一种基于超快激光时域整形的蓝宝石焊接系统及加工方法

1.本发明涉及超快激光应用领域，尤其涉及一种基于超快激光时域整形的蓝宝石焊接系统及加工方法。


背景技术：

2.透明晶体和金属的焊接件具有强度、硬度、耐磨、耐腐蚀性等多种特性，应用范围较广，其中常见的透明晶体，如玻璃和蓝宝石应用较多。而蓝宝石是一种氧化铝的透明单晶，又称为刚玉，其具有良好的机械性能、光学透明性、抗腐蚀性能以及高温稳定性等优点，广泛应用于高速飞行器红外窗口、高温压力传感器衬底、微波器件窗口以及led发光器件等。蓝宝石在这些光学-机械器件上的应用中，不可避免地要面临与其自身或其他金属材料的连接问题。为了保证这些器件在应用过程中的光学特性和机械强度，要求蓝宝石连接界面不仅具有较高的强度和较低的残余应力，还需具有较高的连接精度。
3.目前国内外对蓝宝石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，一定程度上影响窗口的视觉范围；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，但仍存在一定程度的制约，难以满足蓝宝石连接结构对于高强度、低应力、高精度和高效率的需要。
4.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。现有文献pan r,yang d,zhou t,et al.micro-welding of sapphire and metal by femtosecond laser[j].ceramics international,2023.中，提供了超快激光连接蓝宝石和殷瓦合金连接方法，采用超快激光连接蓝宝石和金属的采用传统的未经过整形的超快激光对蓝宝石与殷瓦合金进行焊接，但该方法在一定程度上仍存在加工效率较低，工艺参数窗口小，存在热应力，连接界面存在裂纹等技术问题。


技术实现要素：

[0005]
为了克服以上技术问题，本发明目的是提供一种基于超快激光时域整形的蓝宝石焊接系统及加工方法，以解决现有技术中存在的加工效率较低，工艺参数窗口小，存在热应力的技术问题。
[0006]
本发明提供了如下的技术方案：
[0007]
第一方面
[0008]
本发明提供了一种基于超快激光时域整形的蓝宝石焊接系统，其包括：
[0009]
激光发射系统，包括超快激光器(1)，用于发射出超快激光束；
[0010]
激光整形系统，用于对激光发射系统发射出的超快激光束的整形，所述整形包括
脉冲序列间隔、激光功率、脉冲宽度和重复频率的整形；
[0011]
偏振分光系统，用于对所述激光整形系统输出的激光束进行水平方向和垂直方向的偏振分光，以构建第一光束光路和第二光束光路，使第一光束和第二光束具有光程差；
[0012]
扫描振镜系统，用于对输出所述偏光分光系统的激光束进行偏转控制，聚焦为激光焊接光束，至待焊接的蓝宝石和金属材料接触界面，对蓝宝石和金属材料进行焊接；
[0013]
所述激光发射系统发射的超快激光束，经过激光整形系统、偏振分光系统和扫描振镜系统后，形成激光焊接光路；
[0014]
成像系统，用于对待焊接样品接触界面进行观察。
[0015]
上述实施方式中，扫描振镜系统，用于对输出所述偏光分光系统的激光束进行平面位置上的偏转，从而改变激光束辐照位置，并聚焦为激光焊接光束。
[0016]
根据一些实施方式，所述超快激光器(1)发射出飞秒脉冲激光或皮秒脉冲激光；所述激光整形系统包括依次通过光路连接的脉冲整形器(2)、激光扩束器(3)、波片(4)、第一定位光孔(5)、第一全反射镜(6)和第二全反射镜(7)，通过脉冲整形器(3)进行脉冲的子脉冲数量和子脉冲间隔的整形；通过激光扩束器(3)进行光束的扩束；通过所述波片(4)将激光束振动分解成垂直于光轴和平行于光轴两个分量；通过第一定位光孔(5)、第一全反射镜(6)和第二全反射镜(7)，将激光束输出；
[0017]
所述偏振分光系统包括偏振分光镜(8)，偏振分光镜(8)将激光束分为水平方向偏振的第一光束光路和垂直方向偏振的第二光束光路，所述第一光束光路包括用于调整光路距离的光路距离位移平台(11)，以及其上方设置的第三全反射镜(9)和第四全反射镜(10)；所述第二光束光路包括第五全反射镜(12)和第六全反射镜(13)，通过第一光束光路的光束和通过第二光束光路的光束具有光程差，第一、二光束光路通过第一半透半反镜(14)进行合束，形成合束激光。
[0018]
在上述实施方式中，子脉冲时间间隔为纳秒量级；通过激光扩束器的光束的扩束是指将直输入光束的直径扩大到更大的准直输出光束。
[0019]
根据一些实施方式，所述扫描振镜系统包括依次通过光路连接的第三半透半反镜(16)、第二定位光孔(20)、扫描振镜(21)和用于放置待焊接样品的位移工作平台(22)，通过所述扫描振镜(21)对所述合束激光进行辐照位置的偏转控制，并聚焦至待焊接样品接触界面进行焊接。
[0020]
根据一些实施方式，所述成像系统包括通过光路依次连接的散射光源(17)、第二半透半反镜(15)、成像透镜(18)和相机(19)；所述散射光源(17)发射散射光，通过第二半透半反镜(15)、第三半透半反镜(16)、第二定位光孔(20)和扫描振镜(21)后照射到位移工作台(22)待焊接样品接触界面，为焊接样品提供照明，构成照明光路；待焊接样品焊接界面光线依次通过所述扫描振镜(21)、所述第二定位光孔(20)、所述第三半透半反镜(16)、所述第二半透半反镜(15)，成像于所述成像透镜(18)后由所述相机(19)采集。
[0021]
第二方面
[0022]
本发明还提供了一种根据上述基于超快激光时域整形的蓝宝石焊接系统的加工方法，其包括以下步骤：
[0023]
s1：待焊接的蓝宝石和金属材料进行表面预处理：将待连接的蓝宝石进行双面机械打磨，并双面抛光；将待焊接金属材料进行单面逐级机械打磨，然后在抛光机上抛光至在
金相显微镜下无较大划痕，将处理好的待焊接试样进行超声波无水乙醇清洗并吹干；
[0024]
s2：待焊接蓝宝石和金属材料的固定与放置：将表面预处理后的蓝宝石和金属材料接触并在夹具中进行固定夹紧，并将夹具和待焊接的试样放置在所述位移工作台(22)上。
[0025]
s3：时域整形超快激光连接：调整所述超快激光器(1)、脉冲整形器(2)、偏振分光镜(8)以及光路距离位移台(11)以优化脉冲序列间隔、激光功率、脉冲宽度和重复频率；通过调整所述扫描振镜(21)和所述位移工作台(22)以调整扫描速度、扫描路径和扫描间距，使得经过整形后形成的激光焊接光束聚焦在蓝宝石与金属材料接触界面，通过所述相机(19)观察；
[0026]
根据一些实施方式，待焊接的金属材料选自殷瓦合金、铜、ti及ti合金、不锈钢和各类fe-ni合金中的一种；待焊接的蓝宝石选自商用双面抛光蓝宝石。
[0027]
根据一些实施方式，在s3步骤中，所述扫描路径具有一定的图案，所述图案选自十字交叉型、平行线型、同心矩形型、同心圆型和螺旋线型中的任一种。
[0028]
根据一些实施方式，在s3步骤中，蓝宝石与金属材料接头形式选自叠放、搭接和对接之中的任一种。
[0029]
根据一些实施方式，在s3步骤中，所述激光焊接光束的子脉冲间隔为0-16ns，子脉冲能量比为(0.1-10):1。
[0030]
相比于现有技术，本发明具备以下有益效果：
[0031]
本发明提出的基于超快激光时域整形的蓝宝石焊接系统及加工方法，由时域整形得到的双脉冲或多脉冲子脉冲能量相比于传统超快激光较低，能够减少热应力的产生，提高能量利用率。与传统钎焊、扩散焊相比，其无需对样品整体加热，减小了材料损伤，提高了焊接效率，并且由于能量密度高度集中可以实现对材料的高精度焊接。
附图说明
[0032]
图1为根据本发明提供的实施例一的结构示意图。
[0033]
图2为根据本发明提供的加工方法流程图。
[0034]
图3为根据本发明提供的蓝宝石和金属材料焊接时激光扫描的十字交叉路径。
[0035]
图4为根据本发明提供的整形激光光束焊接件与传统单脉冲光束焊接件的宏观形貌对比图。
[0036]
附图中标号为：
[0037]
1、超快激光器；2、脉冲整形器；3、激光扩束器；4、波片；5、第一定位光孔；6、第一全反射镜；7、第二全反射镜；8、偏振分光镜；9、第三全反射镜；10、第四全反射镜；11、光路距离位移平台；12、第五全反射镜；13、第六全反射镜；14、第一半透半反镜；15、第二半透半反镜；16、第三半透半反镜；17、散射光源；18、成像透镜；19、相机；20、第二定位光孔；21、扫描振镜；22、位移工作台。
具体实施方式
[0038]
以下结合实施例和附图对本发明进行详细描述，但需要理解的是，所述实施例和附图仅用于对本发明进行示例性的描述，而并不能对本发明的保护范围构成任何限制。所
有包含在本发明的发明宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。
[0039]
下面联系附图对本发明的技术方案进行详细说明。
[0040]
实施例一：
[0041]
如图1所示的一种基于超快激光时域整形的焊接系统的实施例，该焊接系统对蓝宝石和金属材料进行焊接，其包括：超快激光器1，用于发射超快激光；脉冲整形器2，用于对脉冲进行纳秒量级的时域整形；激光扩束器3，用于对激光光束直径的扩大；波片4，将超快激光器1发射的激光振动分解成垂直于光轴和平行于光轴两个分量；通过第一定位光孔5、第一全反射镜6和第二全反射镜7，激光束进入偏振分光镜8后，进行激光束的水平偏振和垂直偏振分开，分别为l1光束光路和l2光束光路；l1光束光路中包括设于光路距离位移平台11上的第三全反射镜9和第四全反射镜10；l2光束光路包括第五全反射镜12和第六全反射镜13，通过不同的光路，光束l1与l2产生光程差；经过第一半透半反镜14将光束l1与l2合束，合束光经过第三半透半反镜16、第二定位光孔20和扫描振镜21的对光束的偏转控制，并在位移工作台22上聚焦用于焊接蓝宝石和金属材料；而散射光源17、第二半透半反镜15、成像透镜18和相机19用于对位移工作台22的焊接操作进行观察。
[0042]
具体的，超快激光器1发出的飞秒或皮秒脉冲激光依次经过脉冲整形器2、激光扩束器3、波片4、第一定位光孔5、第一全反射镜6、第二全反射镜7，然后在偏振分光镜8处沿两个方向分成两束激光l1与l2，波片4用来将超快激光器1发射的激光振动分解成垂直于光轴和平行于光轴两个分量，偏振分光镜8用来将激光束的水平偏振和垂直偏振分开，波片4与偏振分光镜8共同组成了能量分配系统，可对激光束l1与l2能量分配进行自由调整控制；光束l1经过位于光路距离位移台11上的第三全反射镜9与第四全反射镜10，通过控制光路距离位移平台11的运动使得光束l1与l2产生光程差；l2经过第五全反射镜12与第六全反射镜13；光束l1与l2在第一半透半反镜14处进行合束后经过第三半透半反镜16、第二定位光孔20、扫描振镜21，最后在工作台22上的蓝宝石与金属样品接触界面聚焦形成了激光焊接光束，对蓝宝石和金属样品焊接，构成了激光焊接光路，金属材料选自殷瓦合金。此外上述基于超快激光时域整形的蓝宝石焊接系统还可以通过超快激光器1发射口设置脉冲整形器，协助调控激光束的脉冲序列子脉冲间隔和子脉冲能量分布比例。散射光源17、第二半透半反镜15、成像透镜18和相机19用于对位移工作台22的焊接操作进行实时观察。其中，散射光源17发出的光为散射光，散射光依次通过第二半透半反镜15、第三半透半反镜16、第二定位光孔20和扫描振镜21后照射到位移工作台22待焊接位置上，此光路构成照明光路；待焊接样品的焊接位置成像光线依次通过扫描振镜21、第二定位光孔20、第三半透半反镜16、第二半透半反镜15，成型于成像透镜18后由相机19捕捉，此光路构成成像光路。激光焊接光路与照明光路在经过第三半透半反镜16后重合，成像光路与照明光路在待焊接位置与第二半透半反镜15之间重合，待焊接试样通过夹具夹持固定在位移工作台22上。
[0043]
本发明还提供了上述基于超快激光时域整形的蓝宝石焊接系统的加工方法，如图2，该加工方法包括如下步骤：
[0044]
s1：待焊接的蓝宝石和金属材料进行表面预处理：将待连接的蓝宝石进行双面机械打磨，并双面抛光；将待焊接金属材料进行单面逐级机械打磨，然后在抛光机上抛光至在金相显微镜下无较大划痕，将处理好的待焊接试样进行超声波无水乙醇清洗并吹干；
[0045]
s2：待焊接蓝宝石和金属材料的固定与放置：将表面预处理后的蓝宝石和金属材
料接触并在夹具中进行固定夹紧，并将夹具和待焊接的试样放置位移工作台22上。
[0046]
s3：时域整形超快激光连接：通过调整超快激光器1、脉冲整形器2、偏振分光镜8以及光路距离位移台11以优化脉冲序列间隔、激光功率、脉冲宽度和重复频率，通过调整扫描振镜和位移工作台22以调整扫描速度、扫描路径和扫描间距，使得经过整形后超快激光聚焦在蓝宝石与金属材料接触界面，通过相机19观察加工现象；
[0047]
在s1步骤中，采用的金属材料除殷瓦合金外还可选自铜、ti及ti合金、不锈钢和各类fe-ni合金，待焊接的蓝宝石材料选自商用双面抛光蓝宝石。
[0048]
在s3步骤中，激光扫描路径为特殊的形状，形状包括：十字交叉型、平行线型、同心矩形型、同心圆型、螺旋线型等，如图3所示为激光扫描的十字交叉型路径。
[0049]
在s3步骤中，蓝宝石与殷瓦合金接头形式多样，其形式包括叠放、搭接和对接。
[0050]
在s3步骤中，激光焊接光束的子脉冲间隔为0-16ns，子脉冲能量比为(0.1-10):1。
[0051]
实施例二
[0052]
本实施例中，使用的飞秒激光器为carbide cb3-40w，发射的激光束中心波长有257nm、343nm、515nm和1064nm，脉冲宽度为263fs-5ps，重复频率1khz-2mhz，最大单脉冲能量为400μj，最大平均输出功率为40w，光场分布为高斯分布。使用的位移工作台的x、y和z轴的重复定位精度分别为
±
0.5μm、
±
0.5μm、
±
0.2μm。使用的相机19为工业级ccd。
[0053]
以超快激光时域整形焊接蓝宝石和殷瓦合金，本实施例的具体加工步骤如下：
[0054]
s1：待焊接材料表面预处理：对待连接的殷瓦合金采用砂纸进行单面逐级机械打磨，然后将打磨好的殷瓦合金在抛光机上使用光布进行抛光，抛光至殷瓦合金表面在金相显微镜下无较大划痕；对待连接的蓝宝石分别采用金刚石磨盘进行双面逐级机械打磨，并在抛光机上进行双面抛光，具体抛光方法为：首先使用金刚石抛光剂抛光10～20min，之后用清水抛光5～10min。然后将表面预处理后的蓝宝石和殷瓦合金置于无水乙醇中，经频率为100hz的超声波清洗5-10min，然后将清洗完毕后的蓝宝石与殷瓦合金用镊子取出并用吹风机吹干。其中待连接的蓝宝石材料也可为商用双面抛光蓝宝石；待连接的金属材料可以为铜、ti及ti合金、不锈钢和各类fe-ni合金。
[0055]
s2：待焊接样品的固定与放置：将预处理好后的蓝宝石和殷瓦合金叠放在夹具中，夹具是为了让蓝宝石和殷瓦合金材料紧密接触；此外，可通过调整夹具的夹紧力度来调整蓝宝石和金属材料的间隙。为确保超快激光焊接蓝宝石和金属的精度和强度，调整夹具夹紧力度使蓝宝石和金属叠放时出现牛顿环即可，此时蓝宝石和殷瓦合金的间隙小于1μm。同时打开散射光源17，借助相机19对加工过程进行检测。
[0056]
s3：超快激光时域整形：将各光路组件依按图1顺序连接，打开超快激光器1调整焦点位置使得扫描振镜21的焦点聚焦在蓝宝石与殷瓦合金接触面位置。调整波片4与偏振分光镜8以调节超快激光能量，调节光路距离位移台11位置使得子脉冲间隔为400fs，或直接使用脉冲整形器2对子脉冲间隔进行纳秒量级控制，然后光束通过上述整形光路辐照到蓝宝石与殷瓦合金界面实现两种材料的连接，同时在加工过程中可借助散射光源17，通过成型于成像透镜18和相机19对加工画面进行捕捉。
[0057]
在其它调节均相同情况下将传统单脉冲光束连接件与整形光束连接件在光聚焦显微镜下进行观察，经过整形光束焊接加工后连接界面形貌良好未发现微裂纹等由于热应力所引起的缺陷，如图4，展示了500um比例尺下的加工工件局部的形貌对比图，图4.a为未
整形光束加工工件图，工件上出现较明显裂纹；图4.b为整形光束加工工件，工件上未见裂纹。
[0058]
以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于超快激光时域整形的蓝宝石焊接系统，其包括：激光发射系统，包括超快激光器(1)，用于发射出超快激光束；激光整形系统，用于对激光发射系统发射出的超快激光束的整形，所述整形包括脉冲序列间隔、激光功率、脉冲宽度和重复频率的整形；偏振分光系统，用于对所述激光整形系统输出的激光束进行水平方向和垂直方向的偏振分光，以构建第一光束光路和第二光束光路，使第一光束和第二光束具有光程差；扫描振镜系统，用于对输出所述偏光分光系统的激光束进行偏转控制，聚焦为激光焊接光束，至待焊接的蓝宝石和金属材料接触界面，对蓝宝石和金属材料进行焊接；所述激光发射系统发射的超快激光束，经过激光整形系统、偏振分光系统和扫描振镜系统后，形成激光焊接光路；成像系统，用于对待焊接样品接触界面进行观察。2.根据权利要求1所述的基于超快激光时域整形的蓝宝石焊接系统，其特征在于：所述超快激光器(1)发射出飞秒脉冲激光或皮秒脉冲激光；所述激光整形系统包括依次通过光路连接的脉冲整形器(2)、激光扩束器(3)、波片(4)、第一定位光孔(5)、第一全反射镜(6)和第二全反射镜(7)，通过脉冲整形器(3)进行脉冲的子脉冲数量和子脉冲间隔的整形；通过激光扩束器(3)进行光束的扩束；通过所述波片(4)将激光束振动分解成垂直于光轴和平行于光轴两个分量；通过第一定位光孔(5)、第一全反射镜(6)和第二全反射镜(7)，将激光束输出；所述偏振分光系统包括偏振分光镜(8)，偏振分光镜(8)将激光束分为水平方向偏振的第一光束光路和垂直方向偏振的第二光束光路，所述第一光束光路包括用于调整光路距离的光路距离位移平台(11)，以及其上方设置的第三全反射镜(9)和第四全反射镜(10)；所述第二光束光路包括第五全反射镜(12)和第六全反射镜(13)，通过第一光束光路的光束和通过第二光束光路的光束具有光程差，第一、二光束光路通过第一半透半反镜(14)进行合束，形成合束激光。3.根据权利要求2所述的基于超快激光时域整形的蓝宝石焊接系统，其特征在于：所述扫描振镜系统包括依次通过光路连接的第三半透半反镜(16)、第二定位光孔(20)、扫描振镜(21)和用于放置待焊接样品的位移工作平台(22)，通过所述扫描振镜(21)对所述合束激光进行辐照位置的偏转控制，并聚焦至待焊接样品接触界面进行焊接。4.根据权利要求3所述的基于超快激光时域整形的蓝宝石焊接系统，其特征在于：所述成像系统包括通过光路依次连接的散射光源(17)、第二半透半反镜(15)、成像透镜(18)和相机(19)；所述散射光源(17)发射散射光，通过第二半透半反镜(15)、第三半透半反镜(16)、第二定位光孔(20)和扫描振镜(21)后照射到位移工作台(22)待焊接样品接触界面，为焊接样品提供照明，构成照明光路；待焊接样品焊接界面光线依次通过所述扫描振镜(21)、所述第二定位光孔(20)、所述第三半透半反镜(16)、所述第二半透半反镜(15)，成像于所述成像透镜(18)后由所述相机(19)采集。5.一种根据权利要求4所述基于超快激光时域整形的蓝宝石焊接系统的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：s1：待焊接的蓝宝石和金属材料进行表面预处理：将待连接的蓝宝石进行双面机械打磨，并双面抛光；将待焊接金属材料进行单面逐级机械打磨，然后在抛光机上抛光至在金相
显微镜下无较大划痕，将处理好的待焊接试样进行超声波无水乙醇清洗并吹干；s2：待焊接蓝宝石和金属材料的固定与放置：将表面预处理后的蓝宝石和金属材料接触并在夹具中进行固定夹紧，并将夹具和待焊接的试样放置在所述位移工作台(22)上。s3：时域整形超快激光连接：调整所述超快激光器(1)、脉冲整形器(2)、偏振分光镜(8)以及光路距离位移台(11)以优化脉冲序列间隔、激光功率、脉冲宽度和重复频率；通过调整所述扫描振镜(21)和所述位移工作台(22)以调整扫描速度、扫描路径和扫描间距，使得经过整形后形成的激光焊接光束聚焦在蓝宝石与金属材料接触界面，通过所述相机(19)观察。6.根据权利要求5所述的加工方法，其特征在于：待焊接的金属材料选自殷瓦合金、铜、ti及ti合金、不锈钢和各类fe-ni合金中的一种；待焊接的蓝宝石选自商用双面抛光蓝宝石。7.根据权利要求5所述的加工方法，其特征在于：在s3步骤中，所述扫描路径具有一定形状，所述形状选自十字交叉型、平行线型、同心矩形型、同心圆型和螺旋线型中的任一种。8.根据权利要求5所述的加工方法，其特征在于：在s3步骤中，蓝宝石与金属材料接头形式选自叠放、搭接和对接之中的任一种。9.根据权利要求5所述的加工方法，其特征在于：在s3步骤中，所述激光焊接光束的子脉冲间隔为0-16ns，子脉冲能量比为(0.1-10):1。

技术总结
本发明公开了一种基于超快激光时域整形的蓝宝石焊接系统及加工方法，焊接系统包括激光发射系统，用于发射出超快激光束；激光整形系统，用于对激光发射系统发射处的超快激光束的整形；偏振分光系统，用于对激光整形系统输出的激光束进行水平方向和垂直方向的偏振分光；扫描振镜系统对输出偏光分光系统的激光束进行偏转控制，聚焦为激光焊接光束，至待焊接的蓝宝石和金属材料接触界面，对蓝宝石和金属材料进行焊接；激光发射系统发射的超快激光束，经过激光整形系统、偏振分光系统和扫描振镜系统后，形成激光焊接光路。本发明由时域整形得到的双脉冲或多脉冲子脉冲能量相比于传统超快激光较低，能够减少热应力的产生，提高能量利用率。能量利用率。能量利用率。


技术研发人员：潘瑞 冯英豪 陈树君 蒋凡 成巍 周韬帅 杨东 董志森
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/7/12