MgAl?O?陶瓷的超短脉冲激光焊接

《Optics & Laser Technology》：Ultrashort pulse laser welding of MgAl 2O 4 ceramics

MgAl?O?透明陶瓷通过超快脉冲激光直接焊接实现无中间层和预热的可靠连接，优化参数为550mW激光功率和0.1mm/s扫描速度，最大剪切强度达28MPa，焊接区部分晶体转化为非晶相且无新相生成。

　　透明陶瓷因其优异的光学性能、高强度和耐高温等特性，在光学窗口、棱镜等众多领域得到了广泛应用。然而，由于其硬度高且脆性大，传统的制造和加工方式在大规模生产和复杂结构成型方面面临一定挑战。这些挑战不仅限制了透明陶瓷的尺寸和形状，也影响了其在实际应用中的可靠性。为此，研究者们不断探索新的加工和连接技术，以提高透明陶瓷的可加工性和连接质量。其中，超短脉冲激光焊接技术因其独特的优势，成为解决这一难题的重要手段。

超短脉冲激光是一种脉冲宽度小于皮秒（10?12秒）的激光，其高峰值功率密度能够诱导透明材料发生一系列非线性效应和局部相变。这种特性使得超短脉冲激光在切割、表面处理和焊接等应用中展现出强大的潜力。相比传统焊接方法，如钎焊和闪光焊接，超短脉冲激光焊接无需使用中间层，也不需要预热，能够显著降低热输入，从而避免因热应力引起的材料开裂或变形。此外，其三维空间选择性为复杂结构的制造提供了理论可能性，同时具备高效、环保等优点，有助于提升生产效率。

在本研究中，研究人员首次尝试使用超短脉冲激光对MgAl?O?透明陶瓷进行直接焊接，且未采用中间层和预热步骤。实验所用的MgAl?O?陶瓷材料具有良好的光学性能，能够实现从紫外到近红外波段的高透光率，同时也具备较高的机械强度和抗冲击性能。为了确保焊接质量，实验前对陶瓷材料进行了酒精超声清洗，并使用夹具将其固定在一起。焊接过程中，激光扫描路径采用同心圆形式，直径为1毫米，间距为0.025毫米。通过优化激光参数，如功率和扫描速度，研究人员成功实现了陶瓷材料的可靠连接。

在实验过程中，研究人员对焊接后的接头进行了系统的微观结构表征，包括扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、电子背散射衍射（EBSD）和X射线衍射（XRD）分析。结果表明，在焊接区域，部分MgAl?O?晶体发生了非晶化转变，而接头处未出现明显的元素挥发现象，说明焊接过程中材料的化学成分保持稳定。通过EBSD分析，研究人员观察到焊接区域的晶粒并未出现明显的粗化现象，表明激光处理对晶粒结构的影响较小。同时，XRD分析进一步确认了接头中未形成新的相，说明焊接过程主要依靠局部熔融和非晶化实现材料的结合。

在焊接区域的显微图像中，研究人员发现了一些微孔结构，这些微孔可能是由于陶瓷在激光作用下发生熔融和重新结晶过程中形成的。此外，焊接区域的对比度与基材有所不同，这可能是由于局部相变和非晶化引起的。在激光功率和扫描速度的影响下，焊接线的宽度和接头的强度呈现出变化趋势。当激光功率较低时，由于能量输入不足，接头强度较低；而随着激光功率的增加，焊接区域的结合面积增大，接头强度随之上升。然而，当激光功率超过一定阈值后，由于热积累导致的热应力增加，接头反而会出现裂纹，从而降低强度。因此，需要在激光功率和扫描速度之间找到一个最佳平衡点。

实验结果显示，当激光功率为550毫瓦、扫描速度为0.1毫米/秒时，接头的剪切强度达到最大值，约为28兆帕。此时，焊接区域的微结构表现出较好的结合性，且未出现明显的缺陷。通过SEM和TEM分析，研究人员发现焊接区域的非晶化区域具有一定的长度，约为50微米，这可能是由于激光的高能量密度导致的局部熔融和快速冷却形成的。此外，焊接区域的微孔结构也表明，激光处理在一定程度上改变了陶瓷的微观结构，但并未引起材料成分的显著变化。

在扫描速度方面，研究人员发现当扫描速度较慢时，焊接区域的热积累较为严重，容易导致陶瓷材料的开裂和烧蚀，从而降低接头强度。而随着扫描速度的提高，焊接线的宽度逐渐减小，表明激光作用范围变窄。然而，过快的扫描速度会导致激光能量输入不足，影响焊接区域的充分熔融和结合，从而降低接头的强度。因此，合适的扫描速度对于实现高质量的焊接至关重要。在实验中，当扫描速度为0.1毫米/秒时，接头的剪切强度最高，说明此时的热输入和能量分布达到了最佳状态。

焊接后的接头在剪切测试中表现出良好的机械性能，其断裂形态显示接头区域的陶瓷材料发生了明显的脆性断裂。这表明，尽管焊接过程中材料发生了局部非晶化，但整体结构仍然保持了较高的结合强度。通过分析不同激光参数下的断裂形态，研究人员发现，当激光参数设置不当，如功率过高或扫描速度过慢时，接头容易出现裂纹，从而影响其可靠性。因此，优化激光参数是实现高质量透明陶瓷连接的关键。

本研究不仅验证了超短脉冲激光在透明陶瓷连接中的可行性，还为相关领域的研究提供了新的思路和参考。通过实验，研究人员发现超短脉冲激光焊接能够有效避免传统焊接方法中因热应力和中间层引起的缺陷，同时具备高效率和操作简便的优点。这为透明陶瓷在光学、电子、航空航天等领域的广泛应用奠定了基础。此外，研究还表明，超短脉冲激光焊接技术在连接硬脆材料方面具有独特优势，能够实现高质量、高可靠性的接头。

在实验过程中，研究人员对焊接区域的微结构进行了深入分析，揭示了激光功率和扫描速度对焊接质量的影响机制。通过调整激光参数，他们成功实现了陶瓷材料的可靠连接，并获得了较高的剪切强度。这些结果不仅为透明陶瓷的连接技术提供了新的解决方案，也为未来在更大规模和更复杂结构中的应用提供了理论依据和技术支持。

总的来说，这项研究为透明陶瓷的连接工艺开辟了新的方向。通过超短脉冲激光技术，研究人员能够在不引入中间层和预热的情况下，实现MgAl?O?透明陶瓷的高质量连接。这不仅提高了透明陶瓷的加工灵活性，也为其在更广泛的应用场景中提供了可能。随着技术的不断进步，超短脉冲激光焊接有望成为透明陶瓷连接的主流方法，推动其在光学、电子和精密制造等领域的进一步发展。