2025年9月2日，中國科學院上海光學精密機械研究所官網消息顯示，該所楊上陸研究員團隊首次實現ZnS晶體(ti) 與(yu) Ti-6Al-4V鈦合金的無中間層高強度超快激光焊接，解決(jue) 傳(chuan) 統連接的高應力、低強度難題。接頭剪切強度達67.7MPa（較傳(chuan) 統釺焊+85%），殘餘(yu) 應力僅(jin) 0.286GPa（為(wei) 傳(chuan) 統13%），成果發表於(yu) 《Optics Express》，為(wei) 高端光電、航天器製造提供關(guan) 鍵技術支撐。

圖1.(a)ZnS與(yu) Ti-6AI-4V皮秒激光焊接示意圖；(b)試片疊放方式示意圖；(c)單脈衝(chong) 加工區域的截麵形貌與(yu) 主要元素分布；(d,e)截麵不同測量位置處的拉曼光譜；(d)Ti-6AI-4V側(ce) 的斷口形貌與(yu) 主要元素分布；(g,h)ZnS側(ce) 的斷口形貌。

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

一、研究背景：ZnS-鈦合金連接的行業(ye) 痛點

ZnS晶體(ti) 的核心價(jia) 值：作為(wei) 紅外光學窗口、探測器外殼的關(guan) 鍵材料，具備寬波段透過性與(yu) 優(you) 良力學性能，是高端紅外成像、複雜光學係統、先進傳(chuan) 感設備的核心組件；

異質連接的固有難題：ZnS晶體(ti) 與(yu) Ti-6Al-4V鈦合金在熱膨脹係數（ZnS約7×10⁻⁶/℃，鈦合金約9.5×10⁻⁶/℃）、化學性質、力學性能上嚴(yan) 重不匹配，導致連接難度極高；

傳(chuan) 統工藝的局限：長期依賴膠接或金屬中間層釺焊，存在三大問題——①連接強度低（傳(chuan) 統釺焊接頭剪切強度約36.6MPa）；②殘餘(yu) 應力高（易導致晶體(ti) 開裂）；③易引入汙染雜質（影響光學性能）。

二、技術突破：超快激光實現無中間層高強度焊接

1. 核心技術方案：

能量輸入方式：采用超快激光（皮秒級脈衝(chong) ）作為(wei) 高精度能量源，實現微米尺度下界麵局部熔融——避免整體(ti) 加熱導致的熱應力擴散，精準控製焊接區域；

工藝創新：無需任何中間層或輔助材料，直接構建ZnS-鈦合金異質連接界麵，界麵平整連續，無明顯缺陷（如裂紋、氣孔）。

2. 關(guan) 鍵性能指標（遠超傳(chuan) 統工藝）：

3. 強度生成機製：

界麵化學鍵合：超快激光局部熔融使ZnS與(yu) 鈦合金界麵形成穩定化學鍵（通過拉曼光譜驗證，檢測到Zn-Ti鍵特征峰），奠定連接強度基礎；

微孔輔助強化：熔融ZnS快速凝固時自然形成微米級孔洞，可有效阻礙裂紋擴展路徑，提升斷裂韌性，進一步增強接頭抗破壞能力（斷口形貌觀察證實微孔對裂紋的“阻斷效應”）。

三、技術驗證與(yu) 應用前景

1. 工藝兼容性與(yu) 可擴展性：

已完成大尺寸構件驗證：成功實現從(cong) 微尺度元器件（微米級）到毫米級光窗的穩定焊接，證明工藝可適配不同尺寸需求；

參數可調性強：通過優(you) 化激光通量（實驗驗證1.5-16 J/cm²範圍有效），可適配不同厚度、形狀的ZnS與(yu) 鈦合金部件，工藝靈活性高。

2. 核心應用領域：

高端光電封裝：用於(yu) 紅外探測器、光學傳(chuan) 感器的ZnS窗口與(yu) 金屬外殼連接，保障光學性能與(yu) 結構可靠性；

航天器關(guan) 鍵部件：適配太空極端環境（高低溫、真空），用於(yu) 航天器光學係統、傳(chuan) 感模塊的異質材料集成；

微機電係統（MEMS）：實現微尺度下光學晶體(ti) 與(yu) 金屬結構的高精度連接，推動微型光學MEMS器件發展。

四、成果發表與(yu) 研究支持

發表信息：成果以“Ultrafast Laser Direct Welding of Dissimilar Materials: ZnS Crystals and Titanium Alloys”為(wei) 題，發表於(yu) 國際光學領域權威期刊《Optics Express》；

研究團隊：中國科學院上海光學精密機械研究所高端光電裝備部，由楊上陸研究員領銜；

資金支持相關(guan) 工作得到國家重點研發計劃資助，為(wei) 技術研發與(yu) 驗證提供核心保障。