Ultrakorte pulslasere kombineret med udsøgt selvfokuserende teknologi giver den kvalitet og procespålidelighed, der kræves for at muliggøre laserglassvejsning til volumenproduktion. Glass unikke og fremragende egenskaber gør det meget udbredt i forskellige højteknologiske produkter inden for forskellige områder såsom biomedicin og mikroelektronik. Men det udgør udfordringer for producenterne, især inden for højvolumen, præcisionsskæring af glas. Det giver også vanskeligheder med limning, herunder sammensvejsning af individuelle glaskomponenter og svejsning af glas til andre materialer såsom metaller og halvledere.
Blanding som én
Alle konventionelle metoder, der anvendes til svejsning af glas, kæmper for at give den præcision, bindingskvalitet og produktionshastighed, der kræves for økonomisk og effektiv serieproduktion. Klæbende limning er for eksempel en økonomisk metode, men efterlader klæbemateriale på delen og kræver endda afgasning.
Dielektrisk svejsning involverer at placere et pulveriseret materiale ved kontaktpunktet og smelte det for at fuldende bindingen. Uanset om denne smeltning opnås med ovn eller laser, er der meget varme, der pumpes ind i delen. Dette er et problem for mikroelektroniske enheder og mange medicinske enheder.
Ionbinding er en genial metode, der giver ekstremt høje bindingsstyrker. To nye og ekstremt flade glasoverflader er presset sammen og bogstaveligt talt smeltet sammen ved molekylær binding. Det er dog ikke praktisk at udføre denne operation i et produktionsmiljø.
Laserglassvejsning
Hvad med lasersvejsning? Glas har mange meget nyttige egenskaber, såsom et meget højt smeltepunkt, gennemsigtighed, skørhed og mekanisk stivhed, men det giver samtidig mange vanskeligheder ved lasersvejsning. Derfor er typiske industrielle lasere og metoder til svejsning af metaller og andre materialer ikke anvendelige til glas.
Ligesom præcisionsglasskæring ligger hemmeligheden i brugen af infrarøde bølgelængde ultrakorte pulse (USP) lasere. Glasset er gennemsigtigt i det infrarøde, så den fokuserede laserstråle kan passere lige igennem det, indtil den fokuserede stråle indsnævres og bliver så koncentreret, at den udløser "ikke-lineær absorption". Denne "ikke-lineære absorption" kan kun forekomme med ultrakorte pulserende lasere med høj spidseffekt, og det samme kan ikke gøres med andre typer laser.
Så i et meget lille område (normalt mindre end et par titus mikrometer i diameter) omkring laserstrålens fokus absorberer glasset laseren og smelter hurtigt. Denne fokuserede stråle scannes langs den ønskede svejsevej for at fuldføre limningen, ligesom enhver anden form for lasersvejsning.
USP laserglassvejsemetoden tilbyder tre hovedfordele.
For det første skaber det en stærk binding, da begge materialer, der svejses, delvist smeltes og derefter størkner sammen for at danne svejsningen. Desuden er processen lige velegnet til at lime glas til glas, glas til metal og glas til halvleder.
For det andet kommer der i denne proces kun en meget lille mængde varme ind i delen, som genereres i et område på højst et par hundrede mikrometer bredt. Dette muliggør placering af loddesamlinger meget tæt på elektroniske kredsløb eller andre termisk følsomme komponenter, som giver større frihed for designere og producenter og understøtter bedre produktminiaturiseringsdesign.
Endelig, hvis USP laserglassvejsning udføres korrekt, vil der ikke blive skabt mikrorevner omkring svejsningen.Og mikrorevner reducerer glassets mekaniske styrke. Derudover efter temperaturcyklus (hvilket er uundgåeligt for alt), mikrorevner kan være kilden til eventuel udstyrsfejl.
At sætte USP laserglassvejsning i gang
Fordelene ved USP laserglassvejsning skyldes, at glasset kun opvarmes i et lille volumen. Dette er dog også en udfordring i praksis. Det betyder, at laserfokuspositionen skal forblive meget præcis ved grænsefladen mellem de to svejste komponenter, selvom delen bevæger sig. Dette er svært at opnå, fordi komponenter i den virkelige verden ikke er helt flade. Derudover passer den position, hvor delene er placeret i svejsesystemet, muligvis ikke perfekt.
En løsning er at bruge et aksialt aflangt brændpunkt. Dette "strækker" størrelsen af laserstrålens brændpunkt for at løse positionsfølsomhedsproblemet. Ulempen ved denne metode er imidlertid, at det aflange strålefokus skaber en smeltepool i glasset med et ikke-cirkulært tværsnit. Når glasset størkner i smeltezonen, er der større sandsynlighed for, at den ikke-cirkulære pool danner mikrorevner.
En anden metode er blevet vedtaget for at opnå mikrorevnefri svejseresultater og til at rumme betydelige ændringer i grænsefladeafstande i processen på samme tid. Hemmeligheden ligger i kombinationen af meget dynamisk fokuseringsteknologi, der anvender optik med høj numerisk blænde (NA) til at producere et lille fokuspunkt.
Som et resultat opnår lasersystemet en høj sfæriskhed af smeltebassinet og undgår dermed mikrorevner. Den registrerer også grænsefladeafstanden og justerer konstant optikken, så perfekt fokus altid bevares.
Resultatet er en svejsning af høj kvalitet på næsten enhver form for del, og processen er uafhængig af delens tolerancer og position.
