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超快激光选区焊接技术研究进展

张国栋 程光华 张伟

张国栋, 程光华, 张伟. 超快激光选区焊接技术研究进展[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0131
引用本文: 张国栋, 程光华, 张伟. 超快激光选区焊接技术研究进展[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0131
ZHANG Guo-dong, CHENG Guang-hua, ZHANG Wei. Progress in ultrafast laser space-selective welding[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0131
Citation: ZHANG Guo-dong, CHENG Guang-hua, ZHANG Wei. Progress in ultrafast laser space-selective welding[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0131

超快激光选区焊接技术研究进展

doi: 10.37188/CO.2020-0131
基金项目: 国家重点研发计划项目(2018YFB1107401)
详细信息
    作者简介:

    张国栋(1989—),男,陕西西安人,副教授,2019年博士毕业于中国科学院大学,主要从事超快光学、超快激光微纳加工方面的研究。E-mail:guodongzhang@nwpu.edu.cn

    程光华(1976—),男,陕西安康人,教授,博士生导师,法国CNRS休伯特居里实验室客座教授,2004博士毕业于中国科学院西安光学精密机械研究所,主要从事超短脉冲激光技术,超快激光与物质相互作用、飞秒激光微纳加工技术等方面的科学研究。E-mail:guanghuacheng@nwpu.edu.cn

    张 伟(1982—),男,河北省廊坊市人,中国航空制造技术研究院高级工程师,2012年博士毕业于北京科技大学-新金属材料国家重点实验室,主要从事先进激光加工技术在航空发动机制造以及航空航天先进材料精密加工中的技术研究。E-mail:wzhang06@163.com

  • 中图分类号: TN249

Progress in ultrafast laser space-selective welding

Funds: National Key Research and Development Project (2018YFB1107401)
  • 摘要: 超快激光技术的发展为基础研究和工业生产不断地注入新的动力,促发了很多新学科、新技术的诞生。超快激光焊接作为近年来发展起来的一种新型材料连接技术,在航空航天、精密机械、集成光电、生物医疗等领域具有巨大的应用潜力,受到了人们的广泛关注。基于超快激光非线性选区能量沉积的基本特点,超快激光焊接具有广泛的材料适用性和空间选择性,可以在无嵌入层的前提下实现涉及透明材料的高质量选区焊接。本文从超快激光选区焊接的物理机制、主要影响因素、适用领域入手进行了归纳与分析,并对未来该技术发展和将面临的关键挑战进行了论述。
  • 图  1  (a)超快激光选区焊接玻璃样品示意图[13],(b)高重频激光诱导材料内部改性示意图以及超快激光焊线横截面[14],(c)环形激光焊线封装的窗口玻璃[13]

    Figure  1.  (a) Diagram of ultrafast laser welding of glass[13], (b) Internal modification induced by ultrafast laser with high pulse repetition rate[14], (c) Image of two laser welded circular blanks of fused silica[13]

    图  2  光学接触条件下D263玻璃与单晶硅焊接截面的元素分析[16]

    Figure  2.  Element analysis of the cross-section of welded Si/D263 with post-optical contact [16]

    图  3  (a)非光学接触条件下不同焦点位置对应的样品焊接截面,(b)非光学接触条件下不同激光聚焦位置对应的焊接示意图[17]

    Figure  3.  (a) Welding cross-sections of the non-optical-contact sample with laser focusing at different position, (b) illustration of the evolution of the laser-matter interation near sample interface with varying focus position[17]

    图  4  (a)分离后的非交融式焊接样品截面,(b)分离前的非交融式焊接样品截面[18]

    Figure  4.  Cross section of the welded sample before (a) and after (b) separation[18]

    图  5  (a)脉冲时延对激光脉冲瞬态吸收的影响;(b)焊接强度与脉冲时延的关系[26]

    Figure  5.  (a) Influence of delay times on transient absorption of second pulse, (b) dependence of bonding strength on delay time between adjacent laser pulses[26]

    图  6  超快激光选区焊接透明陶瓷[12]

    Figure  6.  Ultrafast laser welding of transparent ceramics[12]

    图  7  (a)激光能量为1.63 μJ、扫描速度为20 mm/s时激光诱导D263玻璃热熔区域的横截面,(b)扫描速度为20 mm/s时超快激光作用D263玻璃的无裂纹条件[45]

    Figure  7.  (a) Cross-sections of internally melted D263 at 20 mm/s at Q0 = 1.63 μJ, (b) Crack-free and cracking conditions at v = 20 mm/s in D263[45]

    图  8  激光重复频率及脉冲能量对透明玻璃材料能量吸收效率的影响[22]

    Figure  8.  Influences of pulse duration and pulse energy on the absorptivity of the transparent glass[22]

    图  9  (a)激光诱导微纳孔隙及裂纹结构的透射光学显微图,(b)激光诱导微纳孔隙及裂纹结构的扫描电子显微图[50]

    Figure  9.  Transmission microscope images (a) and scanning electron microscope images (b) of the laser induced bubble explosion and nanocracks[50]

    图  10  (a)飞秒脉冲激光聚焦于样品表面下方不同位置时,激光作用区域的微观侧视图,(b)激光诱导材料表面凸起,(c)激光诱导热熔材料喷溅[35]

    Figure  10.  (a) Side view of the laser-modified region corresponding to the femtosecond laser focused at different levels, (b) laser-induced surface bulging, (c) laser-induced splattering[35]

    图  11  扫描电子显微镜以及XPS分析下激光诱导融石英玻璃与铝的有效结合层[28]

    Figure  11.  Electron microscope and XPS analysis of the laser-induced materials-combination layer between fused silica and aluminium[28]

    图  12  (a)超快激光选区封装微流器件[65, 66],(b)超快激光选区封装血压传感器[67],(c)激光选区焊接光子晶体光纤端帽[68]

    Figure  12.  (a) Space-selective sealing of microfluidic device with using ultrafast laser[65, 66], (b) space-selective sealing of blood pressure sensor[67], (c) space-selective welding of photonic crystal fiber and endcap[68]

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出版历程

超快激光选区焊接技术研究进展

doi: 10.37188/CO.2020-0131
    基金项目:  国家重点研发计划项目(2018YFB1107401)
    作者简介:

    张国栋(1989—),男,陕西西安人,副教授,2019年博士毕业于中国科学院大学,主要从事超快光学、超快激光微纳加工方面的研究。E-mail:guodongzhang@nwpu.edu.cn

    程光华(1976—),男,陕西安康人,教授,博士生导师,法国CNRS休伯特居里实验室客座教授,2004博士毕业于中国科学院西安光学精密机械研究所,主要从事超短脉冲激光技术,超快激光与物质相互作用、飞秒激光微纳加工技术等方面的科学研究。E-mail:guanghuacheng@nwpu.edu.cn

    张 伟(1982—),男,河北省廊坊市人,中国航空制造技术研究院高级工程师,2012年博士毕业于北京科技大学-新金属材料国家重点实验室,主要从事先进激光加工技术在航空发动机制造以及航空航天先进材料精密加工中的技术研究。E-mail:wzhang06@163.com

  • 中图分类号: TN249

摘要: 超快激光技术的发展为基础研究和工业生产不断地注入新的动力,促发了很多新学科、新技术的诞生。超快激光焊接作为近年来发展起来的一种新型材料连接技术,在航空航天、精密机械、集成光电、生物医疗等领域具有巨大的应用潜力,受到了人们的广泛关注。基于超快激光非线性选区能量沉积的基本特点,超快激光焊接具有广泛的材料适用性和空间选择性,可以在无嵌入层的前提下实现涉及透明材料的高质量选区焊接。本文从超快激光选区焊接的物理机制、主要影响因素、适用领域入手进行了归纳与分析,并对未来该技术发展和将面临的关键挑战进行了论述。

English Abstract

张国栋, 程光华, 张伟. 超快激光选区焊接技术研究进展[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0131
引用本文: 张国栋, 程光华, 张伟. 超快激光选区焊接技术研究进展[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0131
ZHANG Guo-dong, CHENG Guang-hua, ZHANG Wei. Progress in ultrafast laser space-selective welding[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0131
Citation: ZHANG Guo-dong, CHENG Guang-hua, ZHANG Wei. Progress in ultrafast laser space-selective welding[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0131
    • 透明玻璃、晶体、陶瓷以及有机高分子材料由于具有良好的光学透明度、化学稳定性以及电热力学特性,被当作基底材料、窗口材料、保护材料广泛地应用在精密机械、生物医疗、光电传感、光子集成以及航空航天等领域[1-3]。在这些材料的应用过程中,不可避免地要面临相同或不同种类材料间的连接问题[4, 5]。对于涉及透明材料的焊接,目前主要的技术工艺有胶合粘接、固相焊接、以及激光热熔焊接[6]。其中,胶合粘接是利用有机或无机胶粘剂的固化反应过程实现物体之间的连结作用。胶合粘接工序简单、适用材料种类广泛,但存在易漂白、易老化、释放有害气体等缺点,难以应用于高低温变化、气密性、高负载等极端服役环境下。固相焊接是在材料不发生熔化过程的前提下,通过塑性形变、原子扩散、金属填充物桥接等实现物体之间的连结作用,通常其包含超声焊接、阳极键合、冷压焊接、及钎焊等。固相焊接的优点在于焊接过程可以在较低的环境温度下进行,工艺简单、且易于实现大面焊接,在工业生产领域有广泛应用,但其存在空间选择性低、结合层浅、材料适用面较窄等问题。激光热熔焊接与以上两种工艺不同,其是以激光能量沉积作为局部热源,诱使样品界面处的材料发生熔化再固化过程,进而建立强的结合作用。传统的激光热熔焊接采用连续或长脉冲激光[4, 7],由于辐照峰值功率密度较低,焊接时需要在样品界面嵌入不透明的光吸收层,以解决能量沉积问题。传统激光热熔焊接的能量沉积峰值功率密度低、热累积量大、热累积时间长,既而容易产生热损伤、热应力残余。鉴于传统焊接工艺在涉及透明材料的焊接上存在较大的技术障碍,有必要探究新的焊接工艺,以应对涉及透明材料的高质量精密焊接应用需求。

      超快激光以其极短的时域脉冲宽度和聚焦后的超高峰值功率密度为人们所熟知[8]。当微焦量级的超快激光经透镜聚焦后,焦场区域的峰值光功率密度可以达到1013 W/cm2以上。这足以诱导透明材料的非线性吸收,实现激光能量的直接选区沉积,进而在材料内部激光焦点处形成局部高温。当激光焦点位于待焊接样品的分界面时,激光能量沉积诱导的局部高温将会使得临近界面的材料发生相变、离子迁移、甚至超临界流体产生,随着激光辐射的结束,材料冷却固化以熔合或键合的方式建立起强的连接作用。由于聚焦的超快激光峰值功率密度高、作用时间短,仅需要较少的激光能量便可以诱导局域材料的相变。除此之外,激光沉积的部分能量在皮秒到纳秒量级被消耗、转化,这大大缩减了激光诱导的热影响区域[9],进而减小焊接界面的应力,有利于提升焊接构建的高低温伺服性能。因此,基于超快激光的精密选区焊接技术相比于其他焊接工艺具有众多优势。

      由于解决了透明材料上的激光能量直接选区沉积问题,超快激光焊接适用的材料范围广泛,其可以被用于实现透明玻璃、晶体、陶瓷以及有机高分子材料之间的焊接,还可以被用于实现透明材料与不透明金属、半导体之间的焊接,且焊接过程具有极高的空间选区性[4-5, 10-12]。由于非线性能量沉积过程,超快激光焊接的热影响区域可以缩减到微米量级,焊接精度极大地提升,焊接过程对样品造成的热损伤大大降低。通过结合振镜扫描等技术,超快激光焊接的线速度可以达到数米每秒以上,具有极高的焊接效率。基于以上诸多优点,超快激光焊接近年来受到了国内外研究团队的广泛关注。本论文面向透明材料精密选区焊接的发展需求,对基于超快激光的直接选区精密焊接技术研究现状进行归纳与总结,旨在从焊接物理机制、焊接特点出发,对技术发展中的关键问题及发展趋势进行分析与讨论。

    • 超快激光选区焊接的实质是激光与物质相互作用熔化材料界面、消除样品间隙,进而构建样品间的强结合作用。基于此,超快激光焊接要求激光经透镜聚焦后会聚于样品分界面附近,如图1(a)所示,同时实现对待焊接样品上下界面材料的局部改性。当超快激光能量沉积产生的局域温度场足够高时,将可以诱导材料发生热膨胀、热相变等过程,实现局域材料的熔合及界面间隙的填充,如图1(b)所示。此时,通过驱动样品分界面在激光焦平面做既定几何轨迹的水平运动,即可以实现对样品的精密选区焊接与封装。图1(c)为环形激光焊线选区封装的窗口玻璃。

      图  1  (a)超快激光选区焊接玻璃样品示意图[13],(b)高重频激光诱导材料内部改性示意图以及超快激光焊线横截面[14],(c)环形激光焊线封装的窗口玻璃[13]

      Figure 1.  (a) Diagram of ultrafast laser welding of glass[13], (b) Internal modification induced by ultrafast laser with high pulse repetition rate[14], (c) Image of two laser welded circular blanks of fused silica[13]

      从物理过程上超快激光选区焊接主要可以分为两个阶段:超快激光能量的选区沉积、材料在激光诱导多物理场下的应激响应驰豫。其中,超快激光能量沉积涉及的是光子与电子间的相互耦合过程,其与光子能量、光场强度、材料电子组态,以及晶格结构密切相关,是超快激光焊接的核心使能过程。该过程可以用非线性传输的麦克斯韦方程组来描述。当超快激光以多光子电离、隧道电离、雪崩电离等形式被材料吸收后,焦场区域的受激电子将会以电子-声子耦合的形式将能量向晶格传递,进而诱导材料的应激响应。该过程中激光焦点处的材料将在局域多物理场下发生等离子体演变、热冲击、热膨胀、热相变、界面烧蚀等过程。材料界面间的强结合作用将主要在这一阶段形成。根据样品界面间强结合方式的不同,我们将超快激光选区焊接分为交融式材料选区焊接和非交融式材料选区焊接。

    • 交融式超快激光选区焊接是指焊接过程中样品分界面处的材料在热熔化、热冲击等作用下发生了明显的混合、熔合现象,从而形成强的结合作用。这种焊接方式的特征在于焊接样品无鲜明的分界面。该焊接方式下,样品间隙的消除主要基于界面热烧蚀以及冲击作用下的热流体行为。交融式焊接对超快激光重复频率没有严苛要求,但激光诱导高温区域一般需要贯穿待焊接样品分界面。这样可以有效利用激光诱导的热冲击作用,实现热熔材料的混合熔合。

      对于光学接触的样品(样品间隙小于四分之一波长)[5],激光焦点贯穿样品分界面时,材料间的熔合往往发生在焦点区域以内,如图2所示。其原因在于光学接触有效抑制了激光诱导表面烧蚀以及热熔材料的喷溅,使得材料的热流体动力学行为局限在材料固态边界范围内[15]

      图  2  光学接触条件下D263玻璃与单晶硅焊接截面的元素分析[16]

      Figure 2.  Element analysis of the cross-section of welded Si/D263 with post-optical contact [16]

      当焊接样品的间隙较大时,激光诱导表面热烧蚀及热喷溅现象将趋于明显,溅射而出的微小热熔物将回落、混合并填充在焦点以及焦点毗邻区域的样品间隙内,实现上下界面间的桥接作用,如图3所示。通过合理地优化激光参数,交融式焊接过程中产生的缺陷可以得到极大程度地消除。由于交融式焊接的有效熔合层较厚,且混合层内的材料可以充当过渡层,因此,交融式焊接的样品有望获得更高的抗剪切力强度和更好的耐高温特性。

      图  3  (a)非光学接触条件下不同焦点位置对应的样品焊接截面,(b)非光学接触条件下不同激光聚焦位置对应的焊接示意图[17]

      Figure 3.  (a) Welding cross-sections of the non-optical-contact sample with laser focusing at different position, (b) illustration of the evolution of the laser-matter interation near sample interface with varying focus position[17]

    • 非交融式超快激光选区焊接是指焊接区域内样品分界面鲜明,材料之间不发生明显的混合熔合现象,样品间的结合作用是基于激光诱导塑形膨胀、挤压、材料软化-固化过程。该焊接方式要求超快激光具有较高的重复频率(一般大于200 kHz),以获得较强的热累积效应和较大的热熔化区域。非交融式焊接对激光焦点位置有着较高的要求:激光诱导的热累积区域应贯穿样品分界面,同时尽可能地避免激光中心等离子体区域靠近界面。由于塑形膨胀、挤压的影响,焊接样品分界面往往呈扭曲状,如图4所示。

      图  4  (a)分离后的非交融式焊接样品截面,(b)分离前的非交融式焊接样品截面[18]

      Figure 4.  Cross section of the welded sample before (a) and after (b) separation[18]

      受材料塑形膨胀的制约,非交融式焊接的样品间隙不宜过大,为了有效地抑制表面烧蚀、提高焊接强度,焊接样品最好处于光学接触状态[5, 11, 19-20]。由于表面烧蚀得以抑制,非交融式焊接产生的界面烧蚀颗粒物、微裂纹缺陷等较少,样品焊接区域可以具有较高的光学透明度。从焊接样品结合作用的方式分析,超短脉冲激光诱导非交融式焊接类似于热压焊接,焊接缺陷较少,但有效结合层较薄,样品耐高温特性相对较差。对于相同的焊接对象,在相同的实验条件下,非交融式焊接一般需要将峰值功率密度控制在相对较低的条件下,为适当增强作用区域界面材料的热膨胀行为,并在时域上对其热力学行为进行延长,非交融式焊接一般宜采用高重频的超快激光,当然这也与待焊接材料的种类有着密切的关联。

    • 超快激光选区焊接研究起步较晚,2005年,日本大阪大学的Tamaki等人[4]首次提出并实验展示了低重频飞秒脉冲激光在融石英玻璃选区焊接上的应用,从此揭开了超快激光直接选区焊接的研究序幕。2006年,日本光子学研究所的Watanabe等人[5]利用重复频率1 kHz的飞秒激光,通过激光成丝贯穿融石英玻璃与硼硅酸盐玻璃的接触面,首次实现了异种透明玻璃材料之间的直接选区焊接。该实验中采用了面扫描的焊接方式,玻璃样品的焊接强度达到15.3 MPa。随后,日本大阪大学的Tamaki等人[10]引入高重频飞秒激光脉冲,以激光诱导的热累积效应实现了不同种类玻璃材料之间的直接选区焊接,以及玻璃与单晶硅半导体材料的选区焊接,为电子器件、微机电器件的封装提供了可能。相比于低重频超快激光,高重频超快激光焊接可以拥有更高的能量沉积效率,以及更高的焊接速度[14, 21]。因此,关于高重频超快激光作用特点的研究成为超快激光选区焊接的一大重点。日本大阪大学与德国巴伐利亚激光中心科研人员的研究工作表明[22],在合适的条件下,透明玻璃材料对高重频超快激光的能量吸收率可以达到90%以上。基于此,通过利用高重频超快激光的burst模式进行选区材料焊接,不仅可以确保高的能量吸收效率,还可以有效地调控激光诱导的热累积效应,实现焊接质量的优化[23-24]。在激光能量沉积效率的优化问题上,日本理化所的Sugioka等人[25-27]提出了双脉冲的作用机制。通过精密调控双脉冲时间间隔,该团队成功地在低重频下实现了激光能量沉积效率的极大提升,进而将激光焊接强度提高了22%。图5给出了双脉冲作用下,脉冲时延间隔对于激光能量吸收效率、样品焊接强度的影响。

      图  5  (a)脉冲时延对激光脉冲瞬态吸收的影响;(b)焊接强度与脉冲时延的关系[26]

      Figure 5.  (a) Influence of delay times on transient absorption of second pulse, (b) dependence of bonding strength on delay time between adjacent laser pulses[26]

      超快激光在异种材料选区焊机上的成功,激起了人们拓展超快激光选区焊接材料适用范围的热潮。2008年,日本大阪大学的Yasuyuki等人利用飞秒脉冲激光实现了玻璃与铜的直接选区焊接,从而将超快激光选区焊接推广到透明材料与金属上[11]。随后,英国艾瑞瓦特大学的Richard等人[28],以及中国科学院的程光华等人[15]对透明材料与金属的直接选区焊接进行了进一步探究,并实现了玻璃与多种金属材料的直接焊接。随着研究工作的不断推进,超快激光选区焊接还被成功地应用到透明晶体与金属、玻璃-高熔点半导体、透明陶瓷-透明陶瓷以及有机高分子-有机高分子材料上[12, 28-33],展现出极高的材料适用性。图6给出了超快激光选区焊接透明陶瓷的示意图和实物图。

      图  6  超快激光选区焊接透明陶瓷[12]

      Figure 6.  Ultrafast laser welding of transparent ceramics[12]

      针对超快激光选区焊接工艺的优化是近年来该领域的一大研究重点。致力于简化焊接条件,2015年程光华等人[15]对比研究了样品间隙对于超快激光焊接质量的影响,分析讨论了光学接触与非光学接触条件下玻璃与金属材料焊接界面的微区结合方式,进而成功地在无压力辅助的非光学接触条件下实现了玻璃与金属材料的直接选区焊接。与此同时,英国艾瑞瓦特大学的陈建勇等人[17, 34],以及德国耶拿大学的Sören等人[35]研究了非光学接触条件下玻璃-玻璃的选区焊接特点。通过调控超快激光的焦点位置,这两个团队分别在样品间隙大于3 μm的条件下实现了透明玻璃材料之间的直接选区焊接。在此工作基础上,其他科研团队进行了进一步的研究[18, 36-37],其中,华中科技大学的曾晓雁、段军等人更是利用多重扫描法,在样品间隙大于10 μm的条件下,实现了玻璃材料之间的高质量直接选区焊接,从而有力地论证了光学接触并非超快激光焊接的必要条件。除此之外,加拿大拉瓦尔大学的David等人[38-39],以及程光华等人[40],还通过调控焦场对激光焊接的焦点容忍区间进行了优化,有效解决了超快激光焊接对于焦点位置的严苛要求。

      纵观超快激光选区焊接研究的发展可以得出,该领域主要有以下两个研究方向:第一,从超快激光选区焊接的物理机制出发,调控激光能量沉积与局域材料应激响应驰豫,旨在提高焊接强度与精度,抑制焊接缺陷,拓展材料适用范围及应用范围。第二,致力于简化焊接工艺,提高焊接效率,推进超快激光选区焊接的工业化发展。

    • 激光能量的沉积以及局域材料的应激响应构成了超快激光选区焊接的全物理过程。基于此,通过分析可知,影响超快激光选区焊接的因素将主要包含激光脉冲宽度、脉冲间隔、辐照功率密度、焦点位置、样品种类、样品间隙等。

    • 激光脉冲宽度直接决定脉冲激光能量沉积过程的持续时间,影响脉冲能量的沉积特点,进而对材料应激响应驰豫产生重要影响。在脉冲能量沉积过程中,光子-电子耦合过程的经典时间尺度为~100 fs,电子-声子耦合过程的时间尺度为~1 ps[8, 41- 42]。因此,当脉冲宽度处于ps量级以上时,脉冲能量沉积过程中将伴随发生电子-声子耦合以及声子-声子耦合,使得激光加工过程中的热效应增大。这在一定条件下有利于实现待焊接材料的熔合,然而,与此同时也容易诱导热应力缺陷的产生。在激光能量沉积效率方面,当脉冲能量一定时,脉冲宽度的增大一般会导致材料非线性吸收效率的降低,进而不利于激光诱导材料局部调制。基于此,对于超快激光选区焊接,激光脉冲宽度的选择应该根据待焊接材料种类的不同综合考虑以上两个因素。

    • 脉冲间隔对于超快激光选区焊接的影响主要体现在脉冲间的热累积效应、激光能量的沉积。对于透明介质,超快激光作用后局域材料的热弛豫时间一般小于5 μs[43- 44]。因此,当脉冲时间间隔小于该值(即脉冲重复频率大于200 kHz)时,激光作用区域将产生脉冲间的热量累积,从而使得脉冲作用前的起始温度逐步增加。当脉冲作用前的起始温度增加到材料热熔点以上时,将在激光焦点上方形成液滴状的局域熔池,如图7所示。该熔池的形成可以为待焊接样品界面材料的熔化、熔合提高条件,同时,还可以为焊接过程中热应力释放提供可能[14, 21, 45-46]。在参数合适的情况下,高重频超快激光有助于实现高强度、无裂纹选区焊接[45]

      图  7  (a)激光能量为1.63 μJ、扫描速度为20 mm/s时激光诱导D263玻璃热熔区域的横截面,(b)扫描速度为20 mm/s时超快激光作用D263玻璃的无裂纹条件[45]

      Figure 7.  (a) Cross-sections of internally melted D263 at 20 mm/s at Q0 = 1.63 μJ, (b) Crack-free and cracking conditions at v = 20 mm/s in D263[45]

      在激光能量沉积方面,脉冲间隔的减小(即脉冲重复频率的增大)有助于激光能量沉积效率的提升。Isamu等人[22]的实验研究结果表明,相同激光脉冲能量下,通过采用高重频超快激光(>200 kHz)最高可以将透明材料的能量吸收效率提高一倍以上,如图8所示。其主要原因在于,热累积效应使得脉冲激光作用区域始终处于较高的温度,由此产生的热激发电子为熔池区域雪崩电离的形成提供了条件,进而使得激光能量的吸收效率显著增加。当激光脉冲间隔进一步减小到自由电子或介带电子的驰豫时间尺度时,还将可以诱导材料以单光子的形式吸收激光脉冲能量,实现焊接强度的有效提升[27]

      图  8  激光重复频率及脉冲能量对透明玻璃材料能量吸收效率的影响[22]

      Figure 8.  Influences of pulse duration and pulse energy on the absorptivity of the transparent glass[22]

    • 激光辐照峰值功率密度的大小直接影响激光能量在焊接过程中的沉积机制、沉积效率,以及激光对材料的改性机制。对于透明材料,辐照峰值功率密度的影响可以通过Keldysh绝热参数γ来进行判据[47-48]。当绝热参数$\gamma \gg 1$时,由于峰值功率密度较低,光场强度不足以严重影响束缚电子的库伦势阱,非线性吸收以多光子电离为主;当绝热参数$\gamma \ll 1$时,由于峰值功率密度较高,光场强度足以诱导束缚电子的库伦势阱发生严重畸变,非线性吸收以隧道电离为主。当材料以多光子电离或隧道电离的形式吸收能量并获得足够多的自由电子时,峰值功率密度的进一步增加还会诱导电子间的碰撞电离,形成雪崩电离。该机制也是高重频超快激光焊接过程中能量沉积的主要机制。实验研究表明,通过适当地增大激光辐照峰值功率密度可以有效提升非线性吸收效率[49]。即使在低重复频率下,通过增大辐照功率密度也可以将透明材料对激光能量的吸收效率提高到90%以上[22]。然而,需要指出的是,对于超快激光焊接,一味地通过增大峰值功率密度来提升能量吸收效率并不可取。其原因在于,过高的峰值功率密度容易诱导激光作用区域产生热损伤、热应力残余、甚至微纳孔隙结构[50-54],如图9所示,从而对样品焊接强度、透明度、可靠性、耐高温特性产生负面影响[55]。此外,过高的峰值功率密度还会诱导样品界面发生冷烧蚀过程,其不利于样品选区焊接的进行[56, 57]

      图  9  (a)激光诱导微纳孔隙及裂纹结构的透射光学显微图,(b)激光诱导微纳孔隙及裂纹结构的扫描电子显微图[50]

      Figure 9.  Transmission microscope images (a) and scanning electron microscope images (b) of the laser induced bubble explosion and nanocracks[50]

    • 超快激光焊接非线性的能量沉积方式决定着激光作用区域在空间上是高度局域的。因此,为了确保样品界面处的材料可以有效结合,一般需要对激光焦点位置进行调控与优化[35]图10直观地给出了高重频激光焦点位置对于玻璃材料界面改性特征的影响。可以看出,只有当激光热熔区域临近样品界面时,玻璃表面才出现塑性热膨胀凸起,该条件下才可以实现透明材料间的非交融式焊接;随着激光诱导的高温区域向样品界面进一步靠近,塑形热膨胀现象将演变为剧烈的热熔材料喷溅,该条件下将利于实现样品间的交融式焊接;当激光诱导的高温区域进一步向上移动,使得激光焦点直接聚焦于样品表面时,将会诱导强烈的激光烧蚀现象,该条件下过高的辐照功率密度将不利于实现透明样品间的高质量焊接。因此,受高斯焦场瑞利长度以及热熔区域长度的限制,超快激光焊接对于焦点轴向位置有着严格的要求,而利用空间光整形技术延长焦场瑞利长度则具有重要的现实意义。

      图  10  (a)飞秒脉冲激光聚焦于样品表面下方不同位置时,激光作用区域的微观侧视图,(b)激光诱导材料表面凸起,(c)激光诱导热熔材料喷溅[35]

      Figure 10.  (a) Side view of the laser-modified region corresponding to the femtosecond laser focused at different levels, (b) laser-induced surface bulging, (c) laser-induced splattering[35]

    • 根据待焊接材料种类的不同,超快激光选区焊接主要可以分为:透明材料-透明材料,透明材料-半透明材料,以及透明材料-不透明材料焊接。其中,透明材料超快激光焊接涉及的材料种类主要为玻璃、晶体、以及有机高分子[6, 28, 58-60],激光焊接时的能量沉积方式主要为非线性吸收,辐照峰值功率密度相对较高。对于透明材料焊接,激光能量沉积在传播轴上不受空间位置限制,材料间的有效结合层厚度易于调控,有利于实现高质量焊接。对于透明材料-半透明材料焊接,具体主要为透明材料与掺杂晶体、陶瓷、玻璃等[12, 29],激光能量的沉积方式为非线性吸收与线性吸收并存。由于界面两侧材料吸收机制与损伤阈值存在差别,如何调控焦点位置、优化界面两侧辐照功率密度成为提升焊接质量的关键。对于透明材料-不透明材料焊接,具体主要为透明材料与金属、半导体等[61-64],由于界面两侧材料吸收机制截然不同,且存在显著的界面反射,激光辐照参数的优化存在极大挑战。由于透明材料非线性吸收阈值一般高于不透明材料的表面烧蚀阈值,激光焊接过程中材料表面烧蚀现象难以避免,材料焊接方式一般为交融式焊接。由于界面一侧材料完全不透明,激光能量的沉积深度受到严重限制,以至于样品间的有效结合层一般交浅,如图11所示,不利于焊接质量的提升。此外,材料间较大的物理特性差异还会对焊接样品的耐高温特性产生显著负面影响。因此,透明材料-不透明材料的高质量选区焊接难度较大。

      图  11  扫描电子显微镜以及XPS分析下激光诱导融石英玻璃与铝的有效结合层[28]

      Figure 11.  Electron microscope and XPS analysis of the laser-induced materials-combination layer between fused silica and aluminium[28]

    • 一般地,样品间隙的减小有益于焊接质量的提高。当样品间隙小于四分之一波长(即光学接触)时,可以有效抑制激光诱导界面烧蚀以及热流体喷溅,进而提高样品焊接强度[5]。对于透明材料,样品处于光学接触还有利于实现焊接区域光学透明度的提升。然而,样品间的光学接触条件对于待焊接样品的准备工艺、样品表面质量有着较高的要求。机械夹具(用于向样品施加压力,实现光学接触)的引入不仅增加了焊接工艺的复杂性,还降低了焊接工艺的灵活性以及样品的可焊接范围[15]。因此,简化待焊接样品准备工艺、探索非光学接触条件下样品间的高质量选区焊接是目前本领域的研究重点。

    • 超快激光焊接作为一种新兴的微纳加工技术,具高效率、高精度、高空间选择性、高材料适用性等特点,在涉及透明材料的精密焊接领域具有重要的应用潜力。基于非线性的能量沉积特点,超快激光可以在无嵌入层的条件下实现涉及透明材料的焊接,进而特别适用于非胶合光学器件加工。通过利用非线性吸收的阈值效应,超快激光焊接可以具备三维空间选择性[65-67],不仅可以用于微流器件、传感器的封装以及消费电子、航空装备窗口器件的连接,如图12(a)12(b)所示,还可用于多层材料的直接选区焊接。由于激光作用区域可以产生超高的温度,超快激光将尤其适用于高熔点材料的焊接。通过调控激光诱导的热效应,超快激光焊接区域的最小特征尺寸可以减小到微米量级,进而可以实现对微小结构如光子晶体光纤端帽的超精密选区焊接[68],如图12(c)所示。此外,由于激光诱导的温度场在空间上高度局域,超快激光焊接可以在样品整体处于室温环境下进行,这使得其特别适用于热敏型、热损伤阈值较低的光电器件封装[12]

      图  12  (a)超快激光选区封装微流器件[65, 66],(b)超快激光选区封装血压传感器[67],(c)激光选区焊接光子晶体光纤端帽[68]

      Figure 12.  (a) Space-selective sealing of microfluidic device with using ultrafast laser[65, 66], (b) space-selective sealing of blood pressure sensor[67], (c) space-selective welding of photonic crystal fiber and endcap[68]

      在超快激光选区焊接的工业化发展进程中,还将面临一些关键的技术挑战。例如,高重频超快激光焊接透明材料时往往会伴随有微纳气泡的产生,影响焊接质量的提升。关于该结构的产生机制及消除原理有待进一步探索研究。超快激光焊接过程中热残余应力的产生是影响样品焊接质量及材料光学特性的一个重要因素。特别地,对于涉及晶体材料的焊接,热残余应力的产生极容易使得样品发生碎裂。因此,焊接过程中热残余应力的消除是必须攻克的一个技术难题。此外,目前超快激光焊接的样品的高低温服役区间普遍较窄,这极大地制约着超快激光焊接的适用范围。因此,从激光辐照参数、结合层物化特性调控出发,提高焊接样品的高低温服役区间具有重要的现实意义。

    • 基于非线性选区能量沉积的特点,超快激光焊接在涉及透明材料的高精密选区焊接上具有极大的技术优势,焊接过程无需嵌入层,选区焊接精度可以达到微米量级。由于激光诱导的高温区域在空间上高度局域,超快激光焊接可以在样品整体处于低温环境下进行,这为热敏材料、热敏型器件的焊接、封装提供了有效技术途径。然而,基于该领域目前的研究现状以及对于超快激光焊接主要影响因素的分析,未来超快激光选区焊机技术的工业化发展,还将面临一些关键的技术挑战,如焊接工艺的进一步简化、激光诱导局域应力的管控、有效结合层的物化特性调控、焊接区域孔隙及裂纹缺陷的消除等。对于这些关键问题的攻克,还有待进行进一步地深入探究。

参考文献 (68)

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