專利名稱：一種激光焊接吸收薄膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光焊接技術(shù)領(lǐng)域，更具體的說是一種激光焊接吸收薄膜。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中采用激光焊接的一大優(yōu)點就是具有穿透性，在非金屬和金屬的穿透焊接中，激光可以穿透晶體、玻璃等非金屬材料，入射到非金屬的表面，從而在兩種材料的介面產(chǎn)生熱量，進(jìn)行焊接。然而，在兩種材料的連接面處，金屬材料會對焊接使用的激光，如波長為1.06μ的激光，產(chǎn)生強烈的反射，達(dá)到80％作用，對CO2激光器(10.6μ)的反射更為嚴(yán)重，不僅造成光能量的極大浪費，而且反射光可能會損壞光源系統(tǒng)，因而金屬對紅外的反射一直是激光焊接中極力解決的一個問題。目前，一般采用的避免紅外反射的方法有兩種，第一種是在金屬的表面鍍制一些吸收能力很強的材料，以此提高光束的能量吸收系數(shù)，一般采用的材料是氧化銅、石墨、多晶鎢等，然而，在工廠條件下很難獲得高質(zhì)量的膜層，而且這些材料的熱傳遞系數(shù)較低，會影響熱穿透的深度，從而降低焊接質(zhì)量；第二種方法是采取改變激光脈沖波形的方法，在主脈沖之前，有一個較短的很尖的脈沖，對要焊接區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱，從而提高金屬對光的吸收系數(shù)，這種方法對吸收系數(shù)的改善也是非常有限；仍然會有40％左右的光反射，因此，需要入射并穿過透明材料的激光功率仍然很高，可能會對損害透明材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中的難題，為穿透性激光焊接技術(shù)提供一種強吸收薄膜，大幅降低目前激光焊接中的強反射損耗，降低焊接所需激光功率，減小激光對被穿透物質(zhì)的破壞作用。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)來實現(xiàn)其發(fā)明目的穿透型激光焊接一般用于透明材料和襯底材料之間的焊接，襯底材料可以是金屬或者非金屬材料。透明材料和襯底材料的焊接面鍍有金屬預(yù)鍍層，金屬預(yù)鍍層可以為Cu、Cr或其他金屬，金屬預(yù)鍍層起粘結(jié)作用；襯底材料在其金屬預(yù)鍍層上鍍有焊接層，焊接層可以為Sn或其他金屬。由于金屬預(yù)鍍層對激光有強烈的反射作用，反射損失達(dá)到80％左右，不僅造成光能量的極大浪費，而且反射光可能會損壞光源系統(tǒng)。我們運用光學(xué)干涉薄膜原理，設(shè)計了一種對激光強吸收的光學(xué)吸收薄膜，并提出運用光學(xué)鍍膜技術(shù)在透明材料和其金屬預(yù)鍍層之間鍍上這種激光焊接吸收薄膜，從而實現(xiàn)大幅降低激光焊接反射損失。本發(fā)明為一種激光焊接吸收薄膜，由三層構(gòu)成第一金屬層、介質(zhì)層和第二金屬層，介質(zhì)層置于第一金屬層和第二金屬層之間。
將透明材料稱為入射材料，其金屬預(yù)鍍層稱為出射材料，與本發(fā)明形成了“入射材料|金屬 介質(zhì) 金屬|(zhì)出射材料”的結(jié)構(gòu)。設(shè)入射層的折射率為η0，出射層的折射率為η4；吸收膜系中間為介質(zhì)層，緊挨入射層的金屬層為第一金屬層，折射率為η1，膜厚為d1；介質(zhì)層的折射率為η2，膜厚為d2；緊挨出射層的金屬層為第三層金屬層，折射率為η3，膜厚為d3。由導(dǎo)納矩陣法，得出膜系反射率推導(dǎo)過程BC=Πj=13cosδjisinδiηjiηjsinδjcosδj1η4--(1)]]>δj=2πληjdjcosθj]]>(θj為激光在第j層的折射角)；λ＝1.06微米，為激光波長，激光束垂直入射，θj＝0；所以，δj=2πληjdj.]]>所以BC=Πj=13cos2πληjdjisin2πληjdj/ηjiηjsin2πληjdjcos2πληjdj1η4--(2)]]>等效導(dǎo)納Y=CB=y1+iy2]]>膜系的振幅反射率r=η0-Yη0+Y=r1+ir2,]]>能量反射率R＝r·r*＝r12+r22由于金屬膜足夠厚，透過率基本為零，所以激光能量吸收率A＝1-R，因此，使R＝0，就能實現(xiàn)激光能量的全吸收。各層材料折射率已知，激光波長已知，所以由上述(2)式知道，R為d1，d2，d3的函數(shù)。根據(jù)實際情況選定各層的厚度，第3層金屬層主要是對激光的吸收，d3選為35nm～70nm中任一值，第2層介質(zhì)層的光學(xué)厚度η2d2取值在γ/4附近，確定d2為180nm～250nm中任一值。所以R為d1的函數(shù)。設(shè)R為0～20％中任一值，即可求得d1的值。令R＝0，就可求得相應(yīng)的d1值，若設(shè)R取值范圍為0～20％，即可求得d1的取值范圍。從而確定吸收膜各層厚度范圍，d1[10，45]，d2[180，250]，d1[35，70]單位nm。
在材料選擇上，介質(zhì)層可以為SiO2等折射率相似介質(zhì)材料，第一金屬層和第三金屬參可以為Cr、Ni、Mn或Pd等折射率相似的金屬材料，也可以是這些金屬其中的兩種或兩種以上的合金。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)有顯著性的效果，當(dāng)?shù)谝唤饘賹拥暮穸瓤刂圃?0～45nm之間，介質(zhì)層的厚度控制在180～250nm之間，第二金屬層的厚度控制在35～70nm之間的時候，理論效果可以達(dá)到0％的反射率。在使用過程由于誤差的存在與理論數(shù)值有一定的差距，但是也可以很容易的將反射率控制在0～10％之間，最多不會超過20％。相對于現(xiàn)有技術(shù)至少40％的反射率，本發(fā)明不僅大大的降低了激光的反射率，而且可以讓更小的激光能量穿透透明材料；不僅節(jié)省能源，也為實現(xiàn)特殊材料的激光焊接提供了解決方案。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點1.大幅降低穿透型激光焊接中金屬材料對激光的反射損失，使目前激光焊接的反射損失從40％以上降為20％以下，節(jié)省能源；2.大幅降低穿透型激光焊接所需的激光能量，使焊接激光器小型化；3.減少激光對透明材料的破壞，為實現(xiàn)特殊材料的激光焊接提供了解決方案。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明使用狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為實施例1中使用本發(fā)明與未使用本發(fā)明的激光反射率對比圖；圖4為當(dāng)入射材料為玻璃時，激光反射率隨第一金屬層厚度變化的曲線；圖5為實施例2中使用本發(fā)明與未使用本發(fā)明的激光反射率對比圖；圖6為當(dāng)入射材料為石英時，激光反射率隨第一金屬層厚度變化的曲線；圖7為實施例3中使用本發(fā)明與未使用本發(fā)明的激光反射率對比圖；圖8為當(dāng)入射材料為鈮酸鋰晶體時，激光反射率隨第一金屬層厚度變化的曲線；具體實施方式
如圖1所示，本發(fā)明為一種激光焊接吸收薄膜，由三層構(gòu)成第一金屬層(2)、介質(zhì)層(3)和第二金屬層(4)，介質(zhì)層(3)置于第一金屬層(2)和第二金屬層(4)之間；介質(zhì)層(3)材料為SiO2，第一金屬層(2)和第二金屬層(4)材料為Cr。如圖2所示，用于激光焊接的焊接材料為透明材料(1)和襯底材料(8)，透明材料(1)可以為玻璃，石英，鈮酸鋰晶體等，襯底材料(8)可以是金屬或者非金屬材料。透明材料(1)的焊接面鍍有金屬預(yù)鍍層(5)，金屬預(yù)鍍層(5)為材料Cu，襯底材料(8)的焊接面鍍有金屬預(yù)鍍層(7)，金屬預(yù)鍍層(7)為材料Cr，金屬預(yù)鍍層(5)和金屬預(yù)鍍層(7)起粘結(jié)作用；襯底材料(8)在其金屬預(yù)鍍層(7)上鍍有焊接層(6)，焊接層(6)材料為Sn。由于金屬預(yù)鍍層(5)對激光有強烈的反射作用，所以在透明材料(1)和其金屬預(yù)鍍層(5)之間鍍上本發(fā)明的一種激光焊接吸收薄膜。
以下通過具體實施例來對比鍍了本發(fā)明的一種激光焊接吸收薄膜與未鍍膜的激光焊接反射率，入射激光采用波長為1.06μ的激光。
實施例1透明材料(1)為玻璃，玻璃的折射率為1.53。激光焊接吸收薄膜各層的厚度分別為第一金屬層(2)厚度為19nm，介質(zhì)層(3)厚度為200nm，第二金屬層厚度(4)為60nm。其反射率隨入射激光波長變化的曲線如圖3所示。當(dāng)入射材料為玻璃時，激光反射率隨第一金屬層厚度變化的曲線如圖4所示。
實施例2透明材料(1)為石英，石英的折射率為1.47。激光焊接吸收薄膜各層的厚度分別為第一金屬層(2)厚度為19nm，介質(zhì)層(3)厚度為200nm，第二金屬層厚度(4)為60nm。其反射率隨入射激光波長變化的曲線如圖5所示。當(dāng)入射材料為石英時，激光反射率隨第一金屬層厚度變化的曲線如圖6所示。
實施例3透明材料(1)為鈮酸鋰晶體，鈮酸鋰晶體的折射率為2.183。激光焊接吸收薄膜各層的厚度分別為第一金屬層(2)厚度為26nm，介質(zhì)層(3)厚度為200nm，第二金屬層厚度(4)為60nm。其反射率隨入射激光波長變化的曲線如圖7所示。當(dāng)入射材料為鈮酸鋰晶體時，激光反射率隨第一金屬層厚度變化的曲線如圖8所示。
權(quán)利要求
1.一種激光焊接吸收薄膜，由三層構(gòu)成第一金屬層、介質(zhì)層和第二金屬層，介質(zhì)層置于第一金屬層和第二金屬層之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光焊接吸收薄膜，其特征是所述介質(zhì)層為SiO2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光焊接吸收薄膜，其特征是所述第一金屬層為Cr、Ni、Mn或Pd。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光焊接吸收薄膜，其特征是所述第二金屬層為Cr、Ni、Mn或Pd。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種激光焊接吸收薄膜，其特征是所述第一金屬層為Cr、Ni、Mn或Pd其中兩種或兩種以上的合金。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種激光焊接吸收薄膜，其特征是所述第二金屬層為Cr、Ni、Mn或Pd其中兩種或兩種以上的合金。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種激光焊接吸收薄膜，其特征是所述介質(zhì)層厚度為180～250nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種激光焊接吸收薄膜，其特征是第一金屬層的厚度為10～45nm。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種激光焊接吸收薄膜，其特征是第二金屬層的厚度為35～70nm。
全文摘要
本發(fā)明為一種激光焊接吸收薄膜，由三層構(gòu)成第一金屬層、介質(zhì)層和第二金屬層，介質(zhì)層置于第一金屬層和第二金屬層之間。本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中的難題，為穿透性激光焊接技術(shù)提供一種強吸收薄膜，大幅降低目前激光焊接中的強反射損耗，降低焊接所需激光功率，減小激光對被穿透物質(zhì)的破壞作用。
文檔編號C23C28/00GK1475325SQ0313971
公開日2004年2月18日 申請日期2003年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月9日
發(fā)明者江紹基, 柴紅芳, 汪河洲 申請人:中山大學(xué)