《Optics & Laser Technology》：Novel double-sided laser welding approach for strength enhancement and defect mitigation in wide-gap glass joints
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超快激光焊接玻璃中微米级间隙导致的质量问题，通过双面焊接和响应面法优化参数，发现间隙增大焊接强度降低，扫描次数增加形成空腔结构提升质量但过度导致烧蚀。最优参数下单面焊接强度17.66MPa，双面焊接在4μm间隙时达29.14MPa，最大允许间隙10μm。
宁江|钱润东|乔海宇|尹慧泽|倪晨毅|刘亚云|王传阳
中国苏州苏州大学机械与电气工程学院，邮编215000
摘要
在玻璃材料的超快激光焊接过程中，观察到存在间隙会导致诸如微裂纹、飞溅物和空洞等缺陷，这些缺陷最终会降低焊接质量。本研究探讨了间隙大小和扫描重复次数对焊接完整性的影响。研究发现间隙大小与焊接强度之间存在明显的反比关系：较大的间隙会导致焊接接触面积减小，从而降低焊接强度。随着扫描次数的增加，虽然会形成空洞结构，但可以改善焊接质量；然而，如果扫描次数过多，也可能导致烧蚀等缺陷的产生。通过响应面方法确定了最佳激光参数，分别为脉冲能量27 μJ、扫描速度900 mm/s和离焦量-60 μm。实验结果表明，最大焊接强度可达17.66 MPa。此外，双面焊接显著提高了焊接强度，尤其是对于较大的间隙，5 μm间隙时的强度提升了53%。有效的双面焊接允许的最大间隙为10 μm，4 μm间隙时的最大强度为29.14 MPa。超过8 μm的间隙时，即使进行反面焊接，也会因界面附近的缺陷而限制焊接的整体完整性。
引言
玻璃具有化学稳定性高、密封性能好[1]、透明度高[2]和热膨胀系数低[3]等优点，因此被广泛应用于高精度封装[4]和微机电系统（MEMS）[6]等集成场景中[5]。然而，传统的玻璃连接技术（如粘合剂粘合[7]、阳极键合[8]和钎焊[9]）在效率和稳定性方面存在局限性，无法完全满足现代工业对无污染、低热损伤和高强度连接的要求。在这种背景下，激光焊接因其高速度、高精度、焊接均匀性和低热变形而受到广泛关注[10]。然而，传统的CO?和Nd:YAG激光技术在玻璃焊接中存在局限性：CO?激光容易引起大规模熔化和裂纹损伤；Nd:YAG激光的作用范围有限，且需要引入中间层，增加了工艺复杂性[11]。近年来，出现了与传统激光焊接方法不同的超快激光技术[12]。其高能量密度和短脉冲持续时间的独特优势使得无需填充材料即可实现高精度焊接，并且热影响区较小[14]。当超快激光通过透镜聚焦时，焦点区域的峰值功率密度可超过1013 W/cm2，从而在玻璃中引发非线性吸收[15]。在焦点处，材料熔化，形成上下玻璃层之间的连接[16]。激光与材料的相互作用仅限于焦点附近，持续时间极短，因此热影响区被限制在微米级别，大大减少了热损伤。因此，这项技术特别适用于基于玻璃的封装应用，能够实现最佳的连接强度并最小化热变形。
如图1所示，玻璃激光焊接应用范围广泛[17]。然而，随着结构尺寸的减小，对焊接的精度和质量要求也更高。因此，确保微尺度下的焊接质量对于玻璃激光焊接的广泛应用至关重要。研究人员已经研究了多种方法来提高焊接质量。关于玻璃的超快激光焊接性能和工艺窗口，A. Horn等人研究了玻璃-玻璃和玻璃-硅基底的焊接行为，并分析了扫描速度、脉冲能量和重复频率等参数对焊接尺寸和结构的影响[18]。H. Alexander等人进一步实现了玻璃与半导体之间的精确焊接，并通过显微截面观察和强度测试验证了焊接效果[19]。尽管现有研究已经探讨了玻璃的超快激光焊接工艺和性能，但在微米级大间隙条件下的缺陷演变和形成机制方面仍缺乏系统研究[20]。玻璃对表面平整度和界面间隙非常敏感[21]。先前的研究表明，需要精确夹紧以保持匹配表面的近乎光学接触[22]，通常建议使用100–500 nm级别的间隙以避免界面裂纹、烧蚀或 bonding 不完全[23]。玻璃的超快激光焊接要求在焊接过程中保持工件之间的光学接触，但这一高技术要求限制了该技术的广泛应用。然而，在实际组装中，自然堆叠的玻璃片之间的间隙可能超过3微米[24]。当玻璃片之间存在微米级间隙时，焊接过程容易产生孔洞和裂纹等缺陷，从而降低焊接强度，影响焊接部件的可靠性和功能[25]。为了解决大间隙焊接的独特挑战，H. Chen等人提出了一种皮秒激光大间隙密封方法，该方法利用快速振荡扫描和玻璃收缩效应来减小间隙大小，从而获得高质量的密封焊接[24]。然而，总体而言，在微米级大间隙条件下确保焊接质量仍然是一个主要挑战。
为应对这些挑战，本研究进行了准同时焊接实验，以探讨间隙大小达到微米级别时对焊接质量的影响。同时，还研究了焊接形成过程，特别是研究了 bonding 区域内空洞的运动及其对焊接完整性的影响。为了解决大间隙导致的焊接质量问题，提出了一种新的双面焊接工艺，旨在通过反面焊接来增加 bonding 面积，从而提高焊接质量。此外，还采用响应面方法优化了单面焊接的工艺参数。最终，本研究旨在增加高强度焊接的最大允许间隙，以扩大其在工业应用中的适用范围。这项技术使得玻璃焊接不再受光学接触的严格限制，同时确保了结构完整性和提高了焊接性能。
实验材料与设备
本研究中使用JGS2石英玻璃作为焊接材料，样品尺寸为长50 mm、宽20 mm、厚2 mm。JGS2石英玻璃由高纯度石英砂熔炼而成，二氧化硅（SiO?）含量超过99.9%，杂质（如铝（Al）、铁（Fe）等元素含量极少。它在可见光-近红外范围内具有高透射率和低色散特性。
间隙大小对焊接形态和机械强度的影响
图5中的地形图像展示了不同间隙条件下的焊接形态。不同间隙条件的主要区别在于彩色干涉条纹和焊接边缘的飞溅现象。当间隙为1 μm时，焊接区域边缘完整且清晰，周围区域的飞溅物较少，表明狭窄的间隙可以有效抑制焊接过程中的飞溅现象。
结论
本研究探讨了具有微米级大间隙的玻璃超快激光焊接。研究发现，位于 bonding 接口上方的空洞会对激光能量产生屏蔽效应，并证明了双面焊接在扩大可焊接间隙和增强接头强度方面的有效性。
- (1)
在焊接过程中，较大的间隙会导致 bonding 区域内的空洞分布更密集。位于接口上方的空洞会阻碍激光传输，从而降低焊接质量
作者贡献声明
宁江：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、资源获取、方法论设计、项目管理和资金申请、概念构思。钱润东：验证、软件开发、正式分析。乔海宇：验证、软件开发。尹慧泽：数据可视化、方法论设计。倪晨毅：软件开发、实验研究。刘亚云：数据可视化、方法论设计、数据整理。王传阳：撰写 – 原稿、监督、资源获取、项目管理和方法论设计、资金申请。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了江苏省优秀博士后计划（2024ZB634）、中国博士后科学基金会（2024M762283）、国家自然科学基金（项目编号52075354和52305495）以及江苏省自然科学基金（项目编号BK20210718）的支持。我们对这些财务支持表示衷心的感谢。
