在航空航天、汽车制造等领域,如玻璃、陶瓷、光学晶体等硬脆材料由于其优良的机械、物理和化学性能而得到广泛应用。现有的硬脆材料连接方法普遍存在焊接效率低、焊接强度差、需添加额外材料、加工条件苛刻等不足,制约了硬脆材料的连接,亟需新的高效精密连接加工手段。本文围绕超短脉冲激光焊接硬脆材料,采用理论分析、实验研究、仿真模拟的方法对其机理、工艺进行探究。主要研究内容如下:(1)总结了超短脉冲激光与材料相互作用过程中非线性吸收、能量传输的整个过程。指出皮秒激光非线性吸收更强,更适合用于玻璃材料的焊接。之后阐述了超短脉冲激光焊接玻璃材料时典型的焊缝结构、缺陷的产生以及等离子体的运动过程。指出超短脉冲激光与材料相互作用过程中,会产生不可逆膨胀填补材料的空隙,实现材料的连接。(2)本文提出了使用振镜扫描螺旋线的方式进行焊接。其特点在于利用振镜多次高速扫描加工图形,可以实现材料的快速加工,同时使用100 mm焦距的平场扫描聚焦镜,获得比较深的焦深,降低了对材料间隙大小的要求。以单因素实验探究了单脉冲能量、光斑搭接率、重复频率、加工次数、离焦量以及图形线间距对焊接质量和焊缝形貌的影响。正交实验得到了较好的焊接参数,分析各种因素对焊接强度影响的显著性。并对不同间隙大小下焊缝的形貌和微观组织进行了研究。以上实验结果为超短脉冲激光焊接玻璃提供了新的方法,对显示设备、光电子器件的封装具有重要参考价值和广泛的应用前景。(3)基于Keldysh光致电离方程和热电离方程建立了超短脉冲激光与高硼硅酸盐玻璃相互作用的数学模型,研究超短脉冲激光作用下,等离子体密度和温度的演化过程,分析等离子体周期性向上运动的规律。仿真模拟结果符合超短脉冲激光与玻璃材料作用时等离子体的运动过程,验证了模型的可靠性。同时基于有限元软件COMSOL,模拟分析了高速扫描过程中材料温度的变化,研究了不同激光参数对材料温度的影响规律。