100 kHz飞秒激光实现玻璃-铝膜连续扫描与点焊：机理、强度与界面融合研究

本刊推荐：本研究利用100 kHz飞秒激光（fs laser）成功实现钠钙硅玻璃与纯铝膜的高强度焊接，通过扫描电镜-能谱分析（SEM-EDS）和拉曼光谱揭示焊接区由铝等离子体凝固区、混合等离子体区及硅酸盐网络部分破坏区组成，材料性能呈现由韧性向脆性的梯度变化。研究对比连续扫描焊与点焊的搭接剪切强度，发现二者在适当参数下均能实现高强度连接，其优势归因于低重复频率与高能量密度引发的阶梯式焊接动力学机制。

　　

Highlight

实验装置、材料与方法

飞秒激光焊接系统如图1所示。采用商用光纤飞秒激光器（BFL-1030-20L），重复频率100 kHz，波长1030 nm，脉冲持续时间350 fs。激光束的1/e²直径约为3 mm。物镜数值孔径（N.A.）为0.4，工作距离20 mm，对应焦斑1/e²直径约4.39 μm。玻璃样本固定于铝膜上，并通过夹具夹持。

成功焊接参数下的焊道宽度

成功焊接需满足两个条件：一是玻璃焊接样本区域无裂纹（尽管许多参数下即使有裂纹仍能实现高强度焊接）；二是焊接样本（含40条长度8 mm的焊道）在手动拉伸后不断裂。表1展示了部分成功焊接参数（扫描速度0.6 mm/s），其中d表示…

filament焊接样本的SEM形貌

我们在三种典型参数下测量了filament焊接样本的SEM图像及元素分布图。其形貌完全一致，仅焊接区与铝膜边界清晰可见，而焊接区与玻璃区的边界无法直接通过SEM图像区分——焊接区仿佛与玻璃无缝融合（图3）。未见如其他研究中报道的气孔、微裂纹或空腔。

基础材料的拉曼光谱

图4展示了原始铝膜、抛光前后玻璃的拉曼曲线。钠钙硅玻璃存在三个典型峰位：570 cm^?1、787 cm^?1和1100 cm^?1。1100 cm^?1处的峰源于网状硅酸盐，表明存在Si–O–Si桥氧键振动，证明硅酸盐网络的存在。抛光处理对拉曼光谱无影响。

连续扫描焊与点焊的焊接参数

为获取焊接强度，我们测量了1–6条长度8 mm焊道的搭接剪切强度。激光功率提高至500 mW以便对比连续扫描焊与点焊结果。扫描速度1.2 mm/s，d=15 μm。光学显微镜测得的宽度始终比SEM测量最大值宽约3 μm。因此，当光学显微镜下宽度约22 μm时，用于计算强度的单道焊宽度取20 μm。

焊接区特性影响

焊接区形貌在相同放大倍数下与多数研究报道明显不同：无气孔、空腔或微裂纹；铝膜区域即便存在等离子体产生也无钥匙孔现象；焊接区与玻璃区无可见边界。以上因素均支持高强度连接，因为焊接区缺陷尺寸确实极小。

结论

我们的实验结果表明，100 kHz飞秒激光在激光焊接中表现优异，即便热积累并非主导因素。若焊接区由凝固的等离子体形成，则可获得高强度飞秒激光焊接。只要焊接区缺陷仅在纳米尺度，无论是扫描焊还是点焊均具备足够强度。为避免大尺寸缺陷，即使光学接触未实现，也必须达成物理接触。