**飞秒激光焊接熔融石英/6061铝合金异种材料的工艺参数优化与裂纹形成机制研究**

《Nanomaterials》：Process Parameter Optimization and Crack Formation Mechanism of Femtosecond Laser Welding of Fused Silica/6061 Aluminum Alloy

　　

熔融石英与铝合金的异种连接在航空航天光电封装、真空光学窗口和微机电系统等领域存在迫切需求，然而两种材料之间热膨胀系数和热物理性能的显著失配长期以来一直是可靠连接的技术瓶颈。当前此类异种体系的超快激光焊接仍面临突出问题，包括严格的光学接触要求、熔融石英侧的高裂纹敏感性，以及夹持条件与接头缺陷之间耦合机制尚不清晰。本研究系统探讨了飞秒激光焊接熔融石英与6061铝合金异种材料的连接工艺，重点考察了扫描速度、脉冲能量、扫描间距和夹具预紧力对接头剪切强度、微观结构和元素扩散行为的影响。结果证实，扫描速度与扫描间距对热输入密度具有协同效应；夹具预紧力的大小是决定界面残余应力和裂纹敏感性的关键因素。通过优化扫描速度（6 mm/s），并结合低预紧力和140 μm扫描间距，可获得元素过渡均匀且无宏观裂纹的高强度异种接头。本研究为脆性/延性异种材料的高质量激光焊接提供了详尽的工艺优化方法。

**飞秒激光焊接熔融石英/6061铝合金异种材料工艺参数优化与裂纹形成机制——论文解读**

**一、研究背景与问题提出**

随着微电子封装、光电器件和航空航天领域的快速发展，异种材料高效连接的需求日益迫切，其中熔融石英与铝合金的连接尤为突出。熔融石英因其优异的光学性能、高耐腐蚀性、良好的耐磨性和抗热震性，广泛应用于半导体、光学窗口和真空器件等领域。铝合金则因其优良的导电导热性、耐大气腐蚀性和良好塑性，在航空航天、交通运输和电子产品等行业得到普遍应用。在航空航天光电吊舱和卫星有效载荷中，6061铝合金框架需与熔融石英光学窗口直接配合，为精密光学系统同时提供承载和散热功能。然而，由于两种材料热物理性能的巨大差异，特别是热膨胀系数（CTE，Coefficient of Thermal Expansion）的显著失配，直接连接面临严峻挑战。传统钎焊或扩散焊中，热膨胀失配会产生严重残余应力，导致熔融石英发生脆性开裂；胶接和机械紧固虽可缓解热应力问题，但存在放气、热稳定性有限和气密性不足等缺陷。

超快激光焊接以其高度局域化的能量沉积、小热影响区、高空间精度和非接触加工等特性，为熔融石英与铝合金的连接提供了有前景的替代方案。飞秒激光辐照材料时，入射能量首先被电子吸收，经历电子加热、电子-声子耦合和热扩散或相变三个阶段，最终在材料内部引发熔化、汽化或等离子体形成。然而，该技术仍面临装配接触条件敏感性强、接头强度变异显著以及裂纹缺陷难以抑制等挑战。在理想光学接触条件下，研究人员已实现较高接头强度，但严格的光学接触要求限制了工程应用；非光学接触大间隙焊接工艺虽更符合实际装配条件，但接头最高性能上限较低，且普遍存在玻璃侧微裂纹和强度离散性大的问题。调控残余应力空间分布被认为是抑制裂纹形成、提高接头可靠性的核心途径，但夹具预紧力与残余应力之间的耦合机制尚未得到系统澄清。已有机理研究多聚焦于理想光学接触和充分夹持条件下的能量沉积与界面键合行为，对工艺参数与夹具预紧力如何共同调控界面热应力、裂纹萌生和最终接头完整性仍缺乏系统定量分析。本研究正是在此背景下，系统开展不同加工和夹持配置下飞秒激光焊接熔融石英与6061铝合金的研究。

**二、研究内容与意义**

研究人员系统开展了飞秒激光焊接熔融石英与6061铝合金异种材料的工艺研究，对比评估了扫描速度、脉冲能量、扫描间距和夹具预紧力对焊缝形貌、裂纹萌生和力学性能的影响。通过工艺参数和界面接触条件的优化，获得了无裂纹的熔融石英-铝合金接头，剪切强度达7.02 MPa。进一步分析了工艺条件、界面行为与裂纹形成之间的关联，阐明了裂纹产生的内在机制。该研究为超快激光焊接熔融石英-铝异种材料体系的裂纹抑制和工艺窗口优化提供了深入见解。

**三、关键技术方法**

实验采用双面抛光熔融石英样品（10 mm × 5 mm × 2 mm）和单面抛光6061铝合金样品（20 mm × 10 mm × 2 mm）。飞秒激光系统（HR Platform-0203，华锐激光，中国武汉）波长为1035 nm，脉冲宽度为200 fs，聚焦光斑直径为33.245 μm，配备振镜扫描系统和80 mm焦距透镜。激光束穿透上层熔融石英聚焦于界面，在3 mm × 3 mm区域内进行网格状扫描形成焊缝区。重复频率固定为400 kHz，离焦距离固定为?150 μm。研究考察的工艺参数包括扫描速度（5–10 mm/s）、脉冲能量（6.275–8.125 μJ）、扫描间距（100–160 μm）以及两个不同夹具预紧力水平（高预紧力/低预紧力）。高预紧力对应最大可实现的夹紧力，低预紧力定义为在熔融石英-铝合金界面产生可见牛顿环所需的最小预紧力。接头剪切强度采用拉伸试验机测试，加载沿垂直方向直至接头失效。采用扫描电子显微镜（SEM，Scanning Electron Microscopy）和能量色散光谱（EDS，Energy Dispersive Spectroscopy）对接头断口和界面元素过渡区进行微观表征。

**四、研究结果**

**4.1 激光参数对焊接接头质量的影响**

**（1）扫描速度**：扫描速度直接决定单位面积激光能量输入，是影响接头成形和力学性能的关键参数。在重复频率400 kHz、脉冲能量6.275 μJ、离焦距离?150 μm、扫描间距100 μm和高预紧力条件下，扫描速度范围为5–10 mm/s。当速度为5 mm/s时，激光能量输入过高，导致焊缝区显著材料烧蚀并在熔融石英侧形成裂纹。当扫描速度增至6 mm/s时，焊缝呈现规则几何形状，无明显烧蚀或宏观裂纹，接头剪切强度达到峰值。扫描速度进一步增加至8 mm/s以上后，剪切强度总体呈下降趋势。扫描速度为10 mm/s时，能量输入严重不足，焊缝失效，剪切强度接近零。

**（2）脉冲能量**：在重复频率400 kHz、扫描速度6 mm/s、离焦距离?150 μm、扫描间距140 μm和低预紧力条件下，脉冲能量从6.275 μJ增至8.125 μJ。低预紧力条件下焊缝周围未观察到明显宏观裂纹；剪切强度从7.02 MPa持续降至3.19 MPa。熔融石英产生的自聚焦效应导致脉冲能量过高时焦点位置上移，减少了铝合金侧的熔化，有效键合面积减小，连接强度随之降低。

**（3）扫描间距**：扫描间距对剪切强度的影响呈现典型的非线性波动特征。在重复频率400 kHz、扫描速度6 mm/s、脉冲能量6.275 μJ、离焦距离?150 μm和高预紧力条件下，扫描间距从100 μm变化至160 μm时，剪切强度呈现V形变化趋势。扫描间距为100 μm和160 μm时，剪切强度分别达17.19 MPa和17.75 MPa，但焊缝周围均观察到显著宏观裂纹。扫描间距为120 μm时剪切强度异常降至3.5 MPa，伴随大面积焊缝失效，原因是铝合金侧表面平整度的微小波动导致焊接过程中两材料贴合不良。该结果表明铝合金材料表面状态可影响焊接结果。

**4.2 界面微观形貌与元素扩散行为分析**

为进一步探究不同扫描间距下剪切强度V形趋势的原因以及不同夹具预紧力对裂纹形成的影响，研究人员对扫描间距100 μm至160 μm的样品界面进行观察，并分别在低预紧力条件下制备扫描间距140 μm和160 μm的焊接样品与高预紧力条件下的样品进行对比。

在高预紧力约束下，仅通过优化扫描间距无法完全避免界面裂纹。扫描间距100 μm时，界面存在明显连续穿透性裂纹，裂纹源于熔融石英侧并沿异种键合界面扩展。扫描间距120 μm时界面仍存在连续宏观裂纹，裂纹扩展规模与100 μm条件相比无明显衰减，该间距下热输入密度仍处于较高水平，热应力积累未得到有效缓解。扫描间距140 μm时界面仍可观察到明显裂纹，激光扫描轨迹清晰可辨，裂纹沿扫描路径呈断续分布。EDS分析表明氧元素发生了更广泛的扩散，元素扩散区宽度达2.9 μm。扫描间距160 μm时界面裂纹依然存在，元素扩散区宽度降至2.4 μm。总体而言，随着扫描间距增大热输入密度虽有所降低，但难以阻止裂纹形成，样品焊接过程中产生的内应力主要由两材料之间的表面键合状态主导。

夹具预紧力直接通过改变界面物理贴合度来调控元素相互扩散的充分性。高预紧力条件下，大的夹具预紧力使熔融石英-铝合金界面实现紧密物理接触，有效消除装配微间隙，为飞秒激光辐照下高温原子跨界面迁移提供充足的扩散通道和接触面积，Si和Al元素浓度曲线在界面处形成较宽的交叉过渡区，浓度梯度相对平缓。低预紧力条件下，界面存在局部微装配间隙，两相材料无法实现完全紧密接触，原子跨界面扩散的有效接触面积减小，扩散路径受阻，Si和Al元素浓度过渡更陡峭，元素过渡区宽度显著窄于高预紧力样品。

值得注意的是，扩散层厚度与界面裂纹敏感性呈反向关系：高预紧力虽获得更厚的元素扩散层和更高的冶金键合程度，但刚性约束引发的高热残余应力超过熔融石英侧脆性断裂阈值，最终诱发宏观裂纹，反而降低了接头实际承载可靠性；低预紧力下扩散层厚度减小，但残余应力得到有效释放，界面无裂纹缺陷，接头整体完整性和服役稳定性更优。

**4.3 夹具预紧力对裂纹形成的优化作用**

**（1）样品强度对比与截面分析**：在扫描间距140 μm条件下，高预紧力时样品剪切强度较高，达11.65 MPa，但伴随明显宏观裂纹；低预紧力条件下可避免裂纹形成，但剪切强度略降至7.02 MPa。这表明通过调整夹具预紧力控制界面键合程度，同时影响剪切强度和裂纹发生。

**（2）断口形貌与失效模式**：高预紧力断口呈现沿预制裂纹扩展的典型脆性断裂特征，断口平坦光滑，失效形式主要为界面脱粘和熔融石英侧脆性剥落。其载荷-位移曲线可分为三个阶段：线弹性变形阶段（位移0–0.10 mm），载荷由界面冶金键合区完全承担；稳态裂纹扩展阶段（位移0.10–0.25 mm），曲线斜率逐渐减小偏离线性关系，预制宏观裂纹沿结合面稳态扩展，同时铝合金侧发生少量塑性变形；失稳断裂阶段（位移0.25–0.35 mm），载荷达峰值后快速下降，无明显的塑性延伸平台，表现为典型的裂纹控制脆性失效模式。低预紧力断口存在更多塑性变形痕迹和材料撕裂特征，表明界面键合强度更高，失效过程中吸收更多断裂能，接头整体韧性优于高预紧力条件。

**（3）预紧力对剪切强度的双向调控效应**：高预紧力下接头整体剪切强度高于低预紧力，核心原因在于高预紧力可消除样品装配间隙，增大界面有效接触面积，提高物理贴合和冶金键合比例，但伴随的界面裂纹将成为天然断裂源，大幅降低接头服役可靠性和抗冲击能力。低预紧力下剪切强度虽有所下降，但界面无裂纹缺陷，接头失效模式从沿裂纹脆性断裂转变为界面键合失效，力学性能一致性和长期稳定性更具优势。

**（4）裂纹形成机制**：飞秒激光聚焦于异种材料界面后，遵循经典非线性吸收和热扩散机制发生局域熔化和界面Al–Si–O键合。由于熔融石英与铝合金之间显著的CTE失配，加热-冷却循环过程中诱发严重的热失配变形。夹具预紧力的大小本质上决定了界面约束刚度和应力释放路径。高预紧力下界面受到刚性约束，铝合金无法通过塑性变形释放热应力，残余应力几乎全部由脆性熔融石英承担，当峰值热应力超过熔融石英断裂强度时，裂纹从熔融石英侧萌生并沿界面扩展，最终形成宏观穿透性裂纹。适当降低预紧力后约束刚度减小，铝合金可在冷却过程中通过塑性屈服耗散残余热应力，使熔融石英侧峰值应力降至断裂阈值以下，从而有效抑制裂纹萌生。

**五、总结与结论**

本研究系统阐明了飞秒激光焊接熔融石英/6061铝合金接头微观结构、力学性能和裂纹形成的调控机制，聚焦于工艺参数和夹具预紧力的影响。扫描速度和扫描间距共同决定界面热输入密度：扫描速度过低会引发材料烧蚀和热裂纹，过高则导致界面冶金键合不充分；脉冲能量增大加剧熔融石英基底内的自聚焦效应，从而降低界面键合强度；剪切强度对扫描间距呈现V形变化依赖性。夹具预紧力对接头性能具有双向调控效应：高预紧力消除界面间隙、促进元素相互扩散并提高接头强度，但刚性约束放大热失配引起的残余应力，可能在熔融石英侧诱发宏观脆性裂纹；适当降低预紧力可使残余应力通过铝合金塑性屈服释放，有效抑制裂纹扩展，剪切强度仅略有下降。采用低夹具预紧力、6 mm/s扫描速度和140 μm扫描间距的优化焊接工艺，可获得无宏观裂纹、元素分布均匀、剪切强度为7.02 MPa的焊接接头，具有优异的结构完整性和服役稳定性。