上海工程技術大學 OLT，激光功率對超快激光直連藍寶石微焊接的界麵微觀結構、等離子體行為和接頭性能的影響

上海工程技術大學材料科學與(yu) 工程學院在“Optics & Laser Technology”期刊上發表題為(wei) “The effects of laser power on the interfacial microstructure, plasma behaviors and joint properties of sapphire micro-welds by ultrafast laser direct joining”—“激光功率對超快激光直連藍寶石微焊接的界麵微觀結構、等離子體(ti) 行為(wei) 和接頭性能的影響”的文章。這篇文章通過超快激光微焊接，實現了無需任何填充材料的藍寶石直接連接。通過對界麵激光能量沉積的精確控製，成功製備出具有高剪切強度、優(you) 良不滲透性和良好光透性的藍寶石接頭。通過將實驗研究與(yu) 數值模擬結合，深入揭示了焊接過程中瞬態溫度場和等離子體(ti) 密度演化。模擬進一步闡明了潛在的物理機製，特別是等離子體(ti) 介導的能量沉積、各向異性熱傳(chuan) 遞以及相變驅動的界麵重構，並明確了它們(men) 對焊接形成和界麵結合的綜合影響。

研究背景：藍寶石具有優(you) 異的光學、機械和化學穩定性，廣泛應用於(yu) 消費電子、半導體(ti) 、航空航天等領域。然而，單晶生長尺寸受限，限製了其在大尺寸構件中的應用。傳(chuan) 統的藍寶石連接方法（如擴散焊接、超聲釺焊、釺焊）通常需要引入中間層或填充材料，存在接頭耐溫性差，接頭強度和可靠性不足等問題。超快激光具有極高峰值功率和超短脈衝(chong) 寬度，能實現透明材料的直接連接，避免熱裂紋、界麵空隙等缺陷。已有研究應用於(yu) 玻璃、玻璃-金屬、陶瓷-金屬體(ti) 係，但對單晶藍寶石的直接焊接仍缺乏係統理解，尤其是非平衡相變機製，等離子體(ti) 行為(wei) 與(yu) 能量耦合和晶體(ti) 取向重構對性能的影響。

創新點：

1：實現無填充材料的藍寶石直接連接
通過超快激光微焊接，在不使用任何中間層或釺料的情況下，成功製備出高剪切強度（最大 90.3 MPa）、高密封性和高透光率的藍寶石接頭。

2：係統揭示激光功率對界麵微觀結構與(yu) 性能的影響規律
明確了低功率（8.8–14.0 W）導致微孔洞和鬆散結構，中功率（19.0 W）形成致密界麵，高功率（21.5 W）引發微裂紋的性能拐點，建立了“功率-結構-性能”關(guan) 聯。

3：發現並解析藍寶石焊接中的非平衡相變與(yu) 織構重構，檢測到 α-Al₂O₃ → γ-Al₂O₃ 的相變；焊接區主導織構由 <001> 轉變為(wei) <100>；

4：結合數值模擬闡明等離子體(ti) 介導的能量耦合機製
建立了瞬態溫度場和等離子體(ti) 密度演化模型，揭示了：等離子體(ti) 密度與(yu) 激光功率呈非線性關(guan) 係

部分實驗數據：

圖1 (a) 藍寶石超快激光微焊接設備示意圖；(b) 藍寶石樣品的組裝；(c) 紅色墨水不滲透測試

圖2 (a-d) 在不同激光功率下藍寶石接頭的宏觀形貌：(a) 8.8 W；(b) 14.0 W；(c) 19.0 W；(d) 21.5 W；(a1-d1) 分別是 (a-d) 的光學顯微鏡圖像

圖3 (a-d) 不同激光功率下藍寶石微焊點界麵區域的典型顯微結構：(a) 8.8 W；(b) 14.0 W；(c) 19.0 W；(d) 21.5 W。(a1-d1) 分別是 (a-d) 中方框區域的放大圖。黃色實線箭頭表示微焊點界麵的位置。白色虛線表示微焊點焊接區的範圍

圖4. 焊縫橫截麵的EBSD分析：（a）焊縫橫截麵的相圖。（b）母材和焊縫的倒極圖（IPF）圖

圖5(a) 不同激光功率下的超快激光微焊接剪切強度。(b) 藍寶石/藍寶石超快激光微焊接接頭強度與(yu) 其他幾篇代表性報告的比較

圖6. (a-c) 斷裂藍寶石接頭的斷口學圖像。(b1) b 區域的放大圖

圖7 在不同時間浸入紅墨水後的防水測試結果

圖8. 不同激光功率對溫度分布的影響：(a-d) XZ 截麵溫度場分布。(e) 等離子區寬度與(yu) 激光功率的關(guan) 係。(f) 表麵溫度分布。(g) 吸收率與(yu) 激光功率的關(guan) 係

主要結論：(1) 在激光功率為(wei) 8.8–19.0 W 時可以獲得良好的接頭，而功率過高（21.5 W）會(hui) 引起微裂紋。在焊接區內(nei) 發生了非平衡的 α→γ 相變。

(2) 剪切強度隨著激光功率的增加先升高後降低，在 19.0 W 時達到最大值 90.3 MPa，顯著高於(yu) 傳(chuan) 統釺焊接頭。

(3) 在最佳加工條件下（8.8–19.0 W），接頭表現出優(you) 異的密封性和高光學透過率，而高功率容易因為(wei) 裂紋形成而導致密封性能下降。

(4) 藍寶石超快微焊接接頭的界麵形貌與(yu) 等離子體(ti) 的密度和寬度密切相關(guan) 。適當的等離子體(ti) 能得到無缺陷、微結構致密的接頭；否則容易產(chan) 生微空洞和微裂紋，從(cong) 而削弱接頭性能。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2026.115651

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