來自加利福尼亞大學(xué)的研究人員發(fā)展了一種新的陶瓷焊接技術(shù)，他們采用一個短脈沖的，超快的激光來熔化待焊接材料之間的界面處的陶瓷而將其焊接在一起。焊接時所產(chǎn)生的熱量僅僅在焊接的界面處積累，因此熔化是局部的。研究人員將其稱之為“超快脈沖激光焊接。這一研究成果以“Ultrafast laser welding of ceramics”為題發(fā)表在期刊《《Science》》上。

激光焊接 技術(shù)是現(xiàn)代制造工程中的一個重要組成部分，但對于焊接陶瓷材料卻依然存在發(fā)生脆性而斷裂的問題。Penilla等人發(fā)展了采用超快激光來焊接陶瓷的兩種辦法。一種辦法是調(diào)制陶瓷的性質(zhì)，使得激光可以穿過陶瓷并在焊接材料的界面處實(shí)現(xiàn)焊接。另外一個辦法就是優(yōu)化待焊接工件之間連接的間隙以實(shí)現(xiàn)足夠能量的沉積。這兩種辦法在發(fā)揮杠桿作用上均存在一定的缺點(diǎn)，但能量脈沖所制造出來的熔池允許陶瓷實(shí)現(xiàn)焊接，而不需要采用傳統(tǒng)的焊接陶瓷時所需要的高溫。

激光焊接陶瓷的組裝：包括一個透明的圓柱形的蓋焊接到一個陶瓷的管狀材料上

為了使這一技術(shù)能夠工作，研究人員不得不優(yōu)化焊接時的工藝參數(shù)（焊接時間，脈沖次數(shù)以及脈沖的停留時間）和陶瓷材料的透明程度等。當(dāng)這兩個方面的工藝參數(shù)組合好后就可以得到優(yōu)化后的結(jié)果，激光能量與陶瓷材料強(qiáng)烈的耦合在一起，使得焊接的接頭可以采用低功率的激光（小于50W）在室溫的條件下實(shí)現(xiàn)焊接。

采用兩種方法利用超快激光焊接陶瓷

圖解：(A)采用第一種方法來實(shí)現(xiàn)陶瓷焊接封裝的示意圖 . 此時陶瓷組裝（管+帽）經(jīng)過焊接后成為電子封裝的材料。藍(lán)色的箭頭顯示的為旋轉(zhuǎn)軸。RF和/或光的進(jìn)入（采用藍(lán)色的曲線進(jìn)行顯示）則可能通過透明的陶瓷帽。(B) 一個電子有效載荷樣品（集成電路）安放在陶瓷管的內(nèi)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）=3.5 mm）可以通過透明的陶瓷帽清晰的觀察到。(D)采用辦法2焊接時樣品的形態(tài)。(E) 采用焊接辦法2成功焊接后的照片以及進(jìn)行YSZ組裝的結(jié)果

Guillermo Aguilar教授說到，超快脈沖激光的“甜蜜的點(diǎn)”大約為兩個皮秒，在一個兆赫的高重復(fù)頻率。沿著中性的總數(shù)量的脈沖，這使得熔化的光斑直徑最大化，最小化材料的飛濺和為了實(shí)現(xiàn)最好的焊接質(zhì)量所需要的足夠的冷卻時間。

YSZ的光學(xué)性質(zhì)的定制

圖解：(A)擴(kuò)散陶瓷的示意圖，將會導(dǎo)致光散射的顯著增加， (B) YSZ陶瓷的擴(kuò)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圖 . (F) 低吸收率和低散射率的ＹＳＺ的照片。　 (G)不同熱處理?xiàng)l件下（空氣中不同的退火時間）YSZ樣品的線性穿透率的結(jié)果　。(H) 不同退火時間的條件下測量的YSZ的非線性穿透效果（Z掃描）

通過精確的聚焦激光的能量，研究人員可以防止通過陶瓷時的溫度梯度沿著陶瓷聚集，Javier E. Garay 教授說到，這就使得研究人員可以非常容易的實(shí)現(xiàn)溫度敏感材料的焊接而不會破壞它。

本實(shí)驗(yàn)中激光裝置用于測試和測量透明陶瓷材料

作為這兩個焊接方法的證明，研究人員將一個透明的圓柱形的蓋帽焊接在一個陶瓷管的里面。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明焊接的強(qiáng)度非常高，比在真空中焊接的效果還要好。

脈沖激光-材料的相互作用

我們的焊接樣品的真空測試同工業(yè)生產(chǎn)中來評估電子產(chǎn)品和光電器件的封裝效果時所采用的手段是一模一樣的， Elias Penilla說到。研究人員說，直到今天，我們還不曾實(shí)現(xiàn)將電子材料封裝在陶瓷內(nèi)部，這是因?yàn)檎麄�組裝將需要放置在爐子中進(jìn)行，這樣將會損傷電子器件的性能。

激光穿過透明陶瓷（左圖）Vs傳統(tǒng)的黑體陶瓷（右圖）的實(shí)物照片圖

超快脈沖激光焊接工藝曾經(jīng)只能用于焊接小的陶瓷部件，其尺寸不超過2mm。在不久的將來，研究團(tuán)隊(duì) 打算優(yōu)化這一焊接技術(shù)并將其應(yīng)用于大規(guī)模焊接的場合，以及用于焊接不同類型的材料和形狀的部件。這一新的焊接技術(shù)將會最終使得陶瓷組合的部件可以方便的用于苛刻的環(huán)境中，以及在光電器件或電子封裝的場合，需要可見光波穿透的場合等。

激光焊接YSZ陶瓷組合件

圖解：(A) 激光焊接成套裝置的示意圖，超快激光能量聚焦在焊接的界面處，待焊接的組裝件旋轉(zhuǎn)，從而在焊接后形成一圈焊縫. CCD（電荷耦合器件，charge-coupled device），MAG，放大器（Magnification），PD，光電二極管（Photodiode） (B— D) 在一個較低的角旋轉(zhuǎn)速度（C）下焊接所得到的光學(xué)照片，高的角旋轉(zhuǎn)速度所得到的照片（D） . (E) 采用方法1進(jìn)行激光焊接后進(jìn)行真空漏氣的測試示意圖 . (F) 真空壓力和時間之間的測試結(jié)果（泄露速率測量結(jié)果） . (G)激光焊接部件進(jìn)行泄露測試的成套裝置示意圖 ， (H) 采用焊接方法2且在不同參數(shù)作用下得到的樣品進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，點(diǎn)代表的為單個的測試點(diǎn)的結(jié)果，線則代表實(shí)驗(yàn)的平均結(jié)果。