Les lasers à impulsions ultracourtes combinés à une technologie d'auto-focalisation exquise offrent la qualité et la fiabilité des processus nécessaires pour rendre possibles les applications de soudage du verre au laser pour la production en série. Les propriétés uniques et excellentes du verre le rendent largement utilisé dans divers produits de haute technologie dans différents domaines tels que la biomédecine et la microélectronique. Mais cela pose des défis aux fabricants, en particulier dans le domaine de la découpe de verre de précision à grand volume. Il présente également des difficultés de collage, y compris le soudage de composants en verre individuels ensemble et le soudage du verre à d'autres matériaux tels que les métaux et les semi-conducteurs.
Mélanger comme un
Toutes les méthodes conventionnelles utilisées pour souder le verre ont du mal à fournir la précision, la qualité de collage et la vitesse de production requises pour une production en série économique et efficace. Le collage, par exemple, est une méthode économique, mais laisse de la matière adhésive sur la pièce et nécessite même un dégazage.
Le soudage diélectrique consiste à placer un matériau en poudre au point de contact et à le faire fondre pour compléter la liaison. Que cette fusion soit réalisée au four ou au laser, beaucoup de chaleur est pompée dans la pièce. C'est un problème pour les dispositifs microélectroniques et de nombreux dispositifs médicaux.
La liaison ionique est une méthode ingénieuse qui fournit des forces de liaison extrêmement élevées. Deux nouvelles surfaces de verre extrêmement plates sont pressées l'une contre l'autre et littéralement fusionnées par liaison moléculaire. Cependant, il n'est pas pratique d'effectuer cette opération dans un environnement de production.
Soudage laser du verre
Qu'en est-il du soudage laser ? Le verre possède de nombreuses propriétés très utiles, telles qu'un point de fusion très élevé, la transparence, la fragilité et la rigidité mécanique, mais en même temps, il pose de nombreuses difficultés pour le soudage au laser. Par conséquent, les lasers industriels typiques et les méthodes utilisées pour souder les métaux et autres matériaux ne s'appliquent pas au verre.
Tout comme la découpe de précision du verre, le secret réside dans l'utilisation de lasers à impulsions ultra-courtes (USP) à longueur d'onde infrarouge. Le verre est transparent dans l'infrarouge, de sorte que le faisceau laser focalisé peut le traverser jusqu'à ce que le faisceau focalisé se rétrécisse et devienne si concentré qu'il déclenche une "absorption non linéaire". Cette "absorption non linéaire" ne peut se produire qu'avec des lasers pulsés ultra-courts avec une puissance de crête élevée, et la même chose ne peut pas être faite avec d'autres types de laser.
Ainsi, dans une très petite zone (généralement moins de quelques dizaines de microns de diamètre) autour du foyer du faisceau laser, le verre absorbe le laser et fond rapidement. Ce faisceau focalisé est balayé le long du chemin de soudage souhaité pour compléter le soudage, comme toute autre forme de soudage au laser.
La méthode de soudage du verre au laser USP offre trois avantages principaux.
Tout d'abord, cela crée une liaison solide car les deux matériaux soudés sont partiellement fondus puis solidifiés ensemble pour former la soudure. En outre, le procédé convient également pour le collage du verre au verre, du verre au métal et du verre au semi-conducteur.
Deuxièmement, dans ce processus, seule une très petite quantité de chaleur pénètre dans la pièce, qui est générée dans une zone d'au plus quelques centaines de microns de large. Cela permet de placer des joints de soudure très près des circuits électroniques ou d'autres composants thermiquement sensibles, ce qui offre une plus grande liberté aux concepteurs et aux fabricants et prend en charge de meilleures conceptions de miniaturisation des produits.
Enfin, si le soudage du verre au laser USP est correctement effectué, aucune micro-fissure ne se créera autour de la soudure. Et les micro-fissures réduisent la résistance mécanique du verre. De plus, après le cyclage de température (ce qui est inévitable pour tout), les micro-fissures peut être la source d'une éventuelle défaillance de l'équipement.
Mettre le soudage laser du verre USP au travail
Les avantages du soudage du verre au laser USP proviennent du fait que le verre n'est chauffé que dans un petit volume. Cependant, cela pose également un défi dans la pratique. Cela signifie que la position du foyer laser doit rester très précisément à l'interface entre les deux composants soudés, même si la pièce bouge. Ceci est difficile à réaliser car les composants du monde réel ne sont pas complètement plats. De plus, la position dans laquelle les pièces sont placées dans le système de soudage peut ne pas s'adapter parfaitement.
Une solution consiste à utiliser un foyer allongé axialement. Cela "étire" la taille du point focal du faisceau laser pour résoudre le problème de sensibilité de position. L'inconvénient de cette méthode, cependant, est que la focalisation allongée du faisceau crée un bain de fusion dans le verre avec une section transversale non circulaire. Lorsque le verre se solidifie dans la zone de fusion, le bain non circulaire est plus susceptible de former des microfissures.
Une autre méthode a été adoptée pour obtenir des résultats de soudage sans microfissures et pour s'adapter en même temps à des changements importants des distances d'interface dans le processus. Le secret réside dans la combinaison d'une technologie de focalisation hautement dynamique, utilisant une optique à grande ouverture numérique (NA) pour produire un petit point focal.
En conséquence, le système laser atteint une sphéricité élevée du bain de fusion et évite ainsi la microfissuration. Il détecte également la distance de l'interface et ajuste en permanence l'optique afin que la mise au point parfaite soit toujours maintenue.
Le résultat est une soudure de haute qualité sur presque toutes les formes de pièces, et le processus est indépendant des tolérances et de la position de la pièce.
