阅读说明：本技术 一种应用于陶瓷的超快激光焊接方法 (Ultrafast laser welding method applied to ceramics ) 是由 李晓鹏 支新涛 冯靖 彭勇 王克鸿 周琦 王大森 袁松梅 于 2020-04-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及陶瓷连接技术领域,具体地说是一种陶瓷的超快激光焊接方法。该方法通过超快激光对陶瓷工件结合处进行辐照,陶瓷吸收光子能量,在高功率密度下诱导出非线性吸收现象,焦点处的陶瓷发生瞬时熔融,原子活性大大提高,进而陶瓷工件结合处的元素发生扩散现象,形成焊点。由于超快激光作用时间极短,热量来不及散失,热影响区极小。通过改变超快激光相关参数,既可以实现陶瓷的可靠连接,又可以大大降低有热应力导致焊缝开裂的现象。本发明采用上述方法,可降低焊缝的焊接应力,避免焊缝处裂纹产生,在不出现烧蚀的情况下实现陶瓷的熔融焊接。(The invention relates to the technical field of ceramic connection, in particular to an ultrafast laser welding method for ceramics. According to the method, the ceramic workpiece joint is irradiated by ultrafast laser, photon energy is absorbed by the ceramic, a nonlinear absorption phenomenon is induced under high power density, the ceramic at the focus is instantaneously melted, atomic activity is greatly improved, and then elements at the ceramic workpiece joint are diffused to form a welding spot. Because the ultra-fast laser has extremely short acting time, the heat can not be dissipated in time, and the heat affected zone is extremely small. By changing relevant parameters of the ultrafast laser, not only can reliable connection of ceramics be realized, but also the phenomenon of welding seam cracking caused by thermal stress can be greatly reduced. By adopting the method, the welding stress of the welding seam can be reduced, the generation of cracks at the welding seam is avoided, and the melting welding of ceramics is realized under the condition of no ablation.)

一种应用于陶瓷的超快激光焊接方法

技术领域

本发明涉及陶瓷材料的连接技术领域，具体地说是一种用于陶瓷的超快激光焊接方法。

背景技术

陶瓷材料与金属材料和高分子材料相比，具有高熔点、高硬度、耐高温、抗腐蚀和耐磨损等优异特点，在国防工业、电子信息、机械制造、核能以及新能源等工业领域有着广泛且难以替代的应用，陶瓷的应用在近二十年来也逐年保持着10％左右的增长。然而陶瓷材料由于其硬度高、熔点高、脆性大等特点，造成了陶瓷材料的焊接性能很差，同时其加工性能也不高，不能满足制造复杂零件的需求。目前陶瓷材料常用的连接方法有钎焊，扩散焊，机械连接法，激光焊接法等方法，其中用的最多的是钎焊法和扩散焊法。但是由于钎焊与扩散焊在高温情况下应用难以达到要求，近年来国内外也一直探索使用激光来焊接陶瓷，但是传统连续激光由于其热冲击作用大，焊接后陶瓷焊缝中总是存在着裂纹，严重制约了陶瓷材料的进一步广泛应用。如何减小或者消除陶瓷激光焊接中热裂纹的问题，成为了目前限制陶瓷焊接的一大难题。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术的不足，通过使用超快激光的超高瞬时功率来实现陶瓷材料熔化的同时，利用超快激光的非连续脉冲以及“冷加工”的特点，配合上合适的工艺参数与加工方式来降低陶瓷材料焊接过程中出现的裂纹问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种应用于陶瓷的超快激光焊接方法，包含陶瓷材料焊接面的清洗和超快激光焊接，实现陶瓷材料的焊接，并减少焊接过程中热应力带来的裂纹。

该方法具体工艺步骤如下：

步骤1：超快激光焊接前，对陶瓷焊接面依次采用丙酮，无水乙醇，去离子超声清洗待焊接面，然后吹干。

步骤2：把陶瓷按照焊接要求固定后，放置到超快激光焊接工作台上，焊缝正对激光传输的方向，采用压板固定，保证焊接过程中陶瓷的空间位置不发生变化。

步骤3：打开激光，按照焊接要求绘制焊接轨迹图形，设置相应的激光参数，把激光焦点移动到轨迹开始点处，开始激光扫描焊接。

本发明的原理及依据是：超快激光具有极其窄的单脉冲宽度，由于其单脉冲下作用时间极短，作用区域小，可以在低脉冲功率下实现高的脉冲能量密度。通过控制超快激光的聚焦作用区域，以诱导该区域的非线性吸收过程，通过激光与陶瓷晶格的相互作用，从而使得陶瓷元素局域快速扩散，从而实现焦点处的熔化而不是烧蚀，同时超快激光作用时间极短，热量积累在焊接处积累可以忽略不计。故超快激光可以在陶瓷之间实现高质量的熔融焊接。

本发明相对于现有技术相比具有显著优点：

1、超快激光由于脉宽极短，热扩散现象不明显，对于陶瓷焊缝周围几乎不产生热影响作用。

2、超快激光相对于连续激光而言焊接陶瓷材料的损伤阈值低，热冲击小，裂纹少。

3、超快激光焊接陶瓷不需要钎料，对环境友好。

4、超快激光焊接陶瓷对环境没有特殊要求，使用场合广。

5、超快激光焊接陶瓷只需在透光环境中进行，可以在水中、真空等特殊环境中作业。

6、超快激光焊接陶瓷对焊缝形状没有特殊要求，易于实现自动化。

7、超快激光焊接陶瓷焊缝可重复，焊缝质量可控。

附图说明

图1超快激光焊接示意图。

图2超快激光焊接陶瓷材料焊缝形貌图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明：

如附图1所示。一种应用于陶瓷的超快激光焊接方法，包含陶瓷材料焊接面的清洁和超快激光焊接，实现陶瓷材料的高效焊接，并减少焊接过程中热应力带来的裂纹。

陶瓷材质为氧化铝陶瓷，氧化锆陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷等结构陶瓷，钛酸钡陶瓷、二氧化钛陶瓷等介电陶瓷，铝酸镁陶瓷、氧化镁陶瓷等透明陶瓷，氧化钒陶瓷、氧化锌陶瓷等半导体陶瓷。

激光光源可以是单路也可以是多路并行，激光光路可以是一般光路也可以是经过时域整形的光路。当焊接区域不大时，采用一般光路、单路光源；焊接区域较大时，采用时空整形光路、多路并行光源。

方法步骤具体为：

第一步：超快激光焊接前，对陶瓷焊接面依次采用丙酮，无水乙醇，去离子超声清洗待焊接面，然后吹干。

第二步：把陶瓷按照焊接要求固定后，放置到超快激光焊接工作台上，焊缝正对激光传输的方向，采用压板固定，保证焊接过程中陶瓷的空间位置不发生变化。

第三步：打开激光，按照焊接要求绘制焊接轨迹图形，设置相应的激光参数，把激光焦点移动到轨迹开始点处，开始激光扫描焊接。

超快激光的脉宽是飞秒和皮秒量级。对光路进行整形以适应痕接区域的尺寸。超快激光可调整参数包含功率，离焦量，重复频率，脉宽，扫描方式，扫描速度和扫描次数。

实施例1

打开超快激光器对陶瓷材料进行焊接，所选陶瓷材料是氧化铝陶瓷。依次采用丙酮，无水乙醇，去离子水对氧化铝陶瓷待焊接面进行超声清洗，去除表面杂质和油污，用吹风机吹干，最后把陶瓷工件3和8按照焊接要求固定在超快激光的附图1的可移动工作平台上7，通过调整垫铁6控制压板5与平台平行，采用螺栓4压紧进而实现陶瓷3与陶瓷8的固定。调节激光参数：激光功率36W，脉宽300fs，重复频率1MHz，调节透镜3，使得光斑直径为0.1mm，扫描速度10mm/s，重复2次进行焊接。图2是焊接的效果图，可以看出形成了一条竖直的焊缝。

采用本发明应用陶瓷的超快焊接方法，可适用于氧化铝陶瓷，氧化锆陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷等结构陶瓷，钛酸钡陶瓷、二氧化钛陶瓷等介电陶瓷，铝酸镁陶瓷、氧化镁陶瓷等透明陶瓷，氧化钒陶瓷、氧化锌陶瓷等半导体陶瓷。

本发明应用于陶瓷的超快激光焊接方法，热影响区小、损伤阈值低，热冲击小，裂纹少；使用场所广泛，焊接质量可调控，焊接轨迹可变可控。