Лазерный мир

Липатьева Т.О., Федотов С.С., Липатьев А.С., Лотарев С.В., Сигаев В.Н. // Успехи в химии и химической технологии, ТОМ XXXIV. 2020. № 5

В данной работе представлены результаты исследования сварки прозрачных стекол с помощью фемтосекундного лазерного пучка и измерений прочности сварного шва. Прочность на сдвиг полученного сварного соединения составила 16±3 МПа, что сопоставимо с прочностью клеевого соединения 22±4 МПа. Использование лазерного нагрева не только создает достаточное количество расплава для сварки материала, но и позволяет проводить сварку локально с микронным разрешением и без использования клея или припоя, что особенно актуально для стеклянных чипов для микрофлюидики и для применений в волоконной оптике и лазерной технике высокой мощности.

Высокая химическая стойкость,

прозрачность, термостойкость, прочность, возможность варьирования коэффициента преломления обуславливают широкое применение стекол и материалов на их основе в различных областях промышленности. В реальных применениях чаще всего используют стекло в соединении с другими материалами. Для сборки подобных изделий применяют как механические, так и клеевые, сварные и спаянные соединения. Однако и клеевое соединение, и припой привносят дополнительные материалы, которые существенно снижают прозрачность, термостойкость, химическую стойкость и другие важные технологические характеристики соединения по сравнению с соединяемыми материалами [1]. Так, для создания микрофлюидных чипов, микрооптических элементов сложной конфигурации критически важным становится обеспечение герметичности, отсутствие загрязняющих компонентов и высокая химическая стойкость соединения к реагентам различной природы [2].

Одним из направлений научных исследований, важных для практической реализации технологий соединения стеклянных деталей или диэлектрических и металлических поверхностей является лазерная сварка [3]. Источники сверхкоротких лазерных импульсов по сравнению с традиционно используемыми для лазерной сварки CO2-лазерами позволяют принципиально повысить прецизионность процесса благодаря высокой пиковой интенсивности сфокусированного фемтосекундного лазерного пучка, которая позволяет проводить микромодифицирование структуры материала за счет процессов многофотонного поглощения и аккумулирования тепла [4]. Таким образом, становится возможным проводить микросварку прозрачных для лазерного излучения диэлектриков, отечественная технология которой в настоящее время не разработана.

В данной работе исследованы возможности лазерной сварки прозрачных натриевокальциевосиликатных стекол в сравнении с клеевым соединением.

В качестве стекол для сварки выбраны бесцветные предметные стекла Menzel (Thermo Scientific) состава (масс.%) SiO2 72,2% Na2O 14,3% K2O 1,2% CaO 6,4% MgO 4,3% AI2O3 1,2% Fe2Os 0,03% SO3 0,3% размером 26х76х1 мм, разрезанные по длине на образцы шириной около 10 мм.

Эксперимент проводился с использованием сфокусированного пучка фемтосекундного лазера Pharos SP (Light Conversion Ltd.), генерирующего импульсы на длине волны 1030 нм, при энергиях импульса 400, 450 и 500 нДж, длительности импульса 900 фс и частоте повторения 1 МГц. Образцы перемещались на трехкоординатном прецизионном трансляционном столе Aerotech по заданной траектории со скоростью 1 мм/с. Сварное соединение представляло собой площадку 5х5 мм, содержащую серию прямолинейных сварных швов длиной 5 мм, расположенных на расстоянии 50 мкм от центра друг друга.

Схема эксперимента по лазерной сварке представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема эксперимента по лазерной сварке

Лазерный пучок фокусировался объективом с числовой апертурой 0,45 ниже верхней поверхности нижнего образца для обеспечения перемещения расплавленного стекла, которое служило бы для сварки [5], на поверхность образца и во избежание абляции. Для сравнения прочности сварного соединения с клеевым были подготовлены образцы, склеенные из двух стекол этилцианакрилатом.

Для определения прочности сцепления в количественном выражении, использовался метод измерения прочности на сдвиг а, определяемой по формуле а = Fmax/S, где Fmax — сила нагружения, Н; S — площадь соединения, мм2. Измерения велись на разрывной машине Shimadzu AGS-X, скорость нагружения 1 мм/мин в режиме определения силы разрыва по схеме, приведенной в работе [6]. Площадь клеевого или сварного соединения оценивалась с помощью фотографий исследуемых образцов и программного обеспечения IC Measure 2.0.0.245.

В формировании прочного соединения ключевую роль играет ширина зазора между

стеклами и точность фокусировки пучка. При наличии большого зазора в расплавленной лазерным пучком области стекла при охлаждении возникают напряжения растяжения, снижающие прочность сварного соединения [7], так как стекло имеет пониженную прочность на растяжение по сравнению с прочностью на сжатие. Минимальный зазор достигается приведением поверхностей в оптический контакт, когда силы Ван-дер-Ваальса удерживают оба образца вместе. К сожалению, в реальных условиях оптический контакт редко достижим из-за микродефектов поверхности, загрязнений и пыли. Для минимизации зазора между стеклами в процессе лазерной сварки и склейки тщательно промытые и обезжиренные ацетоном стекла помещались в специально сконструированную оправку с зажимными винтами, регулирующими силу прижима по краям образцов.

На рисунке 2 показаны фрагменты площадок, полученных при различной энергии импульса: 400, 450 и 500 нДж.

Рис. 2. Площадки, сформированные при различной энергии импульса: а) 400 нДж; б) 450 нДж; в) 500 нДж. Стрелками показано направление перемещения лазерного пучка.

При сварке импульсами с энергией 400 нДж смежные области модифицирования не перекрываются, а при энергии импульса 500 нДж в стекле возникают напряжения, приводящие к образованию продольных трещин, поэтому для измерений прочности были выбраны образцы, подвергнутые сварке при 450 нДж.

Согласно данным, полученным в результате испытаний, прочность на сдвиг сварного соединения составила 16±3 МПа, а клеевого — 22±4 МПа. Пониженная по сравнению с клеевым соединением прочность сварного шва обусловлена наличием трещин и напряжений в стекле, возникших в процессе лазерного воздействия. Можно рассчитывать, что включение стадии отжига в технологический процесс лазерной сварки позволит существенно повысить прочность сварного шва.

Исследование разрушенных образцов позволило установить характер разрушения. На рисунке 3 видно, что разрушение клеевого соединения происходит по клеевому пятну — клей отделяется от одной из поверхностей частично или полностью, за счет чего происходит разделение склеенных образцов. При этом сами стекла остаются неповрежденными в отличие от сваренных образцов, в которых происходит разрушение по границе участка сваренной области.

Рис. 3. Фотографии образцов после разрушения: а) клеевое соединение; б) сварное соединение

Дальнейшая оптимизация параметров лазерного пучка — глубины фокусировки, энергии импульса, частоты следования импульсов и скорости перемещения, применение отжига лазерно-индуцированных напряжений позволит снизить количество трещин и повысить прочность сварного шва. Принимая во внимание повышенную термостойкость, прозрачность сварного соединения, полученного методами локальной лазерной сварки и повышенную химическую устойчивость по сравнению с клеевым соединением [3], применение фемтосекундной лазерной сварки можно считать целесообразным в технологиях изготовления оптических деталей, микрофлюидных чипов и лазерных систем высокой мощности.

Работа выполнена при поддержке Совета по грантам Президента РФ (грант МК-1707.2020.8).

Список литературы

1.  Cvecek K. et al. A review on glass welding by ultra-short laser pulses // International Journal of Extreme Manufacturing. — 2019. — Т. 1. — №. 4. — С. 042001.
2.  Wlodarczyk K. L. et al. Fabrication of Three-Dimensional Micro-Structures in Glass by Picosecond Laser Micro-Machining and Welding // 18th International Symposium on Laser Precision Microfabrication. — 2017.
3.  Kaiser E. Laser Welding of Glass Replaces Glueing Procedure: Glass welding with a femtosecond laser brings economic advantages and new design options //Laser Technik Journal. — 2016. — Т. 13. — №. 3.- С. 22-25.
4.  Gattass R. R., Mazur E. Femtosecond laser micromachining in transparent materials //Nature photonics. — 2008. — Т. 2. — №. 4. — С. 219-225.
5.  Richter S. et al. Toward laser welding of glasses without optical contacting //Applied Physics A. — 2015.- Т. 121. — №. 1. — С. 1-9.
6.  Carter R. M. et al. Picosecond laser welding of similar and dissimilar materials //Applied optics. — 2014. — Т. 53. — №. 19. — С. 4233-4238.
7.  Miyamoto I. et al. Internal modification of glass by ultrashort laser pulse and its application to microwelding // Applied Physics A. — 2014. — Т. 114. — №. 1. — С. 187208.

Полное содержание статьи: https://cyberleninka.ru/article/n/lokalnaya-lazernaya-svarka-silikatnyh-stekol/pdf