一种基于双焦点分布的异质材料超快激光焊接方法及装备

本发明涉及激光微纳加工领域，特别涉及一种基于双焦点分布的异质材料超快激光焊接方法及装备

背景技术：

1、透明材料如玻璃、蓝宝石和光学晶体等具备出色的化学性质、物理性质和光学特性，同时具备良好的力学性能、耐腐蚀性和耐高温性等特点，因此在日常生活和科研生产中扮演着不可或缺的角色。这些透明材料已被广泛应用于航空航天、芯片封装、光电子封装、医疗等领域。然而，透明材料在光机电系统中的应用时，经常会遇到与金属材料的连接问题。举例来说，铜作为一种具备优良导电性、导热性、理想抗菌效果、延展性和耐腐蚀性的金属，在电子封装和mems制造领域中与玻璃广泛组装应用。然而，由于玻璃和铜在物理和化学属性上存在较大差异，传统的连接方法如机械连接、扩散连接和钎焊等难以实现这两种材料的高度可靠结合。另外，玻璃作为一种光学功能材料，常被用于光学窗口和透镜等应用。然而，由于玻璃的力学性能限制，需要将其与金属连接以提高系统的力学性能，并应用于高新技术领域。因此，对于透明材料与金属的连接问题，传统方法难以满足高可靠性连接的需求，需要进一步研究和发展新的方法。

2、超快激光焊接作为一种新的熔焊方法，通过将激光穿过玻璃并聚焦在玻璃和金属之间的界面上，形成热源，从而将熔融的玻璃和金属连接在一起。超快激光焊接具有热效应小、精度高等优点，非常适合连接各种玻璃和金属，在这一方面，已申请公开的专利(cn116890169a)“一种基于变脉宽双脉冲的激光焊接方法及多尺度观测系统”中提出将一束飞秒脉冲激光分束成两束飞秒脉冲激光的方式以实现对异质材料的焊接，一束飞秒脉冲激光展成脉宽可调脉冲产生适量的热效应，另一束飞秒脉冲激光透过上层样品聚焦于两层样品界面形成对样品的焊接，然而该方式用于异质材料焊接时，本质上是两束飞秒脉冲在同一焦点处对样品进行焊接，由于透明材料和金属材料的热膨胀系数和熔点差异较大，导致在单一焦点位置下难以获得强力的界面结合，容易在界面产生微裂纹和气孔和其他缺陷，因而难以实现高强度焊接；此外,中国专利文cn108581188a“一种复合激光焊接透明脆性材料的装置”，cn107892469a“一种多激光束合束焊接玻璃材料的方法及装备”通过超快激光和连续激光两步或同步复合焊接的方式实现透明脆性材料的焊接,超快激光用于增强吸收,连续激光用于实现焊接,且两焦点均在两块材料中间位置,适用的范围为透明硬脆材料。然而,该方式用于透明硬脆/金属异种材料焊接时,除了上述缺点外，超快激光作用下金属材料线性吸收易导致烧蚀从而造成显著缺陷,连续激光会进一步增加缺陷大小,因而难以实现高强度异种材料焊接,且该方法无法实现两种材料都有效吸收的激光参数，从而无法应用于物理性质差别较大的材料组合，限制了超快激光焊接的应用范围。

3、在现有的多种类超快激光焊接应用中，往往都依赖于使用单焦点分布的超快激光，然而这在实际应用中存在较大的弊端：由于透明材料对和金属材料对超快激光的吸收存在显著差异，透明材料达到融化状态时需求更高的超快激光脉冲能量，而更高的脉冲能量会对金属造成烧蚀，无法同步完成对透明材料、金属材料的加热与融化。因而可实现的焊接强度受限(一般低于10mpa)，难以满足实际需求。

4、因此，如何调控透明/金属异质材料超快焊接过程中同步完成对透明材料、金属材料的加热与融化成为新的难题与挑战，本发明通过双脉冲空间延迟模块，控制激光焦点分布及能量调控并实现超快激光双焦点分布，获得具有一定分束比的双飞秒脉冲。双飞秒脉冲的前脉冲能量低、后脉冲能量高。焊接过程利用了不同脉冲能量在透明材料内部的焦点漂移规律，即低脉冲能量在透明材料内部的焦点往样品小表面偏移，脉冲能量越高，焦点位置越往上偏移。因此高脉冲能量超快激光焦点在透明材料内部，随后的低脉冲能量超快激光焦点在金属材料内部。双脉冲超快激光延迟可以为百飞秒-皮秒时间尺度，激光移动或样品移动在毫秒时间尺度，可以认为两光束同步作用，因此可以实现透明-金属异质材料的同步融化与焊接。实现了高精度的局部材料融化与焊接，显著提高焊接的强度和稳定性。

技术实现思路

1、针对以上问题，本发明提供了一种基于双焦点分布的异质材料超快激光焊接方法及装备，使用超快激光器施加飞秒激光，通过双脉冲空间延迟模块，控制激光焦点分布及能量调控并实现超快激光双焦点分布，获得具有一定分束比双飞秒脉冲。上述双飞秒脉冲前脉冲能量低、后脉冲能量高。通过不同脉冲能量在透明材料内部的焦点漂移规律，高脉冲能量焦点位于透明材料中，低脉冲能量焦点位于金属材料中，对样品进行焊接。该焊接方法实现高精度的局部材料融化与焊接，显著提高焊接的强度和稳定性。以解决无法同步完成对透明材料、金属材料的加热与融化的问题。

2、为了达到上述的目的，本发明提供了一种基于双焦点分布的异质材料超快激光焊接的方法，包括以下步骤：

3、1)将两块材料用超声洗净并叠放在一起，两块材料表面相对，并用夹具夹持，此时保证材料之间可以紧密接触；

4、2)通过双脉冲空间延迟模块，获得具有5％-45％分束比双飞秒脉冲，上述双飞秒脉冲的前脉冲能量低、后脉冲能量高；

5、3)通过调节超快激光，获得具有上述分束比的双飞秒脉冲，因聚焦镜对光束的调整以及不同脉冲能量在透明材料内部的焦点漂移规律，使得低脉冲能量超快激光焦点在金属材料内部，随后的高脉冲能量超快激光焦点在透明材料内部；

6、4)使用双飞秒脉冲，其中低脉冲能量超快激光实现对金属材料的还热融化，高脉冲能量超快激光实现对透明材料的还热融化，最终实现基于指定路径异种材料的高强度焊接。

7、进一步，所述方法可以减少使透明材料融化的超快激光脉冲能量对金属造成的烧蚀，从而保证样品表面接触状态良好。

8、进一步，所述异质材料焊接指的是：透明-金属材料焊接，透明材料置于金属材料上方。

9、进一步，所述使用双脉冲空间延迟模块将超快激光调整成具有5％-45％分束比的双飞秒脉冲，前脉冲能量低、后脉冲能量高。

10、进一步，所述脉冲延迟可以为百飞秒-皮秒时间尺度。

11、进一步，所述超快激光为皮秒激光或飞秒激光。

12、进一步，所述透明材料为蓝宝石、熔融石英、硅。

13、进一步，所述金属材料为铝合金、钛合金、因瓦合金。

14、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的优点：

15、1.本发明提供的这种基于双焦点分布的异质材料超快激光焊接方法及装备利用双脉冲空间延迟模块，控制激光焦点分布及能量调控并实现超快激光双焦点分布，获得具有5％-45％分束比双飞秒脉冲，通过不同脉冲能量在透明材料内部的焦点漂移规律，低脉冲能量焦点位于金属材料中，高脉冲能量焦点位于透明材料中；双脉冲延迟可以为百飞秒-皮秒时间尺度，激光移动或样品移动在毫秒时间尺度，可以认为两光束同步作用，因此可以实现透明-金属异质材料的同步融化与焊接。该焊接方法双脉冲能够分别调整透明材料和金属材料所需的激光参数，使得焊接强度得到显著提高。

16、2.通过双脉冲空间延迟模块，控制激光焦点分布及能量调控并实现超快激光双焦点分布，获得具有5％-45％分束比双飞秒脉冲，低脉冲能量焦点位于金属材料中，高脉冲能量焦点位于透明材料中，与容易在不同材料的界面处形成缺陷的单脉冲焊接相比，双脉冲技术通过优化每个材料的热处理过程，减少了微裂纹和孔洞的形成。

17、3.对于激光吸收率不同的材料组合，单一脉冲的方法无法实现两种材料都有效吸收的激光参数，而本发明所提出的通过双脉冲空间延迟模块，实现超快激光双焦点分布，使得双脉冲能够分别调整透明材料和金属材料所需的激光参数，可实现更多焊接材料的组合，极大地拓宽了超快激光焊接的应用范围。

18、因而，本发明在解决透明/金属异质材料有效焊接的同时，可进一步显著提高焊接的强度、焊缝质量，有显著的技术优势。

19、以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。