Способ локального бесклеевого соединения стекол со стеклокристаллическими материалами Российский патент 2024 года по МПК C03B23/20 C03B32/02 C03C10/02 C03C10/16 

Изобретение относится к области лазерной обработки материалов, в частности к способу локального бесклеевого соединения стекол со стеклокристаллическими материалами (ситаллами), основанному на локальном размягчении и сварке стекол со стеклокристаллическими материалами под действием сфокусированного излучения лазера. Полученный результат может быть использован для создания прочного термостабильного, химически стойкого бесклеевого соединения стекол со стеклокристаллическими материалами (ситаллами), в том числе материалами с различными температурными коэффициентами линейного расширения (ТКЛР).

В ряде отраслей промышленности, например, при создании устройств для нелинейной фильтрации и обработке сигналов в устройствах оптоволоконной связи, в сборке насыщающихся поглотителей лазеров с пассивной модуляцией добротности востребованы надежные соединения стекла и стеклокристаллических материалов.

В патенте US 3564587 A описан способ соединения двух стеклянных или стеклокристаллических поверхностей за счет использования припоя на основе стекла и технологического связующего. Состав стеклоприпоя и, соответственно, его температура сушки и обжига варьируется в зависимости от ТКЛР соединяемых материалов. Основными недостатками метода является сложность локального нанесения слоя припоя, многостадийность процесса соединения, включающего нанесение стеклоприпоя, сушку и обжиг, высокие температуры обжига более 800°С а также влияние слоя припоя на оптические характеристики конечного изделия.

Известна работа Zayhowski et al., "Pump-induced bleaching of the saturable absorber in short-pulse Nd:YAG/Cr":YAG passively Q-switched microchip lasers." IEEE J. Quant. Electron. Vol. 39, pp. 1588-1593 (2003), где для создания микрочипового лазера с пассивной модуляцией добротности был использован метод диффузионной сварки, применяемый для соединения разнородных материалов и описанный в патенте U.S. Pat. No. 5,846,638. Данный метод заключается в приведении соединяемых поверхностей в оптический контакт с дальнейшей термообработкой в печи под нагрузкой. В процессе термообработки происходит диффузия поверхностных слоев соединяемых материалов с созданием монолитного соединения. Данный метод лишен недостатков вышеописанных методов, однако выдвигает высокие требования к качеству полировки (шероховатость не выше нескольких нм) и геометрии соединяемых поверхностей, а также не подходит для соединения материалов с отличающимися коэффициентами термического расширения.

Метод, предложенный в патенте US 2023/0124770 А1, не требует высокого качества полировки и подходит для соединения материалов с отличающимися коэффициентами термического расширения. Более того, данный метод реализуем в комнатных условиях и подходит для крупных образцов, так как основан на помещении между прозрачными материалами подложки, поглощающей лазерное излучение и размягчающейся под его действием. Образцы, с двух сторон примыкающие к подложке, локально сплавляются за счет диффузии в размягченных областях. Однако данный метод имеет недостаток в изменении оптических характеристик получаемого соединения за счет введения подложки.

Для преодоления ограничений по качеству соединяемых поверхностей и сохранению их оптических свойств, перспективным может стать способ фемтосекундной лазерной сварки, в процессе которой происходит локальная диффузия поверхностных слоев соединяемых материалов в местах лазерно-индуцированного размягчения материалов. Благодаря процессам лавинной ионизации и многофотонного поглощения, возникающим при воздействии сверхкоротких импульсов на стекло, и приводящим к поглощению в области фокусировки лазерного пучка независимо от наличия линейного поглощения на длине волны лазера, становится возможным соединение без поглощающих подложек. Так, в работе Miyamoto I. et al. Fusion welding of glass using femtosecond laser pulses with high-repetition rates // J. Laser Micro/Nanoeng. - 2007. - T. 2. - №. 1. - C. 57-63 успешно соединены стекла без использования дополнительных материалов между ними, за счет поглощения лазерного излучения и сопутствующего ему локального нагрева и плавления вблизи поверхности раздела соединяемых образцов.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является работа Richter S. et al. Laser welding of glasses at high repetition rates-Fundamentals and prospects //Optics & Laser Technology. - 2016. - T. 83. - C. 59-66. В ней продемонстрирована возможность формирования соединения материалов с близкими к нулевому значениями коэффициентов термического расширения: титан-силикатного стекла марки ULE (КТР≤10^-9 К^-1) с ситаллом Zerodur (КТР≤10^-9 К^-1). Пучок фемтосекундного лазера, генерирующего импульсы длиной 450 фс на длине волны 515 нм с частотой следования 9,4 МГц и энергией импульса 150 нДж, фокусировался на поверхности раздела свариваемых образцов асферической линзой (NA=0.5) и перемещался относительно поверхности образца со скоростью 1 мм/мин. Соединение образцов обеспечивалось локальным размягчением материалов за счет поглощения энергии лазерного излучения в области фокусировки. Преимуществом данного метода является отсутствие клеев или припоев, что повышает оптическое пропускание конечного изделия, увеличивает термостойкость и химическую стойкость. Недостатком данного метода является необходимость тщательной подготовки поверхности образцов для обеспечения оптического контакта соединяемых поверхностей с шероховатостью в 2 нм и плоскостностью ниже 125 нм и тщательное позиционирование плоскости поверхности раздела материалов ввиду короткой перетяжки сфокусированного пучка. Более того, низкая скорость перемещения пучка, обеспечивающая расплавление материалов, приводит также к кристаллизации стеклокристаллического материала. Из-за неконтролируемого роста кристаллов, приводящих к появлению множества трещин после затвердевания сварного шва, прочность полученного соединения составляла всего 11 МПа, что составляет 12 и 60% прочности исходных ситалла и стекла соответственно.

Техническим результатом изобретения является создание прочного соединения стекол с ситаллами с разными значениями коэффициентов термического расширения.

Указанный технический результат достигается способом локального бесклеевого соединения стекол со стеклокристаллическими материалами, основанным на локальном размягчении и формировании сварной площадки на границе стекла и стеклокристаллического материала под действием сфокусированного излучения лазера, включающим фокусировку фемтосекундных лазерных импульсов вблизи поверхности раздела свариваемых материалов, перемещение свариваемых образцов по заданной траектории, при этом используют фемтосекундный лазерный пучок с бесселевским распределением энергии, генерирующий импульсы 1030 нм, длительностью 180÷900 фс, с частотой следования 5 кГц, энергией 2500÷8000 нДж, и перемещают свариваемые образцы в плоскости контакта материалов со скоростью 0,2÷2,1 мм/с, а в качестве стекла используют фосфатное стекло с коэффициентом термического расширения 110⋅10^-7 K^-1, в качестве стеклокристаллического материала цинкомагниевоалюминиевосиликатный с коэффициентом термического расширения 62⋅10^-7 К^-1 или титаномагниевоалюминиевосиликатный ситаллы с коэффициентом термического расширения 50⋅10^-7 К^-1, и сварная площадка представляет собой серию параллельных круговых треков с шагом 5÷20 мкм между треками.

В заявляемой работе применен метод бесклеевой и бесприпойной лазерной сварки для создания условий для локальной диффузии поверхностных слоев стекла и стеклокристаллического материала в местах лазерно-индуцированного плавления. Метод основан на локальном нелинейном поглощении энергии лазерных импульсов в области перетяжки сфокусированного лазерного пучка, нагреве и плавлении стекла и стеклокристаллического материала за счет поглощенной энергии, что приводит к взаимной диффузии и формированию сварного шва после прекращения лазерного воздействия и остывания материалов. Благодаря локальности воздействия становится возможным создание прочного соединения материалов с различными ТКЛР. Благодаря использованию бесселева пучка становится возможным сварка образцов, плоскость которых находится под непрямым углом к направлению распространения лазерного излучения, а также поверхность которых может содержать различного рода дефекты.

Для сварки использовалась установка на основе фемтосекундного лазера Pharos SP (Light Conversion Ltd), генерирующий импульсы 1030 нм, длительностью 180÷900 фс, с частотой следования 5 кГц, энергией 2500÷8000 нДж, пучок которого фокусируют в бесселев в область контакта материалов и перемещают в плоскости контакта материалов со скоростью 0,2÷2,1 мм/с, в качестве стекла используют фосфатное стекло с коэффициентом термического расширения, в качестве стеклокристаллического материала цинкомагниевоалюминиевосиликатный или титаномагниевоалюминиевосиликатный ситалли и сварная площадка представляет собой серию параллельных круговых треков с шагом 5÷20 мкм между треками. Для минимизации зазора полированные образцы очищали ацетоном и помещали в зажимную оправку. Перемещение относительно лазерного пучка происходило на прецизионном трехкоординатном трансляционном столе Aerotech ABL1000.

Анализ прочностных характеристик сварного шва проводился на испытательной разрывной машине Shimadzu AGS-X при постоянной скорости нагружения 1 мм/мин методом измерения прочности на сдвиг σ, определяемой по формуле σ=F_max/S, где F_max - сила нагружения, Н; S - площадь сварного шва, мм². Для измерений использовалась оправка, позволяющая измерять силу сдвига и аналогичная ранее применявшейся оправке в патенте RU 2779112.

Достижение заявляемого технического результата подтверждается следующими примерами.

Пример 1. Проведена локальная лазерная сварка пластин фосфатного стекла состава мол. % 51P2O5⋅4SiO2⋅7B2O3⋅10Al2O3⋅10BaO⋅17K2O⋅1Nd2O3 (КТР α_0-100=110⋅10^-7 K^-1) и титаномагниевоалюминиевосиликатного ситалла состава мол. % 18MgO⋅18Al2O3⋅55SiO2⋅9TiO2, легированного 0,05 масс. % СоО сверх 100% (α_0-100=50⋅10^-7 К^-1). Сфокусированным лазерным бесселевым пучком с длиной волны 1030 нм, длительностью импульсов 180 фс, частотой следования 5 кГц, энергией импульсов 6500 нДж была сформирована сварная площадка, содержащая 100 параллельных круговых сварных швов с минимальным радиусом 0,9 мм с шагом 7 мкм между окружностями. Скорость перемещения образца относительно лазерного пучка составила 1 мм/с. Прочность на сдвиг сформированного соединения составила 147 МПа.

Пример 2. Проведена локальная лазерная сварка пластин фосфатного стекла, допированного неодимом состава мол. % 51P2O5⋅4SiO2⋅7B2O3⋅10Al2O3⋅10BaO⋅17K2O⋅1Nd2O3 (КТР α_0-100=110⋅10^-7 K^-1) и цинкмагниевоалюминиевосиликатного ситалла состава мол. % 2Na2O⋅5TiO2⋅4ZrO2⋅11ZnO⋅10MgO⋅20Al2O3⋅48SiO2 (КТР α_0-100=62⋅10^-7 К^-1). Сфокусированным лазерным бесселевым пучком с длиной волны 1030 нм, длительностью импульсов 180 фс, частотой следования 5 кГц, энергией импульсов 2500 нДж была сформирована сварная площадка, содержащая 100 параллельных круговых сварных швов с минимальным радиусом в 1 мм с шагом 10 мкм между окружностями. Скорость перемещения образца относительно лазерного пучка составила 0,2 мм/с. Прочность на сдвиг сформированного соединения составила 56 МПа.

Пример 3. Проведена локальная лазерная сварка пластин фосфатного стекла состава мол. % .% 51P2O5⋅4SiO2⋅7B2O3⋅10Al2O3⋅10BaO⋅17K2O⋅1Nd2O3 (КТР α_0-100=110⋅10^-7 K^-1) и титаномагниевоалюминиевосиликатного ситалла состава мол. % 18MgO⋅18Al2O3⋅55SiO2⋅9TiO2 (α_0-100=50⋅10^-7 К^-1). Сфокусированным лазерным бесселевым пучком с длиной волны 1030 нм, длительностью импульсов 600 фс, частотой следования 5 кГц, энергией импульсов 8000 нДж была сформирована сварная площадка, содержащая 100 параллельных круговых сварных швов с минимальным радиусом 0,9 ммм с шагом 20 мкм между окружностями. Скорость перемещения образца относительно лазерного пучка составила 1,5 мм/с.Прочность на сдвиг сформированного соединения составила 76 МПа.

Пример 4. Проведена локальная лазерная сварка пластин фосфатного стекла состава мол. % .% 51P2O5⋅4SiO2⋅7B2O3⋅10Al2O3⋅10BaO⋅17K2O⋅1Nd2O3 (КТР α_0-100=110⋅10^-7 K^-1) и титаномагниевоалюминиевосиликатного ситалла состава мол. % 18MgO⋅18Al2O3⋅55SiO2⋅9TiO2 (α_0-100=50⋅10^-7 К^-1). Сфокусированным лазерным бесселевым пучком с длиной волны 1030 нм, длительностью импульсов 900 фс, частотой следования 5 кГц, энергией импульсов 6500 нДж была сформирована сварная площадка, содержащая 100 параллельных круговых сварных швов с минимальным радиусом 0,9 ммм с шагом 5 мкм между окружностями. Скорость перемещения образца относительно лазерного пучка составила 2,1 мм/с. Прочность на сдвиг сформированного соединения составила 59 МПа.

Пример 5. Проведена локальная лазерная сварка пластин фосфатного стекла состава мол. % .% 51P2O5⋅4SiO2⋅7B2O3⋅10Al2O3⋅10BaO⋅17K2O⋅1Nd2O3 (КТР α_0-100=110⋅10^-7 K^-1) и цинкмагниевоалюминиевосиликатного ситалла состава мол. % 2Na2O⋅5TiO2⋅4ZrO2⋅11ZnO⋅10MgO⋅20Al2O3⋅48SiO2 (КТР α_0-100=62⋅10^-7 К^-1). Сфокусированным лазерным бесселевым пучком с длиной волны 1030 нм, длительностью импульсов 400 фс, частотой следования 5 кГц, энергией импульсов 4500 нДж была сформирована сварная площадка, содержащая 100 параллельных круговых сварных швов с минимальным радиусом 0,9 ммм с шагом 14 мкм между окружностями. Скорость перемещения образца относительно лазерного пучка составила 1,0 мм/с. Прочность на сдвиг сформированного соединения составила 80 МПа.

Как видно из примеров, декларируемые пределы параметров фемтосекундного лазерного пучка позволяют локально размягчать и проводить сварку фосфатного стекла с, а использование бесселева пучка дает возможность создавать прочное соединение при колебаниях нормальности угла падения лазерного пучка. Нижние границы указанных пределов параметров лазерной сварки обусловлены минимальной дозой лазерного излучения, достаточной для локального плавления и образования стеклофазы и взаимной диффузии материалов, верхние обусловлены возникновением трещин и разрушением сварного шва.

Изобретение относится к области лазерной обработки материалов, в частности к способу локального бесклеевого соединения стекол со стеклокристаллическими материалами (ситаллами), основанному на локальном размягчении и сварке стекол со стеклокристаллическими материалами под действием сфокусированного излучения лазера. Способ включает фокусировку фемтосекундных лазерных импульсов вблизи поверхности раздела свариваемых материалов, перемещение свариваемых образцов по заданной траектории. При этом используют фемтосекундный лазерный пучок с бесселевским распределением энергии, генерирующий импульсы 1030 нм длительностью 180÷900 фс, с частотой следования 5 кГц, энергией 2500÷8000 нДж. Перемещают свариваемые образцы в плоскости контакта материалов со скоростью 0,2÷2,1 мм/с. В качестве стекла используют фосфатное стекло с коэффициентом термического расширения 110⋅10^-7 K^-1. В качестве стеклокристаллического материала - цинкомагниевоалюминиевосиликатный с коэффициентом термического расширения 62⋅10^-7 K^-1 или титаномагниевоалюминиевосиликатный с коэффициентом термического расширения 50⋅10^-7 K^-1 ситаллы. При этом сварная площадка представляет собой серию параллельных круговых треков с шагом 5÷20 мкм между треками. Техническим результатом является создание прочного соединения стекол с ситаллами с разными значениями коэффициентов термического расширения.

Способ локального бесклеевого соединения стекол со стеклокристаллическими материалами, основанный на локальном размягчении и формировании сварной площадки на границе стекла и стеклокристаллического материала под действием сфокусированного излучения лазера, включающий фокусировку фемтосекундных лазерных импульсов вблизи поверхности раздела свариваемых материалов, перемещение свариваемых образцов по заданной траектории, отличающийся тем, что используют фемтосекундный лазерный пучок с бесселевским распределением энергии, генерирующий импульсы 1030 нм длительностью 180÷900 фс с частотой следования 5 кГц, энергией 2500÷8000 нДж, и перемещают свариваемые образцы в плоскости контакта материалов со скоростью 0,2÷2,1 мм/с, а в качестве стекла используют фосфатное стекло с коэффициентом термического расширения 110⋅10^-7 K^-1, в качестве стеклокристаллического материала - цинкомагниевоалюминиевосиликатный с коэффициентом термического расширения 62⋅10^-7 K^-1 или титаномагниевоалюминиевосиликатный с коэффициентом термического расширения 50⋅10^-7 K^-1 ситаллы, а сварная площадка представляет собой серию параллельных круговых треков с шагом 5÷20 мкм между треками.