关于使用超快激光对镀膜玻璃进行焊接的机理研究

《Optics & Laser Technology》：Study on the welding mechanism of coated glass by ultrafast laser

超快激光焊接镀铜玻璃的剪切强度与机制研究。通过调控脉冲能量（5 μJ）和扫描速度（100 mm/s），在玻璃-铜界面形成熔融连接，获得最大剪切强度29.4 MPa。结合显微形貌和元素分布，揭示三种焊接机制：铜膜部分烧蚀的玻璃-铜连接（机制1）、铜膜完全烧蚀的玻璃-玻璃连接（机制2）和铜膜熔融互连（机制3），并建立对应参数窗口。

　　在现代科技迅猛发展的背景下，透明材料的连接技术成为研究热点之一。特别是在5G通信、卫星通讯和物联网（IoT）等新兴技术领域，透明材料的应用日益广泛。为了满足这些应用对高性能连接的需求，研究人员不断探索新的连接方式。其中，超快激光焊接因其独特的物理特性，成为连接透明材料的一种重要手段。超快激光具有极短的脉冲时间（10?1?至10?12秒）和极高的峰值功率，这使得其在焊接过程中能够显著减少热影响区，并通过非线性吸收特性将能量精确聚焦于材料内部，从而实现对材料的微焊接，避免周围区域的热损伤。与传统的焊接方法相比，超快激光焊接在连接玻璃等透明材料时展现出更优的性能，特别是在保持材料原有功能特性的前提下，实现牢固的连接。

然而，尽管超快激光焊接在玻璃连接领域显示出巨大潜力，但在实际应用中仍面临一些挑战。特别是对于带有金属涂层的玻璃材料，如何在保证连接强度的同时，保护涂层的电气性能成为研究的关键问题。金属涂层通常用于增强玻璃的导电性，但在焊接过程中，由于热效应和能量沉积方式的影响，涂层可能遭受损伤或脱落，从而影响整体性能。因此，深入研究超快激光焊接过程中能量沉积的机制，以及其对连接区域的影响，对于优化焊接参数、提高连接质量具有重要意义。

本研究聚焦于铜涂层玻璃的超快激光焊接过程，系统分析了脉冲能量和扫描速度对焊接接头剪切强度的影响。实验中采用了一种先进的超快激光焊接系统，其脉冲波长为1030纳米，脉冲持续时间为8皮秒，最大重复频率为400千赫兹，最大脉冲能量为125微焦耳。通过控制变量法，研究人员固定了扫描速度和重复频率，分别测试了不同脉冲能量下的焊接效果。实验结果显示，当脉冲能量为5微焦耳，扫描速度为100毫米/秒时，获得了最佳的焊接强度，达到29.4兆帕。这一结果表明，在特定的参数范围内，超快激光焊接能够有效提升铜涂层玻璃的连接性能。

为了进一步理解焊接机制，研究人员通过观察焊接区域的微观结构和元素分布，识别出三种主要的焊接机制。这些机制根据焊接界面材料的差异进行分类，分别是玻璃-玻璃连接、玻璃-铜连接以及铜-铜连接。每种机制对应不同的能量沉积方式和连接效果，这为优化焊接参数提供了理论依据。例如，在较低脉冲能量下，铜涂层部分被烧蚀，玻璃在后续激光作用下熔化并填充烧蚀形成的空隙，最终实现玻璃与铜之间的融合连接。这种机制适用于需要局部导电性的应用，能够有效平衡连接强度与功能性需求。

在中等脉冲能量下，铜涂层被完全烧蚀，玻璃在熔化后形成连接层。这种情况下，焊接界面主要依赖于玻璃之间的直接熔接，形成的连接层具有较高的强度，但需要较长的激光-材料相互作用时间以确保玻璃充分熔化并填充间隙。因此，这种机制更适合需要高强度连接的应用场景。而在较高脉冲能量下，铜涂层不仅被烧蚀，还发生熔化，形成铜-铜之间的连接。这种机制能够保留完整的铜涂层结构，避免其在焊接过程中被破坏，从而维持其原有的导电功能。同时，该机制在焊接效率方面表现出优势，适用于需要保留铜涂层功能性的场景。

研究还发现，扫描速度对焊接强度的影响具有非单调性。在较低扫描速度下，激光能量在焊接区域分布较为均匀，有利于材料的充分熔化和连接。而在较高扫描速度下，激光能量更集中于焊接界面，从而扩大了连接区域，提升了焊接强度。然而，当扫描速度处于中间范围时，焊接强度相对较弱。这一现象可能与能量沉积的不均匀性以及热效应的累积有关。因此，选择合适的扫描速度对于实现最佳焊接效果至关重要。

此外，研究中还观察到，焊接过程中产生的等离子体对能量沉积具有显著影响。等离子体的形成和扩展会吸收部分激光能量，导致实际沉积在焊接界面的能量减少。这种效应在较高脉冲能量下尤为明显，因为等离子体的密度和温度会随着能量的增加而升高，从而进一步抑制能量的传输。然而，这种抑制作用在一定程度上也使得能量更集中于焊接区域，有利于提高连接强度。因此，通过合理控制脉冲能量和扫描速度，可以在等离子体效应和能量沉积之间取得平衡，从而优化焊接性能。

实验结果表明，超快激光焊接技术在铜涂层玻璃连接中展现出独特的优势。首先，其短脉冲时间和高峰值功率特性使得热影响区显著减小，有效避免了传统焊接方法中常见的热损伤和裂纹问题。其次，非线性吸收机制使得激光能量能够更精确地沉积在玻璃内部，而非仅仅在表面，从而实现更深入的熔化和连接。最后，通过调整焊接参数，研究人员能够控制等离子体的形成和扩展，优化能量分布，提高焊接强度和连接质量。

在实际应用中，超快激光焊接技术可以用于制造高性能的天线结构，这些天线需要在保持玻璃透明性的同时，实现结构之间的牢固连接。此外，该技术还适用于需要保留铜涂层导电功能的其他应用场景，如电子元件封装、光学器件连接等。通过合理选择焊接参数，可以实现不同连接机制的优化，满足不同应用场景的需求。

本研究不仅为铜涂层玻璃的超快激光焊接提供了理论依据，还为实际工程应用中的参数优化提供了指导。通过分析不同焊接机制的特征，研究人员能够根据具体需求选择最合适的焊接方式。例如，在需要高强度连接的场景中，可以选择机制2，而在需要保留铜涂层功能性的场景中，可以选择机制3。此外，研究还揭示了脉冲能量和扫描速度对焊接效果的相互作用，为未来进一步优化焊接工艺奠定了基础。

总之，超快激光焊接技术在连接透明材料方面展现出广阔的应用前景。通过深入研究其作用机制和参数影响，研究人员能够更好地理解和控制焊接过程，从而提高连接质量和性能。未来的研究可以进一步探索不同材料组合下的焊接机制，以及如何通过改进激光系统设计和优化焊接参数，实现更高效的连接效果。同时，还可以结合其他先进技术，如人工智能和大数据分析，对焊接过程进行实时监控和优化，以推动该技术在更多领域的应用。