本发明专利涉及激光加工领域，具体涉及一种曲面/斜面透明材料的高效率焊接方法及装备。
背景技术：
1、随着激光技术的日新月异，全球激光产业的发展亦十分迅速。激光技术开始渗透生活的方方面面，全球开始步入“光加工”时代。超快激光加工是一项高精度、低热影响的先进制造技术，利用极短脉冲激光对材料进行加工。其与传统激光相比，具有非常短的脉冲时间，几乎无热效应，可实现微米级精度。广泛应用于微电子学、医学和材料科学领域，用于制造微小电路、进行眼科手术和改善材料表面性能。超快激光加工因其高精度和低热效应而在制造业引起重大关注，为微纳加工和精密制造提供了革命性的解决方案。
2、透明材料如石英玻璃、蓝宝石、有机聚合物和各种晶体结构等因备一系列优异的物理化学性能而广泛应用于航空航天、芯片封装、光电子封装和医疗等领域中，但其典型的高硬脆性特性会导致受热膨胀脆断，难以形成可靠的焊接接头。由于超快激光具有热效应小、形成非线性吸收的特点，因此是透明材料焊接的理想热源。近年来，超快激光焊接技术的快速发展，已经使得平面透明材料、平面透明-金属异种材料的高强度焊接成为了可能，通过局部的能量注入激发透明材料的非线性吸收，从而实现透明材料的加热与融化。
3、在这一方面，超快激光为在透明材料内部形成非线性吸收，要求较高的峰值功率密度，需要通过高数值孔径的透镜等方式实现。这种情况下，聚焦光斑越小时激光聚焦形成的瑞丽长度(即焦深)越小，在实际焊接中对样品表面的平整度有严格的要求，因此目前超快激光焊接技术也主要应用于平面透明材料的焊接中。而针对实际的应用需求，样品可能为曲面或斜面状态，比如深紫外led的封装中，窗口片多为曲面透明材料，在实际的超快激光焊接中，激光聚焦的焦点会随曲面位置变化而变化，从而难以完成高强度、高气密性的焊接应用。目前通用的焊接方法为变焦点多次扫描焊接，即每一个不同曲面位置调节一次聚焦光斑位置，使得激光焦点能够保持在焊接界面上。已申请公开的专利(cn107914084a)通过扫描曲面薄板得到点云数据，处理坐标数据拟合焊接曲线，控制激光沿焊接曲线焊接曲面薄板。在这种技术方案下，控制系统精度要求高、控制系统复杂，且多次调节焦点使得焊接效率也有限。因此亟需开发新型焊接方法与装备，以实现曲面/斜面透明材料的高效率焊接。
4、本发明提供了一种曲面/斜面透明材料的高效率焊接方法及装备，超快激光经聚焦镜聚焦在透明材料特定位置并与之作用，聚焦区域材料吸收光子能量并发生电离，在超短时间内形成高温高密度等离子体并聚集在材料表面。高温区域内的下方材料经历电子-离子复合过程，促使熔融和再结晶现象的发生，从而实现上方材料和下方材料这两个接面的互融与连接。长焦距振镜结合激光器输出的burst模式实现高效热累积，在焊接过程中可以形成不低于5mm深度的熔融泪滴结构。该熔融泪滴结构因具有极高的深度范围，可以保持激光焦点始终落在变化的曲面位置，对于确保焊缝的强度和稳定性至关重要，同时最大限度地减少了热应力和材料损伤。超快激光的burst模式脉冲串可以直接在二维振镜的扫描下实现曲面透明材料的直接焊接，无需采用变焦点的方式，不仅有效提高了焊接的效率和质量，还展现出其在控制复杂光学材料激光加工中的独特优势。
技术实现思路
1、针对以上问题，本发明提供了一种曲面/斜面透明材料的高效率焊接方法及装备，超快激光经聚焦镜聚焦在透明材料特定位置并与之作用，聚焦区域材料吸收光子能量并发生电离，在超短时间内形成高温高密度等离子体并聚集在材料表面。在这些高温区域内，下方曲面透明材料经历电子-离子复合过程，促使熔融和再结晶现象的发生，从而实现上方曲面透明材料和下方曲面透明材料这两个接面的互融与连接。长焦距振镜结合激光器输出的burst模式实现高效热累积，在焊接过程中可以形成不低于5mm深度的熔融泪滴结构。该熔融泪滴结构因具有极高的深度范围，可以保持激光焦点始终落在变化的曲面位置，对于确保焊缝的强度和稳定性至关重要，同时最大限度地减少了热应力和材料损伤。超快激光的burst模式脉冲串可以直接在二维振镜的扫描下实现曲面透明材料的直接焊接，无需采用变焦点的方式，不仅有效提高了焊接的效率和质量，还展现出其在控制复杂光学材料激光加工中的独特优势。
2、为达到上述的目的，本发明提供的一种曲面/斜面透明材料的高效率焊接方法及装备，包括以下步骤：
3、(1)将曲面透明材料和曲面透明材料或斜面透明材料和斜面透明材料叠放，并用夹具夹持；
4、(2)通过超快激光器自带的burst模式，输出mhz级的高重频的脉冲串模式的超快激光，聚焦镜使激光聚焦在透明材料特定位置并与之作用，透明材料在超快脉冲的作用下发生非线性光学效应，如多光子吸收或光学击穿，聚焦区域的激光能量被透明材料吸收，导致局部电子的激发和电离，形成高温高密度的等离子体。这种快速形成的等离子体不仅能在极短时间内加热透明材料表面，还能引起透明材料结构的变化；
5、(3)在这些高温区域内，下方透明材料经历电子-离子复合过程，促使熔融和再结晶现象的发生，形成不低于5mm深度的熔融泪滴结构，随后通过热传导加热并融化上方材料，从而实现两种透明材料的高效互融与连接；
6、(4)通过高速二维振镜控制超快激光进行二维移动，使其按照指定路径在曲面或斜面上进行焊接，最终形成稳固的连接界面。
7、进一步，所述超快激光为皮秒激光或飞秒激光，波长在266-2000nm范围内,重复频率为1mhz，脉冲宽度在20-210ns范围内，子脉冲数为1-10个。
8、进一步，所述burst模式为脉冲串模式，即将几个子脉冲作为一组，每个周期内输出子脉冲序列，在整个时域上以脉冲串的形式进行输出，脉冲串内部子脉冲数可根据材料差异进行设置，可以改变超快激光的能量分布和时间特性。
9、进一步，所述聚焦镜为长焦距聚焦镜(焦距不低于50mm)，目的是通过低数值孔径聚焦条件，实现较大光斑、较大瑞丽长度的聚焦结果。
10、进一步，所述透明材料特定位置针对透明/透明同质材料焊接时为下方样品上表面下方0μm-100μm。
11、进一步，所述上方材料为曲面透明材料或斜面透明材料，所述下方材料为同种曲面透明材料或斜面透明材料。
12、进一步，所述熔融泪滴结构为长焦距振镜结合burst模式在透明材料中超快实现的高深度熔融结构，形貌呈泪滴状，其深度不小于5mm。
13、进一步，所述高速二维振镜通过两反射镜的偏转与控制实现光束的二维移动。
14、进一步，所述透明材料为蓝宝石、熔融石英、陶瓷、硅等材料，材料可不抛光。
15、进一步，一种曲面/斜面透明材料的高效率焊接方法及装备，包括激光器、准直镜、振镜和聚焦镜，其特征在于，还包括用于调整激光器发射的激光的光路至垂直于待加工工件的表面的光学组件、用于将叠放的样品夹持住的夹具以及驱使所述夹具移动的运动平台，所述夹具可调整上方材料样品和下方材料样品之间的间隙。
16、总体而言，通过本发明的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的优点：
17、这项发明专利创新性地解决了传统焊接方法中的多个挑战，特别是在处理曲面透明材料焊接和斜面透明材料焊接时。针对实际需求中的曲面透明材料或斜面透明材料，在超快激光焊接中激光聚焦的焦点会随曲面位置变化而变化，从而难以完成高强度、高气密性的焊接应用。传统方法依赖于多次调节焦点的变焦点多次扫描焊接，这要求高精度的控制系统和复杂的操作流程，从而极大地限制了焊接效率和焊接质量。相比之下，本发明专利通过采用长焦距振镜实现长焦深的聚焦状态，结合激光器的burst模式进行高效热累积，成功实现了不低于5mm深度的熔融泪滴结构。
18、具体而言，该技术在复杂光学材料加工中展现出显著的优势。长焦距聚焦镜通过低na聚焦条件实现较大光斑、较大瑞丽长度的聚焦结果，使得激光焦点能够在曲面和斜面的变化位置稳定保持，无需频繁调整焦点位置，降低了实际焊接中对样品材料平整度的要求，极大简化了操作流程，提高了焊接效率。同时，激光器的burst模式脉冲串由一系列高能脉冲组成，每个脉冲之间有较短的时间间隔，这种序列有助于增强能量传递到材料表面并有效控制热影响区域，从而实现高效的热累积，特别有利于形成深度范围广泛的熔融泪滴结构。这种结构不仅确保了焊缝的强度和稳定性，还最大限度地减少了热应力和材料损伤，提升了焊接质量和材料的使用寿命。
19、此外，本发明的应用领域广泛且实用。通过该专利实现的极深泪滴状熔融结构，除了曲面透明材料和斜面透明材料的直接焊接外，这种技术还可适用于其他平面材料如深紫外led窗口镜的加工，以及窗口镜幅面扩增的应用场景。这种多功能性和适用性使得该技术在工业制造和高精度光学设备领域具有重要的商业和科技价值，为行业带来了全新的解决方案和发展机会。
1.一种曲面/斜面透明材料高效率焊接方法及装备，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的曲面/斜面透明材料高效率焊接方法及装备，其特征在于，步骤二中，所述超快激光为皮秒激光或飞秒激光，波长在266-2000nm范围内，重复频率为1mhz，脉冲宽度在20-210ns范围内，子脉冲数为1-10个。
3.根据权利要求1所述的曲面/斜面透明材料高效率焊接方法及装备，其特征在于，步骤二中，所述burst模式为脉冲串模式，即将几个子脉冲作为一组，每个周期内输出子脉冲序列，在整个时域上以脉冲串的形式进行输出，脉冲串内部子脉冲数可根据材料差异进行设置，可以改变超快激光的能量分布和时间特性。
4.根据权利要求1所述的曲面/斜面透明材料高效率焊接方法及装备，其特征在于，步骤二中，所述聚焦镜为长焦距聚焦镜(焦距不低于50mm)，目的是通过低数值孔径聚焦条件，实现较大光斑、较大瑞丽长度的聚焦结果。
5.根据权利要求1所述的曲面/斜面透明材料高效率焊接方法及装备，其特征在于，步骤二中，所述透明材料特定位置针对透明/透明同质材料焊接时为下方样品上表面下方0μm-100μm。
6.根据权利要求1所述的曲面/斜面透明材料高效率焊接方法及装备，其特征在于，步骤三中，所述上方材料为曲面透明材料或斜面透明材料，所述下方材料为同种曲面透明材料或斜面透明材料。
7.根据权利要求1所述的曲面/斜面透明材料高效率焊接方法及装备，其特征在于，步骤三中，所述熔融泪滴结构为长焦距振镜结合burst模式在透明材料中超快实现的高深度熔融结构，形貌呈泪滴状，其深度不小于5mm。
8.根据权利要求1所述的曲面/斜面透明材料高效率焊接方法及装备，其特征在于，步骤四中，所述高速二维振镜通过两反射镜的偏转与控制实现光束的二维移动。
9.根据权利要求1所述的曲面/斜面透明材料高效率焊接方法及装备，其特征在于，所述透明材料为蓝宝石、熔融石英、陶瓷、硅，材料可不抛光。
