Soudage laser du verre

Les lasers à impulsions ultra-courtes combinés à une technologie sophistiquée d'auto-focalisation offrent la qualité et la fiabilité du processus requises pour permettre l'utilisation du soudage laser du verre dans la production en série. Les caractéristiques uniques et excellentes du verre le rendent largement utilisé dans divers produits de haute technologie dans différents domaines tels que la biomédecine et la microélectronique. Nous avons déjà décrit les défis que cela représente pour les fabricants, en particulier dans le domaine de la découpe de verre de précision et en grand volume. Cela présente également des difficultés de liaison, notamment le soudage de composants en verre individuels ensemble et le soudage du verre à d'autres matériaux tels que des métaux et des semi-conducteurs.

Toutes les méthodes traditionnelles de soudage du verre peinent à fournir la précision, la qualité de collage et la vitesse de production requises pour une production de masse rentable. Par exemple, le collage est une méthode économique, mais laisse de la matière adhésive sur la pièce et nécessite même un dégazage.

Le soudage diélectrique consiste à placer un matériau en poudre à un point de contact, puis à le faire fondre pour compléter la liaison. Que cette fusion soit réalisée au four ou au laser, beaucoup de chaleur est pompée dans la pièce. C'est un problème pour la microélectronique et de nombreux dispositifs médicaux.

La liaison ionique est une méthode ingénieuse qui offre une force de liaison extrêmement élevée. Deux nouvelles surfaces de verre extrêmement plates sont pressées ensemble et véritablement fusionnées par des liaisons moléculaires. Cependant, il n’est pas réaliste de réaliser cela dans un environnement de production.

Alors, qu’en est-il du soudage laser ? Le verre possède de nombreuses propriétés très utiles, telles qu'un point de fusion extrêmement élevé, une transparence, une fragilité et une rigidité mécanique, mais il entraîne également de nombreuses difficultés pour le soudage au laser. Par conséquent, les lasers industriels typiques et les méthodes utilisées pour souder les métaux et autres matériaux ne conviennent pas au verre.

Tout comme la découpe de précision du verre, le secret réside dans l’utilisation de lasers infrarouges à impulsions ultra-courtes d’onde (USP). Le verre est transparent dans l'infrarouge, de sorte qu'un faisceau laser focalisé peut le traverser directement jusqu'à ce que le faisceau focalisé se rétrécisse et devienne si focalisé qu'il déclenche une « absorption non linéaire ». Cette « absorption non linéaire » ne se produit que dans les lasers à impulsions ultracourtes avec une puissance maximale, et d'autres types de lasers ne peuvent pas être utilisés pour accomplir la même chose.

Ainsi, dans une très petite zone autour du foyer du faisceau laser (généralement moins de quelques dizaines de microns de diamètre), le verre absorbe la lumière laser et fond rapidement. Ce faisceau focalisé est balayé le long du chemin de soudage souhaité pour terminer la liaison, tout comme les autres formes de soudage laser.

Premièrement, cela crée un lien solide car les deux matériaux soudés fondent partiellement puis se solidifient ensemble pour former une soudure. De plus, le procédé convient également au collage du verre sur le verre, du verre sur le métal et du verre sur les semi-conducteurs.

Deuxièmement, dans ce processus, très peu de chaleur pénètre dans la pièce et cette chaleur est générée dans une zone de quelques centaines de microns au maximum. Cela permet de placer les soudures très près des circuits électroniques ou d'autres composants sensibles à la chaleur, ce qui donne une plus grande liberté aux concepteurs et aux fabricants et permet une meilleure miniaturisation des produits.

Enfin, si le soudage du verre au laser USP est correctement mis en œuvre, il n’y aura pas de microfissures autour de la soudure. Les microfissures réduisent la résistance mécanique du verre. De plus, après les changements de cycle de température (qui sont inévitables pour tout), les microfissures peuvent être à l'origine de la panne ultime de l'appareil.

L'avantage du soudage du verre au laser USP est que le verre n'est chauffé que dans un petit volume. Mais cela pose également des défis pratiques. Cela signifie que même si la pièce bouge, la position du foyer laser doit être conservée très précisément à l'interface entre les deux composants soudés. Étant donné que les parties du monde réel ne sont pas parfaitement plates, cela est difficile à réaliser. De plus, le placement des pièces dans le système de soudage peut ne pas s'adapter parfaitement.

Une solution consiste à utiliser un foyer allongé axialement. Cela « étend » la taille du foyer du faisceau laser pour répondre à la sensibilité de position. Cependant, l'inconvénient de cette méthode est que la focalisation allongée du faisceau crée un bain de fusion dans le verre avec une section transversale non circulaire. Lorsque le verre se solidifie dans la zone de fusion, le bain de fusion non circulaire est plus susceptible de former des microfissures.

L'autre méthode peut réaliser l'effet de soudage sans microfissures et peut s'adapter au changement important de distance d'interface au cours du processus. Le secret est que, combinées à une technologie de mise au point dynamique élevée, des optiques à haute ouverture numérique (NA) sont utilisées pour produire de petits points focaux.

De cette manière, le système laser atteint une sphéricité élevée du bain fondu, évitant ainsi les microfissures. Il détecte également la distance de l'interface et ajuste constamment l'optique pour rester toujours parfaitement au point. Le résultat est qu'un soudage de haute qualité est garanti sur presque toutes les formes de pièces, et que le processus n'est pas affecté par les tolérances et l'emplacement des pièces.

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