基于超短脉冲激光的熔融石英玻璃叠焊工艺研究

论文摘要

玻璃微连接技术被广泛应用于电子元器件、传感器及医疗器械等领域。超短脉冲激光作为一种非接触式、高精度加工方式,利用非线性效应,与透明材料加工时无需添加材料且作用区域小,可有效避免传统焊接方式存在的依赖焊料以及焊接强度不高等问题,满足精度高、热影响区小的玻璃微连接需求。超短脉冲激光玻璃叠焊工艺目前研究存在依赖高数值光圈透镜、焊接参数影响不明确、缺乏焊接后评价等不足,因此本文基于焊接实现-形貌研究-性能评价的研究思路,在激光焊接实验、玻璃改性形貌特征、玻璃焊接后性能等方面开展研究,实现超短脉冲激光对玻璃的可靠焊接。具体研究内容如下:（1）采用低数值光圈超短脉冲激光加工系统,研究加工参数对玻璃焊接的影响规律。在不同激光脉冲能量、扫描速度及焦点位置条件下对玻璃进行焊接实验,定性分析不同加工参数的玻璃焊接结果。（2）基于玻璃改性形貌特征揭示超短脉冲激光焊接机制。根据超短脉冲激光焊接玻璃原理,对激光加工后玻璃内部改性形貌进行研究,分析不同激光加工参数下玻璃内部改性形貌初始改性点、改性形貌长度与两块玻璃交界面的关系。（3）建立形貌初始改性点偏移量预测模型,结合改性形貌特征实现焊接参数选择。针对改性形貌中初始改性点偏移现象,建立初始改性点位置与激光脉冲能量、扫描速度的预测模型,并通过实验验证其准确性;基于改性形貌特征,建立不同加工参数下形貌长度的模型,实现玻璃焊接参数选择。（4）完成对焊缝形貌性能与焊接后焊接强度的评价。利用微米压痕仪,实现对焊接后玻璃焊缝硬度测量;结合拉曼光谱实验,研究加工后玻璃内部结构变化,揭示激光加工对玻璃内部结构影响;设计拉伸装置实现玻璃焊接强度实验,分析玻璃焊接强度的影响因素。本文以超短脉冲激光焊接熔融石英玻璃工艺为研究对象,采用不同激光加工参数展开定性研究,基于焊接结果展开改性形貌研究,揭示焊接成功及失败原因,建立改性初始点偏移量的预测模型,结合形貌特征数据,实现焊接参数的选择,对焊缝性能及焊接强度进行测试,实现对焊接性能的评价,为超短脉冲激光焊接玻璃提供技术方法。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 研究背景和意义

1.1.1 玻璃微连接应用

1.1.2 玻璃连接传统方式

1.1.3 基于传统长脉冲激光的玻璃焊接工艺

1.2 基于超短脉冲激光的玻璃焊接工艺

1.2.1 超短脉冲激光焊接玻璃原理

1.2.2 超短脉冲激光焊接玻璃优点

1.3 国内外研究现状

1.3.1 基于超短脉冲激光的玻璃焊接

1.3.2 玻璃改性形貌研究

1.3.3 焊接后玻璃性能研究

1.3.4 研究总结

1.4 主要研究内容及章节安排

第二章超短脉冲激光焊接玻璃定性研究

2.1 皮秒激光加工系统

2.1.1 激光加工系统组成

2.1.2 数值光圈

2.1.3 熔融石英玻璃

2.2 玻璃叠焊实验

2.2.1 激光焦点对焦

2.2.2 玻璃夹持方式

2.2.3 不同激光参数下的焊接实验

2.2.4 能量与速度参数窗口下的焊接实验

2.3 本章小结

第三章超短脉冲激光焊接玻璃内部改性形貌研究

3.1 玻璃内部改性形貌形成机制

3.2 激光加工参数对改性形貌的影响规律

3.2.1 样品制作及观察

3.2.2 不同加工参数下的玻璃改性形貌特征

3.3 改性形貌初始改性点预测模型搭建

3.3.1 模型思路

3.3.2 激光光强分布

3.3.3 基于孵化效应的改性阈值

3.3.4 模型参数确定

3.3.5 实验验证

3.4 焊接参数选择

3.4.1 玻璃改性形貌长度数值拟合

3.4.2 焊接参数选取过程

3.5 本章小结

第四章熔融石英玻璃焊接性能研究

4.1 焊缝性能研究

4.1.1 硬度检测实验

4.1.2 拉曼光谱实验

4.2 焊接后玻璃拉伸强度分析

4.2.1 拉伸装置设计

4.2.2 不同加工参数下玻璃焊接强度

4.3 本章小结

第五章结论

5.1 全文工作总结

5.2 主要创新点

5.3 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的学术成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 闫静雯

导师: 杜正春,沈洪

关键词: 超短脉冲激光焊接,熔融石英玻璃,改性形貌,初始改性点偏移,焊接性能研究

来源: 上海交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,无机化工,无线电电子学

单位: 上海交通大学

分类号: TN249;TQ171.6

DOI: 10.27307/d.cnki.gsjtu.2019.001302

总页数: 70

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