2025年9月2日，中國科學院上海光學精密機械研究所官網消息顯示，該所楊上陸研究員團隊首次實現ZnS晶體與Ti-6Al-4V鈦合金的無中間層高強度超快激光焊接，解決傳統連接的高應力、低強度難題。接頭剪切強度達67.7MPa（較傳統釬焊+85%），殘余應力僅0.286GPa（為傳統13%），成果發表于《Optics Express》，為高端光電、航天器制造提供關鍵技術支撐。
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側的斷口形貌與主要元素分布；(g,h)ZnS側的斷口形貌。
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度-位移曲線；(d)接頭強度隨激光通量變化柱狀圖。
一、研究背景：ZnS-鈦合金連接的行業痛點
ZnS晶體的核心價值：作為紅外光學窗口、探測器外殼的關鍵材料，具備寬波段透過性與優良力學性能，是高端紅外成像、復雜光學系統、先進傳感設備的核心組件；
異質連接的固有難題：ZnS晶體與Ti-6Al-4V鈦合金在熱膨脹系數（ZnS約7×10??/℃，鈦合金約9.5×10??/℃）、化學性質、力學性能上嚴重不匹配，導致連接難度極高；
傳統工藝的局限：長期依賴膠接或金屬中間層釬焊，存在三大問題——①連接強度低（傳統釬焊接頭剪切強度約36.6MPa）；②殘余應力高（易導致晶體開裂）；③易引入污染雜質（影響光學性能）。
二、技術突破：超快激光實現無中間層高強度焊接
1. 核心技術方案：
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，實現微米尺度下界面局部熔融——避免整體加熱導致的熱應力擴散，精準控制焊接區域；
工藝創新：無需任何中間層或輔助材料，直接構建ZnS-鈦合金異質連接界面，界面平整連續，無明顯缺陷（如裂紋、氣孔）。
2. 關鍵性能指標（遠超傳統工藝）：
3. 強度生成機制：
界面化學鍵合：超快激光局部熔融使ZnS與鈦合金界面形成穩定化學鍵（通過拉曼光譜驗證，檢測到Zn-Ti鍵特征峰），奠定連接強度基礎；
微孔輔助強化：熔融ZnS快速凝固時自然形成微米級孔洞，可有效阻礙裂紋擴展路徑，提升斷裂韌性，進一步增強接頭抗破壞能力（斷口形貌觀察證實微孔對裂紋的“阻斷效應”）。
三、技術驗證與應用前景
1. 工藝兼容性與可擴展性：
已完成大尺寸構件驗證：成功實現從微尺度元器件（微米級）到毫米級光窗的穩定焊接，證明工藝可適配不同尺寸需求；
參數可調性強：通過優化激光通量（實驗驗證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. 核心應用領域：
高端光電封裝：用于紅外探測器、光學傳感器的ZnS窗口與金屬外殼連接，保障光學性能與結構可靠性；
航天器關鍵部件：適配太空極端環境（高低溫、真空），用于航天器光學系統、傳感模塊的異質材料集成；
微機電系統（MEMS）：實現微尺度下光學晶體與金屬結構的高精度連接，推動微型光學MEMS器件發展。
四、成果發表與研究支持
發表信息：成果以“Ultrafast Laser Direct Welding of Dissimilar Materials: ZnS Crystals and Titanium Alloys”為題，發表于國際光學領域權威期刊《Optics Express》；
研究團隊：中國科學院上海光學精密機械研究所高端光電裝備部，由楊上陸研究員領銜；
資金支持相關工作得到國家重點研發計劃資助，為技術研發與驗證提供核心保障。
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