Laserji z ultrakratkimi impulzi v kombinaciji z izvrstno tehnologijo samofokusiranja zagotavljajo kakovost in zanesljivost postopka, ki sta potrebna za uporabo laserskega varjenja stekla za množično proizvodnjo. Zaradi edinstvenih in odličnih lastnosti stekla se široko uporablja v različnih visokotehnoloških izdelkih na različnih področjih, kot sta biomedicina in mikroelektronika. Vendar predstavlja izziv za proizvajalce, zlasti na področju natančnega rezanja stekla v velikih količinah. Prav tako predstavlja težave pri lepljenju, vključno z varjenjem posameznih steklenih komponent skupaj in varjenjem stekla na druge materiale, kot so kovine in polprevodniki.
Mešanje kot eno
Vse konvencionalne metode, ki se uporabljajo za varjenje stekla, težko zagotavljajo natančnost, kakovost lepljenja in hitrost proizvodnje, potrebne za gospodarno in učinkovito serijsko proizvodnjo. Lepljenje z lepilom je na primer ekonomična metoda, vendar na delu ostane lepilo in je potrebno celo odplinjevanje.
Dielektrično varjenje vključuje namestitev praškastega materiala na točko stika in njegovo taljenje, da se zaključi vez. Ne glede na to, ali je to taljenje doseženo s pečico ali laserjem, se v del črpa veliko toplote. To je problem za mikroelektronske naprave in številne medicinske naprave.
Ionska vezava je domiselna metoda, ki zagotavlja izjemno visoko trdnost vezi. Dve novi in izjemno ravni stekleni površini sta stisnjeni skupaj in dobesedno zliti skupaj z molekularno vezjo. Vendar te operacije ni praktično izvajati v produkcijskem okolju.
Lasersko varjenje stekla
Kaj pa lasersko varjenje? Steklo ima številne zelo uporabne lastnosti, kot so zelo visoko tališče, prosojnost, krhkost in mehanska togost, hkrati pa predstavlja veliko težav pri laserskem varjenju. Zato tipični industrijski laserji in metode, ki se uporabljajo za varjenje kovin in drugih materialov, niso uporabni za steklo.
Tako kot natančno rezanje stekla je skrivnost v uporabi infrardečih laserjev z ultra kratkimi impulzi (USP). Steklo je prozorno v infrardečem sevanju, zato lahko fokusirani laserski žarek prehaja naravnost skozenj, dokler se fokusirani žarek ne zoži in postane tako koncentriran, da sproži "nelinearno absorpcijo". Ta "nelinearna absorpcija" se lahko pojavi le pri laserjih z ultra kratkimi impulzi z visoko konično močjo, enako pa ni mogoče storiti z drugimi vrstami laserjev.
Tako na zelo majhnem območju (običajno manj kot nekaj deset mikronov v premeru) okoli žarišča laserskega žarka steklo absorbira laser in se hitro stopi. Ta fokusirani žarek se skenira vzdolž želene varilne poti za dokončanje lepljenja, tako kot katera koli druga oblika laserskega varjenja.
Metoda laserskega varjenja stekla USP ponuja tri glavne prednosti.
Prvič, ustvari močno vez, saj sta oba materiala, ki ju varimo, delno stopljena in nato skupaj strjena, da tvorita zvar. Poleg tega je postopek enako primeren za lepljenje stekla na steklo, stekla na kovino in stekla na polprevodnik.
Drugič, v tem procesu vstopi v del le zelo majhna količina toplote, ki se ustvari na območju, širokem največ nekaj sto mikronov. To omogoča postavitev spajkalnih spojev zelo blizu elektronskih vezij ali drugih toplotno občutljivih komponent, ki zagotavlja večjo svobodo za oblikovalce in proizvajalce ter podpira boljše zasnove miniaturizacije izdelkov.
Nazadnje, če je lasersko varjenje stekla USP izvedeno pravilno, okoli zvara ne bodo nastale mikrorazpoke. In mikrorazpoke zmanjšajo mehansko trdnost stekla. Poleg tega se po temperaturnem ciklu (kar je neizogibno za vse) pojavijo mikrorazpoke je lahko vir morebitne okvare opreme.
Zagon laserskega varjenja stekla USP
Prednosti USP laserskega varjenja stekla izhajajo iz dejstva, da se steklo segreje le v majhni prostornini. Vendar pa to predstavlja tudi izziv v praksi. To pomeni, da mora položaj žarišča laserja ostati zelo natančno na vmesniku med dvema zvarjenima komponentama, tudi če se del premika. To je težko doseči, ker komponente v realnem svetu niso povsem ravne. Poleg tega se položaj, v katerem so deli nameščeni v varilnem sistemu, morda ne bo popolnoma prilegal.
Ena od rešitev je uporaba aksialno podaljšanega žarišča. To "raztegne" velikost goriščne točke laserskega žarka, da reši problem občutljivosti položaja. Pomanjkljivost te metode pa je, da podolgovato žarišče žarka ustvari bazen taline v steklu z nekrožnim presekom. Ko se steklo strdi v talilni coni, obstaja večja verjetnost, da bodo v nekrožnem bazenu nastale mikrorazpoke.
Druga metoda je bila sprejeta za doseganje rezultatov varjenja brez mikrorazpok in za sočasno prilagajanje znatnih sprememb medmesnih razdalj v procesu. Skrivnost je v kombinaciji visoko dinamične tehnologije ostrenja z uporabo optike z visoko numerično aperturo (NA) za izdelavo majhna žariščna točka.
Posledično laserski sistem doseže visoko sferičnost bazena taline in se tako izogne mikrorazpokam. Prav tako zaznava razdaljo vmesnika in nenehno prilagaja optiko, tako da je vedno ohranjen popoln fokus.
Rezultat je visokokakovosten zvar na skoraj vseh oblikah dela, postopek pa je neodvisen od toleranc in položaja dela.
