上海工程技术大学材料科学与工程学院在“Optics & Laser Technology”期刊上发表题为“The effects of laser power on the interfacial microstructure, plasma behaviors and joint properties of sapphire micro-welds by ultrafast laser direct joining”—“激光功率对超快激光直连蓝宝石微焊接的界面微观结构、等离子体行为和接头性能的影响”的文章。这篇文章通过超快激光微焊接，实现了无需任何填充材料的蓝宝石直接连接。通过对界面激光能量沉积的精确控制，成功制备出具有高剪切强度、优良不渗透性和良好光透性的蓝宝石接头。通过将实验研究与数值模拟结合，深入揭示了焊接过程中瞬态温度场和等离子体密度演化。模拟进一步阐明了潜在的物理机制，特别是等离子体介导的能量沉积、各向异性热传递以及相变驱动的界面重构，并明确了它们对焊接形成和界面结合的综合影响。研究背景：蓝宝石具有优异的光学、机械和化学稳定性，广泛应用于消费电子、半导体、航空航天等领域。然而，单晶生长尺寸受限，限制了其在大尺寸构件中的应用。传统的蓝宝石连接方法（如扩散焊接、超声钎焊、钎焊）通常需要引入中间层或填充材料，存在接头耐温性差，接头强度和可靠性不足等问题。超快激光具有极高峰值功率和超短脉冲宽度，能实现透明材料的直接连接，避免热裂纹、界面空隙等缺陷。已有研究应用于玻璃、玻璃-金属、陶瓷-金属体系，但对单晶蓝宝石的直接焊接仍缺乏系统理解，尤其是非平衡相变机制，等离子体行为与能量耦合和晶体取向重构对性能的影响。1：实现无填充材料的蓝宝石直接连接
通过超快激光微焊接，在不使用任何中间层或钎料的情况下，成功制备出高剪切强度（最大 90.3 MPa）、高密封性和高透光率的蓝宝石接头。2：系统揭示激光功率对界面微观结构与性能的影响规律
明确了低功率（8.8–14.0 W）导致微孔洞和松散结构，中功率（19.0 W）形成致密界面，高功率（21.5 W）引发微裂纹的性能拐点，建立了“功率-结构-性能”关联。3：发现并解析蓝宝石焊接中的非平衡相变与织构重构，检测到 α-Al₂O₃ → γ-Al₂O₃ 的相变；焊接区主导织构由 <001> 转变为 <100>；4：结合数值模拟阐明等离子体介导的能量耦合机制
建立了瞬态温度场和等离子体密度演化模型，揭示了：等离子体密度与激光功率呈非线性关系图1 (a) 蓝宝石超快激光微焊接设备示意图；(b) 蓝宝石样品的组装；(c) 红色墨水不渗透测试图2 (a-d) 在不同激光功率下蓝宝石接头的宏观形貌：(a) 8.8 W；(b) 14.0 W；(c) 19.0 W；(d) 21.5 W；(a1-d1) 分别是 (a-d) 的光学显微镜图像图3 (a-d) 不同激光功率下蓝宝石微焊点界面区域的典型显微结构：(a) 8.8 W；(b) 14.0 W；(c) 19.0 W；(d) 21.5 W。(a1-d1) 分别是 (a-d) 中方框区域的放大图。黄色实线箭头表示微焊点界面的位置。白色虚线表示微焊点焊接区的范围图4. 焊缝横截面的EBSD分析：（a）焊缝横截面的相图。（b）母材和焊缝的倒极图（IPF）图图5(a) 不同激光功率下的超快激光微焊接剪切强度。(b) 蓝宝石/蓝宝石超快激光微焊接接头强度与其他几篇代表性报告的比较 图6. (a-c) 断裂蓝宝石接头的断口学图像。(b1) b 区域的放大图图8. 不同激光功率对温度分布的影响：(a-d) XZ 截面温度场分布。(e) 等离子区宽度与激光功率的关系。(f) 表面温度分布。(g) 吸收率与激光功率的关系主要结论：(1) 在激光功率为 8.8–19.0 W 时可以获得良好的接头，而功率过高（21.5 W）会引起微裂纹。在焊接区内发生了非平衡的 α→γ 相变。(2) 剪切强度随着激光功率的增加先升高后降低，在 19.0 W 时达到最大值 90.3 MPa，显著高于传统钎焊接头。(3) 在最佳加工条件下（8.8–19.0 W），接头表现出优异的密封性和高光学透过率，而高功率容易因为裂纹形成而导致密封性能下降。(4) 蓝宝石超快微焊接接头的界面形貌与等离子体的密度和宽度密切相关。适当的等离子体能得到无缺陷、微结构致密的接头；否则容易产生微空洞和微裂纹，从而削弱接头性能。原文链接：https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2026.115651
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