Lasery s ultrakrátkým pulzem v kombinaci s vynikající technologií automatického ostření poskytují kvalitu a spolehlivost procesu, které jsou nutné k tomu, aby bylo možné použít laserové svařování skla pro sériovou výrobu. Díky jedinečným a vynikajícím vlastnostem skla je široce používáno v různých high-tech produktech v různých oblastech, jako je biomedicína a mikroelektronika. Pro výrobce však představuje výzvy, zejména v oblasti velkoobjemového a přesného řezání skla. To také představuje potíže s lepením, včetně svařování jednotlivých skleněných součástí dohromady a svařování skla s jinými materiály, jako jsou kovy a polovodiče.
Míchání jako jeden
Všechny konvenční metody používané pro svařování skla bojují o zajištění přesnosti, kvality lepení a rychlosti výroby, které jsou potřebné pro ekonomickou a efektivní sériovou výrobu. Například lepení je ekonomická metoda, ale zanechává lepicí materiál na součásti a dokonce vyžaduje odplynění.
Dielektrické svařování zahrnuje umístění práškového materiálu do bodu kontaktu a jeho roztavení, aby se dokončilo spojení. Ať už je toto tavení dosaženo pecí nebo laserem, do součásti je čerpáno velké množství tepla. To je problém mikroelektronických zařízení a mnoha lékařských zařízení.
Iontové spojování je důmyslná metoda, která poskytuje extrémně vysokou pevnost spoje. Dva nové a extrémně ploché skleněné povrchy jsou stlačeny k sobě a doslova spojeny dohromady molekulární vazbou. Není však praktické provádět tuto operaci v produkčním prostředí.
Laserové svařování skla
A co laserové svařování? Sklo má mnoho velmi užitečných vlastností, jako je velmi vysoký bod tání, průhlednost, křehkost a mechanická tuhost, ale zároveň představuje mnoho potíží pro laserové svařování. Proto typické průmyslové lasery a metody používané pro svařování kovů a jiných materiálů nejsou na sklo použitelné.
Stejně jako přesné řezání skla spočívá tajemství v použití ultrakrátkých pulzních (USP) laserů s infračervenou vlnovou délkou. Sklo je průhledné v infračervené oblasti, takže zaostřený laserový paprsek může procházet přímo skrz něj, dokud se zaostřený paprsek nezúží a nestane se tak koncentrovaným, že spustí "nelineární absorpci". Tato "nelineární absorpce" může nastat pouze u ultrakrátkých pulzních laserů s vysokým špičkovým výkonem a totéž nelze udělat s jinými typy laserů.
Takže ve velmi malé oblasti (obvykle méně než několik desítek mikronů v průměru) kolem ohniska laserového paprsku sklo absorbuje laser a rychle taje. Tento zaostřený paprsek je snímán podél požadované svařovací dráhy, aby se dokončilo spojení, stejně jako jakákoli jiná forma laserového svařování.
Metoda svařování skla laserem USP nabízí tři hlavní výhody.
Za prvé, vytváří silnou vazbu, protože oba svařované materiály se částečně roztaví a poté spolu ztuhnou za vzniku svaru. Kromě toho je proces stejně vhodný pro lepení skla na sklo, skla na kov a skla na polovodič.
Za druhé, v tomto procesu vstupuje do součásti pouze velmi malé množství tepla, které se vytváří v oblasti široké maximálně několik set mikronů. To umožňuje umístění pájených spojů velmi blízko k elektronickým obvodům nebo jiným tepelně citlivým součástem, které poskytuje větší svobodu pro designéry a výrobce a podporuje lepší návrhy miniaturizace produktů.
Konečně, pokud je laserové svařování skla USP provedeno správně, nebudou kolem svaru vytvořeny žádné mikrotrhliny. Mikrotrhliny snižují mechanickou pevnost skla. Navíc po cyklování teplot (což je u všeho nevyhnutelné) se mikrotrhliny může být zdrojem případného selhání zařízení.
Uvedení laserového svařování skla do práce USP
Výhody laserového svařování skla USP spočívají v tom, že se sklo zahřívá pouze v malém objemu. To však také představuje výzvu v praxi. To znamená, že poloha laserového ostření musí zůstat velmi přesně na rozhraní mezi dvěma svařovanými součástmi, i když se součást pohybuje. Toho je obtížné dosáhnout, protože reálné komponenty nejsou zcela ploché. Navíc poloha, ve které jsou díly umístěny ve svařovacím systému, nemusí dokonale sedět.
Jedním z řešení je použití axiálně prodlouženého ohniska. Tím se "roztáhne" velikost ohniska laserového paprsku, aby se vyřešil problém polohové citlivosti. Nevýhodou této metody však je, že podlouhlé ohnisko paprsku vytváří ve skle taveninu s nekruhovým průřezem. Když sklo ztuhne v zóně tavení, nekruhová lázeň s větší pravděpodobností vytvoří mikrotrhliny.
Byla přijata jiná metoda k dosažení výsledků svařování bez mikrotrhlin a současně k přizpůsobení se významným změnám vzdáleností rozhraní v procesu. Tajemství spočívá v kombinaci vysoce dynamické zaostřovací technologie využívající optiku s vysokou numerickou aperturou (NA) k výrobě malé ohnisko.
Výsledkem je, že laserový systém dosahuje vysoké kulovitosti lázně taveniny a zabraňuje tak vzniku mikrotrhlin. Snímá také vzdálenost rozhraní a neustále upravuje optiku tak, aby bylo vždy zachováno dokonalé zaostření.
Výsledkem je vysoce kvalitní svar téměř jakéhokoli tvaru součásti a proces je nezávislý na tolerancích a poloze součásti.
