Laserschweißen von Glas

Ultrakurzpulslaser in Kombination mit ausgefeilter Selbstfokussierungstechnologie bieten die Qualität und Prozesssicherheit, die für den Einsatz des Laserglasschweißens in der Serienproduktion erforderlich sind. Aufgrund der einzigartigen und hervorragenden Eigenschaften von Glas wird es häufig in verschiedenen High-Tech-Produkten in verschiedenen Bereichen wie der Biomedizin und der Mikroelektronik eingesetzt. Wir haben zuvor die Herausforderungen beschrieben, die sich daraus für Hersteller ergeben, insbesondere im Bereich des hochvolumigen Präzisionsglasschneidens. Es bereitet auch Schwierigkeiten beim Verbinden, einschließlich des Zusammenschweißens einzelner Glaskomponenten und des Verschweißens von Glas mit anderen Materialien wie Metallen und Halbleitern.

Alle herkömmlichen Methoden zum Schweißen von Glas haben Schwierigkeiten, die Präzision, Verbindungsqualität und Produktionsgeschwindigkeit zu erreichen, die für eine kostengünstige Massenproduktion erforderlich sind. Beispielsweise ist das Kleben eine wirtschaftliche Methode, hinterlässt jedoch Klebematerial auf dem Teil und erfordert sogar eine Entgasung.

Beim dielektrischen Schweißen wird ein Pulvermaterial an einem Kontaktpunkt platziert und dann geschmolzen, um die Verbindung zu vervollständigen. Unabhängig davon, ob dieses Schmelzen durch einen Ofen oder einen Laser erreicht wird, wird viel Wärme in das Teil gepumpt. Dies ist ein Problem für die Mikroelektronik und viele medizinische Geräte.

Das Ionenbonden ist eine geniale Methode, die eine extrem hohe Bindungsfestigkeit bietet. Zwei neue, extrem ebene Glasoberflächen werden zusammengepresst und durch molekulare Bindungen regelrecht miteinander verschmolzen. Dies ist jedoch in einer Produktionsumgebung nicht realistisch.

Wie wäre es also mit dem Laserschweißen? Glas hat viele sehr nützliche Eigenschaften, wie z. B. einen extrem hohen Schmelzpunkt, Transparenz, Sprödigkeit und mechanische Steifigkeit, bringt aber auch viele Schwierigkeiten beim Laserschweißen mit sich. Daher sind typische Industrielaser und -methoden zum Schweißen von Metallen und anderen Materialien nicht für Glas geeignet.

Genau wie beim Präzisionsglasschneiden liegt das Geheimnis in der Verwendung von Infrarot-Ultrakurzwellen-Pulslasern (UKP). Glas ist im Infrarotbereich transparent, sodass ein fokussierter Laserstrahl direkt durch das Glas hindurchtreten kann, bis sich der fokussierte Strahl verengt und so fokussiert wird, dass er eine „nichtlineare Absorption“ auslöst. Diese „nichtlineare Absorption“ tritt nur bei ultrakurz gepulsten Lasern mit Spitzenleistung auf und andere Lasertypen können nicht verwendet werden, um dasselbe zu erreichen.

In einem sehr kleinen Bereich um den Fokus des Laserstrahls (normalerweise mit einem Durchmesser von weniger als einigen zehn Mikrometern) absorbiert das Glas das Laserlicht und schmilzt schnell. Dieser fokussierte Strahl wird wie bei anderen Formen des Laserschweißens entlang des gewünschten Schweißpfads gescannt, um die Verbindung abzuschließen.

Erstens entsteht eine starke Verbindung, da beide zu verschweißenden Materialien teilweise schmelzen und sich dann zu einer Schweißnaht verfestigen. Darüber hinaus eignet sich das Verfahren auch für die Verklebung von Glas auf Glas, Glas auf Metall und Glas auf Halbleiter.

Zweitens dringt bei diesem Prozess nur sehr wenig Wärme in das Teil ein und diese Wärme wird in einem Bereich von höchstens einigen hundert Mikrometern Breite erzeugt. Dadurch können Schweißnähte sehr nahe an elektronischen Schaltkreisen oder anderen wärmeempfindlichen Bauteilen angebracht werden, was Designern und Herstellern mehr Freiheit gibt und eine bessere Produktminiaturisierung ermöglicht.

Wenn das UKP-Laserglasschweißen ordnungsgemäß durchgeführt wird, entstehen schließlich keine Mikrorisse um die Schweißnaht herum. Mikrorisse verringern die mechanische Festigkeit von Glas. Darüber hinaus können Mikrorisse nach Änderungen des Temperaturzyklus (die für alles unvermeidlich sind) die Ursache für den endgültigen Ausfall des Geräts sein.

Der Vorteil des UKP-Laserglasschweißens besteht darin, dass das Glas nur in einem kleinen Volumen erhitzt wird. Aber es bringt auch praktische Herausforderungen mit sich. Dies bedeutet, dass auch bei einer Bewegung des Teils die Laserfokusposition an der Schnittstelle zwischen den beiden geschweißten Bauteilen sehr genau eingehalten werden muss. Da die Teile der realen Welt nicht vollkommen flach sind, ist dies schwierig zu erreichen. Darüber hinaus kann es sein, dass die Platzierung der Teile im Schweißsystem nicht perfekt passt.

Eine Lösung besteht darin, einen axial verlängerten Fokus zu verwenden. Dadurch wird die Größe des Laserstrahlfokus „gedehnt“, um die Positionsempfindlichkeit zu verbessern. Der Nachteil dieser Methode besteht jedoch darin, dass durch den langgestreckten Strahlfokus im Glas ein Schmelzbad mit nicht kreisförmigem Querschnitt entsteht. Wenn das Glas in der Schmelzzone erstarrt, ist es wahrscheinlicher, dass das nicht kreisförmige Schmelzbad Mikrorisse bildet.

Die andere Methode kann den Schweißeffekt ohne Mikrorisse realisieren und sich an die erhebliche Änderung des Grenzflächenabstands im Prozess anpassen. Das Geheimnis besteht darin, dass in Kombination mit der hochdynamischen Fokussierungstechnologie Optiken mit hoher numerischer Apertur (NA) verwendet werden, um kleine Brennflecke zu erzeugen.

Dadurch erreicht das Lasersystem eine hohe Sphärizität des Schmelzbades und vermeidet so Mikrorisse. Es erkennt auch den Schnittstellenabstand und passt die Optik ständig an, um immer den perfekten Fokus zu behalten. Das Ergebnis ist, dass bei nahezu jeder Teileform eine hochwertige Schweißung gewährleistet ist und der Prozess nicht durch Teiletoleranzen und -positionen beeinträchtigt wird.

Xi'an Guosheng Laser Technology Co., Ltd. ist ein High-Tech-Unternehmen, das sich auf Forschung und Entwicklung, Herstellung und Vertrieb von automatischen Laserauftragsmaschinen, Hochgeschwindigkeits-Laserauftragsmaschinen, Laserabschreckmaschinen, Laserschweißmaschinen und Laser-3D-Druckgeräten spezialisiert hat. Unsere Produkte sind kostengünstig und werden im In- und Ausland verkauft. Wenn Sie an unseren Produkten interessiert sind, kontaktieren Sie uns bitte unter bob@gshenglaser.com.