一种铝合金-玻璃复合材料的激光焊接方法

摘要

一种铝合金‑玻璃复合材料的激光焊接方法，包括以下步骤：S1、根据所需焊接的铝合金和玻璃的尺寸、形状，设定加工轨迹，并进行焊接夹具准备；S2、对所需焊接的铝合金和玻璃进行前期焊接预处理操作；S3、焊接夹具按照要求将步骤S2中完成预处理操作的铝合金和玻璃进行夹持，做好焊接准备；S4、设定激光器激光加工参数；S5、激光器按照步骤S1设定的加工轨迹对铝合金和玻璃进行激光焊接操作，制得所需铝合金‑玻璃复合材料；S6、拆除焊接夹具，完成整个焊接操作流程。本发明充分发挥了玻璃与铝合金的性能，采用激光直接熔化焊接，摒弃了传统利用放在真空室中进行钎焊的方法，解决了对焊接尺寸规格限制的弊端。

权利要求

1.一种铝合金-玻璃复合材料的激光焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、根据所需焊接的铝合金和玻璃的尺寸、形状，设定加工轨迹，并进行焊接夹具准备；

S2、对所需焊接的铝合金和玻璃进行前期焊接预处理操作，所述前期焊接预处理分别是指对铝合金进行阳极氧化处理，使其表面形成一层厚度为2～30μm的氧化膜和对玻璃进行清水洗净，然后冷却风干；

S3、焊接夹具按照要求将步骤S2中完成预处理操作的铝合金和玻璃进行夹持，做好焊接准备；

S4、设定激光器激光加工参数；

S5、激光器按照步骤S1设定的加工轨迹对铝合金和玻璃进行激光焊接操作，制得所需铝合金-玻璃复合材料；

S6、拆除焊接夹具，完成整个焊接操作流程。

2.根据权利要求1所述的一种铝合金-玻璃复合材料的激光焊接方法，其特征在于：所述步骤S1中的铝合金和玻璃是指能够用于通讯和消费电子产品的所有铝合金和玻璃。

3.根据权利要求1所述的一种铝合金-玻璃复合材料的激光焊接方法，其特征在于：所述步骤S3中，玻璃覆盖在铝合金的部分表面上，焊接夹具分别抵住玻璃的表面和铝合金的底面，提供垂直方向上的夹持力，铝合金被覆盖住的侧边为焊缝，位于玻璃表面上的两个焊接夹具间存在焊接作业区，焊缝在垂直方向上位于焊缝作业区中。

4.根据权利要求1所述的一种铝合金-玻璃复合材料的激光焊接方法，其特征在于：所述步骤S4中，激光器采用波长为800～1070nm的固体激光器。

5.根据权利要求1所述的一种铝合金-玻璃复合材料的激光焊接方法，其特征在于：所述步骤S4中，激光器加工参数为激光扫描速度1～3.3mm·s-1 ，焦距-3mm≤f≤0mm，激光功率150～299W，脉冲宽度0.1～20Ms，频率为20～30Hz。

6.根据权利要求1所述的一种铝合金-玻璃复合材料的激光焊接方法，其特征在于：所述步骤S5中，激光器按照步骤S1设定的加工轨迹，激光器发射的激光束穿透玻璃直接聚焦在铝合金的表面上，将其熔化后与玻璃进行接合。

7.根据权利要求6所述的一种铝合金-玻璃复合材料的激光焊接方法，其特征在于：所述步骤S5中，整个焊接操作在氩气的氛围中进行。

说明书

一种铝合金-玻璃复合材料的激光焊接方法

技术领域

[0001] 本发明涉及激光制备工程结构材料、功能复合结构材料技术领域，具体涉及一种铝合金-玻璃复合材料的激光焊接方法。

背景技术

[0002] 玻璃材料因高温耐磨、耐蚀、绝缘，抗氧化能力强等特点被广泛的应用，但玻璃本身的延展性低、冲击韧性差则限制了其在工程中的应用。因此结合了玻璃与金属双重优良性能的金属-玻璃复合材料应运而生，并广泛应用于微电子封装、电池、仪器仪表、太阳能真空集热管、复合材料等领域，因此研究玻璃与金属焊接(封接)有重要意义。玻璃与金属的封接方法有很多种，其中研究最多、理论较成熟的方法是匹配封接，匹配封接的过程为在封接前先对金属进行预氧化处理，使金属表面生成一层厚度适当致密的氧化膜，再将金属与玻璃放在高温炉中加热，金属与加热后的玻璃通过扩散熔融而完成结合，保温一定时间后冷却至室温，取出金属-玻璃复合材料。但是匹配封接过程需要在炉中加热然后冷却，因此采用匹配封接的生产方法需要较长的生产周期，不利于常规生产。为了缩短生产周期，加快生产速度，直接将金属与玻璃进行焊接成为生产主流。

[0003] 近年来，针对金属与玻璃的焊接技术也做了相关较多的研究，如专利文献《玻璃与金属真空扩散焊接工艺》(申请号200810243068.7)、《一种玻璃和金属真空钎焊工艺》(申请号200910234678.5)等公开的焊接工艺的操作环境是需要在真空条件下，但是玻璃、金属的尺寸大小受到真空室的限制，一些大尺寸材料的焊接就无法采用该种焊接工艺。又如专利文献《金属与玻璃及陶瓷之间的阳极焊接方法》(申请号200310105894.2)、《金属焊接有密封条和安装孔的凸面真空玻璃》(申请号201310298572.8)等公开的焊接工艺一方面受到焊接真空室大小的限制，另一方面工时消耗较大，不能快速、有效地实现玻璃与金属的焊接，所得产品质量也不能达标。

[0004] 因此，为了突破真空室的限制，解决工时消耗过大的问题，同时提高产品的质量，需要设计一种简单可控、焊缝良好的焊接方法来实现金属与玻璃的优良焊接。

发明内容

[0005] 有鉴于此，本发明的目的提供一种铝合金-玻璃复合材料的激光焊接方法，充分发挥了玻璃与铝合金的性能，采用激光直接熔化焊接，摒弃了传统利用放在真空室中进行钎焊的方法，解决了对焊接尺寸规格限制的弊端。

[0006] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

[0007] 一种铝合金-玻璃复合材料的激光焊接方法，包括以下步骤：

[0008] S1、根据所需焊接的铝合金和玻璃的尺寸、形状，设定加工轨迹，并进行焊接夹具准备；

[0009] S2、对所需焊接的铝合金和玻璃进行前期焊接预处理操作；

[0010] S3、焊接夹具按照要求将步骤S2中完成预处理操作的铝合金和玻璃进行夹持，做好焊接准备；

[0011] S4、设定激光器激光加工参数；

[0012] S5、激光器按照步骤S1设定的加工轨迹对铝合金和玻璃进行激光焊接操作，制得所需铝合金-玻璃复合材料；

[0013] S6、拆除焊接夹具，完成整个焊接操作流程。

[0014] 优选的，所述步骤S1中的铝合金和玻璃是指能够用于计算机、通讯和消费电子产品的所有铝合金和玻璃。

[0015] 优选的，所述步骤S2中的前期预处理分别是指对铝合金进行阳极氧化处理，使其表面形成一层氧化膜和对玻璃进行清水洗净，然后冷却风干。

[0016] 优选的，所述氧化膜的厚度为2～30μm。

[0017] 优选的，所述步骤S3中，玻璃覆盖在铝合金的部分表面上，焊接夹具分别抵住玻璃的表面和铝合金的底面，提供垂直方向上的夹持力，铝合金被覆盖住的侧边为焊缝，位于玻璃表面上的两个焊接夹具间存在焊接作业区，焊缝在垂直方向上位于焊缝作业区中。

[0018] 优选的，所述步骤S4中，激光器采用波长为800～1070nm的固体激光器。

[0019] 优选的，所述步骤S4中，激光器加工参数为激光扫描速度1～3.3mm·s-1，焦距-3mm≤f≤0mm，激光功率150～299W，脉冲宽度0.1～20Ms，频率为20～30Hz。

[0020] 优选的，所述步骤S5中，激光器按照步骤S1设定的加工轨迹，激光器发射的激光束穿透玻璃直接聚焦在铝合金的表面上，将其熔化后与玻璃进行接合。

[0021] 优选的，所述步骤S5中，整个焊接操作在氩气的氛围中进行。

[0022] 与现有技术相比，本发明提供的一种铝合金-玻璃复合材料的激光焊接方法，采用激光直接熔化的方法来焊接铝合金和玻璃，摒弃了传统的真空封接法，解决了使用真空设备时对尺寸的限制和真空室的条件限制，同时也避免了胶条密封时的结合强度差、易于老化的弊端，通过优化工艺参数，可进行不同尺寸规格的铝合金与玻璃的焊接制备，具有可控性高的优点，生产得到的铝合金-玻璃复合材料能够符合应用于高端制造业对行业的高标准质量要求。

附图说明

[0023] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0024] 图1为本发明提供的一种铝合金-玻璃复合材料的激光焊接方法的流程图；

[0025] 图2为本发明中铝合金和玻璃在焊接过程中的位置示意图；

[0026] 图3为本发明中铝合金、玻璃和焊接夹具在焊接过程中的位置示意图。

[0027] 附图中涉及的附图标记和组成部分说明：

[0028] 1、激光束；2、玻璃；3、铝合金；4、焊缝；5、焊接夹具；6、夹持力。

具体实施方式

[0029] 近年来，针对金属与玻璃的焊接技术也做了相关较多的研究，现有公开的焊接工艺一方面受到焊接真空室大小的限制，另一方面工时消耗较大，不能快速、有效地实现玻璃与金属的焊接，所得产品质量也不能达标。

[0030] 因此，为了突破真空室的限制，解决工时消耗过大的问题，同时提高产品的质量，本发明提供一种铝合金-玻璃复合材料的激光焊接方法，参见图1所示，包括以下步骤：

[0031] S1、根据所需焊接的铝合金和玻璃的尺寸、形状，设定加工轨迹，并进行焊接夹具准备。这里的铝合金和玻璃是指能够用于计算机、通讯和消费电子产品的所有铝合金和玻璃。

[0032] S2、对所需焊接的铝合金和玻璃进行前期焊接预处理操作。

[0033] 前期预处理分别是指对铝合金进行阳极氧化处理，使其表面形成一层氧化膜，氧化处理过程必须控制好氧化膜的厚度，若氧化膜厚度过薄时，其结合由于应力缓冲区太小，不易实现焊接，若氧化膜过厚时，应力缓冲区过大，也不易实现有效焊接，本发明中的氧化膜的厚度控制在2～30μm。

[0034] 对玻璃进行简单的表面清水洗净，然后冷风吹干等待使用。

[0035] S3、焊接夹具按照要求将步骤S2中完成预处理操作的铝合金和玻璃进行夹持，做好焊接准备。参见图2～图3所示，玻璃2覆盖在铝合金3的部分表面上，焊接夹具5分别抵住玻璃2的表面和铝合金3的底面，提供垂直方向上的夹持力6，铝合金3被覆盖住的侧边为焊缝4，位于玻璃2表面上的两个焊接夹具6间存在焊接作业区，焊缝4在垂直方向上位于焊缝作业区中。

[0036] S4、设定激光器激光加工参数。

[0037] 该激光器采用波长为800～1070nm的固体激光器，激光器加工参数设定为：激光扫描速度1～3.3mm·s-1，焦距-3mm≤f≤0mm，激光功率150～299W，脉冲宽度0.1～20Ms，频率为20～30Hz。

[0038] S5、激光器按照步骤S1设定的加工轨迹，激光器发射的激光束1穿透玻璃2直接聚焦在铝合金3的表面上，将铝合金3表面的氧化膜熔化后与玻璃2进行接合，制得所需铝合金-玻璃复合材料。整个焊接过程均在氩气的氛围中进行，在此氧化膜起到了“胶水”的作用。

[0039] S6、拆除焊接夹具，完成整个焊接操作流程。

[0040] 下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0041] 实施例一：

[0042] 一种铝合金-玻璃复合材料的激光焊接方法，包括以下步骤：

[0043] S1、根据所需焊接的铝合金和玻璃的尺寸、形状，设定加工轨迹，并进行焊接夹具准备。这里的铝合金和玻璃是指能够用于计算机、通讯和消费电子产品的所有铝合金和玻璃。

[0044] S2、对所需焊接的铝合金和玻璃进行前期焊接预处理操作。

[0045] 前期预处理分别是指对铝合金进行阳极氧化处理，使其表面形成一层氧化膜，氧化处理过程必须控制好氧化膜的厚度，若氧化膜厚度过薄时，其结合由于应力缓冲区太小，不易实现焊接，若氧化膜过厚时，应力缓冲区过大，也不易实现有效焊接，本实施例中的氧化膜的厚度控制在2μm。

[0046] 对玻璃进行简单的表面清水洗净，然后冷风吹干等待使用。

[0047] S3、焊接夹具按照要求将步骤S2中完成预处理操作的铝合金和玻璃进行夹持，做好焊接准备。将玻璃覆盖在铝合金的部分表面上，焊接夹具分别抵住玻璃的表面和铝合金的底面，提供垂直方向上的夹持力，铝合金被覆盖住的侧边为焊缝，位于玻璃表面上的两个焊接夹具间存在焊接作业区，焊缝在垂直方向上位于焊缝作业区中。

[0048] S4、设定激光器激光加工参数。

[0049] 该激光器采用波长为800nm的固体激光器，激光器加工参数设定为：激光扫描速度1mm·s-1，焦距f＝0mm，激光功率150W，脉冲宽度20Ms，频率20Hz。

[0050] S5、激光器按照步骤S1设定的加工轨迹，激光器发射的激光束穿透玻璃直接聚焦在铝合金的表面上，将铝合金表面的氧化膜熔化后与玻璃进行接合，制得所需铝合金-玻璃复合材料。整个焊接过程均在氩气的氛围中进行，在此氧化膜起到了“胶水”的作用。

[0051] S6、拆除焊接夹具，完成整个焊接操作流程。

[0052] 实施例二：

[0053] 本实施例与实施例一相比，不同之处在于：阳极氧化膜的厚度为10μm，激光器采用波长为900nm的固体激光器，激光器加工参数设定为：激光扫描速度1.3mm·s-1，焦距f＝-1mm，激光功率189W，脉冲宽度0.5Ms，频率24Hz。

[0054] 实施例三：

[0055] 本实施例与实施例一相比，不同之处在于：阳极氧化膜的厚度为19μm，激光器采用波长为950nm的固体激光器，激光器加工参数设定为：激光扫描速度2.5mm·s-1，焦距f＝-2mm，激光功率229W，脉冲宽度10Ms，频率28Hz。

[0056] 实施例四：

[0057] 本实施例与实施例一相比，不同之处在于：阳极氧化膜的厚度为28μm，激光器采用波长为1060nm的固体激光器，激光器加工参数设定为：激光扫描速度3.3mm·s-1，焦距f＝-3mm，激光功率290W，脉冲宽度18Ms，频率30Hz。

[0058] 综上所述，本发明提供的一种铝合金-玻璃复合材料的激光焊接方法，采用激光直接熔化的方法来焊接铝合金和玻璃，避免了传统的铝合金与玻璃焊接时需要放置在热处理炉中和真空炉中进行保温而实现焊接而出现的弊端，突破了使用真空设备时对尺寸的限制和真空室的条件限制，同时也避免了胶条密封时的结合强度差、易于老化、环境污染的弊端，通过优化工艺参数，可进行不同尺寸规格的铝合金与玻璃的焊接制备，具有可控性高的优点，生产得到的铝合金-玻璃复合材料能够符合应用于高端制造业对行业的高标准质量要求。

[0059] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。