飛秒激光焊接 Al₂O₃ 陶瓷的裂紋特征與接頭性能研究

中圖分類號：TG456.7 文獻標志碼：A

Abstract：Alumina ceramics are widely used in the field of electronic packaging because of their excellent dielectric propertiesand stable physical and chemical properties.However，the large crack tendency of its weld reduces the joint performanceand greatly limits the application of ceramic joints.Inthis paper，afemtosecond laser is used to weld alumina ceramics.The efects of laser beam scanning trajectory，laser power，and scanning speed on weld crack characteristics and joint properties are studied.A clasification method of weld grade based on average crack width is proposed.The results show that compared with ellipse，helix，vertical8characters，and horizontal 8 characters，sinusoidal scanning laser welding alumina ceramics can obtain smaler average crack width and higher shear force.Increasing the laser power and decreasing the scanning speed is beneficial to reduce the average crack width，increase the weld penetration，and then increase the shear force of the joint.The maximum shear force reaches 1980N ，which isabout 61% of the base material shear force.A prediction model of joint shear force based onthe average crack width and penetration depthof the weld is established，and the model'saccuracyis proved by verification experiments.The minimum deviation between the predicted value and the measured value is only 0.45% The research results provide technical guidance and theoretical support for high-performance welding of ceramics.

Key words：ceramics materials;laser beam welding;crack propagation;shear stress; weld penetration

陶瓷材料硬度極高，耐磨性好，高溫下的化學穩(wěn)定性好，適用于高溫環(huán)境，同時，其良好的絕緣性能和低介電損耗特性讓其在電子封裝領域中具有巨大的應用潛力[1-4].特別是在超高速飛行器應用領域中，研究人員需要將特定的電路嵌入飛行器天線的外部，使得飛行器具有透波和隱身特性，這就要求陶瓷接頭必須具有良好的耐高溫性能、氣密性以及穩(wěn)定的機械和化學性能.然而陶瓷的高熔點和硬脆性使其難以被加工，目前常用的焊接方式主要是釬焊和固相擴散焊等[5-8]， Lu 等在 1350^°C 的溫度下釬焊 Al₂O₃ 陶瓷 30min ，獲得了剪切強度為 125.63± 4.87MPa 的焊接接頭，Song等[0采用Ni作為中間層，在真空爐中以 1000^°C 和 20MPa 的外加載荷下保溫 30min 成功擴散連接 ZrC-SiC 復合材料.上述焊接方式均需整體加熱加壓，工藝條件復雜，并且長時間的加熱加壓容易使內部電子元器件因溫升過高而失效，同時，采用中間層連接的陶瓷接頭容易隨時間推移而氧化，存在使用壽命的局限性，此外，接頭通常只能在 600^°C 以下環(huán)境中工作，無法充分發(fā)揮陶瓷的高溫性能[11-13].

隨著激光技術的迅猛發(fā)展，它已能夠在常規(guī)環(huán)境下工作，柔性化程度高、能量密度大的激光焊接方式被應用到陶瓷焊接上，非接觸式的焊接方式避免了機械應力的產(chǎn)生.然而，高功率激光焊接時熱沖擊較大，直接焊接陶瓷易產(chǎn)生裂紋，在焊接時往往需要對陶瓷進行預熱[14-15]，Riviere和Harris等學者通過預熱的方式得到了裂紋較少的陶瓷焊接接頭[16-17]，盡管預熱能有效改善裂紋的情況，但是這樣也失去了激光焊接局部加熱的優(yōu)勢 .Zuo 等[18采用高功率激光成功焊接了氧化鋁陶瓷，并且通過有限元軟件模擬得到了焊縫裂紋與應力之間的關系，成功獲得無裂紋的陶瓷焊接接頭，然而該研究并沒有給出接頭的強度，無法得知焊接接頭的強度是否能夠滿足實

際應用要求.

飛秒激光由于其極短的脈沖時間和極高的峰值功率，在陶瓷焊接領域得到了廣泛的應用.飛秒激光焊接陶瓷的原理為：將峰值功率極高的激光聚焦到母材表面來激發(fā)材料的非線性吸收，從而引發(fā)雪崩電離，通過電子與聲子的耦合使焦點區(qū)域的溫度升高來熔化母材，實現(xiàn)焊接[19-20].國外的Penilla等[21]已經(jīng)采用飛秒激光在室溫下焊接了 Al₂O₃ 和 ZrO₂ 陶瓷，國內哈爾濱工業(yè)大學的 Yuan 等[22采用重復頻率為1MHz 、脈沖持續(xù)時間為300fs、波長為 1035nm 的紅外超短脈沖激光實現(xiàn)了室溫下 Al₂O₃ 陶瓷的直接焊接，得到了最高強度為 266MPa （約為基材的 60% ）的焊接接頭.然而，超快激光焊接陶瓷仍然存在很多問題：焊縫裂紋與接頭性能之間的關系尚不明確，超快激光與陶瓷材料的作用機理還有待研究.

本文針對超高速飛行器陶瓷零件的焊接問題，研究了飛秒激光焊接氧化鋁陶瓷的裂紋特征和接頭性能，重點研究了掃描軌跡、激光功率和掃描速度對焊接接頭裂紋特征及力學性能的影響，提出了基于裂紋平均寬度的焊縫等級分類方法.由于陶瓷零件結構在使用過程中主要承受剪切力，因此，本文建立了基于裂紋平均寬度和熔深的焊縫剪切力預測模型，最后通過實驗驗證了模型的正確性.研究結果為提高陶瓷焊縫力學性能提供了理論依據(jù)，對于后續(xù)研究有著重要的指導意義.

1實驗

1.1材料和方法

實驗采用尺寸為 40mm×30mm×5mm ，純度為99% 的氧化鋁陶瓷作為試樣，其最大斷裂載荷為3264N.實驗在團隊自行搭建的超快激光焊接平臺上進行，激光功率最大為 87.4W ，激光波長為1 030nm ，重復頻率為 1MHz ，掃描速度最高可達2000mm/s. 為了避免雜質污染，焊接前對試樣進行打磨，然后用丙酮對表面進行清洗.焊接示意圖如圖1（a）所示，兩片陶瓷通過夾具緊密夾持，確保焊接接縫處無間隙.激光束垂直于試樣表面，利用振鏡掃描技術進行精確移動，從而實現(xiàn)陶瓷的焊接.焊接后的樣品通過萬能材料試驗機進行剪切試驗，剪切測試如圖1（b）所示，每次測試5個樣品，去掉最大值和最小值之后取平均值計算剪切力.通過光學顯微鏡（ZEISSSmartZoom5）觀測焊縫表面和切開后的截面，通過ImageJ軟件測量裂紋面積和焊縫熔深.

1.2分析方法

通過一系列實驗得知，焊縫表面形貌對焊縫質量影響較大，圖2表示在不同激光功率下的飛秒激光焊接氧化鋁陶瓷得到的3種典型焊縫表面形貌，從圖2（a）可以看出，當掃描速度為 1mm/s ，激光功率為 時，熱輸入較低，裂紋寬度較大，母材沒有很好地結合在一起，焊縫中心沿焊接方向出現(xiàn)了一條波浪式的裂紋.當激光功率升高至 45W 時，裂紋數(shù)量增多，裂紋寬度減小，母材結合較好，表面出現(xiàn)呈犬牙交錯式分布的裂紋；當激光功率升高至 時，焊縫表面變得光滑，裂紋數(shù)量減少，焊縫中心沿焊接方向出現(xiàn)了一條幾乎連續(xù)的貫穿性裂紋.

通過高倍顯微鏡拍攝焊縫表面形貌，均發(fā)現(xiàn)了裂紋的存在，裂紋作為缺陷的一種，嚴重影響焊接質量.本文通過大量實驗發(fā)現(xiàn)，調整工藝參數(shù)以減少裂紋的平均寬度，可以顯著提高焊接的強度.因此，本文選擇將裂紋的平均寬度與焊縫的剪切性能聯(lián)系起來，通過裂紋的平均寬度來評估焊縫的質量.裂紋平均寬度的測量方法如圖3所示，在ImageJ軟件中通過閾值分割的方法標記出裂紋所在區(qū)域，利用比例尺計算出裂紋長度L，把裂紋區(qū)域內的像素數(shù)量換算成面積S，然后用面積除以長度得到裂紋平均寬度 ，計算如下：

眾多實驗結果表明，焊縫裂紋的平均寬度與焊縫性能之間存在強關聯(lián)性.然而，在現(xiàn)行的國家標準中，尚未明確制定裂紋與焊縫質量的分類評級方法.為了更好地描述焊縫質量，本文采用裂紋平均寬度 和焊縫剪切性能對焊縫等級進行分類，如表1所示.當焊縫裂紋平均寬度 小于 40μm 時，焊縫品質為I級，質量最好；當焊縫裂紋平均寬度 為 40～ 70μm 時，焊縫品質為Ⅱ級；當焊縫裂紋平均寬度 大于 70μm 時，焊縫品質為Ⅱ級，質量最差.

2結果與討論

2.1掃描軌跡對接頭特性的影響

激光掃描有不同軌跡的掃描路徑，如圖4所示.

圖3焊縫表面裂紋面積測量示意圖

不同掃描軌跡對應不同的能量分布.當激光功率為50W，掃描速度為 1mm/s ，采用不同的掃描軌跡焊接陶瓷時能得到不同的焊縫成型特征，如圖5所示.當掃描軌跡為螺旋線或水平8字時，能量分布更加集中，熱應力更大，焊縫中心出現(xiàn)明顯的開裂現(xiàn)象.當掃描軌跡為橢圓或正弦曲線時，焊縫中心沒有出現(xiàn)明顯的開裂現(xiàn)象.

如圖6（a） 所示，掃描軌跡為螺旋線和水平8字時在焊接時的熔池流動性較差，焊接后的焊縫表面凹凸不平.如圖6（c）6（d）所示，當掃描軌跡為橢圓和正弦曲線時，熔池流動性好，焊縫表面比較光滑，熔深一致性好.

圖7為焊縫剪切力、焊縫熔深、裂紋平均寬度和掃描軌跡的對應關系.當只改變掃描軌跡時，其對于熱輸入的影響不大，焊縫熔深在 0.7～1.0mm 范圍內波動，熔深最淺為 722.47μm ，最深為 980.18μm ，其對應的掃描軌跡分別為水平8字和正弦曲線.通過對比可以發(fā)現(xiàn)，當掃描軌跡為正弦曲線時，熔池的流動性最好，焊縫裂紋平均寬度最?。?16.56μm∴ ，焊縫熔深最深 980.18μm） ，對應的焊縫剪切力最大（1587.2N） ，因此，后續(xù)研究采用正弦曲線作為焊接的掃描軌跡.

2.2激光功率對接頭特性的影響

如圖8所示，當掃描速度為 1mm/s ，掃描軌跡為正弦曲線，激光功率分別為 30W，35W，40W，45W 150W、55W、60W進行焊接時，陶瓷激光焊縫表面存在大量垂直于焊接方向的橫向裂紋和沿著焊接方向的焊縫中心線裂紋.隨著激光功率的增大，熱輸入升高，熔池流動性增強，焊縫表面中心線裂紋呈減弱的趨勢，橫向裂紋數(shù)量減少.如圖9所示，焊縫截面熔合區(qū)存在明顯的重熔現(xiàn)象，當激光功率較低時，加工影響區(qū)域較小，內部結合不均勻，焊縫表面非常粗糙，當激光功率增大時，焊縫截面熔合區(qū)深度增大，焊縫內部成型更加均勻.

率從 30W 增大到 時，焊縫熔深從 510μm 逐漸增大到 979μm ，裂紋平均寬度呈先增加后減小的趨勢，當激光功率增大到45W之后，裂紋平均寬度小于 40μm ，焊縫品質達到I級.如圖10（a）10（b）所示，隨著激光功率增大，焊縫剪切力整體呈先增大后減小的趨勢，當激光功率達到5 0W" 時，焊縫熔深為830μm ，焊縫裂紋平均寬度為 37.5μm ，焊縫剪切力達到最大值，約766N.

綜上所述，增大激光功率不能持續(xù)提高焊縫的力學性能，當激光功率在 50W～60W 范圍內時，焊縫裂紋平均寬度較低，剪切性能較好，為I級焊縫，當激光功率達到50W時具有最優(yōu)焊縫質量.

2.3掃描速度對接頭特性的影響

圖11和圖12分別展示了激光功率為 50W ，掃描軌跡為正弦曲線，掃描速度在 0.5～3mm/s 范圍內變化時焊縫表面形貌和焊縫側面形貌.圖13為焊縫熔深、裂紋平均寬度、剪切力與掃描速度的關系.圖11中焊縫中心均出現(xiàn)了明顯的開裂現(xiàn)象，表面成型特征變化不明顯.當掃描速度為 0.5mm/s 時，如圖12（a）所示，由于功率保持恒定，不會引起過高的熱應力，增加的熱輸入延長了熔池的存續(xù)時間，從而提升了熔池的流動性.這不僅能夠有效補充焊接過程中材料的去除和熔池形變，還有助于焊接區(qū)域內部氣泡的排出，使得焊縫結合得更加均勻緊密.當掃描速度增大到 1mm/s 和 1.5mm/s 時，如圖12（b）、12（c）所示，熔池冷卻加快，熱輸入降低，焊縫熔深隨著速度增大而降低，焊接過程中產(chǎn)生的氣泡因熔池凝固速度的提高而來不及逸散導致焊縫內部氣孔增多.當速度繼續(xù)增大到 2mm/s 時，如圖12（d）所示，焊縫表面開始出現(xiàn)加工不均勻的現(xiàn)象，加工區(qū)域底部產(chǎn)生的大量氣泡來不及逸散就冷卻形成了氣孔.當速度提高至 2.5mm/s 和 3mm/s 時，如圖12（e）圖12（f）以及圖13所示，焊縫熔深均小于 600μm ，加工影響區(qū)域逐漸減小，焊縫剪切力降低至300N以下，焊縫等級為Ⅲ級.如圖13所示，當掃描速度從 0.5mm/s 增大到 3mm/s 時，焊縫裂紋平均寬度從 16.5μm 增加到96.2μm ，焊縫熔深從 1016μm 減小到 530μm ，焊縫剪切力從1980N降低到109N，最大剪切力約為母材的 61% .結果表明，降低掃描速度能通過增加熱輸入來影響焊縫熔深、裂紋平均寬度和剪切力，有利于改善焊縫性能.

2.4裂紋平均寬度、焊縫熔深與剪切力的關系

根據(jù)上述實驗結果可以發(fā)現(xiàn)，裂紋平均寬度和焊縫熔深與剪切力存在明顯的對應關系.隨著裂紋平均寬度減小和焊縫熔深增加，焊縫剪切力逐漸增大，當激光功率達到50W時，焊縫剪切力達到最大值.選取激光功率小于 時的實驗結果，建立如圖14所示的關聯(lián)關系．擬合所用到的實驗數(shù)據(jù)如表2所示，裂紋平均寬度最小為 20.7μm ，最大為270.2μm ，焊縫熔深最淺為 510μm ，最深達 1016μm

通過對實驗數(shù)據(jù)的擬合得出的模型如圖14所示，方程為

z=z₀+ax+by+cx²+dy²

式中： z 為剪切力，單位為 N;x 為裂紋平均寬度，單位為 μm;y 為焊縫熔深，單位為 μm （2號

為了驗證擬合模型的準確性，采用如表3所示的焊接參數(shù)進行焊接試驗.由表3可知，不同焊接參數(shù)對應的裂紋平均寬度和焊縫熔深均不相同，把測得的裂紋平均寬度和焊縫熔深代入方程計算得出相應的剪切力，結果如圖15（a）所示.將計算得出的剪切力減去實際測得的剪切力再除以實際剪切力得到剪切力的相對誤差，結果如圖15（b）所示.剪切力相對誤差分別是 -8.04% 、 -8.05% / 9.81% 、 0.45% 、 -0.78% 、-9.56% ，均在 ±10% 以內，這說明本文所提出的飛秒激光焊接氧化鋁陶瓷剪切力擬合方程模型較為準確.

3結論

本文成功實現(xiàn)了在室溫環(huán)境下對氧化鋁陶瓷的直接焊接，并研究了激光掃描軌跡、激光功率、焊接速度對焊縫裂紋特征及接頭性能的影響規(guī)律，主要結論如下：

1）提出了基于裂紋平均寬度的焊縫質量等級分類方法.當裂紋平均寬度小于 40μm 時，焊縫接頭性能最優(yōu)，當裂紋平均寬度大于 70μm 時，焊縫接頭性能最差.

2）與橢圓、螺旋線、水平8字、垂直8字掃描路徑相比，在相同激光焊接參量條件下，采用正弦曲線掃描激光焊接氧化鋁陶瓷得到的焊縫表面成型更美觀、熔深一致性好、表面裂紋平均寬度小、接頭剪切力高.

3）隨著激光功率增大，裂紋平均寬度呈先增大后減小的趨勢，焊縫熔深逐漸增大，接頭剪切力呈先增大后減小的趨勢.隨著焊接掃描速度增加，裂紋平均寬度逐漸增大，焊縫熔深逐漸減小，接頭剪切力呈減小的趨勢.當裂紋平均寬度為 16.5μm ，熔深為1016μm 時，接頭剪切力最大，為1980N，達到母材的 61%

4）建立了基于焊縫裂紋平均寬度和熔深的接頭剪切力預測模型，剪切力與熔深正相關，與裂紋平均寬度負相關；通過驗證實驗證明了模型的準確率，預測值與測量值最小偏差僅為 0.45%

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