ガラスレーザー溶接

超短パルスレーザーと高度な自己焦点技術を組み合わせることで、連続生産でのレーザーガラス溶接の使用を可能にするために必要な品質とプロセスの信頼性が実現します。 ガラスのユニークで優れた特性により、ガラスはバイオ医学やマイクロエレクトロニクスなどのさまざまな分野のさまざまなハイテク製品に広く使用されています。 特に大量の精密ガラス切断分野において、製造業者にこのガラスがもたらす課題について以前に説明しました。 また、個々のガラス部品を溶接したり、ガラスを金属や半導体などの他の材料に溶接したりするなど、接合にも困難が伴います。

ガラスを溶接する従来の方法はどれも、コスト効率の高い大量生産に必要な精度、接合品質、生産速度を実現するのに苦労しています。 たとえば、接着は経済的な方法ですが、部品に接着剤が残り、脱ガスも必要になります。

誘電溶接では、粉末材料を接触点に配置し、それを溶かして接合を完了します。 この溶解がオーブンで行われるかレーザーで行われるかにかかわらず、部品には大量の熱が注入されます。 これはマイクロエレクトロニクスや多くの医療機器にとって問題です。

イオン結合は、非常に高い結合強度を実現する独創的な方法です。 ガラスの 2 つの新しい非常に平らな表面が押し付けられ、分子結合によって真に融合されます。 ただし、実稼働環境でこれを行うのは現実的ではありません。

では、レーザー溶接はどうでしょうか？ ガラスは、非常に高い融点、透明性、脆性、機械的剛性など、多くの非常に有用な特性を備えていますが、レーザー溶接には多くの困難も伴います。 したがって、金属やその他の材料の溶接に使用される一般的な工業用レーザーや方法は、ガラスには適していません。

精密なガラス切断と同様に、その秘密は赤外線超短波長パルス (USP) レーザーの使用にあります。 ガラスは赤外線では透明であるため、集束されたレーザー ビームは、集束されたビームが狭くなり、「非線形吸収」を引き起こすほど集束されるまでガラスを直接通過できます。 この「非線形吸収」は、ピークパワーを持つ超短パルスレーザーでのみ発生し、他のタイプのレーザーを使用して同じことを達成することはできません。

そのため、レーザー ビームの焦点の周囲の非常に小さな領域 (通常、直径数十ミクロン未満) では、ガラスがレーザー光を吸収し、すぐに溶けます。 他の形式のレーザー溶接と同様に、この集束ビームが目的の溶接パスに沿って走査され、接合が完了します。

まず、溶接される両方の材料が部分的に溶け、その後凝固して溶接部が形成されるため、強力な結合が形成されます。 さらに、このプロセスは、ガラスとガラス、ガラスと金属、ガラスと半導体の接着にも適しています。

第 2 に、このプロセスでは部品に入る熱はほとんどなく、この熱は最大でも数百ミクロン幅の領域で発生します。 これにより、電子回路やその他の熱に敏感なコンポーネントの非常に近くに溶接を配置できるため、設計者や製造者に大きな自由が与えられ、製品の小型化が可能になります。

最後に、USP レーザー ガラス溶接が適切に実施されれば、溶接部の周囲に微小亀裂は発生しません。 微小亀裂はガラスの機械的強度を低下させます。 さらに、温度サイクルが変化した後（これはすべてにおいて避けられません）、マイクロクラックがデバイスの最終的な故障の原因となる可能性があります。

USP レーザー ガラス溶接の利点は、ガラスが少量でのみ加熱されることです。 しかし、それは現実的な課題ももたらします。 これは、たとえ部品が動いたとしても、溶接された 2 つの部品間の境界面でレーザーの焦点位置を非常に正確に維持する必要があることを意味します。 現実世界の各部分は完全に平坦ではないため、これを実現するのは困難です。 さらに、溶接システム内の部品の配置が完全に適合しない場合があります。

解決策の 1 つは、軸方向に細長い焦点を使用することです。 これにより、位置の感度に対処するためにレーザー ビームの焦点のサイズが「拡張」されます。 ただし、この方法の欠点は、ビームの焦点が長くなるため、ガラス内に非円形断面の溶融池が形成されることです。 ガラスが溶融ゾーンで固化するとき、非円形の溶融池に微小亀裂が形成される可能性が高くなります。

もう1つの方法は、微小亀裂を発生させずに溶接効果を実現でき、プロセス中の界面距離の大幅な変化に適応できます。 その秘密は、高ダイナミック集束技術と組み合わせて、高開口数 (NA) 光学系を使用して小さな焦点スポットを生成することです。

このようにして、レーザー システムは溶融池の高い真球度を実現し、マイクロクラックを回避します。 また、インターフェースの距離を感知し、常に完璧な焦点を保つように光学系を常に調整します。 その結果、ほぼすべての形状の部品で高品質の溶接が保証され、プロセスは部品の公差や位置に影響されません。

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