一种针对脆性透明材料异形3D结构的系统精密加工方法
技术领域
本发明属于激光焊接技术领域，涉及激光应用于玻璃等脆性透明材料，尤其涉及脆性透明材料异形3D结构的加工，具体为一种针对脆性透明材料异形3D结构的系统精密加工方法。
背景技术
脆性透明材料(例如玻璃、蓝宝石、金刚石等)的异形3D结构加工一直存在诸多难点与问题，例如加工面的抛光问题，3D结构连接处的倒角/圆角问题，在加工后材料本身的光透过率问题等等。传统的CNC机床加工会给脆性材料3D结构加工件带来较大的残余应力，对于微小结构易发生破损，同时必然会在结构弯曲出产生倒角与圆角；而通过粘接与模压的传统玻璃加工工艺在精度与强度上也存在不足。
随着飞秒激光的普及与运用，飞秒激光将逐步在脆性材料的焊接应用中实现突破。脆性材料焊接界面一直是激光焊接技术所关注的核心问题，需求焊接界面间隙控制在四分之一波长内，且无任何杂质。已有专利CN105377783A公开了一种采用低熔融玻璃或者薄吸收膜对透明玻璃片进行激光焊接的方法来实现玻璃焊接，这种方法有效减少了玻璃焊接界面的间隙问题但同时有着焊接强度低、焊接界面引入杂质等问题；专利CN108609841A公开了一种振镜反复扫描增加熔融区域的焊接方法，该方法把玻璃焊接间隙提升至20微米左右，有工程化应用的空间，但为了保证焊接熔融区域持续加热，焊接区域必须控制在5mm2以内；专利CN106495454A公开了一种利用皮秒激光器与振镜扫描系统进行点阵焊接的方法，可以实现无焊料添加的玻璃焊接效果，但该方法焊接面内的一致性无法得到保证，在焊接点未覆盖的区域容易出现间隙，因此焊接强度与透光率一致性也无法得到保证。
与此同时，脆性透明材料异性3D结构的加工工艺不仅仅要满足在该工艺流程内的焊接强度与外观效果，同时工艺系统性上也有一定的要求。例如，玻璃焊接后的强化工艺往往会由于玻璃焊接对材料内部积累的内应力而发生碎裂，对玻璃焊接界面的外观效果也会有所影响，因此，开发出一整套系统工艺流程显得极为迫切与重要。
发明内容
本发明提供一种针对脆性透明材料异形3D结构的系统精密加工方法，通过整套系统的焊接-退火-强化工艺流程，解决上述背景技术中的至少一个问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种针对脆性透明材料异形3D结构的系统精密加工方法，包括：
搭建异形3D结构的激光焊接平台，所述平台包括激光器、激光光路、同轴视觉系统、旁轴视觉系统、焊接头、夹具、水平调整支架和运动平台；
利用夹具进行样品夹合；
将夹合样品后的夹具安装至运动平台，利用同轴视觉系统和水平调整支架对夹具进行调整；
利用旁轴视觉系统抓取焊接轮廓，进行轮廓定位和加工轨迹制定；
激光器产生激光，经激光光路、焊接头聚焦至焊接界面进行焊接，运动平台根据制定好的轮廓定位和加工轨迹运动，直至完成焊接；
完成焊接后的焊接样品放入退火炉中，按照升温-恒定退火温度-降温的温度曲线进行退火；
退火后的焊接样品放入强化炉中进行强化。
优选地，在利用夹具进行样品夹合前，对样品及夹具进行表面清洁。
优选地，对样品及夹具进行表面清洁进一步包括：首先利用超声波清洗机对样品及夹具进行清洗；然后利用离子风枪对样品及夹具的表面进行持续吹洗。
优选地，利用夹具进行样品夹合时，夹具上半部分所在平面为基准面，下半部分施加压力使待焊接的材料紧密贴合，形成的待焊区域间隙小于200纳米，待焊区域左右延展10毫米区域内间隙小于1微米。
优选地，进行轮廓定位和加工轨迹制定时，每条焊接轨迹起始点与终点闭合，最靠近内/外侧轮廓焊接轨迹与材料轮廓间距大于二分之一熔池宽度10-70微米，焊接轨迹间距大于熔池宽度10-40微米。
优选地，进行焊接时，每条焊接轨迹起始3-10毫米处与终点3-10毫米发生首尾连接重合。
优选地，所述激光器为超短脉冲激光器，所述超短脉冲激光器产生脉宽200-800飞秒、单脉冲能量0.5-5微焦、重复频率175-2000千赫兹的超短脉冲激光。
优选地，所述超短脉冲激光的划线速度为10mm/s-100mm/s，根据所述超短脉冲激光的划线速度和重复频率得到激光加工的点间距。
具体地，激光加工的点间距为激光每个脉冲在加工材料中的造成材料相变而产生的痕迹的间隙。
具体地，激光加工的点间距＝激光划线速度/激光重复频率。
优选地，按照升温-恒定退火温度-降温的温度曲线进行退火时，升温过程满足：
其中，a是样品的半厚，单位厘米；恒定退火温度高于焊接样品材料软化温度20-50度；降温温度速率2-4度/分钟。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明使用运动平台配合焊接头的焊接方式，使得聚焦光斑与焦深得到了有效控制，再通过与超短脉冲激光(飞秒激光)相配合，将焊接界面产生的热影响区域控制在最低水平，焊接后焊接轨迹肉眼不易观察，在大面积焊接中，保证焊接强度的前提下，对透明材料的光透过率影响小。
(2)飞秒激光得益于其脉宽短，重复频率高的特性，在焊接路径上可以将每个脉冲熔融改质区域连接在一起，形成连续曲线加工，焊缝一次成型，无需反复加工，因此，本发明利用飞秒激光进行焊接，在满足光学接触条件下，焊接幅面理论上仅受到运动平台的行程限制，焊接路径可以根据焊接要求进行填充，焊接强度得到了大幅度提升，甚至优于材料本身强度。
(3)本发明通过退火流程消除焊接所带来的材料内应力，保证后续强化工艺不发生碎裂，后续的化学强化工艺不对焊接区域及脆性透明材料本身造成任何影响。
(4)本发明提供的焊接轨迹间的宽度控制、焊接轨迹与焊接界面边缘的宽度控制、焊接激光单脉冲能量与点间距的确定保证了焊接的效果，使得退火与化学强化后焊接区域不发生碎裂与外观上的变化，经过本发明焊接-退火-强化工艺流程后的样品外观无法从肉眼观察到变色、微小裂纹、白色斑点等缺陷。
附图说明
图1为根据本发明实施例的异形3D结构的激光焊接平台示意图。
图2为根据本发明实施例的夹具夹合样品的示意图。
图3为根据本发明实施例的退火温度曲线示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，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做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种针对脆性透明材料异形3D结构的系统精密加工方法，包括：搭建异形3D结构的激光焊接平台，所述平台包括激光器、激光光路、同轴视觉系统、旁轴视觉系统、焊接头、夹具、水平调整支架和运动平台；利用夹具进行样品夹合；将夹合样品后的夹具安装至运动平台，利用同轴视觉系统和水平调整支架对夹具进行调整；利用旁轴视觉系统抓取焊接轮廓，进行轮廓定位和加工轨迹制定；激光器产生激光，经激光光路、焊接头聚焦至焊接界面进行焊接，运动平台根据制定好的轮廓定位和加工轨迹运动，直至完成焊接；完成焊接后的焊接样品放入退火炉中，按照升温-恒定退火温度-降温的温度曲线进行退火；退火后的焊接样品放入强化炉中进行强化。
请参阅附图1至图2，所述方法具体包括：
第一步，搭建异形3D结构的超短脉冲激光焊接平台。如图1所示，平台有7个主要组成部分：超短脉冲激光器1、激光光路2、同轴视觉系统3、旁轴视觉系统4、焊接头5、夹具6、水平调整支架7、运动平台8。
第二步，样品、夹具表面清洁。在无尘环境下，首先用超声波清洗机对样品与夹具进行清洗，清洗液含95％去离子纯净水与5％光学玻璃清洗剂，清洗时长30分钟，清洗温度50℃，清洗次数3次，每次清洗后均更换清洗液，清洗后在80℃风干烘箱内静置90分钟烘干，去除其表面的有机物杂质；然后用离子风枪对样品与夹具的表面进行持续吹洗，时常10分钟，去除其表面的灰尘、纤维、颗粒等微小固体杂质。
第三步，样品夹合。如图2所示，在无尘环境下，将待焊样品(表面粗糙度小于1微米)放入夹具内，用无尘布沾取无水酒精(乙醇含量大于99.5％)对夹合面进行单方向擦拭，随后进行夹合，夹具上半部分所在平面为基准面，螺钉紧合下半部分施加压力使待焊接两片材料紧密贴合，最后保证待焊区域间隙小于200纳米，待焊区域左右延展10mm区域内间隙小于1微米。
具体地，由于焊接处需要紧密夹合，而因3D异型材料结构的不同，需要夹合的位置将会发生变化，对应的夹具需要进行重新设计，以配合需要夹合的不同形状部件与需要夹合的区域。因此根据不同的异形结构需要更换不同的夹具，每种异型结构将对应一种特定夹具。针对焊接样品焊接区域设计特定夹具，可保证焊接区域能够达到光学接触条件。
第四步，夹具安装至运动平台。利用同轴视觉系统3与水平调整支架7将夹具调整水平，在理想状态下，焊接焦点应该始终在焊接界面处，但由于偶然误差(如夹合力度使样品发生轻微变形)与系统误差(如加工激光无法绝对垂直于加工平面)，焦点将产生偏离，但正负离焦量需要控制在正离焦30微米，负离焦10微米以内，否则容易出现焊接碎裂。
第五步，轮廓定位与加工轨迹制定。利用旁轴视觉系统4抓取焊接轮廓，在激光加工辅助绘图软件中生成焊接界面内、外边缘轮廓，根据这组轮廓自定义焊接轨迹数量，自动填充生成若干条焊接轨迹，每条焊接轨迹起始点与终点闭合，最靠近内/外侧轮廓焊接轨迹与材料轮廓间距大于二分之一熔池宽度10-70微米，焊接轨迹间距大于熔池宽度10-40微米，因此当熔池宽度为70微米左右时，起始焊接轨迹与末尾焊接轨迹与内、外边缘轮廓间距45-105微米，焊接轨迹间距80-110微米。
第六步，玻璃焊接。由超短脉冲激光器1产生特定脉宽(200-800飞秒)、单脉冲能量(0.5-5微焦)与重复频率(175-2000千赫兹)的超短脉冲激光，经过激光光路2、焊接头5，聚焦至焊接界面上(聚焦光斑大小范围0.5-5微米)，运动平台8根据焊接轮廓与焊接图档进行匀速运动(10mm/s-100mm/s)。每条焊接轨迹起始3-10mm处与终点3-10mm发生首尾连接重合，起点处加工功率跟随位置变化从零逐渐增加至加工功率，重点处跟随位置变化从加工功率逐渐减小至零，进而杜绝焊接起/终点重点现象。
第七步，退火。将焊接样品从夹具取出，放入退火炉中，按照升温-恒定退火温度-降温的温度曲线，进行退火。升温过程中满足：
其中，a是样品的半厚，单位cm；恒定退火温度在焊接样品材料软化温度以上20-50度；降温温度速率2-4度/分钟，最后静置至室温。
第八步，化学强化。将焊接样品从退火炉中取出，在强化炉中进行化学强化，同时化学强化后样品本身不发生碎裂，玻璃焊接外观无法从肉眼观察到变色、微小裂纹、白色斑点等缺陷。
作为一种实施方式，在进行样品夹合前，可将3D异形结构部件拆解为几个部分，保证每部分不含台阶、凸起、沟槽等结构，对每块部件先抛光后焊接，形成整体呈现3D台阶、凸起、沟槽等结构。这样设置可解决现有3D异形结构在加工完后再进行加工面抛光所存在的问题。
进一步地，将3D异形结构部件拆解为几个部分，保证每部分不含台阶、凸起、沟槽等结构，每块部件焊接后，在连接处可以实现无倒角/圆角。这样设置可解决现有CNC加工手段在台阶、凸起、沟槽等结构处必然出现加工倒角，无法呈现直角的问题。
具体地，焊接后，整体结构无法拆解，焊接强度高于材料本身，可以近似认为该3D异性结构为整体结构。在实例中未对焊接强度进行详细测试，因此未做指定说明。
实施例
本实施例提供一种针对脆性透明材料异形3D结构的系统精密加工方法，包括：第一步，搭建异形3D结构的超短脉冲激光焊接平台，所述平台包括超短脉冲激光器1、激光光路2、同轴视觉系统3、旁轴视觉系统4、焊接头5、夹具6、水平调整支架7、运动平台8；第二步，样品、夹具表面清洁；第三步，样品夹合；第四步，夹具安装至运动平台；第五步，轮廓定位与加工轨迹制定；第六步，玻璃焊接；第七步，退火；第八步；强化。
在具体实施中，利用所述方法对加工样品玻璃框与玻璃平板进行焊接，其中玻璃框厚2.7mm，框宽度2.0mm，玻璃平板厚0.5mm，玻璃框与玻璃平板边界不含倒角/圆角。将玻璃框、玻璃平板与夹具按照第二步至第四步步骤完成清洁与夹合，并在同轴相机下找到焊接面所在位置。利用旁轴视觉系统4抓取焊接轮廓，在激光加工辅助绘图软件中生成焊接界面内、外边缘轮廓，将内边缘轮廓向外、外边缘轮廓向内各偏移100微米作为焊接起始轮廓与末尾轮廓，根据起始与末尾轮廓均匀填充焊接轨迹，填充轨迹数量为15条，焊接两片样品对位误差，最终测量焊接轨迹间隙约为85微米，每条焊接轨迹起始点与终点闭合。起始与末尾轮廓与内、外边缘轮廓间隙和焊接轨迹间隙均需要严格控制，否则在退火与化学强化工艺后，焊接边缘与焊接轨迹间易出现白色斑点痕迹，影响外观。
由超短脉冲激光器1产生脉宽290飞秒、单脉冲能量1.4微焦、重复频率1000千赫兹的超短脉冲激光，经过激光光路2、焊接头5，聚焦至焊接界面上，聚焦光斑大小2.78微米，焦深±3.35微米，运动平台8根据焊接轮廓与焊接图档进行匀速运动速度为12mm/s，因此该工艺参数下激光点间距为12纳米(点间距＝激光划线速度/激光重复频率，激光划线速度等于运动平台8匀速运动的速度)。焊接轨迹终点1mm左右采用功率渐变，逐渐减少激光加工能量，完成激光焊接加工。加工后焊缝的宽度约为60微米。
将焊接好的样品进行退火，退火曲线如图3所示，退火升温速度为40℃/min，退火温度为632摄氏度，降温速度为4℃/min。退火完成后进行最后化学强化工序。完成系统玻璃焊接-退火-强化工艺后，玻璃焊接外观无法从肉眼观察到变色、微小裂纹、白色斑点等缺陷。
本实施例中，玻璃框的一面是焊接在玻璃平板上的，玻璃框宽2mm，焊接区域长140mm，宽70mm，因此焊接的区域是2mm X(140+140+70+70)mm＝840mm2，可见，本实施例针对焊接样品焊接区域设计特定夹具以保证焊接区域能够达到光学接触条件的前提下，其有效焊接面积超过500mm2。
本发明针对脆性材料3D结构件，尤其对于异形3D结构件，提供利用飞秒激光进行以焊接为主的系统加工方法，可以涵盖从1mm2左右到500mm2以上面积的各类脆性材料，加工后3D结构强度高于材料本身强度，同时对材料本身光透过率、表面抛光均无任何影响。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
