摘要：蓝宝石是一种以单晶α -氧化铝形式存在的透明陶瓷，它有优异的化学、热学、光学、力学和介电性能，广泛应用于光学窗口、高精密仪器、摄像头镜头盖等结构中。光机械元件通常需要蓝宝石与结构体或其他功能部件连接，通常是蓝宝石与金属进行连接。但由于蓝宝石有极高的化学稳定性，

转自 高能束加工技术 高能束加工技术及应用

来自北京工业大学的研究人员在Ceramics International国际期刊上发表文章Micro-welding of sapphire and metal by femtosecond laser。

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论文导读

蓝宝石是一种以单晶α -氧化铝形式存在的透明陶瓷，它有优异的化学、热学、光学、力学和介电性能，广泛应用于光学窗口、高精密仪器、摄像头镜头盖等结构中。光机械元件通常需要蓝宝石与结构体或其他功能部件连接，通常是蓝宝石与金属进行连接。但由于蓝宝石有极高的化学稳定性，且与金属之间的热膨胀系数差异较大，很难与金属直接焊接，目前主流的焊接方式是使用钎料为AgCu28-Ti进行钎焊，整个钎焊过程需要整体加热，并选择合适的保温时间，比较复杂。因此有研究者提出使用飞秒激光进行焊接，飞秒激光具有极高的峰值功率和极小的热效应，广泛应用于透明材料的焊接中。

Laser & Electron Beam Processing

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论文概述

本文首次采用飞秒激光微焊接技术成功实现了蓝宝石与Fe - 36Ni合金的直接连接。获得了无空洞和微裂纹的良好接头，界面宽度小于1μm。交界面没有明显冶金反应。通过扫描电子显微镜发现蓝宝石和Fe-36Ni合金化学键合和机械互锁。剪切强度高达108.35MPa。飞秒激光微焊接技术有望实现大物性差异材料的直接连接，有利于实现光机械零件的高精度、高效率和高性能制造。

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图文解析

图1(a)-(d)显示了飞秒激光焊接所得蓝宝石/ Fe - 36Ni接头的典型显微组织。蓝宝石和Fe - 36Ni衬底在飞秒激光的作用下很好地连接在一起，并且在界面处没有空洞或微裂纹的形成。接头区域由1μm宽的Fe-36Ni纳米级颗粒和蓝宝石基体组成，如图1(b)所示。(e)中的EDS结果显示，交界面处没有明显的元素扩散或反应，表明界面材料形成化学键合，减少由于元素扩散和新相形成引起的晶格失配造成的残余应力。

图1. (a)-(d)飞秒激光焊接蓝宝石/ Fe-36Ni接头的典型显微组织。(e) EDS线扫描结果沿着图中标记的白线穿过界面。

图2显示了给出了不同激光扫描速度下蓝宝石/ Fe - 36Ni焊接接头的剪切强度，和以时间轴排序的不同研究者对蓝宝石和金属焊接的研究。可以看出，在焊接速度为100mm/s的情况下，接头强度最高，达到108.35MPa。根据(b)图，超短激光焊接蓝宝石/金属接头在所有研究者的研究结果中具有最高的剪切强度，证明了接头的优异机械性能，相比于钎焊蓝宝石/ Fe - Ni合金接头提高了50 % -88 %。这是因为飞秒激光辐照的高度局域性和极小的热效应，可以极大地降低接头中的热残余应力，实现热膨胀系数差异较大的两种基板的直接连接。

图2. (a)不同扫描速度下得到的蓝宝石/ Fe - 36Ni接头的剪切强度。(b)将制备的蓝宝石/ Fe - 36Ni接头与其他研究者进行的焊接接头强度的比较。

图3显示了扫描速度为50 mm/s的蓝宝石/ Fe - 36Ni合金焊接接头，和剪切强度测试后Fe - 36Ni合金侧和蓝宝石侧的典型微尺度断口形貌。从图3 (b)可以看出，断裂主要发生在蓝宝石/ Fe - 36Ni合金接头的界面处，只有一条小路径贯穿蓝宝石衬底。界面断裂区的形貌如图3(a)、(d)和(e)所示。从图3(a)中可以观察到界面区呈现暗色区域II和白色区域I。蓝宝石和Fe - 36Ni合金在界面断裂面的共存是由于接头区域的形态锯齿状特征，这可能在剪切强度测试过程中提供了机械互锁效应，从而有助于提高接头强度。

图3. Fe - 36Ni合金侧剪切强度测试后Fe - 36Ni /蓝宝石接头(采用激光扫描速度为50 mm / s进行焊接)的典型断口形貌。(a)断口微观形貌发生在界面处。(b) Fe - 36Ni合金侧断口的宏观形貌。(c)断裂面位于靠近界面的蓝宝石衬底处的微观组织。(d) (a)中标记区域II的放大图像。(e) (a)中标记区域I的放大图像。(f) (c)中标记区域的放大图像。

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总结

本文结论如下：

利用飞秒激光微焊接技术成功实现了蓝宝石/ Fe - 36Ni合金接头的直接连接。蓝宝石/ Fe - 36Ni接头界面结合良好，无空洞和微裂纹，接头区域由宽度小于1 μ m的Fe - 36Ni颗粒和蓝宝石的混合相区组成。蓝宝石/ Fe - 36Ni接头的剪切强度可达108.35 MPa，比文献报道的扩散连接或钎焊蓝宝石/金属接头的剪切强度提高了50 % -88 %。键合机理可归因于蓝宝石/ Fe - 36Ni之间的化学键合以及由于飞秒激光烧蚀的极小的热效应导致的界面处形态锯齿状特征的机械互锁。证明飞秒激光的微焊接是一种方便、灵活、可行的方法，可以实现蓝宝石和金属的高精度、高强度和高效率的直接连接。

来源：焊接之家WELDHOME