用于焊接透明材料与金属材料的方法及设备与流程

1.本发明涉及激光焊接加工技术领域，更具体地说，涉及一种用于焊接透明材料与金属材料的方法及设备。


背景技术：

2.随着材料体系多元化和工艺水平的不断发展，透明材料与金属材料的异质连接得到越来越多的应用。例如电真空器件、制导和导航系统、传感器的封装等。由于透明材料与金属材料的熔点、热膨胀系数等特性差异较大，因此如何提高连接的安全性、可靠性和密封性等成为限制其应用的难点。常用的透明材料与金属材料的连接技术工艺有胶合粘接、固相焊接、以及激光热熔焊接等。然而，胶合粘接易漂白、易老化、并释放有害气体。固相焊接存在空间选择性低、结合层浅、材料适用面较窄等问题。
3.超快激光焊接具有加工精度高、热影响区小、不易破裂、连接强度较高，已在汽车、电子和医学等领域的微器件焊接中得到了迅速发展和应用。现有的技术方案中，为实现透明材料与金属材料的高强度焊接，要求样品达到光学接触状态，因此样品需要具备极低的表面粗糙度和极高的平面度。采用传统的打磨抛光的方式成本高且难以实现光学接触状态。因此，如何在非光学接触状态下实现透明材料与金属材料的高质量焊接是目前亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.本发明要解决的技术问题是如何在非光学接触状态下实现透明材料与金属材料的高质量焊接。
6.(二)技术方案
7.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
8.本发明提供一种用于焊接透明材料与金属材料的方法，用于将透明材料的第一待焊接平面与金属材料的第二待焊接平面焊接连接，所述第二待焊接平面的表面具有多个凹坑，包括以下步骤：
9.步骤一、对所述透明材料和所述金属材料进行超声清洗，清洗完成后，将所述金属材料放置于机床上，在所述金属材料表面铺设一层纳米金属粉末层，并将所述透明材料覆盖于所述纳米金属粉末层的上方，以使所述第一待焊接平面与所述第二待焊接平面相对设置；
10.步骤二、通过工装夹具夹紧所述透明材料和所述金属材料，并使所述透明材料和所述金属材料固定于所述机床上；
11.步骤三、调控熔覆激光器的焦点，使所述焦点聚焦于所述纳米金属粉末层靠近所述第二待焊接平面的表面处；
12.步骤四、启动熔覆激光器，所述熔覆激光器发射第一激光对所述纳米金属粉末层
进行扫描，所述纳米金属粉末层熔化形成流体填充材料，所述流体填充材料流动至所述凹坑将所述凹坑填平；
13.步骤五、启动超快激光器，所述超快激光器发射第二激光对所述透明材料与所述金属材料的相接面进行扫描焊接，以使所述第一待焊接平面与所述第二待焊接平面焊接连接。
14.优选地，所述透明材料为石英玻璃、或硼硅玻璃、或硅铝酸盐玻璃、或蓝宝石玻璃。
15.优选地，所述金属材料为铝合金、或钛合金、或不锈钢。
16.优选地，所述熔覆激光器的输出波长为200～2500nm，输出功率为10～1000w，脉冲重复频率为5～800mhz。
17.优选地，所述超快激光器的脉冲宽度为50fs～10ps，输出波长为355～1064nm，输出功率为1～200w，脉冲重复频率为1khz～100mhz。
18.第二方面，本发明还提供一种用于焊接透明材料与金属材料的设备，该设备包括：
19.机床，设有用于放置所述透明材料和所述金属材料的工作台；
20.工装夹具，设于所述机床上，所述工装夹具用于夹持所述透明材料和所述金属材料；
21.熔覆激光器，连接于所述机床，所述熔覆激光器用于发射第一激光；
22.超快激光器，连接于所述机床，所述超快激光器用于发射第二激光；
23.第一焊枪，连接于所述机床，所述第一焊枪能够相对于所述机床移动，所述第一焊枪上设有用于聚焦所述第一激光的透镜；
24.第二焊枪，连接于所述机床，所述第二焊枪能够相对于所述机床移动，所述第二焊枪上设有用于聚焦所述第二激光的聚焦系统。
25.优选地，所述聚焦系统包括沿所述第二激光的传播方向依次设置的扩束镜、反射镜组、扫描振镜以及聚焦场镜；
26.其中，所述扩束镜用于扩大所述第二激光的光束直径并减小所述第二激光的光束发散角，形成扩束激光，所述反射镜组设于所述扩束激光的光路上，所述反射镜组用于将所述扩束激光反射至所述扫描振镜，所述扩束激光通过所述扫描振镜形成具有预设扫描速度和预设扫描线间距的扫描激光，所述扫描激光通过所述聚焦场镜聚焦至待焊接位置。
27.优选地，所述反射镜组包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜设于所述扩束激光的光路上，所述第二反射镜设置于所述第一反射镜组的反射光路上，所述第二反射镜的反射面与所述第一反射镜的反射面相对设置，所述第二反射镜的反射光通过所述扫描振镜形成扫描激光。
28.优选地，所述预设扫描速度为0.1～600mm/s，所述预设扫描线间距为0.01-0.3mm。
29.优选地，所述设备还包括控制器，所述控制器分别与所述熔覆激光器、所述超快激光器以及所述扫描振镜电性连接。
30.(三)有益效果
31.本发明的上述技术方案至少具有如下优点：
32.通过在透明材料与金属材料之间添加一层均匀的纳米金属粉末层，利用高能量密度的第一激光使金属纳米粉末层和金属材料表面的材料熔化形成流体填充材料，流体填充材料在工装夹具的夹持力的作用下流动并填充金属材料待焊界面的细小低洼处，从而改善
金属材料的表面状态，再利用超快的第二激光聚焦到第一待焊接平面与第二待焊接平面之间的待焊接表面，最终实现透明材料与金属材料的焊接。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1是本发明实施例提供的用于焊接透明材料与金属材料的设备的结构示意图。
35.图2是本发明实施例提供的透明材料与金属材料的相接面的结构示意图。
36.图3是本发明实施例提供的第二激光的焊接过程示意图。
37.图中各附图标记为：
38.10、透明材料；20、金属材料；30、纳米金属粉末层；
39.1、工作台；2、工装夹具；3、熔覆激光器；4、超快激光器；
40.11、第一待焊接平面；21、第二待焊接平面；51、聚焦系统；61、透镜；511、扩束镜；512、反射镜组；513、扫描振镜；514、聚焦场镜；5121、第一反射镜；5122、第二反射镜。
具体实施方式
41.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
42.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接位于另一个元件上或者间接位于另一个元件上。当一个元件被称为“连接于”另一个元件，它可以是直接连接或间接连接至另一个元件。
43.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，而不是指示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。
44.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示相对重要性或指示技术特征的数量。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。以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行更加详细的描述：
45.如图1、图2和图3所示，本发明实施例提供一种用于焊接透明材料10与金属材料20的设备，第二待焊接平面21的表面具有多个凹坑，该设备包括机床、工装夹具2、熔覆激光器3、超快激光器4、第一焊枪以及第二焊枪。机床设有用于放置透明材料10和金属材料20的工作台1，透明材料10和金属材料20优选为平板状结构；工装夹具2设于机床上，工装夹具用于夹持透明材料和金属材料；熔覆激光器3连接于机床，熔覆激光器3用于发射第一激光；具体地，熔覆激光器3为毫秒激光器，或微秒激光器，或连续激光器。超快激光器4连接于机床，超快激光器4用于发射第二激光；具体地，超快激光器4为皮秒激光器或飞秒激光器。第一焊枪连接于机床，第一焊枪能够相对于机床移动，第一焊枪上设有用于聚焦第一激光的透镜61；
透镜61可以将第一激光汇聚，以实现第一激光能量的聚焦。第二焊枪连接于机床，第二焊枪能够相对于机床移动，第二焊枪上设有用于聚焦第二激光的聚焦系统51；聚焦系统51可以将第二激光汇聚，以实现第二激光能量的聚焦，而且通过聚焦系统51可以调节第二激光的聚焦焦点以及其他焊接参数。需要说明地是，第一焊枪和第二焊枪都能够相对于机床进行移动，其中，可以是机床静止不动，第一焊枪和第二焊枪在驱动装置(电机或液压杆)的驱动力作用下进行移动；也可以是第一焊枪和第二焊枪静止不动，机床在驱动装置的驱动力作用下进行移动。
46.作为本实施例的其中一种可选实施方式，聚焦系统51包括沿第二激光的传播方向依次设置的扩束镜511、反射镜组512、扫描振镜513以及聚焦场镜514；其中，扩束镜511用于扩大第二激光的光束直径并减小第二激光的光束发散角，形成扩束激光，反射镜组512设于扩束激光的光路上，反射镜组512用于将扩束激光反射至扫描振镜513，扩束激光通过扫描振镜513形成具有预设扫描速度和预设扫描线间距的扫描激光，扫描激光通过聚焦场镜514聚焦至待焊接位置。具体地，聚焦场镜514的焦深包括但不限于f110、f160、f200。
47.作为本实施例的其中一种可选实施方式，反射镜组512包括第一反射镜5121和第二反射镜5122，第一反射镜5121设于扩束激光的光路上，第二反射镜5122设置于第一反射镜5121的反射光路上，第二反射镜5122的反射面与第一反射镜5121的反射面相对设置，第二反射镜5122的反射光通过扫描振镜513形成扫描激光。
48.作为本实施例的其中一种可选实施方式，预设扫描速度为0.1～600mm/s，预设扫描线间距为0.01-0.3mm。
49.作为本实施例的其中一种可选实施方式，设备还包括控制器5，控制器分别与熔覆激光器3、超快激光器4以及扫描振镜513电性连接。其中熔覆激光器3、超快激光器4、聚焦系统51和工作台1配合控制器5可以进行五轴联动调控，为大面积的加工工件加工提供了可能。其中熔覆激光器3和超快激光器4的激光参数、扫描振镜513的振镜参数及工作台1的机床参数都可调。控制器5内置有相关的控制程序，该控制程序为本领域技术人员所熟知的现有技术，本技术对此不再进行赘述。扫描振镜513通过控制器5发出的电信号来调整扫描速度与扫描线间距以达到预期的扫描效果。
50.第二方面，本发明实施例还提供一种用于焊接透明材料10与金属材料20的方法，用于将透明材料10的第一待焊接平面11与金属材料20的第二待焊接平面21焊接连接，包括以下步骤：
51.步骤一、对透明材料10和金属材料20进行超声清洗，清洗完成后，将金属材料20放置于机床上，在金属材料20表面铺设一层纳米金属粉末层30，并将透明材料10覆盖于纳米金属粉末层30的上方，以使第一待焊接平面11与第二待焊接平面21相对设置；超声清洗的目的是去除附着在透明材料10和金属材料20上的杂质或颗粒物质。
52.步骤二、通过工装夹具2夹紧透明材料和金属材料，并使透明材料10和金属材料20固定于机床上；
53.步骤三、调控熔覆激光器3的焦点，使焦点聚焦于纳米金属粉末层30靠近第二待焊接平面21的表面处；
54.步骤四、启动熔覆激光器3，熔覆激光器3发射第一激光对纳米金属粉末层30进行扫描，纳米金属粉末层30熔化形成流体填充材料，流体填充材料流动至凹坑将凹坑填平；通
过设置合理的熔覆激光器3的加工参数和工作台1的运动方式和路径，令第一激光的能量以热传导的形式传输到纳米金属粉末层30上，使得纳米金属粉末层30发生热熔，熔化后的纳米金属粉末层30在夹持力的作用下流动并填充透明材料10与金属材料20待焊界面的细小低洼处，从而使焊接界面达到紧密贴合，提高焊接质量和效率；熔化后的纳米金属粉末层30具有一定的热量，还可以预热其两侧的透明材料10和金属材料20，在第二激光的焊接过程中以降低金属材料20产生裂纹的可能性。纳米金属粉末层30应当具有一定的高度，以使纳米金属粉末层30完全填充凹坑，且可以被加热熔化流入至各个凹坑。
55.步骤五、启动超快激光器4，超快激光器4发射第二激光对透明材料10与金属材料20的相接面进行扫描焊接，以使第一待焊接平面11与第二待焊接平面21焊接连接。通过光学调控使第二激光的焦点聚焦在相接面上，即第一待焊接平面11与第二待焊接平面21之间，焊接方式为透射搭接焊。通过设置合理的超快激光器4的加工参数和焊接路径，令光束首先通过透明材料10在内部发生一系列的能量吸收、光束衍射与折射的过程后，聚焦到第一待焊接平面11与第二待焊接平面21之间的待焊界面。第二激光按照预设的轨迹进行扫描，并通过热传导的形式使得待焊界面的透明材料10与金属材料20发生熔化，由于第二激光作用的时间极短，使得传到焊接界面的热量还来不及在透明材料10与金属材料20的内部传输就完成了加工过程，因此熔化的材料瞬间冷却凝固，最终实现了透明材料10与金属材料20的高质量焊接。
56.作为本实施例的其中一种可选实施方式，透明材料10为石英玻璃、或硼硅玻璃、或硅铝酸盐玻璃、或蓝宝石玻璃。
57.作为本实施例的其中一种可选实施方式，金属材料20为铝合金、或钛合金、或不锈钢。纳米金属粉末层30的成分与金属材料20的成分应当一致，其中纳米金属粉末层30的成分包括但不限于铝合金、钛合金、不锈钢。
58.作为本实施例的其中一种可选实施方式，熔覆激光器3的输出波长为200～2500nm，输出功率为10～1000w，脉冲重复频率为5～800mhz。
59.作为本实施例的其中一种可选实施方式，超快激光器4的脉冲宽度为50fs～10ps，输出波长为355～1064nm，输出功率为1～200w，脉冲重复频率为1khz～100mhz。
60.作为本实施例的其中一种可选实施方式，第一激光的入射方向优选为与相接面垂直；扫描过程中第二激光的传输方向与相接面的夹角保持在80～100
°
之间，第二激光的入射方向优选为与相接面垂直。
61.以下为本技术提供的具体实施例：
62.本实施例中，透明材料10选用蓝宝石，金属材料20选用钛合金。选取蓝宝石的尺寸约为30mm
×
20mm
×
3mm，钛合金的尺寸约为50mm
×
40mm
×
3mm，纳米金属粉末层30为钛合金纳米粉末。
63.按照上述实施例中一种用于焊接透明材料10与金属材料20的方法的步骤进行加工。其中，熔覆激光器3产生高功率的第一激光，设定输出波长为1064nm，输出功率为100w，脉冲重复频率为100mhz；超快激光器4产生超快的第二激光，设定激光脉冲宽度为120fs，输出波长为1064nm，输出功率为5w，脉冲重复频率为200khz；通过f160的聚焦场镜514使第二激光聚焦并作用在第一待焊接平面11与第二待焊接平面21之间的待焊界面上，设置扫描振镜513的扫描速度为10mm/s，扫描线间距为0.1mm，扫描过程中激光束的入射方向与待焊界
面的夹角保持在80～100
°
之间，焊接方式为透射搭接焊。最终可以实现透明材料10与金属材料20间的高质量焊接。
64.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于焊接透明材料与金属材料的方法，用于将透明材料的第一待焊接平面与金属材料的第二待焊接平面焊接连接，所述第二待焊接平面的表面具有多个凹坑，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、对所述透明材料和所述金属材料进行超声清洗，清洗完成后，将所述金属材料放置于机床上，在所述金属材料表面铺设一层纳米金属粉末层，并将所述透明材料覆盖于所述纳米金属粉末层的上方，以使所述第一待焊接平面与所述第二待焊接平面相对设置；步骤二、通过工装夹具夹紧所述透明材料和所述金属材料，并使所述透明材料和所述金属材料固定于所述机床上；步骤三、调控熔覆激光器的焦点，使所述焦点聚焦于所述纳米金属粉末层靠近所述第二待焊接平面的表面处；步骤四、启动熔覆激光器，所述熔覆激光器发射第一激光对所述纳米金属粉末层进行扫描，所述纳米金属粉末层熔化形成流体填充材料，所述流体填充材料流动至所述凹坑将所述凹坑填平；步骤五、启动超快激光器，所述超快激光器发射第二激光对所述透明材料与所述金属材料的相接面进行扫描焊接，以使所述第一待焊接平面与所述第二待焊接平面焊接连接。2.如权利要求1所述的用于焊接透明材料与金属材料的方法，其特征在于，所述透明材料为石英玻璃、或硼硅玻璃、或硅铝酸盐玻璃、或蓝宝石玻璃。3.如权利要求1所述的用于焊接透明材料与金属材料的方法，其特征在于，所述金属材料为铝合金、或钛合金、或不锈钢。4.如权利要求1所述的用于焊接透明材料与金属材料的方法，其特征在于，所述熔覆激光器的输出波长为200～2500nm，输出功率为10～1000w，脉冲重复频率为5～800mhz。5.如权利要求1所述的用于焊接透明材料与金属材料的方法，其特征在于，所述超快激光器的脉冲宽度为50fs～10ps，输出波长为355-1064nm，输出功率为1～200w，脉冲重复频率为1khz～100mhz。6.一种用于焊接透明材料与金属材料的设备，其特征在于，包括：机床，设有用于放置所述透明材料和所述金属材料的工作台；工装夹具，设于所述机床上，所述工装夹具用于夹持所述透明材料和所述金属材料；熔覆激光器，连接于所述机床，所述熔覆激光器用于发射第一激光；超快激光器，连接于所述机床，所述超快激光器用于发射第二激光；第一焊枪，连接于所述机床，所述第一焊枪能够相对于所述机床移动，所述第一焊枪上设有用于聚焦所述第一激光的透镜；第二焊枪，连接于所述机床，所述第二焊枪能够相对于所述机床移动，所述第二焊枪上设有用于聚焦所述第二激光的聚焦系统。7.如权利要求6所述的用于焊接透明材料与金属材料的设备，其特征在于，所述聚焦系统包括沿所述第二激光的传播方向依次设置的扩束镜、反射镜组、扫描振镜以及聚焦场镜；其中，所述扩束镜用于扩大所述第二激光的光束直径并减小所述第二激光的光束发散角，形成扩束激光，所述反射镜组设于所述扩束激光的光路上，所述反射镜组用于将所述扩束激光反射至所述扫描振镜，所述扩束激光通过所述扫描振镜形成具有预设扫描速度和预设扫描线间距的扫描激光，所述扫描激光通过所述聚焦场镜聚焦至待焊接位置。
8.如权利要求7所述的用于焊接透明材料与金属材料的设备，其特征在于，所述反射镜组包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜设于所述扩束激光的光路上，所述第二反射镜设置于所述第一反射镜组的反射光路上，所述第二反射镜的反射面与所述第一反射镜的反射面相对设置，所述第二反射镜的反射光通过所述扫描振镜形成扫描激光。9.如权利要求7所述的用于焊接透明材料与金属材料的设备，其特征在于，所述预设扫描速度为0.1～600mm/s，所述预设扫描线间距为0.01-0.3mm。10.如权利要求7-9任一项所述的用于焊接透明材料与金属材料的设备，其特征在于，所述设备还包括控制器，所述控制器分别与所述熔覆激光器、所述超快激光器以及所述扫描振镜电性连接。

技术总结
本发明提供了一种用于焊接透明材料与金属材料的方法及设备，方法包括以下步骤：在金属材料表面铺设一层纳米金属粉末层，并将透明材料覆盖于纳米金属粉末层的上方；通过工装夹具夹紧透明材料和金属材料，并使透明材料和金属材料固定于机床上；调控熔覆激光器的焦点聚焦于纳米金属粉末层的表面；熔覆激光器发射第一激光对纳米金属粉末层进行扫描，纳米金属粉末层熔化形成流体填充材料；超快激光器发射第二激光对透明材料与金属材料的相接面进行扫描焊接，以使第一待焊接平面与第二待焊接平面焊接连接。金属纳米粉末层熔化形成的流体填充材料能够填充金属材料待焊界面的细小低洼处，从而改善金属材料的表面状态，进而提升焊接质量。量。量。


技术研发人员：张伟 蔡敏 李梦阳 张晓兵 李元成 焦佳能 杨炳东
受保护的技术使用者：中国航空制造技术研究院
技术研发日：2023.08.28
技术公布日：2023/10/19