前沿科技丨玻璃激光焊接的规模化生产
在许多行业，包括电子产品、汽车、建筑、光伏、技术光学和医疗设备等多个领域，有一个共同的需求就是实现玻璃、蓝宝石等透明和半透明材料的产业化粘接。
超短脉冲激光技术是目前将玻璃与玻璃粘接的主要方法，该方法虽已应用于生产好几年，并能够交付高质量的成品，但它迄今仅局限于小批量的生产，尽管如此，它仍有潜力变得高效且大规模生产。
许多工业制造目前依赖于胶水粘接，这种粘接工艺非常适合于传统的大规模生产。随着时间的推移，制造商逐渐地优化了他们的涂胶技术，但他们仍然遇到与涂胶过程本身直接相关的缺点和质量问题。
粘合的一个基本问题就是它需要胶水! 这就增加了另一种必须集成到制造过程中的材料。机器或工人涂上胶水，把要连接的部件压在一起，但效果不是立即就能看到的，因为在接头变得足够牢固到可以使用之前胶水必须先变硬。激光焊接不需要任何额外材料，并能够立即产生全强度焊缝。胶粘剂也有其他缺点，例如，它们的化学和机械性能不同于那些被连接的部件。这可能会产生严重的后果。胶水可能会释放会污染组件的气体。它还会老化、变脆，可能会降低产品的使用寿命。更重要的是，粘接接头只能在有限的范围内有效阻隔气体和液体，而且只能在相对较短的时间内有效。相比之下，超短激光脉冲可以在要连接的部件之间建立持久的粘结而不存在上述任何问题。此外，激光焊接可以使组件更紧凑: 由于其更高的接缝强度，它不需要像胶水那样大的粘接表面。当涉及到连接表面的几何形状时，激光焊接也更加灵活，给零件设计师更多的空间来寻找创造性的解决方案。
然而，尽管激光玻璃焊接具有这些强大的优势，但由于两个关键缺点，即需要高质量的连接表面和缺乏自动化焊接质量控制系统，激光玻璃焊接一直难以在生产中应用。幸运的是，我们现在对这两个问题都有了解决方案。
如何实现？
在介绍我们的解决方案之前，让我简要描述一下该方法的基本工作原理。关键要求是红外激光脉冲具有高重复频率和脉冲宽度在皮秒范围内或更短。我们开始先把一个玻璃组件放在另一个上面。然后我们透过上面的组件发射激光束，这样它的焦点就在下面的组件里面。激光脉冲熔化了焦点处的材料，熔化材料的液滴向上扩散到上面的组件中。熔化的材料凝固后形成连锁连接。我们对每个焊接路径重复这个过程几千次。在几秒钟内，这样数千个焊点的结合就能产出一个持久的连结。
更大容差
先前，最佳的玻璃与玻璃之间激光焊接需要保持待粘接的零件之间的间隙需要在 1 到 4 微米的区域，但不能更高。超过这个间隙的大小，熔化的物质就会从间隙的侧面溢出，粘接就会失败。但是很多人都会问如何在量产上保持在这些限制之内，所以我们开始寻找增加容差的方法。
我们的第一步是切换到 TOP Weld 光学元件，这种焊接头使得脉冲具有拉长的光束轮廓。这么做的好处是使焊缝整体上变得更大，这使得粘接的间隙容差立即加倍。但下一步才是真正标志着在两方面的一个重大突破。它的关键是对每个焊接点的激光能量进行调制。换句话说，我们首先允许每个焊接点的激光脉冲的能量进行波动，然后立即让它再次下降。这将使间隙桥接容差再次提高了 30%，并将最大可桥接间隙大小提高 50%。这些改进提供了一种能够在量产上被真正满足的容差。
Top Weld
自动监测
能量调制的另一个好处是它最终打开了自动化质量控制的大门。以前，不管是使用光学方法，还是在显微镜下检验随机的横截面样品，我们只能在加工完成后对焊缝进行检查。这是一种昂贵且无法令人满意的方法。但是能量调制的引入突然给了我们一个新的，在这个过程中已知的值。我们现在需要的是第二个在加工过程中可测量的信号，但它必须是与加工过程直接相关变化的。我们的想法是可以将这些测量值与能量调制数据进行比较，以确定接缝上的每个单独点是否已经成功焊接。我们发现了我们需要的信号，即熔料在每个焊点发出的过程辐射。我们使用光电二极管测量了过程辐射，并通过各种计算建立了两个信号曲线之间的相关性，即我们已经得到的调制能量图和测量的过程辐射强度之间的相关性。这个结果给我们提供了一个可靠的关于在每个焊缝的结合强度的指标。我们实际上可以预测每个单独焊缝的质量并且准确率高达 98.6% !
一个焊缝通常由数千个焊缝点组成。通过计算所有成功焊接点的总和并分析其沿整个焊缝的分布情况，可以自动计算出整个焊接过程的成功程度。自动化质量控制是向工业生产迈进的一大步。它甚至开辟了抢救那些原本可能报废的部件的可能性，因为有缺陷的焊缝可以被纠正。具有自动监控的激光焊接是一种成熟、多产和可靠的方法，它为工业提供了一种可行的替代方法来连接玻璃和其他透明材料。智能手机的摄像头和显示器需要一种快速可靠的方法将玻璃连接到玻璃上。这只是玻璃激光焊接在量产上许多可能的应用之一。
焊接过程中的自动化质量控制如何工作 (a):对于焊缝中的每个焊点(b)，系统会测量和评估工艺辐射(c)。该辐射曲线越接近焊接过程(d)的归一化激光能量曲线，则连结连接越好。焊缝的整体质量取决于评级为“好”(黑色)焊缝点的数量和分布情况。
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