化學(xué)鋼化玻璃的激光焊接及其機(jī)械強(qiáng)度

曾新昌,丁原杰,劉傳亮,陳 凌,葉 舒

(福耀高性能玻璃科技(福建)有限公司,福清 350301)

0 引 言

玻璃材料因優(yōu)異的光學(xué)特性、耐腐蝕性和熱力學(xué)特性,在傳感器、光子器件、生物芯片等高新技術(shù)領(lǐng)域都有重要應(yīng)用[1]。在上述領(lǐng)域中,往往需要把兩片玻璃連接起來,業(yè)界常用連接技術(shù)包含膠合粘接、陽極鍵合、熔融焊等。膠合粘接因?yàn)檎澈蠝囟认鄬?duì)較低并且可以靈活地填充不同材料之間的間隙,被應(yīng)用于粘合不同的材料,例如硅、玻璃等半導(dǎo)體材料及金屬材料。然而,隨著時(shí)間的累積,粘合劑的高分子鏈?zhǔn)艿捷椛鋾?huì)釋放氣體,導(dǎo)致老化現(xiàn)象并對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生污染[2]。陽極鍵合是由Wallis[3]率先提出,是一種在相對(duì)低溫下快速實(shí)現(xiàn)強(qiáng)鍵合的粘結(jié)工藝,可以產(chǎn)生牢固而持久的鍵合,無需粘合劑,然而該工藝要求鍵合的兩種材料熱膨脹系數(shù)要相似,否則環(huán)境溫度升高時(shí),材料膨脹量不一樣,會(huì)產(chǎn)生變形與翹曲。熔融焊是在高溫的作用下使物體界面處的材料發(fā)生熔化,當(dāng)溫度降低熔化的部分凝固后,兩個(gè)工件被牢固地焊在一起,但傳統(tǒng)熔融焊誘導(dǎo)的熱影響區(qū)域較大,殘余應(yīng)力較強(qiáng)。近年來,科研人員對(duì)玻璃材料的加工做了大量的研究與探索,其中超短脈沖激光因具有加工精度高、熱影響區(qū)小、效率高等優(yōu)點(diǎn)而逐漸被應(yīng)用于玻璃焊接領(lǐng)域。超快激光聚焦在玻璃內(nèi)部時(shí),會(huì)激發(fā)多光子電離、雪崩電離等現(xiàn)象,玻璃非線性吸收激光能量并發(fā)生熔化,實(shí)現(xiàn)玻璃焊接[4]。

日本大阪大學(xué)Tamaki等[5]于2005年率先在沒有焊接介質(zhì)的情況下,使用飛秒脈沖激光,實(shí)現(xiàn)了兩塊玻璃的焊接,為玻璃之間的硬焊研究拉開了序幕。2008年,德國(guó)Horn等[6-7]將此技術(shù)運(yùn)用到了玻璃與單晶硅的焊接上,通過觀察熔融區(qū)冷卻過程的相位變化,發(fā)現(xiàn)激光焦點(diǎn)區(qū)材料冷卻非常迅速,用時(shí)為微秒量級(jí)。2011年,日本科研人員[8]研究了玻璃材料的非線性吸收率與激光能量、脈沖頻率之間的關(guān)系,測(cè)試出玻璃對(duì)激光的最大吸收率大于90%。2015年,Chen等[9]使用皮秒激光發(fā)生器,使激光作用區(qū)的玻璃產(chǎn)生熱膨脹,成功焊接了上下玻璃間隙為3 μm的樣品,實(shí)現(xiàn)了非光學(xué)接觸的焊接。2018年,丁騰等[10]利用高重頻飛秒激光器對(duì)石英玻璃、鈉鈣玻璃等進(jìn)行焊接,分析了焊點(diǎn)圓形空腔的成因,探究了焊接強(qiáng)度與激光功率、頻率之間的變化關(guān)系,測(cè)得最大焊接強(qiáng)度為12.15 MPa。2020年,陳航[11]以皮秒激光為光源,采用快速振蕩掃描法成功實(shí)現(xiàn)了兩塊玻璃自然疊放間隙達(dá)10 μm的密封焊接,并且采用爆發(fā)脈沖模式實(shí)現(xiàn)了鈉鈣/石英玻璃與氧化鋁陶瓷和304不銹鋼的焊接。此外還深入研究了激光焊接參數(shù)對(duì)玻璃與不同材料焊接強(qiáng)度的影響規(guī)律。

以上均為素片玻璃(未經(jīng)化學(xué)鋼化)的激光焊接學(xué)術(shù)研究試驗(yàn),對(duì)于化學(xué)鋼化玻璃激光焊接的研究仍較少?，F(xiàn)實(shí)生活中玻璃的運(yùn)用往往需要通過化學(xué)鋼化來提升玻璃本身的強(qiáng)度,進(jìn)而達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的可靠性,因此激光焊接化學(xué)鋼化玻璃在眾多領(lǐng)域具有重要的意義,例如建筑真空玻璃領(lǐng)域、軌道交通車窗真空玻璃領(lǐng)域、光伏電池封裝領(lǐng)域。特別是真空玻璃,因真空腔與外界有1個(gè)大氣壓力差,玻璃內(nèi)部的支撐柱需克服壓差將兩玻璃隔開,應(yīng)力集中在支撐柱與玻璃接觸位置,在風(fēng)壓或沖擊載荷作用下玻璃容易發(fā)生破裂,所以通過鋼化可增加其強(qiáng)度,延長(zhǎng)使用壽命[12]。本文利用紅外飛秒激光成功實(shí)現(xiàn)了化學(xué)鋼化玻璃之間的焊接,研究了激光功率、激光重復(fù)頻率、焊接速度對(duì)化學(xué)鋼化玻璃焊接熔融區(qū)形貌的影響,并通過機(jī)械強(qiáng)度測(cè)試,探究了不同參數(shù)下玻璃焊接強(qiáng)度的變化。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料及制備

本試驗(yàn)所用玻璃均為普通鈉鈣玻璃,其主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 鈉鈣玻璃的主要化學(xué)成分Table 1 Main chemical composition of sodium-calcium glass

拉伸強(qiáng)度試樣的尺寸為98 mm×28 mm×4 mm,由于單條焊線的強(qiáng)度較小,測(cè)試誤差大,故設(shè)定拉伸試驗(yàn)的焊線長(zhǎng)度為10 mm,焊線間距為0.2 mm,焊線條數(shù)為10條。同理,設(shè)定剪切強(qiáng)度試樣的尺寸為50 mm×60 mm×4 mm,焊線長(zhǎng)度為30 mm,焊線間距為0.2 mm,焊線條數(shù)為15條。激光焊接前,使用清洗機(jī)把玻璃表面臟污、異物清潔干凈。玻璃化學(xué)鋼化參數(shù):420 ℃條件下保溫14 h,化學(xué)鋼化后表面應(yīng)力為(compressive stress, CS)644 MPa,應(yīng)力層深度為(depth of stress layer, DOL)17 μm,中心張應(yīng)力為(central tensile stress, CT) 2.81 MPa。

1.2 試驗(yàn)條件及方法

激光焊接系統(tǒng)示意圖如圖1所示,依照?qǐng)D1搭建激光焊接平臺(tái)。從激光器發(fā)射出的激光束,經(jīng)反射鏡OR1反射進(jìn)入反射鏡OR2,反射鏡OR2垂直反射進(jìn)入2倍擴(kuò)束鏡,被擴(kuò)束后的激光脈沖經(jīng)反射鏡OR3反射進(jìn)入物鏡,物鏡聚焦光斑直徑為3 μm,焦深為±1.56 μm。焊接所用的設(shè)備為武漢銳科光纖激光股份生產(chǎn)的飛秒激光發(fā)生器GS-FIR50,激光波長(zhǎng)為1 064 nm,最大功率為50 W,脈沖寬度為600 fs,光束質(zhì)量M2<1.2,重復(fù)頻率為100～3 000 kHz。將兩片玻璃上下疊放,并使用壓緊治具把玻璃貼緊,激光聚焦于上下玻璃交界面附近。玻璃表面應(yīng)力檢測(cè)采用日本折原的FSM-6000LE應(yīng)力儀,焊點(diǎn)形貌采用Keyence 的VHX-6000光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察。焊接的機(jī)械強(qiáng)度采用美特斯工業(yè)的CMT5504萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。

圖1 激光焊接系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser welding system

2 結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)鋼化玻璃激光焊接后焊縫的形貌

首先利用紅外飛秒激光對(duì)化學(xué)鋼化玻璃橫向焊接,在每組參數(shù)焊接完成后,用切割機(jī)縱向切開焊接區(qū)域,然后使用砂紙與拋光粉對(duì)切開端面進(jìn)行拋光,砂紙目數(shù)從800目、1 500目、2 000 目、5 000 目依次遞增,清洗之后在顯微鏡下觀察到的焊縫截面形貌如圖2所示。

圖2 焊縫截面形貌圖Fig.2 Cross-section morphology of welding

可以清晰地看到,激光焊點(diǎn)形狀規(guī)格,分布均勻,呈現(xiàn)水滴狀,貫穿上下玻璃的表面,牢牢地把玻璃連接起來。焊點(diǎn)的高度標(biāo)記為L(zhǎng),寬度標(biāo)記為D。當(dāng)紅外脈沖激光聚焦在透明玻璃上時(shí),焦點(diǎn)區(qū)域的光電場(chǎng)極高,可以誘導(dǎo)玻璃發(fā)生多光子電離、隧道電離、雪崩電離。由于被激發(fā)出來的等離子體對(duì)脈沖能量吸收強(qiáng)烈,后續(xù)光束無法穿透等離子體,從而對(duì)激光產(chǎn)生屏蔽效果。激光能量在上方被等離子體大量吸收,使材料溫度急速上升,進(jìn)一步在上方激發(fā)出更多的等離子,因此等離子體將從焦點(diǎn)處向激光光源方向移動(dòng),直到等離子體上升到激光功率密度無法再維持的高度而終止。

在焊接過程中,等離子體向光源處運(yùn)動(dòng)和光束能量縱向分布不均勻等引發(fā)周邊玻璃燒蝕狀況不一致[13],促使焊點(diǎn)形成水滴狀形貌。另外,玻璃被激發(fā)等離子體的區(qū)域通過熱傳導(dǎo)將能量傳遞到焦點(diǎn)外,形成外部的熔融改性區(qū)。待溫度冷卻熔融區(qū)凝結(jié),玻璃產(chǎn)生永久性的結(jié)構(gòu)變化。內(nèi)部的等離子體作用區(qū)與外部的熔融改性區(qū)構(gòu)成了水滴狀雙結(jié)構(gòu)作用區(qū)[11]。

2.2 不同焊接參數(shù)對(duì)化學(xué)鋼化玻璃焊縫的影響

通過調(diào)節(jié)不同的焊接功率、頻率、速度來研究焊接參數(shù)對(duì)化學(xué)鋼化玻璃焊縫的影響。利用各參數(shù)組合激光焊接后,在顯微鏡觀察到的焊點(diǎn)尺寸如表2所示。

表2 不同參數(shù)下化學(xué)鋼化玻璃激光焊點(diǎn)尺寸Table 2 Laser welding joint size of chemically tempered glass with different parameters

使用Mintab軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合,建立寬度D的多元線性回歸模型,對(duì)模型進(jìn)行方差分析,并剔除掉對(duì)寬度D不顯著的項(xiàng),結(jié)果如表3所示。

表3 寬度模型方差分析Table 3 Width model variance analysis

對(duì)模型匯總,結(jié)果如表4所示。

表4 寬度模型參數(shù)匯總Table 4 Width model parameter summary

寬度D的回歸方程如式(1)所示。

D=-11.0-0.030 04f-4.805s+24.63p+0.000 007f2+0.046 7s2-0.628 9p2

(1)

式中:f為頻率,kHz;s為速度,mm/s;p為功率,W。

P值代表模型與因子的顯著水平,Adj SS為組間離差平方和,Adj MS等于Adj SS除以自由度。檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量F值足夠大,則可以判定因子是顯著的。從回歸方程顯著性檢驗(yàn)結(jié)果來看,0<α<0.05,說明在α=0.05下,寬度D的回歸方程的總效應(yīng)是顯著的。失擬項(xiàng)的P值為0.129,其值大于 0.05,說明失擬不顯著,擬合誤差小,方程回歸性良好。從回歸系數(shù)檢驗(yàn)來看,自變量f、s、p、f2、s2、p2的值都小于0.05,故這6個(gè)因子均為顯著因子。從回歸模型顯著性的度量指標(biāo)來看,決定系數(shù)R-Sq值為96.53%,說明自變量可以解釋寬度D中96.53%的變異。方差S值為5.89,可以容忍。而R-Sq(調(diào)整)為95.14%,二者很接近,模型可靠。綜上分析可以得出寬度D的回歸方程是顯著的,是可以接受的。

依照同樣的方式,建立高度L的多元線性回歸模型,同樣可以得到顯著的回歸方程,如式(2)所示。

L=-131.4-0.045 93f-2.574s+22.62p+0.000 006f2-0.376 0p2

(2)

同樣用上述方法進(jìn)行分析,可以得出高度L的回歸方程是顯著的,是可以接受的。

基于上述的回歸方程,可以得到高度和寬度的主效應(yīng)圖,如圖3、4所示。焊點(diǎn)的高度L和寬度D與材料對(duì)激光的非線性吸收率相關(guān),而非線性吸收率與重復(fù)頻率、單脈沖能量、掃描速度等密切相關(guān)[14]。由圖3、4可以看出,當(dāng)功率及速度不變時(shí),隨著焊接頻率增加(100～2 500 kHz),焊點(diǎn)的高度L和寬度D都逐漸縮小,說明頻率增加,雖然材料接收的脈沖數(shù)增多,但激光的單脈沖能量降低,與玻璃的相互非線性效應(yīng)減弱,因此焊接熔融區(qū)域尺寸也隨之減小。

圖3 高度主效應(yīng)圖Fig.3 Height main effect diagram

圖4 寬度主效應(yīng)圖Fig.4 Width main effect diagram

固定功率及頻率不變,隨著焊接速度增加(10～50 mm/s),焊點(diǎn)的高度L和寬度D都逐漸縮小。說明速度增加,焊接區(qū)單位面積接收的脈沖數(shù)和激光總能量減小,導(dǎo)致被激發(fā)到導(dǎo)帶中的自由電子減少,多光子電離、雪崩電離作用降低,從而使得激光焦點(diǎn)區(qū)域的等離子體數(shù)量和能量吸收減小[15],相應(yīng)的焊接熔融區(qū)域尺寸縮小。

固定速度及頻率不變,隨著激光功率增加(6～20 W),焊點(diǎn)的高度L和寬度D都逐漸增大,說明隨著功率密度的增加玻璃通過非線性吸收的激光能量就越多,被激發(fā)到導(dǎo)帶中的自由電子自然增多,雪崩電離的貢獻(xiàn)就越大,相應(yīng)的焊接熔融區(qū)域尺寸越大。

通常玻璃材料冷卻到室溫的時(shí)間大約需要10 μs[16],可以反推出只要超短脈沖激光的頻率大于100 kHz,熱量就可以實(shí)現(xiàn)累積。激光聚焦后功率密度高,作用時(shí)間短,遠(yuǎn)小于熱膨脹的時(shí)間,少量的光束能量便可以誘導(dǎo)局域材料發(fā)生相變[17],因此形成的焊接作用區(qū)極小,不會(huì)影響周圍的材料。為了驗(yàn)證上述回歸方程的準(zhǔn)確性,隨機(jī)挑取一組參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證(功率9 W,速度13 mm/s,頻率700 kHz),理論高度為241.8 μm,理論寬度為87.8 μm,實(shí)測(cè)焊點(diǎn)大小如圖5所示,高度為241.6 μm,寬度為88.0 μm。計(jì)算與實(shí)際數(shù)值相近,說明回歸方程有效,準(zhǔn)確度高,可以精準(zhǔn)量化出各參數(shù)對(duì)激光焊點(diǎn)的影響。

圖5 焊點(diǎn)尺寸Fig.5 Parameter of welding joint size

2.3 化學(xué)鋼化玻璃焊接的強(qiáng)度

激光焊接的頻率、速度、功率對(duì)于焊點(diǎn)尺寸都會(huì)產(chǎn)生影響,為了驗(yàn)證焊點(diǎn)尺寸與機(jī)械強(qiáng)度的關(guān)系,本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)鎖定重復(fù)頻率為500 kHz,焊接速度為10 mm/s,通過改變功率(8、10、12、14 W)來調(diào)整焊點(diǎn)的大小,再借助萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試出對(duì)應(yīng)的機(jī)械強(qiáng)度。在實(shí)際焊接過程中,發(fā)現(xiàn)當(dāng)功率為14 W時(shí),玻璃表面已經(jīng)被激光嚴(yán)重?zé)g并有清晰的裂紋,故需重新調(diào)整參數(shù),適當(dāng)降低功率。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)12.5 W時(shí),玻璃表面裂紋現(xiàn)象肉眼不可見,故確定試驗(yàn)測(cè)試功率為8、10、12、12.5 W。機(jī)械強(qiáng)度的測(cè)試示意圖如圖6所示。

圖6 機(jī)械強(qiáng)度測(cè)試示意圖Fig.6 Test diagram of mechanical strength

使用激光依照上述參數(shù)依次進(jìn)行焊接,并用萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)得其焊接機(jī)械強(qiáng)度(每個(gè)參數(shù)下選取10個(gè)試樣),結(jié)果如表5所示。

表5 化學(xué)鋼化玻璃焊接焊點(diǎn)尺寸和機(jī)械強(qiáng)度Table 5 Welding joint size and mechanical strength of chemically tempered glass

強(qiáng)度計(jì)算公式為如式(3)所示。

(3)

式中:σ為玻璃的拉伸、剪切強(qiáng)度,MPa;F為玻璃斷裂時(shí)的最大作用力,N;A為焊接區(qū)域面積,m2。

在合理的參數(shù)范圍內(nèi),化學(xué)鋼化玻璃焊接的機(jī)械強(qiáng)度取決于焊點(diǎn)尺寸,隨著焊點(diǎn)尺寸的增大拉伸、剪切強(qiáng)度也對(duì)應(yīng)增加,直至焊點(diǎn)高度達(dá)306.4 um時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大,而后隨著功率的增大,機(jī)械強(qiáng)度開始減弱。造成此現(xiàn)象的可能原因是:隨著溫度升高,玻璃產(chǎn)生融化效應(yīng),熱應(yīng)力隨之產(chǎn)生,當(dāng)熱應(yīng)力大于玻璃材料本身的抗拉極限時(shí),就會(huì)在玻璃內(nèi)部造成裂紋。一旦裂紋產(chǎn)生,根據(jù)格里菲斯斷裂理論,玻璃的強(qiáng)度迅速下降。

按照美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-883G,焊縫剪切強(qiáng)度達(dá)到6.25 MPa即可視為焊縫連接質(zhì)量良好[18]。目前真空玻璃的封邊,市場(chǎng)主流工藝是采用低溫玻璃粉封裝(熔融焊),受外部風(fēng)雪載荷和溫差變形的影響,玻璃邊緣封裝既要滿足密封功能,也要滿足機(jī)械強(qiáng)度的要求,常規(guī)玻璃粉封裝邊部剪切強(qiáng)度為3.45 MPa,已完全滿足使用需求[19]。由此可見,化學(xué)鋼化玻璃的焊接強(qiáng)度也完全勝任真空玻璃的需求。比起玻璃粉封邊,采用超短脈沖激光封邊在性價(jià)比上更有優(yōu)勢(shì),有望成為真空玻璃下個(gè)主流封裝工藝。

2.4 化學(xué)鋼化對(duì)焊接的影響

玻璃的化學(xué)鋼化采用低溫離子交換技術(shù)生產(chǎn)[20],即將玻璃置于熔融的堿鹽中,鹽液中的K+與玻璃表面的Na+相互擴(kuò)散,發(fā)生離子交換,而K+半徑比Na+半徑大,導(dǎo)致交換后的體積發(fā)生變化,在玻璃的表面形成壓應(yīng)力CS,為了維持受力平衡,內(nèi)部則形成張應(yīng)力CT。壓應(yīng)力CS可以抑制表面微裂紋的擴(kuò)展,從而達(dá)到提升玻璃強(qiáng)度的效果。在離子交換過程中可通過調(diào)節(jié)溫度和時(shí)間,來控制應(yīng)力層不同的深度?；瘜W(xué)鋼化不僅可以在低溫(玻璃軟化點(diǎn)以下)完成強(qiáng)化,還可以保證玻璃不變形[21-22],有利于激光焊接。經(jīng)過化學(xué)鋼化處理的玻璃強(qiáng)度可以提升3～5倍以上[23]。本次試驗(yàn)固定重復(fù)頻率為500 kHz,焊接速度為10 mm/s,調(diào)整焊接功率,分別焊接化學(xué)鋼化玻璃及未化學(xué)鋼化玻璃,分析比對(duì)差異。

表6為相同焊接參數(shù)下,化學(xué)鋼化玻璃與未化學(xué)鋼化玻璃焊點(diǎn)的尺寸和拉伸強(qiáng)度對(duì)比。由表6可見,在相同焊接參數(shù)下,兩者相差無幾,化學(xué)鋼化的離子交換層對(duì)激光能量吸收的影響可以忽略。同樣,化學(xué)鋼化的表面壓應(yīng)力對(duì)激光焊點(diǎn)的尺寸無抑制效果。隨著功率增加,化學(xué)鋼化的玻璃在12.5 W開始出現(xiàn)裂紋如(圖7),而未鋼化的玻璃在14 W才開始出現(xiàn)裂紋。此外,表6拉伸強(qiáng)度數(shù)據(jù)可以推斷出裂紋的產(chǎn)生使兩種玻璃的拉伸強(qiáng)度大幅度下降。

圖7 玻璃焊接裂紋Fig.7 Welding crack of glass

表6 化學(xué)鋼化與未鋼化玻璃焊接焊點(diǎn)尺寸和拉伸強(qiáng)度對(duì)比Table 6 Comparison of welding joint size and tensile strength between chemically tempered and untempered glass

圖8為焦點(diǎn)區(qū)受力圖。焦點(diǎn)區(qū)玻璃非線性吸收脈沖光束能量形成熔池并造成該處玻璃熱膨脹,此時(shí)焦點(diǎn)區(qū)以外的材料溫度低于焦點(diǎn)區(qū),而黏度則相反,這導(dǎo)致焦點(diǎn)區(qū)材料熱膨脹后受壓應(yīng)力作用影響[24],能量越大,壓力越大。本次試驗(yàn)的化學(xué)鋼化玻璃內(nèi)部形成了張應(yīng)力層,表面壓應(yīng)力層的深度達(dá)17 μm,而焦點(diǎn)熔池高度為306 μm,這表明玻璃的熔池伸展到了張應(yīng)力層較深的區(qū)域?；瘜W(xué)鋼化玻璃在激光焊接時(shí),不僅受到自身熱膨脹的壓力還疊加了張應(yīng)力,進(jìn)而造成周圍區(qū)域破壞并形成裂紋,其焊接機(jī)械強(qiáng)度大幅度下降。

圖8 焦點(diǎn)區(qū)受力圖Fig.8 Diagram of focus area force

3 結(jié) 論

1)利用紅外超短脈沖激光成功實(shí)現(xiàn)化學(xué)鋼化玻璃之間的焊接,焊縫呈水滴狀。

2)通過建立多元線性回歸模型,總結(jié)出焊接功率、頻率、速度與焊點(diǎn)尺寸的回歸方程,進(jìn)而得到了焊點(diǎn)大小隨著參數(shù)變化的規(guī)律,即焊點(diǎn)尺寸隨速度、頻率增加而減小,隨功率增加而增大。

3)隨著焊點(diǎn)尺寸增加,化學(xué)鋼化玻璃的機(jī)械強(qiáng)度先增大后減小。

4)與未強(qiáng)化的玻璃相比,化學(xué)鋼化玻璃在激光焊接時(shí)更易產(chǎn)生裂紋。