Laseri s ultrakratkim pulsom u kombinaciji s izvrsnom tehnologijom samofokusiranja pružaju kvalitetu i pouzdanost procesa koji su potrebni da bi se omogućila upotreba laserskog zavarivanja stakla za masovnu proizvodnju. Jedinstvena i izvrsna svojstva stakla čine ga širokim korištenjem u raznim proizvodima visoke tehnologije u različitim područjima kao što su biomedicina i mikroelektronika. Ali to predstavlja izazov za proizvođače, posebno u području velikog volumena, preciznog rezanja stakla. Također predstavlja poteškoće s lijepljenjem, uključujući zavarivanje pojedinačnih staklenih komponenti zajedno i zavarivanje stakla na druge materijale kao što su metali i poluvodiči.
Miješanje kao jedno
Sve konvencionalne metode koje se koriste za zavarivanje stakla teško osiguravaju preciznost, kvalitetu lijepljenja i brzinu proizvodnje potrebne za ekonomičnu i učinkovitu serijsku proizvodnju. Ljepljenje, na primjer, je ekonomična metoda, ali ostavlja ljepljivi materijal na dijelu i čak zahtijeva otplinjavanje.
Dielektrično zavarivanje uključuje stavljanje materijala u prahu na točku kontakta i njegovo taljenje kako bi se dovršila veza. Bilo da se to taljenje postiže pećnicom ili laserom, u dio se pumpa puno topline. To je problem za mikroelektroničke uređaje i mnoge medicinske uređaje.
Ionsko spajanje je genijalna metoda koja osigurava iznimno visoku čvrstoću veze. Dvije nove i iznimno ravne staklene površine stisnute su jedna uz drugu i doslovno spojene zajedno molekularnim spajanjem. Međutim, nije praktično izvoditi ovu operaciju u proizvodnom okruženju.
Lasersko zavarivanje stakla
Što je s laserskim zavarivanjem? Staklo ima mnoga vrlo korisna svojstva, kao što su vrlo visoko talište, prozirnost, krtost i mehanička krutost, ali u isto vrijeme predstavlja mnoge poteškoće za lasersko zavarivanje. Stoga tipični industrijski laseri i metode koje se koriste za zavarivanje metala i drugih materijala nisu primjenjivi na staklo.
Baš kao i kod preciznog rezanja stakla, tajna leži u korištenju lasera ultrakratkog pulsa (USP) infracrvene valne duljine. Staklo je prozirno u infracrvenom zračenju, tako da fokusirana laserska zraka može proći točno kroz njega dok se fokusirana zraka ne suzi i postane toliko koncentrirana da pokrene "nelinearnu apsorpciju". Ova "nelinearna apsorpcija" može se dogoditi samo s ultrakratkim pulsnim laserima s velikom vršnom snagom, a isto se ne može učiniti s drugim vrstama lasera.
Dakle, u vrlo malom području (obično manjem od nekoliko desetaka mikrona u promjeru) oko fokusa laserske zrake, staklo apsorbira laser i brzo se topi. Ovaj fokusirani snop skenira se duž željene putanje zavarivanja kako bi se dovršilo spajanje, baš kao i svaki drugi oblik laserskog zavarivanja.
USP laserska metoda zavarivanja stakla nudi tri glavne prednosti.
Prvo, stvara jaku vezu jer se oba materijala koji se zavaruju djelomično rastale, a zatim skrućuju zajedno kako bi formirali zavar. Nadalje, postupak je jednako prikladan za lijepljenje stakla na staklo, stakla na metal i stakla na poluvodič.
Drugo, u ovom procesu samo vrlo mala količina topline ulazi u dio, koja se stvara u području širokom najviše nekoliko stotina mikrona. To omogućuje postavljanje lemljenih spojeva vrlo blizu elektroničkih sklopova ili drugih toplinski osjetljivih komponenti, što pruža veću slobodu za dizajnere i proizvođače i podržava bolje minijaturizirane dizajne proizvoda.
Konačno, ako se USP lasersko zavarivanje stakla pravilno izvede, neće se stvoriti mikropukotine oko zavara. A mikropukotine smanjuju mehaničku čvrstoću stakla. Osim toga, nakon ciklusa temperature (što je neizbježno za sve), mikropukotine može biti izvor eventualnog kvara opreme.
Uključivanje USP laserskog zavarivanja stakla u rad
Prednosti USP laserskog zavarivanja stakla proizlaze iz činjenice da se staklo zagrijava u samo malom volumenu. Međutim, to također predstavlja izazov u praksi. To znači da položaj laserskog fokusa mora ostati vrlo precizno na sučelju između dvije zavarene komponente, čak i ako se dio pomiče. To je teško postići jer komponente u stvarnom svijetu nisu potpuno ravne. Osim toga, položaj u kojem su dijelovi smješteni u sustavu za zavarivanje možda neće savršeno odgovarati.
Jedno od rješenja je korištenje aksijalno izdužene žarišne točke. Ovo "rasteže" veličinu žarišne točke laserske zrake kako bi se riješio problem osjetljivosti položaja. Nedostatak ove metode je, međutim, da izduženi fokus zrake stvara bazen taline u staklu s nekružnim poprečnim presjekom. Kada se staklo skrutne u zoni taljenja, vjerojatnije je da će ne-kružni bazen stvoriti mikropukotine.
Usvojena je još jedna metoda za postizanje rezultata zavarivanja bez mikropukotina i za istovremeno prilagođavanje značajnih promjena u udaljenosti sučelja u procesu. Tajna leži u kombinaciji visokodinamičke tehnologije fokusiranja, koristeći optiku s velikim numeričkim otvorom (NA) za proizvodnju mala žarišna točka.
Kao rezultat, laserski sustav postiže visoku sferičnost bazena taline i time izbjegava mikropukotine. Također osjeća udaljenost sučelja i stalno prilagođava optiku kako bi uvijek bio savršen fokus.
Rezultat je visokokvalitetni zavar na gotovo bilo kojem obliku dijela, a proces je neovisan o tolerancijama i položaju dijela.
