圖1. ZnS與Ti-6Al-4V皮秒激光焊接示意圖 (a);試片疊放方式示意圖 (b);單脈沖加工區(qū)域的截面形貌與主要元素分布 (c) 以及截面不同測量位置處的拉曼光譜 (d, e);Ti-6Al-4V側(cè)的斷口形貌與主要元素分布 (d)以及ZnS側(cè)的斷口形貌 (g, h)

近日，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所高端光電裝備部楊上陸研究員團(tuán)隊在異質(zhì)材料超快激光連接領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。團(tuán)隊首次實現(xiàn)了無需中間層的ZnS晶體與Ti-6Al-4V鈦合金的高強(qiáng)度直接焊接，有效解決了傳統(tǒng)連接方式中殘余應(yīng)力高、連接強(qiáng)度低、易引入污染雜質(zhì)等關(guān)鍵難題，并深入揭示了接頭成形與強(qiáng)度生成機(jī)制。相關(guān)研究成果以“Ultrafast Laser Direct Welding of Dissimilar Materials: ZnS Crystals and Titanium Alloys”為題，發(fā)表于Optics Express。

ZnS(硫化鋅)晶體作為紅外光學(xué)窗口、探測器外殼等關(guān)鍵部件材料，具備寬波段透過性和優(yōu)良的力學(xué)性能。它與金屬之間實現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的集成，對推動高端紅外成像、復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)、先進(jìn)傳感設(shè)備的工程化發(fā)展具有重要意義。然而，由于兩種材料在熱膨脹系數(shù)、化學(xué)性質(zhì)和力學(xué)性能上的嚴(yán)重不匹配，長期以來其連接多依賴膠接或金屬中間層釬焊，不僅強(qiáng)度有限，還易產(chǎn)生污染和殘余應(yīng)力。

針對上述挑戰(zhàn)，團(tuán)隊采用超快激光作為高精度能量輸入手段，聚焦激光脈沖在微米尺度實現(xiàn)ZnS晶體與鈦合金界面的局部熔融，最終在無中間層條件下成功構(gòu)建了平整、連續(xù)的異質(zhì)連接界面。接頭剪切強(qiáng)度達(dá)到67.7 MPa，較傳統(tǒng)釬焊工藝提升85%，而殘余應(yīng)力僅為0.286 GPa，約為傳統(tǒng)連接的13%，顯著改善了界面穩(wěn)定性。研究揭示了異質(zhì)接頭的連接主要依賴于ZnS在激光局部熔融后的界面化學(xué)鍵合過程，并且進(jìn)一步提出了一種微孔輔助強(qiáng)化機(jī)制，即熔融ZnS在快速凝固過程中自然形成的微米孔洞能夠有效阻礙裂紋的擴(kuò)展路徑，提升斷裂韌性，從而提升了接頭強(qiáng)度。

圖2. ZnS/Ti-6Al-4V接頭剪切試樣 (a);大尺寸連接試樣 (b);不同激光通量下接頭的強(qiáng)度-位移曲線 (c)以及接頭強(qiáng)度隨激光通量變化柱狀圖 (d)

此外，該技術(shù)已在大尺寸構(gòu)件上完成驗證，實現(xiàn)了從微尺度元器件到毫米級光窗的穩(wěn)定焊接，展現(xiàn)出良好的工藝兼容性與可擴(kuò)展性;為超快激光在先進(jìn)光電封裝、航天器關(guān)鍵部件以及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)中的異質(zhì)材料可靠連接奠定了理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐，展示了其在高端制造領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。

相關(guān)工作得到國家重點研發(fā)計劃的支持。

審核編輯 黃宇