Soldagem a laser de vidro

Lasers de pulso ultracurto combinados com tecnologia sofisticada de foco automático fornecem a qualidade e a confiabilidade do processo necessárias para permitir o uso da soldagem de vidro a laser na produção em série. As características únicas e excelentes do vidro tornam-no amplamente utilizado em diversos produtos de alta tecnologia em diferentes áreas, como biomedicina e microeletrônica. Descrevemos anteriormente os desafios que isso representa para os fabricantes, especialmente no campo de corte de vidro de precisão e grande volume. Também apresenta dificuldades na ligação, incluindo a soldagem de componentes de vidro individuais e a soldagem de vidro a outros materiais, como metais e semicondutores.

Todos os métodos tradicionais de soldagem de vidro lutam para fornecer a precisão, a qualidade de colagem e a velocidade de produção necessárias para uma produção em massa econômica. Por exemplo, a ligação adesiva é um método econômico, mas deixa material adesivo na peça e ainda requer desgaseificação.

A soldagem dielétrica envolve colocar um material em pó em um ponto de contato e depois derretê-lo para completar a ligação. Quer esta fusão seja conseguida através de um forno ou de um laser, muito calor é bombeado para a peça. Este é um problema para a microeletrônica e muitos dispositivos médicos.

A ligação iônica é um método engenhoso que fornece uma força de ligação extremamente alta. Duas novas superfícies de vidro extremamente planas são comprimidas e verdadeiramente fundidas por ligações moleculares. Entretanto, não é realista fazer isso em um ambiente de produção.

Então, e quanto à soldagem a laser? O vidro tem muitas propriedades muito úteis, como ponto de fusão extremamente alto, transparência, fragilidade e rigidez mecânica, mas também apresenta muitas dificuldades para soldagem a laser. Portanto, lasers industriais típicos e métodos usados ​​para soldar metais e outros materiais não são adequados para vidro.

Assim como o corte de vidro de precisão, o segredo está no uso de lasers infravermelhos de pulso de comprimento de onda ultracurto (USP). O vidro é transparente no infravermelho, então um feixe de laser focado pode passar diretamente através dele até que o feixe focado se estreite e se torne tão focado que desencadeie uma "absorção não linear". Essa “absorção não linear” ocorre apenas em lasers pulsados ​​ultracurtos com potência de pico, e outros tipos de lasers não podem ser usados ​​para realizar a mesma coisa.

Assim, em uma área muito pequena ao redor do foco do feixe de laser (geralmente com menos de algumas dezenas de mícrons de diâmetro), o vidro absorve a luz do laser e derrete rapidamente. Este feixe focado é escaneado ao longo do caminho de soldagem desejado para completar a ligação, assim como outras formas de soldagem a laser.

Primeiro, cria uma ligação forte porque ambos os materiais soldados fundem parcialmente e depois solidificam juntos para formar uma solda. Além disso, o processo também é adequado para unir vidro a vidro, vidro a metal e vidro a semicondutores.

Em segundo lugar, neste processo, muito pouco calor entra na peça, e este calor é gerado numa área com no máximo algumas centenas de mícrons de largura. Isto permite que as soldas sejam colocadas muito próximas de circuitos eletrônicos ou outros componentes sensíveis ao calor, o que dá maior liberdade aos projetistas e fabricantes e permite uma melhor miniaturização do produto.

Finalmente, se a soldagem de vidro a laser USP for implementada corretamente, não haverá microfissuras ao redor da solda. Microfissuras reduzem a resistência mecânica do vidro. Além disso, após as mudanças no ciclo de temperatura (que são inevitáveis ​​para tudo), as microfissuras podem ser a fonte da falha final do dispositivo.

A vantagem da soldagem de vidro a laser USP é que o vidro é aquecido apenas em um pequeno volume. Mas também apresenta desafios práticos. Isto significa que mesmo que a peça se mova, a posição do foco do laser deve ser mantida com muita precisão na interface entre os dois componentes soldados. Como as partes do mundo real não são perfeitamente planas, isso é difícil de conseguir. Além disso, a colocação das peças no sistema de soldagem pode não se encaixar perfeitamente.

Uma solução é usar um foco axialmente alongado. Isso "alonga" o tamanho do foco do feixe de laser para abordar a sensibilidade da posição. No entanto, a desvantagem deste método é que o foco do feixe alongado cria uma poça fundida no vidro com uma seção transversal não circular. Quando o vidro solidifica na zona de fusão, a poça fundida não circular tem maior probabilidade de formar microfissuras.

O outro método pode realizar o efeito de soldagem sem microfissuras e pode se adaptar à mudança significativa da distância da interface no processo. O segredo é que, combinada com a tecnologia de foco altamente dinâmico, a óptica de alta abertura numérica (NA) é usada para produzir pequenos pontos focais.

Desta forma, o sistema laser consegue uma alta esfericidade da poça fundida, evitando assim microfissuras. Ele também detecta a distância da interface e ajusta constantemente a ótica para permanecer sempre em foco perfeito. O resultado é que a soldagem de alta qualidade é garantida em praticamente qualquer formato de peça, e o processo não é afetado pelas tolerâncias e localização da peça.

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