《Science》：超快激光焊接温度敏感的陶瓷材料

江苏激光联盟导读：来自加利福尼亚大学的研究人员发展了一种新的陶瓷焊接技术，他们采用一个短脉冲的，超快的激光来熔化待焊接材料之间的界面处的陶瓷而将其焊接在一起。焊接时所产生的热量仅仅在焊接的界面处积累，因此熔化是局部的。研究人员将其称之为“超快脉冲激光焊接。这一研究成果以“Ultrafastlaserweldingofceramics”为题发表在期刊《《Science》》上。

激光焊接技术是现代制造工程中的一个重要组成部分，但对于焊接陶瓷材料却依然存在发生脆性而断裂的问题。Penilla等人发展了采用超快激光来焊接陶瓷的两种办法。一种办法是调制陶瓷的性质，使得激光可以穿过陶瓷并在焊接材料的界面处实现焊接。另外一个办法就是优化待焊接工件之间连接的间隙以实现足够能量的沉积。这两种办法在发挥杠杆作用上均存在一定的缺点，但能量脉冲所制造出来的熔池允许陶瓷实现焊接，而不需要采用传统的焊接陶瓷时所需要的高温。


激光焊接陶瓷的组装：包括一个透明的圆柱形的盖焊接到一个陶瓷的管状材料上

为了使这一技术能够工作，研究人员不得不优化焊接时的工艺参数（焊接时间，脉冲次数以及脉冲的停留时间）和陶瓷材料的透明程度等。当这两个方面的工艺参数组合好后就可以得到优化后的结果，激光能量与陶瓷材料强烈的耦合在一起，使得焊接的接头可以采用低功率的激光（小于50W）在室温的条件下实现焊接。


采用两种方法利用超快激光焊接陶瓷

图解：(A)采用第一种方法来实现陶瓷焊接封装的示意图.此时陶瓷组装（管+帽）经过焊接后成为电子封装的材料。蓝色的箭头显示的为旋转轴。RF和/或光的进入（采用蓝色的曲线进行显示）则可能通过透明的陶瓷帽。(B)一个电子有效载荷样品（集成电路）安放在陶瓷管的内部，(C)采用焊接方法1成功的焊接后的照片，背景的黑色（音高（pitch）=3.5mm）可以通过透明的陶瓷帽清晰的观察到。(D)采用办法2焊接时样品的形态。(E)采用焊接办法2成功焊接后的照片以及进行YSZ组装的结果

GuillermoAguilar教授说到，超快脉冲激光的“甜蜜的点”大约为两个皮秒，在一个兆赫的高重复频率。沿着中性的总数量的脉冲，这使得熔化的光斑直径最大化，最小化材料的飞溅和为了实现最好的焊接质量所需要的足够的冷却时间。


YSZ的光学性质的定制

图解：(A)扩散陶瓷的示意图，将会导致光散射的显著增加，(B)YSZ陶瓷的扩散，　(C)高吸收率和低散射率的陶瓷　.(D)高吸收率的YSZ陶瓷的照片.(E)低吸收率和低散射率的陶瓷的示意图.(F)低吸收率和低散射率的ＹＳＺ的照片。　(G)不同热处理条件下（空气中不同的退火时间）YSZ样品的线性穿透率的结果　。(H)不同退火时间的条件下测量的YSZ的非线性穿透效果（Z扫描）

通过精确的聚焦激光的能量，研究人员可以防止通过陶瓷时的温度梯度沿着陶瓷聚集，JavierE.Garay教授说到，这就使得研究人员可以非常容易的实现温度敏感材料的焊接而不会破坏它。


本实验中激光装置用于测试和测量透明陶瓷材料

作为这两个焊接方法的证明，研究人员将一个透明的圆柱形的盖帽焊接在一个陶瓷管的里面。实验测试结果表明焊接的强度非常高，比在真空中焊接的效果还要好。


脉冲激光-材料的相互作用

我们的焊接样品的真空测试同工业生产中来评估电子产品和光电器件的封装效果时所采用的手段是一模一样的，EliasPenilla说到。研究人员说，直到今天，我们还不曾实现将电子材料封装在陶瓷内部，这是因为整个组装将需要放置在炉子中进行，这样将会损伤电子器件的性能。


激光穿过透明陶瓷（左图）Vs传统的黑体陶瓷（右图）的实物照片图

超快脉冲激光焊接工艺曾经只能用于焊接小的陶瓷部件，其尺寸不超过2mm。在不久的将来，研究团队打算优化这一焊接技术并将其应用于大规模焊接的场合，以及用于焊接不同类型的材料和形状的部件。这一新的焊接技术将会最终使得陶瓷组合的部件可以方便的用于苛刻的环境中，以及在光电器件或电子封装的场合，需要可见光波穿透的场合等。


激光焊接YSZ陶瓷组合件

图解：(A)激光焊接成套装置的示意图，超快激光能量聚焦在焊接的界面处，待焊接的组装件旋转，从而在焊接后形成一圈焊缝.CCD（电荷耦合器件，charge-coupleddevice），MAG，放大器（Magnification），PD，光电二极管（Photodiode）(B—D)在一个较低的角旋转速度（C）下焊接所得到的光学照片，高的角旋转速度所得到的照片（D）.(E)采用方法1进行激光焊接后进行真空漏气的测试示意图.(F)真空压力和时间之间的测试结果（泄露速率测量结果）.(G)激光焊接部件进行泄露测试的成套装置示意图，(H)采用焊接方法2且在不同参数作用下得到的样品进行剪切实验的结果，点代表的为单个的测试点的结果，线则代表实验的平均结果。

文章来源：Ultrafastlaserweldingofceramics,Science23Aug2019:Vol.365,Issue6455,pp.803-808,DOI:10.1126/science.aaw6699