fe-ni合金等常用金属材料。4.按照权利要求1所述的一种透明陶瓷和金属的超快激光连接方法，其特征在于，在所述1)步骤中，待连接的透明陶瓷抛光方法如下：首先使用颗粒度为0.5～2μm金刚石抛光剂在合成革高分子材料黑抛光布上抛光10～20min，之后用清水在同样的合成革高分子材料黑抛光布上抛光5～10min即可。5.按照权利要求1所述的一种透明陶瓷和金属的超快激光连接方法，其特征在于，在所述2)步骤中，所述夹具是为了让透明陶瓷和金属材料紧密接触，且不影响超快激光激光连接过程，透明陶瓷和金属的间隙小于1微米。6.按照权利要求1所述的一种透明陶瓷和金属的超快激光连接方法，其特征在于，在所述3)步骤中，所述超快激光为飞秒激光或皮秒激光。7.按照权利要求1所述的一种透明陶瓷和金属的超快激光连接方法，其特征在于，在所述3)步骤中，所述超快激光光束类型为常见的高斯光束。8.按照权利要求1所述的一种透明陶瓷和金属的超快激光连接方法，其特征在于，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。9.按照权利要求1所述的一种透明陶瓷和金属的超快激光连接方法，其特征在于，在所述3)步骤中，由于超快激光的空间选择性高，超快激光连接透明陶瓷/金属接头形式多样，包括搭接和对接等；透明陶瓷/金属搭接时，透明陶瓷位于金属之上，激光先作用于透明陶瓷穿过透明陶瓷直接作用在透明陶瓷/金属搭接界面上；若透明陶瓷/金属对接时，透明陶瓷/金属在同一平面上对接，激光直接作用于对接缝上。10.按照权利要求1所述的一种透明陶瓷和金属的超快激光连接方法，其特征在于，在所述3)步骤中，超快激光焊接时的参数如下：脉宽在250fs～10ps之间、激光重复频率在1khz～2mhz之间、激光功率在1～40w之间、激光光斑直径在20～60μm之间、激光扫描速度在10～1000mm/s之间，扫描线间距在20μm～1mm之间、扫描次数为1～10次。

技术总结
一种透明陶瓷和金属的超快激光连接方法，属于超快激光连接新技术领域。包括以下步骤：1)待连接的透明陶瓷和金属表面预处理；2)待连接的透明陶瓷和金属的固定与放置；3)超快激光系统连接。本发明解决了透明陶瓷和金属因物理化学性能差异大，在不添加任何中间层的前提下，直接连接难度较大的问题，实现透明陶瓷和金属超快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，其接头剪切强度较传统连接方法增加。切强度较传统连接方法增加。


技术研发人员：潘瑞 陈树君 李鹏 杨东 冯英豪 董志森
受保护的技术使用者：上海无线电设备研究所
技术研发日：2022.03.09
技术公布日：2023/9/20