本發(fā)明涉及激光制備工程結(jié)構(gòu)材料、功能復(fù)合結(jié)構(gòu)材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鋁合金-玻璃復(fù)合材料的激光焊接方法。

背景技術(shù)：

玻璃材料因高溫耐磨、耐蝕、絕緣，抗氧化能力強(qiáng)等特點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用，但玻璃本身的延展性低、沖擊韌性差則限制了其在工程中的應(yīng)用。因此結(jié)合了玻璃與金屬雙重優(yōu)良性能的金屬-玻璃復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生，并廣泛應(yīng)用于微電子封裝、電池、儀器儀表、太陽能真空集熱管、復(fù)合材料等領(lǐng)域，因此研究玻璃與金屬焊接(封接)有重要意義。玻璃與金屬的封接方法有很多種，其中研究最多、理論較成熟的方法是匹配封接，匹配封接的過程為在封接前先對(duì)金屬進(jìn)行預(yù)氧化處理，使金屬表面生成一層厚度適當(dāng)致密的氧化膜，再將金屬與玻璃放在高溫爐中加熱，金屬與加熱后的玻璃通過擴(kuò)散熔融而完成結(jié)合，保溫一定時(shí)間后冷卻至室溫，取出金屬-玻璃復(fù)合材料。但是匹配封接過程需要在爐中加熱然后冷卻，因此采用匹配封接的生產(chǎn)方法需要較長的生產(chǎn)周期，不利于常規(guī)生產(chǎn)。為了縮短生產(chǎn)周期，加快生產(chǎn)速度，直接將金屬與玻璃進(jìn)行焊接成為生產(chǎn)主流。

近年來，針對(duì)金屬與玻璃的焊接技術(shù)也做了相關(guān)較多的研究，如專利文獻(xiàn)《玻璃與金屬真空擴(kuò)散焊接工藝》(申請(qǐng)?zhí)?00810243068.7)、《一種玻璃和金屬真空釬焊工藝》(申請(qǐng)?zhí)?00910234678.5)等公開的焊接工藝的操作環(huán)境是需要在真空條件下，但是玻璃、金屬的尺寸大小受到真空室的限制，一些大尺寸材料的焊接就無法采用該種焊接工藝。又如專利文獻(xiàn)《金屬與玻璃及陶瓷之間的陽極焊接方法》(申請(qǐng)?zhí)?00310105894.2)、《金屬焊接有密封條和安裝孔的凸面真空玻璃》(申請(qǐng)?zhí)?01310298572.8)等公開的焊接工藝一方面受到焊接真空室大小的限制，另一方面工時(shí)消耗較大，不能快速、有效地實(shí)現(xiàn)玻璃與金屬的焊接，所得產(chǎn)品質(zhì)量也不能達(dá)標(biāo)。

因此，為了突破真空室的限制，解決工時(shí)消耗過大的問題，同時(shí)提高產(chǎn)品的質(zhì)量，需要設(shè)計(jì)一種簡單可控、焊縫良好的焊接方法來實(shí)現(xiàn)金屬與玻璃的優(yōu)良焊接。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的提供一種鋁合金-玻璃復(fù)合材料的激光焊接方法，充分發(fā)揮了玻璃與鋁合金的性能，采用激光直接熔化焊接，摒棄了傳統(tǒng)利用放在真空室中進(jìn)行釬焊的方法，解決了對(duì)焊接尺寸規(guī)格限制的弊端。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種鋁合金-玻璃復(fù)合材料的激光焊接方法，包括以下步驟：

S1、根據(jù)所需焊接的鋁合金和玻璃的尺寸、形狀，設(shè)定加工軌跡，并進(jìn)行焊接夾具準(zhǔn)備；

S2、對(duì)所需焊接的鋁合金和玻璃進(jìn)行前期焊接預(yù)處理操作；

S3、焊接夾具按照要求將步驟S2中完成預(yù)處理操作的鋁合金和玻璃進(jìn)行夾持，做好焊接準(zhǔn)備；

S4、設(shè)定激光器激光加工參數(shù)；

S5、激光器按照步驟S1設(shè)定的加工軌跡對(duì)鋁合金和玻璃進(jìn)行激光焊接操作，制得所需鋁合金-玻璃復(fù)合材料；

S6、拆除焊接夾具，完成整個(gè)焊接操作流程。

優(yōu)選的，所述步驟S1中的鋁合金和玻璃是指能夠用于計(jì)算機(jī)、通訊和消費(fèi)電子產(chǎn)品的所有鋁合金和玻璃。

優(yōu)選的，所述步驟S2中的前期預(yù)處理分別是指對(duì)鋁合金進(jìn)行陽極氧化處理，使其表面形成一層氧化膜和對(duì)玻璃進(jìn)行清水洗凈，然后冷卻風(fēng)干。

優(yōu)選的，所述氧化膜的厚度為2～30μm。

優(yōu)選的，所述步驟S3中，玻璃覆蓋在鋁合金的部分表面上，焊接夾具分別抵住玻璃的表面和鋁合金的底面，提供垂直方向上的夾持力，鋁合金被覆蓋住的側(cè)邊為焊縫，位于玻璃表面上的兩個(gè)焊接夾具間存在焊接作業(yè)區(qū)，焊縫在垂直方向上位于焊縫作業(yè)區(qū)中。

優(yōu)選的，所述步驟S4中，激光器采用波長為800～1070nm的固體激光器。

優(yōu)選的，所述步驟S4中，激光器加工參數(shù)為激光掃描速度1～3.3mm·s^-1，焦距-3mm≤f≤0mm，激光功率150～299W，脈沖寬度0.1～20Ms，頻率為20～30Hz。

優(yōu)選的，所述步驟S5中，激光器按照步驟S1設(shè)定的加工軌跡，激光器發(fā)射的激光束穿透玻璃直接聚焦在鋁合金的表面上，將其熔化后與玻璃進(jìn)行接合。

優(yōu)選的，所述步驟S5中，整個(gè)焊接操作在氬氣的氛圍中進(jìn)行。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的一種鋁合金-玻璃復(fù)合材料的激光焊接方法，采用激光直接熔化的方法來焊接鋁合金和玻璃，摒棄了傳統(tǒng)的真空封接法，解決了使用真空設(shè)備時(shí)對(duì)尺寸的限制和真空室的條件限制，同時(shí)也避免了膠條密封時(shí)的結(jié)合強(qiáng)度差、易于老化的弊端，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，可進(jìn)行不同尺寸規(guī)格的鋁合金與玻璃的焊接制備，具有可控性高的優(yōu)點(diǎn)，生產(chǎn)得到的鋁合金-玻璃復(fù)合材料能夠符合應(yīng)用于高端制造業(yè)對(duì)行業(yè)的高標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量要求。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明提供的一種鋁合金-玻璃復(fù)合材料的激光焊接方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明中鋁合金和玻璃在焊接過程中的位置示意圖；

圖3為本發(fā)明中鋁合金、玻璃和焊接夾具在焊接過程中的位置示意圖。

附圖中涉及的附圖標(biāo)記和組成部分說明：

1、激光束；2、玻璃；3、鋁合金；4、焊縫；5、焊接夾具；6、夾持力。

具體實(shí)施方式

近年來，針對(duì)金屬與玻璃的焊接技術(shù)也做了相關(guān)較多的研究，現(xiàn)有公開的焊接工藝一方面受到焊接真空室大小的限制，另一方面工時(shí)消耗較大，不能快速、有效地實(shí)現(xiàn)玻璃與金屬的焊接，所得產(chǎn)品質(zhì)量也不能達(dá)標(biāo)。

因此，為了突破真空室的限制，解決工時(shí)消耗過大的問題，同時(shí)提高產(chǎn)品的質(zhì)量，本發(fā)明提供一種鋁合金-玻璃復(fù)合材料的激光焊接方法，參見圖1所示，包括以下步驟：

S1、根據(jù)所需焊接的鋁合金和玻璃的尺寸、形狀，設(shè)定加工軌跡，并進(jìn)行焊接夾具準(zhǔn)備。這里的鋁合金和玻璃是指能夠用于計(jì)算機(jī)、通訊和消費(fèi)電子產(chǎn)品的所有鋁合金和玻璃。

S2、對(duì)所需焊接的鋁合金和玻璃進(jìn)行前期焊接預(yù)處理操作。

前期預(yù)處理分別是指對(duì)鋁合金進(jìn)行陽極氧化處理，使其表面形成一層氧化膜，氧化處理過程必須控制好氧化膜的厚度，若氧化膜厚度過薄時(shí)，其結(jié)合由于應(yīng)力緩沖區(qū)太小，不易實(shí)現(xiàn)焊接，若氧化膜過厚時(shí)，應(yīng)力緩沖區(qū)過大，也不易實(shí)現(xiàn)有效焊接，本發(fā)明中的氧化膜的厚度控制在2～30μm。

對(duì)玻璃進(jìn)行簡單的表面清水洗凈，然后冷風(fēng)吹干等待使用。

S3、焊接夾具按照要求將步驟S2中完成預(yù)處理操作的鋁合金和玻璃進(jìn)行夾持，做好焊接準(zhǔn)備。參見圖2～圖3所示，玻璃2覆蓋在鋁合金3的部分表面上，焊接夾具5分別抵住玻璃2的表面和鋁合金3的底面，提供垂直方向上的夾持力6，鋁合金3被覆蓋住的側(cè)邊為焊縫4，位于玻璃2表面上的兩個(gè)焊接夾具6間存在焊接作業(yè)區(qū)，焊縫4在垂直方向上位于焊縫作業(yè)區(qū)中。

S4、設(shè)定激光器激光加工參數(shù)。

該激光器采用波長為800～1070nm的固體激光器，激光器加工參數(shù)設(shè)定為：激光掃描速度1～3.3mm·s^-1，焦距-3mm≤f≤0mm，激光功率150～299W，脈沖寬度0.1～20Ms，頻率為20～30Hz。

S5、激光器按照步驟S1設(shè)定的加工軌跡，激光器發(fā)射的激光束1穿透玻璃2直接聚焦在鋁合金3的表面上，將鋁合金3表面的氧化膜熔化后與玻璃2進(jìn)行接合，制得所需鋁合金-玻璃復(fù)合材料。整個(gè)焊接過程均在氬氣的氛圍中進(jìn)行，在此氧化膜起到了“膠水”的作用。

S6、拆除焊接夾具，完成整個(gè)焊接操作流程。

下面將通過具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實(shí)施例一：

一種鋁合金-玻璃復(fù)合材料的激光焊接方法，包括以下步驟：

S1、根據(jù)所需焊接的鋁合金和玻璃的尺寸、形狀，設(shè)定加工軌跡，并進(jìn)行焊接夾具準(zhǔn)備。這里的鋁合金和玻璃是指能夠用于計(jì)算機(jī)、通訊和消費(fèi)電子產(chǎn)品的所有鋁合金和玻璃。

S2、對(duì)所需焊接的鋁合金和玻璃進(jìn)行前期焊接預(yù)處理操作。

前期預(yù)處理分別是指對(duì)鋁合金進(jìn)行陽極氧化處理，使其表面形成一層氧化膜，氧化處理過程必須控制好氧化膜的厚度，若氧化膜厚度過薄時(shí)，其結(jié)合由于應(yīng)力緩沖區(qū)太小，不易實(shí)現(xiàn)焊接，若氧化膜過厚時(shí)，應(yīng)力緩沖區(qū)過大，也不易實(shí)現(xiàn)有效焊接，本實(shí)施例中的氧化膜的厚度控制在2μm。

對(duì)玻璃進(jìn)行簡單的表面清水洗凈，然后冷風(fēng)吹干等待使用。

S3、焊接夾具按照要求將步驟S2中完成預(yù)處理操作的鋁合金和玻璃進(jìn)行夾持，做好焊接準(zhǔn)備。將玻璃覆蓋在鋁合金的部分表面上，焊接夾具分別抵住玻璃的表面和鋁合金的底面，提供垂直方向上的夾持力，鋁合金被覆蓋住的側(cè)邊為焊縫，位于玻璃表面上的兩個(gè)焊接夾具間存在焊接作業(yè)區(qū)，焊縫在垂直方向上位于焊縫作業(yè)區(qū)中。

S4、設(shè)定激光器激光加工參數(shù)。

該激光器采用波長為800nm的固體激光器，激光器加工參數(shù)設(shè)定為：激光掃描速度1mm·s^-1，焦距f＝0mm，激光功率150W，脈沖寬度20Ms，頻率20Hz。

S5、激光器按照步驟S1設(shè)定的加工軌跡，激光器發(fā)射的激光束穿透玻璃直接聚焦在鋁合金的表面上，將鋁合金表面的氧化膜熔化后與玻璃進(jìn)行接合，制得所需鋁合金-玻璃復(fù)合材料。整個(gè)焊接過程均在氬氣的氛圍中進(jìn)行，在此氧化膜起到了“膠水”的作用。

S6、拆除焊接夾具，完成整個(gè)焊接操作流程。

實(shí)施例二：

本實(shí)施例與實(shí)施例一相比，不同之處在于：陽極氧化膜的厚度為10μm，激光器采用波長為900nm的固體激光器，激光器加工參數(shù)設(shè)定為：激光掃描速度1.3mm·s^-1，焦距f＝-1mm，激光功率189W，脈沖寬度0.5Ms，頻率24Hz。

實(shí)施例三：

本實(shí)施例與實(shí)施例一相比，不同之處在于：陽極氧化膜的厚度為19μm，激光器采用波長為950nm的固體激光器，激光器加工參數(shù)設(shè)定為：激光掃描速度2.5mm·s^-1，焦距f＝-2mm，激光功率229W，脈沖寬度10Ms，頻率28Hz。

實(shí)施例四：

本實(shí)施例與實(shí)施例一相比，不同之處在于：陽極氧化膜的厚度為28μm，激光器采用波長為1060nm的固體激光器，激光器加工參數(shù)設(shè)定為：激光掃描速度3.3mm·s^-1，焦距f＝-3mm，激光功率290W，脈沖寬度18Ms，頻率30Hz。

綜上所述，本發(fā)明提供的一種鋁合金-玻璃復(fù)合材料的激光焊接方法，采用激光直接熔化的方法來焊接鋁合金和玻璃，避免了傳統(tǒng)的鋁合金與玻璃焊接時(shí)需要放置在熱處理爐中和真空爐中進(jìn)行保溫而實(shí)現(xiàn)焊接而出現(xiàn)的弊端，突破了使用真空設(shè)備時(shí)對(duì)尺寸的限制和真空室的條件限制，同時(shí)也避免了膠條密封時(shí)的結(jié)合強(qiáng)度差、易于老化、環(huán)境污染的弊端，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，可進(jìn)行不同尺寸規(guī)格的鋁合金與玻璃的焊接制備，具有可控性高的優(yōu)點(diǎn)，生產(chǎn)得到的鋁合金-玻璃復(fù)合材料能夠符合應(yīng)用于高端制造業(yè)對(duì)行業(yè)的高標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量要求。

對(duì)所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。