化學鋼化玻璃的激光焊接及其機械強度

曾新昌,丁原杰,劉傳亮,陳 凌,葉 舒

(福耀高性能玻璃科技(福建)有限公司,福清 350301)

0 引 言

玻璃材料因優異的光學特性、耐腐蝕性和熱力學特性,在傳感器、光子器件、生物芯片等高新技術領域都有重要應用[1]。在上述領域中,往往需要把兩片玻璃連接起來,業界常用連接技術包含膠合粘接、陽極鍵合、熔融焊等。膠合粘接因為粘合溫度相對較低并且可以靈活地填充不同材料之間的間隙,被應用于粘合不同的材料,例如硅、玻璃等半導體材料及金屬材料。然而,隨著時間的累積,粘合劑的高分子鏈受到輻射會釋放氣體,導致老化現象并對周圍環境產生污染[2]。陽極鍵合是由Wallis[3]率先提出,是一種在相對低溫下快速實現強鍵合的粘結工藝,可以產生牢固而持久的鍵合,無需粘合劑,然而該工藝要求鍵合的兩種材料熱膨脹系數要相似,否則環境溫度升高時,材料膨脹量不一樣,會產生變形與翹曲。熔融焊是在高溫的作用下使物體界面處的材料發生熔化,當溫度降低熔化的部分凝固后,兩個工件被牢固地焊在一起,但傳統熔融焊誘導的熱影響區域較大,殘余應力較強。近年來,科研人員對玻璃材料的加工做了大量的研究與探索,其中超短脈沖激光因具有加工精度高、熱影響區小、效率高等優點而逐漸被應用于玻璃焊接領域。超快激光聚焦在玻璃內部時,會激發多光子電離、雪崩電離等現象,玻璃非線性吸收激光能量并發生熔化,實現玻璃焊接[4]。

日本大阪大學Tamaki等[5]于2005年率先在沒有焊接介質的情況下,使用飛秒脈沖激光,實現了兩塊玻璃的焊接,為玻璃之間的硬焊研究拉開了序幕。2008年,德國Horn等[6-7]將此技術運用到了玻璃與單晶硅的焊接上,通過觀察熔融區冷卻過程的相位變化,發現激光焦點區材料冷卻非常迅速,用時為微秒量級。2011年,日本科研人員[8]研究了玻璃材料的非線性吸收率與激光能量、脈沖頻率之間的關系,測試出玻璃對激光的最大吸收率大于90%。2015年,Chen等[9]使用皮秒激光發生器,使激光作用區的玻璃產生熱膨脹,成功焊接了上下玻璃間隙為3 μm的樣品,實現了非光學接觸的焊接。2018年,丁騰等[10]利用高重頻飛秒激光器對石英玻璃、鈉鈣玻璃等進行焊接,分析了焊點圓形空腔的成因,探究了焊接強度與激光功率、頻率之間的變化關系,測得最大焊接強度為12.15 MPa。2020年,陳航[11]以皮秒激光為光源,采用快速振蕩掃描法成功實現了兩塊玻璃自然疊放間隙達10 μm的密封焊接,并且采用爆發脈沖模式實現了鈉鈣/石英玻璃與氧化鋁陶瓷和304不銹鋼的焊接。此外還深入研究了激光焊接參數對玻璃與不同材料焊接強度的影響規律。

以上均為素片玻璃(未經化學鋼化)的激光焊接學術研究試驗,對于化學鋼化玻璃激光焊接的研究仍較少?，F實生活中玻璃的運用往往需要通過化學鋼化來提升玻璃本身的強度,進而達到實際應用的可靠性,因此激光焊接化學鋼化玻璃在眾多領域具有重要的意義,例如建筑真空玻璃領域、軌道交通車窗真空玻璃領域、光伏電池封裝領域。特別是真空玻璃,因真空腔與外界有1個大氣壓力差,玻璃內部的支撐柱需克服壓差將兩玻璃隔開,應力集中在支撐柱與玻璃接觸位置,在風壓或沖擊載荷作用下玻璃容易發生破裂,所以通過鋼化可增加其強度,延長使用壽命[12]。本文利用紅外飛秒激光成功實現了化學鋼化玻璃之間的焊接,研究了激光功率、激光重復頻率、焊接速度對化學鋼化玻璃焊接熔融區形貌的影響,并通過機械強度測試,探究了不同參數下玻璃焊接強度的變化。

1 實 驗

1.1 材料及制備

本試驗所用玻璃均為普通鈉鈣玻璃,其主要化學成分如表1所示。

表1 鈉鈣玻璃的主要化學成分Table 1 Main chemical composition of sodium-calcium glass

拉伸強度試樣的尺寸為98 mm×28 mm×4 mm,由于單條焊線的強度較小,測試誤差大,故設定拉伸試驗的焊線長度為10 mm,焊線間距為0.2 mm,焊線條數為10條。同理,設定剪切強度試樣的尺寸為50 mm×60 mm×4 mm,焊線長度為30 mm,焊線間距為0.2 mm,焊線條數為15條。激光焊接前,使用清洗機把玻璃表面臟污、異物清潔干凈。玻璃化學鋼化參數:420 ℃條件下保溫14 h,化學鋼化后表面應力為(compressive stress, CS)644 MPa,應力層深度為(depth of stress layer, DOL)17 μm,中心張應力為(central tensile stress, CT) 2.81 MPa。

1.2 試驗條件及方法

激光焊接系統示意圖如圖1所示,依照圖1搭建激光焊接平臺。從激光器發射出的激光束,經反射鏡OR1反射進入反射鏡OR2,反射鏡OR2垂直反射進入2倍擴束鏡,被擴束后的激光脈沖經反射鏡OR3反射進入物鏡,物鏡聚焦光斑直徑為3 μm,焦深為±1.56 μm。焊接所用的設備為武漢銳科光纖激光股份生產的飛秒激光發生器GS-FIR50,激光波長為1 064 nm,最大功率為50 W,脈沖寬度為600 fs,光束質量M2<1.2,重復頻率為100～3 000 kHz。將兩片玻璃上下疊放,并使用壓緊治具把玻璃貼緊,激光聚焦于上下玻璃交界面附近。玻璃表面應力檢測采用日本折原的FSM-6000LE應力儀,焊點形貌采用Keyence 的VHX-6000光學顯微鏡進行觀察。焊接的機械強度采用美特斯工業的CMT5504萬能拉伸試驗機進行測試。

圖1 激光焊接系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser welding system

2 結果與討論

2.1 化學鋼化玻璃激光焊接后焊縫的形貌

首先利用紅外飛秒激光對化學鋼化玻璃橫向焊接,在每組參數焊接完成后,用切割機縱向切開焊接區域,然后使用砂紙與拋光粉對切開端面進行拋光,砂紙目數從800目、1 500目、2 000 目、5 000 目依次遞增,清洗之后在顯微鏡下觀察到的焊縫截面形貌如圖2所示。

圖2 焊縫截面形貌圖Fig.2 Cross-section morphology of welding

可以清晰地看到,激光焊點形狀規格,分布均勻,呈現水滴狀,貫穿上下玻璃的表面,牢牢地把玻璃連接起來。焊點的高度標記為L,寬度標記為D。當紅外脈沖激光聚焦在透明玻璃上時,焦點區域的光電場極高,可以誘導玻璃發生多光子電離、隧道電離、雪崩電離。由于被激發出來的等離子體對脈沖能量吸收強烈,后續光束無法穿透等離子體,從而對激光產生屏蔽效果。激光能量在上方被等離子體大量吸收,使材料溫度急速上升,進一步在上方激發出更多的等離子,因此等離子體將從焦點處向激光光源方向移動,直到等離子體上升到激光功率密度無法再維持的高度而終止。

在焊接過程中,等離子體向光源處運動和光束能量縱向分布不均勻等引發周邊玻璃燒蝕狀況不一致[13],促使焊點形成水滴狀形貌。另外,玻璃被激發等離子體的區域通過熱傳導將能量傳遞到焦點外,形成外部的熔融改性區。待溫度冷卻熔融區凝結,玻璃產生永久性的結構變化。內部的等離子體作用區與外部的熔融改性區構成了水滴狀雙結構作用區[11]。

2.2 不同焊接參數對化學鋼化玻璃焊縫的影響

通過調節不同的焊接功率、頻率、速度來研究焊接參數對化學鋼化玻璃焊縫的影響。利用各參數組合激光焊接后,在顯微鏡觀察到的焊點尺寸如表2所示。

表2 不同參數下化學鋼化玻璃激光焊點尺寸Table 2 Laser welding joint size of chemically tempered glass with different parameters

使用Mintab軟件對試驗數據進行整合,建立寬度D的多元線性回歸模型,對模型進行方差分析,并剔除掉對寬度D不顯著的項,結果如表3所示。

表3 寬度模型方差分析Table 3 Width model variance analysis

對模型匯總,結果如表4所示。

表4 寬度模型參數匯總Table 4 Width model parameter summary

寬度D的回歸方程如式(1)所示。

D=-11.0-0.030 04f-4.805s+24.63p+0.000 007f2+0.046 7s2-0.628 9p2

(1)

式中:f為頻率,kHz;s為速度,mm/s;p為功率,W。

P值代表模型與因子的顯著水平,Adj SS為組間離差平方和,Adj MS等于Adj SS除以自由度。檢驗統計量F值足夠大,則可以判定因子是顯著的。從回歸方程顯著性檢驗結果來看,0<α<0.05,說明在α=0.05下,寬度D的回歸方程的總效應是顯著的。失擬項的P值為0.129,其值大于 0.05,說明失擬不顯著,擬合誤差小,方程回歸性良好。從回歸系數檢驗來看,自變量f、s、p、f2、s2、p2的值都小于0.05,故這6個因子均為顯著因子。從回歸模型顯著性的度量指標來看,決定系數R-Sq值為96.53%,說明自變量可以解釋寬度D中96.53%的變異。方差S值為5.89,可以容忍。而R-Sq(調整)為95.14%,二者很接近,模型可靠。綜上分析可以得出寬度D的回歸方程是顯著的,是可以接受的。

依照同樣的方式,建立高度L的多元線性回歸模型,同樣可以得到顯著的回歸方程,如式(2)所示。

L=-131.4-0.045 93f-2.574s+22.62p+0.000 006f2-0.376 0p2

(2)

同樣用上述方法進行分析,可以得出高度L的回歸方程是顯著的,是可以接受的。

基于上述的回歸方程,可以得到高度和寬度的主效應圖,如圖3、4所示。焊點的高度L和寬度D與材料對激光的非線性吸收率相關,而非線性吸收率與重復頻率、單脈沖能量、掃描速度等密切相關[14]。由圖3、4可以看出,當功率及速度不變時,隨著焊接頻率增加(100～2 500 kHz),焊點的高度L和寬度D都逐漸縮小,說明頻率增加,雖然材料接收的脈沖數增多,但激光的單脈沖能量降低,與玻璃的相互非線性效應減弱,因此焊接熔融區域尺寸也隨之減小。

圖3 高度主效應圖Fig.3 Height main effect diagram

圖4 寬度主效應圖Fig.4 Width main effect diagram

固定功率及頻率不變,隨著焊接速度增加(10～50 mm/s),焊點的高度L和寬度D都逐漸縮小。說明速度增加,焊接區單位面積接收的脈沖數和激光總能量減小,導致被激發到導帶中的自由電子減少,多光子電離、雪崩電離作用降低,從而使得激光焦點區域的等離子體數量和能量吸收減小[15],相應的焊接熔融區域尺寸縮小。

固定速度及頻率不變,隨著激光功率增加(6～20 W),焊點的高度L和寬度D都逐漸增大,說明隨著功率密度的增加玻璃通過非線性吸收的激光能量就越多,被激發到導帶中的自由電子自然增多,雪崩電離的貢獻就越大,相應的焊接熔融區域尺寸越大。

通常玻璃材料冷卻到室溫的時間大約需要10 μs[16],可以反推出只要超短脈沖激光的頻率大于100 kHz,熱量就可以實現累積。激光聚焦后功率密度高,作用時間短,遠小于熱膨脹的時間,少量的光束能量便可以誘導局域材料發生相變[17],因此形成的焊接作用區極小,不會影響周圍的材料。為了驗證上述回歸方程的準確性,隨機挑取一組參數進行驗證(功率9 W,速度13 mm/s,頻率700 kHz),理論高度為241.8 μm,理論寬度為87.8 μm,實測焊點大小如圖5所示,高度為241.6 μm,寬度為88.0 μm。計算與實際數值相近,說明回歸方程有效,準確度高,可以精準量化出各參數對激光焊點的影響。

圖5 焊點尺寸Fig.5 Parameter of welding joint size

2.3 化學鋼化玻璃焊接的強度

激光焊接的頻率、速度、功率對于焊點尺寸都會產生影響,為了驗證焊點尺寸與機械強度的關系,本次試驗設計鎖定重復頻率為500 kHz,焊接速度為10 mm/s,通過改變功率(8、10、12、14 W)來調整焊點的大小,再借助萬能試驗機測試出對應的機械強度。在實際焊接過程中,發現當功率為14 W時,玻璃表面已經被激光嚴重燒蝕并有清晰的裂紋,故需重新調整參數,適當降低功率。經測試發現12.5 W時,玻璃表面裂紋現象肉眼不可見,故確定試驗測試功率為8、10、12、12.5 W。機械強度的測試示意圖如圖6所示。

圖6 機械強度測試示意圖Fig.6 Test diagram of mechanical strength

使用激光依照上述參數依次進行焊接,并用萬能試驗機測得其焊接機械強度(每個參數下選取10個試樣),結果如表5所示。

表5 化學鋼化玻璃焊接焊點尺寸和機械強度Table 5 Welding joint size and mechanical strength of chemically tempered glass

強度計算公式為如式(3)所示。

(3)

式中:σ為玻璃的拉伸、剪切強度,MPa;F為玻璃斷裂時的最大作用力,N;A為焊接區域面積,m2。

在合理的參數范圍內,化學鋼化玻璃焊接的機械強度取決于焊點尺寸,隨著焊點尺寸的增大拉伸、剪切強度也對應增加,直至焊點高度達306.4 um時強度達到最大,而后隨著功率的增大,機械強度開始減弱。造成此現象的可能原因是:隨著溫度升高,玻璃產生融化效應,熱應力隨之產生,當熱應力大于玻璃材料本身的抗拉極限時,就會在玻璃內部造成裂紋。一旦裂紋產生,根據格里菲斯斷裂理論,玻璃的強度迅速下降。

按照美國軍用標準MIL-STD-883G,焊縫剪切強度達到6.25 MPa即可視為焊縫連接質量良好[18]。目前真空玻璃的封邊,市場主流工藝是采用低溫玻璃粉封裝(熔融焊),受外部風雪載荷和溫差變形的影響,玻璃邊緣封裝既要滿足密封功能,也要滿足機械強度的要求,常規玻璃粉封裝邊部剪切強度為3.45 MPa,已完全滿足使用需求[19]。由此可見,化學鋼化玻璃的焊接強度也完全勝任真空玻璃的需求。比起玻璃粉封邊,采用超短脈沖激光封邊在性價比上更有優勢,有望成為真空玻璃下個主流封裝工藝。

2.4 化學鋼化對焊接的影響

玻璃的化學鋼化采用低溫離子交換技術生產[20],即將玻璃置于熔融的堿鹽中,鹽液中的K+與玻璃表面的Na+相互擴散,發生離子交換,而K+半徑比Na+半徑大,導致交換后的體積發生變化,在玻璃的表面形成壓應力CS,為了維持受力平衡,內部則形成張應力CT。壓應力CS可以抑制表面微裂紋的擴展,從而達到提升玻璃強度的效果。在離子交換過程中可通過調節溫度和時間,來控制應力層不同的深度?；瘜W鋼化不僅可以在低溫(玻璃軟化點以下)完成強化,還可以保證玻璃不變形[21-22],有利于激光焊接。經過化學鋼化處理的玻璃強度可以提升3～5倍以上[23]。本次試驗固定重復頻率為500 kHz,焊接速度為10 mm/s,調整焊接功率,分別焊接化學鋼化玻璃及未化學鋼化玻璃,分析比對差異。

表6為相同焊接參數下,化學鋼化玻璃與未化學鋼化玻璃焊點的尺寸和拉伸強度對比。由表6可見,在相同焊接參數下,兩者相差無幾,化學鋼化的離子交換層對激光能量吸收的影響可以忽略。同樣,化學鋼化的表面壓應力對激光焊點的尺寸無抑制效果。隨著功率增加,化學鋼化的玻璃在12.5 W開始出現裂紋如(圖7),而未鋼化的玻璃在14 W才開始出現裂紋。此外,表6拉伸強度數據可以推斷出裂紋的產生使兩種玻璃的拉伸強度大幅度下降。

圖7 玻璃焊接裂紋Fig.7 Welding crack of glass

表6 化學鋼化與未鋼化玻璃焊接焊點尺寸和拉伸強度對比Table 6 Comparison of welding joint size and tensile strength between chemically tempered and untempered glass

圖8為焦點區受力圖。焦點區玻璃非線性吸收脈沖光束能量形成熔池并造成該處玻璃熱膨脹,此時焦點區以外的材料溫度低于焦點區,而黏度則相反,這導致焦點區材料熱膨脹后受壓應力作用影響[24],能量越大,壓力越大。本次試驗的化學鋼化玻璃內部形成了張應力層,表面壓應力層的深度達17 μm,而焦點熔池高度為306 μm,這表明玻璃的熔池伸展到了張應力層較深的區域?；瘜W鋼化玻璃在激光焊接時,不僅受到自身熱膨脹的壓力還疊加了張應力,進而造成周圍區域破壞并形成裂紋,其焊接機械強度大幅度下降。

圖8 焦點區受力圖Fig.8 Diagram of focus area force

3 結 論

1)利用紅外超短脈沖激光成功實現化學鋼化玻璃之間的焊接,焊縫呈水滴狀。

2)通過建立多元線性回歸模型,總結出焊接功率、頻率、速度與焊點尺寸的回歸方程,進而得到了焊點大小隨著參數變化的規律,即焊點尺寸隨速度、頻率增加而減小,隨功率增加而增大。

3)隨著焊點尺寸增加,化學鋼化玻璃的機械強度先增大后減小。

4)與未強化的玻璃相比,化學鋼化玻璃在激光焊接時更易產生裂紋。