Команда инженеров из Калифорнийского университета в Сан-Диего (UCSD) разработала технологию сварки керамики, в которой используется ультрабыстрый лазер с пикосекундными импульсами. Технология работает при температуре окружающей среды и требует мощность излучения менее 50Вт, что делает ее практичнее, чем традиционные методы сварки керамики, которые требуют нагрева деталей в печи.

– Сварка керамики всегда была принципиально сложной, потому что она нуждалась в чрезвычайно высоких температурах, чтобы её расплавить, и имела экстремальные градиенты температуры, которые вызывали трещины, – объяснил Javier E. Garay, профессор машиностроения и материаловедения, техники в UCSD, который возглавлял проведение этой работы, в сотрудничестве с Университетом Калифорнии Riverside с профессором Guillermo Aguilar.

Керамические материалы представляют большой интерес, поскольку они являются биосовместимыми, чрезвычайно твердыми и устойчивыми к разрушению, что делает их идеальными для биомедицинских имплантатов и защитных корпусов для электроники. Тем не менее, современные керамические процедуры сварки не способствуют изготовлению таких устройств. – Сейчас нет способов, чтобы положить или напечатать электронные компоненты внутри керамики, потому что вам позднее придется поставить всю сборку в печь, которая в конечном итоге сожгёт электронику, – говорит Garay.

Оба профессора (Garay и Aguilar) и их коллеги решили направить серию коротких лазерных импульсов вдоль стыка, между двумя керамическими частями, чтобы тепло накапливалось только в соединении и вызывало локальное плавление. Разработанный метод назвали сверхбыстрой лазерной сваркой.

Лазерная установка для тестирования и измерения прозрачности керамических материалов. Фото: David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Чтобы заставить метод работать, исследователям пришлось оптимизировать параметры лазера (время экспозиции, количество и длительность лазерных импульсов), прозрачность керамического материала. При правильном сочетании, лазерная энергия хорошо поглощается керамикой. Сварка керамики осуществляется при низкой лучевой мощности (<50Вт), при комнатной температуре.

Оптическая передача через прозрачную керамику (слева) против традиционной непрозрачной керамики (справа).Фото: David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering.

– Фокальное пятно нагрева обеспечивалось ультрабыстрыми импульсами в 2ps при высокой скорости повторения в 1МГц, наряду с умеренным общим количеством импульсов. Это оптимизировало диаметр расплава, минимизировало абляцию материала и обеспечивало необходимый уровень охлаждения для процесса сварки, — отметил Aguilar. 

– Сосредоточив и сконцентрировав энергию там, где мы хотим, мы избегаем температурных градиентов по всей керамике, поэтому мы можем обрабатывать чувствительные к температурному нагреву материалы, не повреждая их, — сказал Garay.

В качестве доказательства концепции исследователи приварили прозрачную цилиндрическую крышку к внутренней стороне керамической трубки. Испытания показали, что сварные швы способны держать вакуум.

Лазерная керамическая сборка, состоящая из прозрачной цилиндрической крышки, приваренной лазером к керамической трубке. Фото: Garay lab.

«Вакуумные тесты, которые мы использовали для наших сварных швов – те же, которые обычно используются в промышленности для проверки уплотнений на электронных и оптоэлектронных устройствах»,- сказал Elias Penilla, который работал над проектом в UCSD. Этот процесс до сих пор использовался только для сварки небольших керамических деталей размером 2см. Планы на будущее включают оптимизацию метода для больших масштабов, а также для различных типов материалов и геометрии.

Подробности работы опубликованы в журнале Science.

Источник: Laser welding technology for ceramics is furnace-free / Industrial Laser Solutions, 2019, SEPTEMBER/OCTOBER.- P.4-5 // www.industrial-lasers.com.