大離焦皮秒激光焊接如何玻璃和不銹鋼怎么焊得更牢？

    玻璃和不銹鋼是兩種完全不同的材料：玻璃硬脆、怕熱，不銹鋼結(jié)實、能變形。但在很多地方又需要把它們焊在一起，比如新能源電池的密封蓋、激光設(shè)備的光學(xué)窗口。過去焊接它們時，經(jīng)常因為受熱不均開裂，或者焊得不結(jié)實。

    科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，用皮秒激光（一種脈沖特別短的激光）可以焊接它們，但強度一直不夠高。這次研究找到了一個好辦法：通過調(diào)整激光的“焦點位置”，讓玻璃和不銹鋼的焊接強度達(dá)到了玻璃本身強度的64%，也就是30.73兆帕，這相當(dāng)于能承受300多公斤的拉力！

    一、關(guān)鍵技術(shù)：讓激光“錯位”焊接

    1.怎么讓激光焊得更準(zhǔn)？

    傳統(tǒng)激光焊接時，焦點會對準(zhǔn)玻璃和金屬的接觸面，但這次研究反其道而行之：把激光焦點往下調(diào)了800微米（頭發(fā)絲直徑約50100微米），這種“大離焦”的方式有什么好處呢？

    就像打臺球時打“擦邊球”：激光穿過玻璃后，在接觸面下方聚焦，能量更均勻地作用在金屬上，避免玻璃直接被燒裂；

    用的是通快公司的皮秒激光設(shè)備：脈沖寬度只有8皮秒（1皮秒=萬億分之一秒），熱量還沒來得及擴(kuò)散就完成了焊接，熱影響區(qū)特別小。

    2.實驗怎么做？

    材料準(zhǔn)備：選純度99.9%的熔石英玻璃（75×15×5毫米）和304不銹鋼（20×20×1毫米），表面打磨得非常光滑（粗糙度0.01微米，比鏡子還亮）；

    焊接過程：用夾具把玻璃和不銹鋼夾好，激光以1毫米/秒的速度掃描，每秒鐘發(fā)射1萬個脈沖（10千赫茲）；

    測強度：用專門的設(shè)備拉拽焊接件，測它能承受多大的力，同時用顯微鏡看焊縫的樣子。

    二、為什么大離焦能焊得更牢？

    1.焦點位置的影響：不是越準(zhǔn)越好！

    實驗發(fā)現(xiàn)，焊接強度隨焦點位置變化像個“M”型曲線：

    焦點在800微米時最強：這時候金屬表面被激光“炸”出很多鋸齒狀的小坑（深7.6微米），玻璃和金屬像“齒輪”一樣咬在一起，同時兩者的材料在高溫下混合，形成27微米厚的“混合層”；

    焦點太靠近表面時：玻璃里面會出現(xiàn)“樹枝狀”的損傷裂紋，反而容易斷開；焦點太遠(yuǎn)時，能量不夠，金屬燒蝕不充分，咬合力不夠。

    2.激光能量要“剛剛好”

    能量太低（10微焦）：金屬只掉小顆粒，坑太淺（1.2微米），玻璃和金屬沒怎么混合；

    能量太高（60微焦）：玻璃會被燒出裂紋，金屬飛濺太多，反而混合層變薄；

    最佳能量40微焦：金屬會像“爆炸”一樣變成霧狀小顆粒，這些顆粒粘在玻璃上，讓玻璃更容易吸收激光能量，兩者充分混合，形成最強的連接。

    三、這個技術(shù)有什么用？

    1.三大實際應(yīng)用場景

    新能源電池：以后電池的玻璃蓋板和不銹鋼外殼可以焊得更密封，不怕漏液；

    激光雷達(dá)：汽車自動駕駛用的激光雷達(dá)鏡頭，需要玻璃和金屬連接得又牢又穩(wěn)，不怕顛簸；

    精密傳感器：比如血壓計、溫度計里的微型元件，焊接后更耐用。

    2.相比傳統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)勢

    不用使勁夾緊：大離焦技術(shù)對材料之間的縫隙不敏感，不用復(fù)雜夾具；

    強度更高：以前同類焊接強度只能達(dá)到玻璃強度的54%，現(xiàn)在到了64%；

    適用范圍廣：給其他玻璃和金屬焊接提供了“作業(yè)抄本”，照著調(diào)參數(shù)就行。

    科學(xué)家通過調(diào)整激光焦點的位置（往下調(diào)800微米）和能量（40微焦），讓玻璃和不銹鋼焊接時：

    1.金屬表面形成鋸齒狀“小齒輪”，和玻璃卡住；

    2.兩者材料充分混合，像“和面”一樣粘在一起；

    3.避開了玻璃開裂的問題，最終讓連接強度大大提高。