基于响应面法的玻璃激光焊接焊缝及气孔研究

　　摘要焊缝中的气孔和玻璃料未完全熔融是玻璃激光焊接中常见的缺陷，使焊缝的有效工作截面减少，降低焊缝连接质量。为了获得气孔率低、玻璃料完全熔化、形貌良好的焊缝，采用响应面法中的设计原理，建立了玻璃激光焊接中焊缝缺陷面积占比率与工艺参数(预烧结峰值温度、激光功率、焊接速度和离焦量)的数学模型。基于所建模型，进行了各工艺参数对焊缝缺陷面积占比率交互影响趋势的理论分析，并对工艺参数进行了优化。结果表明，在预烧结峰值温度T=440℃，激光功率P=37W，焊接速度V=0.1m/min，离焦量D=14.4mm的优化参数下进行试验，焊缝中气孔面积和玻璃料未完全熔融面积之和仅占焊缝总面积的0.512%，与模型预测结果吻合，焊缝表面形貌良好，焊缝剪切强度为17.765MPa，高于标准值。该模型优化出的工艺参数是合理的，该研究对提高玻璃激光焊接质量是有帮助的。

　　关键词:激光技术;焊缝缺陷面积占比率;响应面法;玻璃激光焊接

　　引言

　　随着现代各种电子元器件的微型化、复杂化以及对高温高压条件敏感，封装尺寸已经演变为微米级，如何实现封装以及提高气密封装的密封性，成为封装领域的一大挑战。玻璃因其良好的机械性能、化学稳定性、耐腐蚀性、高透光率等特点，在封装领域和真空玻璃连接领域得到广泛重视[1]。

　　激光加热熔融玻璃料进行玻璃焊接技术具有高效率、高焊接质量以及加热位置可控等优点，被广泛运用于微器件封装、半导体封装及太阳能电池封装等领域[2-5]。在玻璃激光焊接中，焊缝中的气孔[6]和玻璃料未完全熔融[7]是最常见的两种缺陷，会对封装气密性和封装强度产生一定的影响。玻璃激光焊接技术是利用玻璃料对激光的热吸收，使玻璃料熔融并重新凝固来实现上下玻璃板的连接[8-11]。在焊接过程中，高质量的焊缝很大程度上取决于焊接时的工艺参数。

　　目前已有的研究主要都集中在讨论不同工艺参数对焊缝剪切强度和残余应力的影响[12-14]，对焊缝中气孔和玻璃料未熔区域的产生和抑制研究较少。气孔大量存在容易产生应力集中，形成裂纹，降低焊接质量，减少气孔率会显著提高焊缝连接强度和气密性[15]。焊缝两端未熔区域的存在会减小焊缝有效连接面积，降低焊缝强度。在玻璃激光焊接中，焊缝中气孔和未熔区域所占面积比率越大，焊缝连接质量就会越差，因此，预测和抑制玻璃激光焊接过程中气孔和未熔区域的产生对提高焊接质量具有重要意义。

　　响应面法(responsesurfacemethod)是一种参数优化问题的数学和统计分析方法，该方法被广泛用于优化焊接工艺参数[16-18]。在玻璃激光焊接过程中，气孔和未熔区域的存在往往取决于预烧结峰值温度、激光功率、焊接速度以及离焦量。为了预测和抑制焊缝气孔和未熔区域的产生，采用响面法建立玻璃激光焊接后焊缝缺陷面积占比率与焊接工艺参数的数学模型，研究各工艺参数对焊缝缺陷面积占比率的影响规律。通过工艺参数优化验证了模型的正确性，有效降低了焊缝气孔和未熔区域的产生，提高了焊缝连接强度。

　　1试验

　　1.1试验设备与材料

　　自行搭建激光试验平台，由激光器、三维平台、夹具平台、同轴观测系统和数控系统组成。激光器采用RFL-DDL-100型半导体激光器，光束辐射波长为915±10nm，聚焦镜焦距为300mm,光斑直径为300μm，最大输出功率为100W。在玻璃激光焊接过程中，基板和盖板均选用美国康宁公司的40mm×40mm×0.7mmEagleXG玻璃板。EagleXG玻璃板是硼硅酸盐玻璃，具有高表面质量、热稳定性、低密度以及高耐化学腐蚀性。玻璃料选用BASS公司的高温类型，对近红外激光有良好的吸收性。

　　1.2试验设计

　　第一步将配置好的玻璃料通过丝网印刷沉积在玻璃基板上;第二步将丝印玻璃料的玻璃基板放进加热炉进行预烧结，去除挥发性添加剂并使玻璃料平整的固化在玻璃基板上;第三步将玻璃盖板和基板对齐进行焊接，中间玻璃料层吸收激光能量变为熔融状态，在夹具压力的作用下玻璃料与上下玻璃板之间形成粘合。

　　玻璃激光焊接焊缝必须具备一定的连接强度，才能满足电子元器件的使用要求，本文使用剪切强度代表焊缝的连接强度。当焊缝成形良好、气孔较少时，剪切强度通常比较高，当焊缝存在熔融不充分、气孔等缺陷时，剪切强度通常会比较低。按照美军标MIL-STD-883G,焊缝剪切强度达到6.25MPa即可视为焊缝连接质量良好。测试试件焊缝为0.8mm×30mm。对试件上下两端施加压力，直至焊缝断裂，根据剪切力计算可得剪切强度。 玻璃料的预烧结工艺是进行玻璃激光焊接前的最后一道工序，预烧结温度会对最终玻璃焊接效果有很大影响。

　　第一阶段加热除去玻璃料中含有的水;第二阶段加热通过蒸发或燃烧的方式去除掉玻璃料中的有机粘结剂。第三阶段，设置预烧结峰值温度，以5℃/min的速率将玻璃料加热至峰值温度并保温30min,使得玻璃料在玻璃板上软化，最后在炉内将玻璃板缓慢降至室温，避免出现应力集中。影响预烧接的因素有升温速率、降温速率、预烧结峰值温度以及各阶段保温时间等，其中预烧结峰值温度是影响焊接质量的主要因素[19]。

　　在玻璃激光焊接过程中，气孔主要来源于两个方面，一是玻璃粉间隙中的空气[20]，二是玻璃粉中的部分物质分解气化产生的气体，气体无法及时溢出形成气孔。玻璃料未熔区域的产生主要与激光输入能量有关，当能量足够高时，玻璃料会充分熔化，在压力的作用下完全铺展开形成焊缝，焊缝宽度较之前玻璃料宽度明显增大，但过高的激光输入能量也会使部分物质分解气化产生气体，较大的焊缝宽度不利于气体溢出，从而形成大尺寸的密集型气孔。当激光输入能量较低时，焊缝中部存在少量气孔，焊接良好，但由于激光能量呈高斯分布，焊缝边缘能量不足，玻璃料两端未完全熔化形成有效连接。

　　玻璃激光焊接后使用金相显微镜放大200倍观测焊缝气孔和未熔区域分布特征，沿焊缝长度方向在5~35mm之间分5段取样。采用ImageJ图像分析软件对5段样品的金相照片处理后得到焊缝中气孔面积和未熔融区域面积之和，求其平均值。定义焊缝中气孔面积和未熔区域面积之和与焊缝总面积的比值为焊缝缺陷面积占比率。本文通过的Box-Behnken设计方法确定预烧结峰值温度、激光功率、焊接速度以及离焦量对焊缝缺陷面积占比率影响的试验方案。

　　2试验结果与分析

　　2.1数学模型和方差分析

　　对试验数据进行拟合，建立二次多项式回归模型。对拟合模型进行方差分析，剔除对焊缝缺陷面积占比率影响不显著的项。“Prob>F”值的大小代表模型和因素的显著水平，“Prob>F”值小于0.05表示该项显著。模型的F值为18.88，P值小于0.0001，意味着模型极显著。失拟项“Prob>F”值为0.3319，其值大于0.05，说明方程与实际拟合误差小，回归性较好。相关性分析可得拟合度R2=0.9243接近于1，预测的拟合度R2pred=0.8039和修正的拟合度R2Adj=0.8754接近，信噪比Ap=14.318远大于4，这些数值表明模型符合要求，预测可信度良好。

　　当激光功率较低、焊接速度较快时，焊缝缺陷面积较大。这是因为在低功率时激光能量较低，高焊接速度又大大缩短了激光照射在玻璃料上的时间，导致输入线能量过低，使玻璃料沿宽度方向两端未完全熔融面积增加，焊缝缺陷面积占比率升高。线能量是激光功率与焊接速度的比值，定义为单位长度焊缝上的激光输入能量。

　　当激光功率较高、焊接速度较慢时，焊缝缺陷面积占比率也很高，这是因为线能量过高，玻璃料加速流动，使小气泡迅速汇集成大气泡，玻璃粉中部分物质也会随着高能量的持续输入分解气化形成大气泡，并且焊缝充分铺展开来形成宽焊缝阻碍气泡的溢出，待玻璃料凝固后形成大气孔。因此只有当激光功率较低、焊接速度较慢或激光功率较高、焊接速度较快时，可以获得有利的线能量，此时玻璃料恰好熔融，粘度降低，润湿性增强，铺展的更为平整，焊缝缺陷面积占比率明显降低。

　　3工艺参数优化

　　3.1参数优化

　　在玻璃激光焊接过程中，焊缝中气孔和未熔区域的存在会减小焊缝的有效连接面积和气密性，使焊接接头的连接强度下降，但在试验过程中，难以做到完全同时避免这两类缺陷的存在，因此本文认为焊缝缺陷面积占比率小于1%的焊缝已经是一条良好的焊缝。

　　在工艺参数取值范围内，设置以获得小于1%的焊缝缺陷面积占比率为优化准则，获得多组优化结果。由于设备精度问题，从优化结果中选择满意度高的优化参数组合取整后(预烧结峰值温度T=440℃，激光功率P=37W，焊接速度V=0.1m/min，离焦量D=14.4mm)进行3组玻璃激光焊接试验。结果显示焊缝缺陷面积占比率平均值为0.512%，实际值和预测结果较为吻合，证明模型准确，根据该模型优化出的工艺参数合理。

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　　4结论

　　采用响应面法建立了玻璃激光焊接过程中不同工艺参数与焊缝缺陷面积占比率之间的数学模型，通过试验和分析得出以下结论：

　　(1)相比于激光功率和焊接速度，预烧结峰值温度与离焦量对焊缝中气孔和未熔区域的产生影响更为显著，焊缝缺陷面积占比率随着预烧结峰值温度的升高不断升高，随着离焦量、激光功率和焊接速度的增加先升高后降低。

　　(2)当预烧结峰值温度过高时，激光功率较低或焊接速度较快都会促使焊缝缺陷面积占比率升高。激光功率-焊接速度以及激光功率-离焦量的交互作用对焊缝缺陷面积占比率影响极为显著，这三个参数控制着焊缝的能量输入，焊缝单位时间内单位面积上的合适的能量输入有利于玻璃料充分熔融并降低气孔的产生。

　　(3)对工艺参数进行优化并进行试验验证，结果表明优化工艺参数下焊缝表面形貌良好，焊缝缺陷面积占比率接近预测结果，样件焊缝剪切强度为17.765Mpa，高于标准值，焊缝断裂在母材上，证明焊缝连接强度足够，说明在该模型下优化出的工艺参数合理。

　　参考文献

　　[1]HUANGMH,ZHANGQM,LVQT,etal.UV-LaserWeldingProcessofCopper-PlatedGlass[J].ChineseJournalofLasers,2020,47(10):1002007.黄明贺,张庆茂,吕启涛,张洁娟，郭亮.紫外激光焊接镀铜玻璃工艺的研究[J].中国激光,2020,47(10):1002007.

　　[2]PANGJW,WANGCh,CAIYK.Researchprogressoflaserprocessingtechnologyforglassmaterials[J].LaserTechnology,2021,45(2):(inChinese).庞继伟,王超,蔡玉奎.玻璃材料激光加工技术的研究进展[J/OL].激光技术:1-19[2021-03-18].http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1125.TN.20200930.1350.002.html.

　　[3]FERNANDOR,JOSEM,RUIC,etal.Laserassistedglassfritsealingofdye-sensitizedsolarcells[J].SolarEnergyMaterialsandSolarCells,2012,96:43–49.

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　　作者：陈根余1，2*，程少祥1，2，钟沛新1，2