Neue Technologie rückt das Laserschweißen von Glas in den Fokus

Ultrakurzpulslaser mit einer ausgefeilten Autofokus-Technologie liefern die erforderliche Qualität und Prozesssicherheit, um das Laserschweißen von Glas in der Serienproduktion zu ermöglichen.

31. Januar 2021 von Coherent

Ultrashort Pulse Lasers

Die einzigartigen Eigenschaften von Glas haben dazu geführt, dass es zunehmend in einer Vielzahl von Hightech-Produkten in so unterschiedlichen Bereichen wie der Biomedizin, Luft- und Raumfahrt und Mikroelektronik eingesetzt wird. Wir haben bereits beschrieben, welche Herausforderungen dies für Hersteller mit sich bringt, insbesondere im Hinblick auf den präzisen Glaszuschnitt in großen Stückzahlen. Und auch bei der Verbindung gibt es Herausforderungen. Es müssen sowohl einzelne Glaskomponenten zusammengeschweißt als auch das Glas mit anderen Materialien wie Metallen und Halbleitern verbunden werden.

Die Dinge zusammenkriegen

Das bestehende Problem aller traditionellen Methoden zum Schweißen von Glas ist, dass eine effektive Kombination aus Präzision, Verbindungsqualität und Produktionsgeschwindigkeit, die für eine kostengünstige Serienfertigung erforderlich ist, nicht erreicht wird. Das Verkleben ist zum Beispiel eine kostengünstige Methode, kann aber Klebereste auf den Teilen hinterlassen und sogar Ausgasungen verursachen.

Beim FRIT Schweißen wird pulverförmiges Material auf die Verbindungsstelle aufgetragen und anschließend geschmolzen, um eine Verbindung herzustellen. Unabhängig davon, ob das Schmelzen in einem Ofen oder mit einem Laser erfolgt, wird eine große Menge an Wärme in das Teil gepumpt. Das stellt ein Problem für die Mikroelektronik und viele medizinische Geräte dar.

Verfahren unter Anwendung ionischer Bindungen sind eine elegante Methode und ermöglichen extrem starke Bindungen. Zwei unberührte und extrem flache Glasoberflächen werden in Kontakt gebracht und verschmelzen buchstäblich durch molekulare Bindung miteinander. So etwas auf Produktionsbasis durchzuführen, ist jedoch nicht wirklich praktikabel.

Laserschweißen von Glas

Wie sieht es mit Laserschweißen aus? Nun, einige der Eigenschaften, die Glas so nützlich machen – wie der extrem hohe Schmelzpunkt, die Transparenz, die Sprödigkeit und die mechanische Steifigkeit – machen es ebenso schwierig, mit Lasern zu schweißen. Infolgedessen eignen sich die typischen industriellen Laser und Methoden zum Schweißen von Metallen und anderen Materialien nicht gut für Glas.

Genau wie beim Präzisionsschneiden von Glas liegt das Geheimnis in der Verwendung eines Ultrakurzpulslasers (USP) mit Infrarot-Wellenlänge. Glas ist im Infrarotbereich transparent, so dass der fokussierte Laserstrahl einfach hindurchgeht. Das heißt, bis zu dem Punkt, an dem der fokussierte Strahl sich verengt und so konzentriert wird, dass er eine „nichtlineare Absorption“ auslöst. Dies geschieht nur aufgrund der hohen Spitzenleistung der ultrakurzen Pulse. Deshalb lassen sich keine anderen Lasertypen verwenden, um dasselbe Resultat zu erreichen.

Das Glas absorbiert also das Laserlicht und schmilzt relativ schnell in einem sehr kleinen Bereich (in der Regel weniger als zehn Mikrometer im Durchmesser) um den Fokuspunkt herum. Der fokussierte Strahl wird entlang des gewünschten Schweißpfades gescannt, um die Verbindung herzustellen, genau wie bei anderen Formen des Laserschweißens.

Das USP-Laserglasschweißverfahren bietet drei wesentliche Vorteile. Erstens entsteht eine starke Verbindung, da beide Teile teilweise geschmolzen werden und anschließend wieder zusammen erstarren, um die Schweißnaht zu bilden. Und die Technik funktioniert genauso gut beim Verbinden von Glas mit Glas, Glas mit Metall und Glas mit Halbleitern.

Zweitens wird bei diesem Verfahren nur sehr wenig Wärme in das Teil eingebracht, und das auch nur in einem Bereich, der höchstens ein paar hundert Mikrometer breit ist. Dadurch kann die Schweißnaht sehr nahe an elektronischen Schaltkreisen oder anderen hitzeempfindlichen Komponenten platziert werden. Dies gibt sowohl den Designern als auch den Herstellern mehr Freiheit und unterstützt eine stärkere Miniaturisierung der Produkte.

Wenn das USP-Laserglasschweißen richtig ausgeführt wird, entstehen keine Mikrorisse in der Umgebung der Schweißstelle. Mikrorisse schwächen das Glas mechanisch. Außerdem können sie bei Geräten, die Temperaturschwankungen ausgesetzt sind (was bei so gut wie allen Geräten der Fall ist), zu Ausfällen führen.

Coherent macht das USP-Laserschweißen von Glas praktizierbar

Die Vorteile des USP-Laserglasschweißens ergeben sich aus der Tatsache, dass das Glas nur über ein sehr kleines Volumen erhitzt wird. Das aber schafft auch eine Herausforderung bei der tatsächlichen Umsetzung. Das bedeutet, dass die Position des Laserfokus sehr genau an der Schnittstelle zwischen den beiden zu schweißenden Komponenten gehalten werden muss, auch wenn sich die Teile bewegen. Und das ist schwer zu bewerkstelligen, da die Teile in der realen Welt nicht absolut flach sind. Außerdem kann es sein, dass sie beim Einsetzen in das Schweißsystem nicht genau waagerecht positioniert sind.

Eine Lösung besteht darin, einen axial verlängerten Fokus zu verwenden. Dadurch wird der Fokus des Laserstrahls „gestreckt“, um das Problem der Positionsempfindlichkeit zu lösen. Der Nachteil dieses Ansatzes ist jedoch, dass dieser verlängerte Fokus ein Schmelzbad im Glas erzeugt, das im Querschnitt nicht mehr rund ist. Bei einem unrunden Schmelzbad ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich Mikrorisse bilden, wenn das Glas in der Schmelzzone erstarrt, wesentlich größer.

Optogenetik

Coherent hat einen anderen Ansatz gewählt, der mikrorissfreie Schweißnähte liefert und gleichzeitig erhebliche Änderungen des Schnittstellenabstands während des Prozesses berücksichtigt. Das Geheimnis liegt in der Verwendung einer Optik mit hoher numerischer Apertur (NA), um einen kleinen fokussierten Punkt in Kombination mit einer hochdynamischen Fokussiertechnologie zu erzeugen.

So erreicht das System von Coherent ein hochgradig kugelförmiges Schmelzbad, das Mikrorisse vermeidet. Zudem erkennt es die Entfernung der Schnittstelle und passt die Optik kontinuierlich an, so dass der Fokus immer perfekt beibehalten wird. Das Ergebnis sind qualitativ hochwertige Schweißnähte an so gut wie jedem Formteil und ein Prozess, der unabhängig von den Toleranzen und der Position der Teile ist.

Erfahren Sie mehr über die Glasschweißgeräte von Coherent, die in Kundenwerkzeuge oder Produktionslinien integriert werden können, sowie über komplette, eigenständige Glasschweißsysteme.

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