采用纳秒激光直接连接蓝宝石和因瓦合金

《Materials & Design》：Direct joining of sapphire and Invar alloy by nanosecond laser

首次采用纳秒激光直接焊接单晶蓝宝石与Invar合金，分析表明焊接界面形成锥形熔池，以蓝宝石为主并混有少量Invar颗粒，主要结合机制为机械互锁与嵌入。优化参数（能量密度149.2 J/cm2）下剪切强度达123.2 MPa，且密封样品经336小时水测试无泄漏。研究发现热膨胀系数差异导致传统焊接困难，纳秒激光小热影响区及高精度扫描有效控制界面形貌，机械互锁结构显著提升强度。

　　在现代材料科学领域，透明脆性材料与金属之间的高效连接技术一直是一个重要的研究方向。这些材料因其独特的光学性能、耐腐蚀性和高温稳定性，在航空航天、医疗设备和消费电子产品等多个高科技领域中得到了广泛应用。然而，由于透明脆性材料与金属之间存在显著的热膨胀系数差异，实现高质量、高可靠性的连接仍面临诸多挑战。传统的连接方式，如胶接、机械连接、钎焊和扩散焊，虽然在某些应用中表现良好，但在满足高精度、低应力和高效率的需求方面仍存在局限。因此，寻找一种新型的连接方法成为迫切需要。

近年来，随着纳米秒激光技术的快速发展，其在材料连接方面的潜力逐渐显现。纳米秒激光具有高峰值功率、较小的热影响区和较高的加工精度，同时还能保持较低的设备和维护成本。这些特性使其成为一种极具前景的微连接技术。通过使用纳米秒激光进行焊接，可以在不经历整体加热和冷却的情况下实现材料的精确连接，提高加工效率和连接质量。本研究首次尝试使用纳米秒激光实现单晶蓝宝石与Invar合金的直接连接，并对连接后的宏观与微观结构进行了详细分析，同时探讨了激光参数对连接性能的影响。

在本研究中，采用了一种商用单晶蓝宝石材料，尺寸为10 mm × 10 mm × 3 mm和7 mm × 7 mm × 3 mm，这些材料经过双面抛光处理。Invar合金（Fe-36Ni）则被切割成不同尺寸的样品，用于微观结构分析和机械性能测试。在焊接前，对Invar合金表面进行了打磨和抛光处理，以确保连接界面的平整度和清洁度。通过调整激光能量密度，研究者发现适当的能量输入能够促进蓝宝石和Invar合金之间的有效混合和连接，而过高的能量则会导致材料的过度熔化和缺陷的产生。

在激光焊接过程中，研究人员使用了一种脉冲光纤激光器，其最大平均输出功率为200 W，最大脉冲能量为1.5 mJ，脉冲宽度可在2至500 ns之间调节，重复频率范围为1至4000 kHz，波长为1064 nm，光斑直径为50 μm。通过在连接区域形成交叉网格状的扫描路径，研究人员能够精确控制激光的能量分布。激光能量密度是影响连接质量的关键参数，它由扫描速度、平均功率和扫描次数共同决定。实验结果显示，当激光能量密度达到54.6 J/cm2时，Invar合金表面出现轻微熔化，但未发生材料去除。随着能量密度的增加，熔化区域的宽度逐渐扩大，同时材料混合程度也提高。然而，当能量密度超过196.4 J/cm2时，熔池顶部开始出现孔洞和裂纹等缺陷，这主要是由于热积累效应导致的。

通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱仪（EDS）的分析，研究人员发现连接区域的微观结构主要由蓝宝石和Invar合金的混合组成。在激光作用下，Invar合金被溅射到蓝宝石表面，形成混合相。然而，连接区域未检测到新的相变，表明蓝宝石和Invar合金之间的连接主要依赖于机械嵌合和混合机制。这一结论与实验中观察到的连接结构和断裂形态一致。此外，通过透射电子显微镜（TEM）进一步验证了这一机制，显示连接区域存在显著的机械嵌合效应。

在机械性能方面，实验结果表明，优化后的纳米秒激光焊接参数能够显著提高连接的剪切强度。在特定条件下，剪切强度达到了123.2 MPa，这一数值远高于传统连接方法所能达到的水平。此外，焊接后的样品在336小时的水密性测试中未出现任何泄漏，显示出良好的密封性能。这些结果表明，纳米秒激光焊接不仅能够实现高精度的连接，还能满足高强度和高可靠性的需求。

在断裂模式分析方面，研究者发现连接的断裂行为取决于激光能量密度。在较低能量密度（54.6 J/cm2）下，断裂模式主要表现为线性断裂，这表明连接强度不足。在较高能量密度（196.4 J/cm2）下，断裂主要发生在蓝宝石材料的薄弱区域，显示出脆性断裂的特征。而在适中的能量密度（149.2 J/cm2）下，连接区域呈现出“S型+摩擦”断裂模式，这种断裂模式与材料的充分混合和机械嵌合密切相关，能够有效提高连接的强度。

本研究的成果不仅为透明脆性材料与金属之间的连接提供了新的思路，也为未来在精密制造和高性能连接领域的应用奠定了基础。通过优化激光参数，研究人员成功实现了高质量的连接，展示了纳米秒激光技术在连接不同材料方面的巨大潜力。此外，研究还揭示了连接过程中材料混合和嵌合的微观机制，为进一步的材料连接研究提供了理论支持。未来，随着技术的不断进步，纳米秒激光焊接有望在更多领域得到应用，为材料科学的发展做出贡献。