Lasery s ultrakrátkymi impulzmi v kombinácii s vynikajúcou technológiou automatického zaostrovania poskytujú kvalitu a spoľahlivosť procesu potrebnú na to, aby bolo možné použiť aplikácie laserového zvárania skla pre sériovú výrobu. Jedinečné a vynikajúce vlastnosti skla ho robia široko používaným v rôznych high-tech produktoch v rôznych oblastiach, ako je biomedicína a mikroelektronika. Pre výrobcov však predstavuje výzvy, najmä v oblasti veľkoobjemového a presného rezania skla. To tiež predstavuje ťažkosti s lepením, vrátane zvárania jednotlivých sklenených komponentov dohromady a zvárania skla s inými materiálmi, ako sú kovy a polovodiče.
Miešanie ako jeden
Všetky konvenčné metódy používané na zváranie skla sa snažia zabezpečiť presnosť, kvalitu lepenia a rýchlosť výroby, ktorá je potrebná pre ekonomickú a efektívnu sériovú výrobu. Napríklad lepenie je ekonomický spôsob, ale zanecháva lepiaci materiál na diele a dokonca vyžaduje odplynenie.
Dielektrické zváranie zahŕňa umiestnenie práškového materiálu na miesto kontaktu a jeho roztavenie, aby sa dokončilo spojenie. Či už sa toto tavenie dosiahne pecou alebo laserom, do dielu sa čerpá veľké množstvo tepla. Toto je problém mikroelektronických zariadení a mnohých medicínskych zariadení.
Iónová väzba je dômyselná metóda, ktorá poskytuje extrémne vysokú pevnosť väzby. Dva nové a extrémne ploché sklenené povrchy sú zlisované a doslova spojené molekulárnou väzbou. Nie je však praktické vykonávať túto operáciu v produkčnom prostredí.
Laserové zváranie skla
A čo laserové zváranie? Sklo má mnoho veľmi užitočných vlastností, ako je veľmi vysoký bod tavenia, priehľadnosť, krehkosť a mechanická tuhosť, no zároveň predstavuje mnohé ťažkosti pre laserové zváranie. Preto typické priemyselné lasery a metódy používané na zváranie kovov a iných materiálov nie sú použiteľné na sklo.
Rovnako ako presné rezanie skla, tajomstvo spočíva v použití infračervených laserov s ultrakrátkymi pulzmi (USP). Sklo je priehľadné v infračervenej oblasti, takže zaostrený laserový lúč môže prechádzať priamo cez neho, kým sa zaostrený lúč nezúži a nestane sa tak koncentrovaným, že spustí "nelineárnu absorpciu". K tejto „nelineárnej absorpcii“ môže dôjsť len pri ultrakrátkych pulzných laseroch s vysokým špičkovým výkonom a to isté nemožno urobiť s inými typmi laserov.
Takže vo veľmi malej oblasti (zvyčajne menej ako niekoľko desiatok mikrónov v priemere) okolo ohniska laserového lúča sklo absorbuje laser a rýchlo sa topí. Tento zaostrený lúč sa skenuje pozdĺž požadovanej zváracej dráhy, aby sa dokončilo spojenie, rovnako ako akákoľvek iná forma laserového zvárania.
Metóda zvárania skla USP laserom ponúka tri hlavné výhody.
Po prvé, vytvára silné spojenie, pretože oba zvárané materiály sa čiastočne roztavia a potom spolu stuhnú, aby vytvorili zvar. Okrem toho je proces rovnako vhodný na lepenie skla na sklo, skla na kov a skla na polovodič.
Po druhé, pri tomto procese vstupuje do súčiastky len veľmi malé množstvo tepla, ktoré sa vytvára v oblasti šírky maximálne niekoľkých stoviek mikrónov. To umožňuje umiestnenie spájkovaných spojov veľmi blízko elektronických obvodov alebo iných tepelne citlivých súčiastok, ktoré poskytuje väčšiu slobodu pre dizajnérov a výrobcov a podporuje lepšie návrhy miniaturizácie produktov.
Nakoniec, ak sa laserové zváranie skla USP vykonáva správne, nevytvoria sa okolo zvaru žiadne mikrotrhliny. Mikrotrhliny znižujú mechanickú pevnosť skla. Okrem toho po teplotnom cykle (ktorý je pre všetko nevyhnutný) sa mikrotrhliny môže byť príčinou prípadného zlyhania zariadenia.
Zavedenie laserového zvárania skla USP do práce
Výhody laserového zvárania skla USP vyplývajú zo skutočnosti, že sklo sa zahrieva len v malom objeme. V praxi to však tiež predstavuje výzvu. To znamená, že poloha laserového zaostrenia musí zostať veľmi presne na rozhraní medzi dvoma zváranými komponentmi, aj keď sa diel pohybuje. To je ťažké dosiahnuť, pretože komponenty v reálnom svete nie sú úplne ploché. Okrem toho poloha, v ktorej sú diely umiestnené vo zváracom systéme, nemusí dokonale sedieť.
Jedným z riešení je použitie axiálne predĺženého ohniska. Tým sa "natiahne" veľkosť ohniska laserového lúča, aby sa vyriešil problém s citlivosťou na polohu. Nevýhodou tejto metódy však je, že predĺžené ohnisko lúča vytvára v skle taveninu s nekruhovým prierezom. Keď sklo stuhne v zóne tavenia, nekruhový bazén s väčšou pravdepodobnosťou vytvorí mikrotrhliny.
Bola prijatá ďalšia metóda na dosiahnutie výsledkov zvárania bez mikrotrhlín a na prispôsobenie sa významným zmenám vo vzdialenostiach rozhrania v procese súčasne. Tajomstvo spočíva v kombinácii vysoko dynamickej zaostrovacej technológie, ktorá využíva optiku s vysokou numerickou apertúrou (NA) na výrobu malé ohnisko.
Výsledkom je, že laserový systém dosahuje vysokú sférickosť taveniny a tým sa vyhýba mikrotrhlinám. Sníma aj vzdialenosť rozhrania a neustále upravuje optiku tak, aby bolo vždy zachované dokonalé zaostrenie.
Výsledkom je vysokokvalitný zvar na takmer akomkoľvek tvare dielu a proces je nezávislý od tolerancií a polohy dielu.
