2025年9月2日，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所官網(wǎng)消息顯示，該所楊上陸研究員團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)ZnS晶體與Ti-6Al-4V鈦合金的無中間層高強(qiáng)度超快激光焊接，解決傳統(tǒng)連接的高應(yīng)力、低強(qiáng)度難題。接頭剪切強(qiáng)度達(dá)67.7MPa（較傳統(tǒng)釬焊+85%），殘余應(yīng)力僅0.286GPa（為傳統(tǒng)13%），成果發(fā)表于《Optics Express》，為高端光電、航天器制造提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

圖1.(a)ZnS與Ti-6AI-4V皮秒激光焊接示意圖；(b)試片疊放方式示意圖；(c)單脈沖加工區(qū)域的截面形貌與主要元素分布；(d,e)截面不同測量位置處的拉曼光譜；(d)Ti-6AI-4V側(cè)的斷口形貌與主要元素分布；(g,h)ZnS側(cè)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(qiáng)度-位移曲線；(d)接頭強(qiáng)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(yè)痛點(diǎn)

ZnS晶體的核心價(jià)值：作為紅外光學(xué)窗口、探測器外殼的關(guān)鍵材料，具備寬波段透過性與優(yōu)良力學(xué)性能，是高端紅外成像、復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)、先進(jìn)傳感設(shè)備的核心組件；

異質(zhì)連接的固有難題：ZnS晶體與Ti-6Al-4V鈦合金在熱膨脹系數(shù)（ZnS約7×10??/℃，鈦合金約9.5×10??/℃）、化學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性能上嚴(yán)重不匹配，導(dǎo)致連接難度極高；

傳統(tǒng)工藝的局限：長期依賴膠接或金屬中間層釬焊，存在三大問題——①連接強(qiáng)度低（傳統(tǒng)釬焊接頭剪切強(qiáng)度約36.6MPa）；②殘余應(yīng)力高（易導(dǎo)致晶體開裂）；③易引入污染雜質(zhì)（影響光學(xué)性能）。

二、技術(shù)突破：超快激光實(shí)現(xiàn)無中間層高強(qiáng)度焊接

1. 核心技術(shù)方案：

能量輸入方式：采用超快激光（皮秒級脈沖）作為高精度能量源，實(shí)現(xiàn)微米尺度下界面局部熔融——避免整體加熱導(dǎo)致的熱應(yīng)力擴(kuò)散，精準(zhǔn)控制焊接區(qū)域；

工藝創(chuàng)新：無需任何中間層或輔助材料，直接構(gòu)建ZnS-鈦合金異質(zhì)連接界面，界面平整連續(xù)，無明顯缺陷（如裂紋、氣孔）。

2. 關(guān)鍵性能指標(biāo)（遠(yuǎn)超傳統(tǒng)工藝）：

3. 強(qiáng)度生成機(jī)制：

界面化學(xué)鍵合：超快激光局部熔融使ZnS與鈦合金界面形成穩(wěn)定化學(xué)鍵（通過拉曼光譜驗(yàn)證，檢測到Zn-Ti鍵特征峰），奠定連接強(qiáng)度基礎(chǔ)；

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

三、技術(shù)驗(yàn)證與應(yīng)用前景

1. 工藝兼容性與可擴(kuò)展性：

已完成大尺寸構(gòu)件驗(yàn)證：成功實(shí)現(xiàn)從微尺度元器件（微米級）到毫米級光窗的穩(wěn)定焊接，證明工藝可適配不同尺寸需求；

參數(shù)可調(diào)性強(qiáng)：通過優(yōu)化激光通量（實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1.5-16 J/cm2范圍有效），可適配不同厚度、形狀的ZnS與鈦合金部件，工藝靈活性高。

2. 核心應(yīng)用領(lǐng)域：

高端光電封裝：用于紅外探測器、光學(xué)傳感器的ZnS窗口與金屬外殼連接，保障光學(xué)性能與結(jié)構(gòu)可靠性；

航天器關(guān)鍵部件：適配太空極端環(huán)境（高低溫、真空），用于航天器光學(xué)系統(tǒng)、傳感模塊的異質(zhì)材料集成；

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）：實(shí)現(xiàn)微尺度下光學(xué)晶體與金屬結(jié)構(gòu)的高精度連接，推動微型光學(xué)MEMS器件發(fā)展。

四、成果發(fā)表與研究支持

發(fā)表信息：成果以“Ultrafast Laser Direct Welding of Dissimilar Materials: ZnS Crystals and Titanium Alloys”為題，發(fā)表于國際光學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊《Optics Express》；

研究團(tuán)隊(duì)：中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所高端光電裝備部，由楊上陸研究員領(lǐng)銜；

資金支持相關(guān)工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助，為技術(shù)研發(fā)與驗(yàn)證提供核心保障。