摘要:

综述 ● 开放获取阅读更多

1.文章导读

超快激光焊接技术作为一种前沿的材料加工方法，已广泛应用于微电子、光学及航空航天等领域，其核心优势在于能够通过超快激光在极短的时间内提供精确的能量控制，实现透明材料的选区融化与高性能连接。然而，尽管超快激光焊接技术具有显著的潜力，但要实现大尺寸、高强度、高稳定性的焊接性能，仍需克服材料多样性、过程控制、缺陷监测与修复等方面的挑战。

近期，中南大学机电工程学院的段吉安教授、王聪教授、李洲副教授团队与北京理工大学王猛猛副研究员、University of Wollongong的Zhengyi Jiang教授、ITMO University的Vadim P. Veiko教授在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing）上共同发表综述论文《透明材料超快激光焊接进展：从机理到应用》，中南大学机电工程学院贾贤石为论文第一作者。论文系统阐述了同质/异质材料超快激光焊接的前沿机理与创新方法，重点剖析了透明/金属异质材料超快激光焊接面临的复杂难题与挑战，从时空整形与原位监测等方面给出了全新的视角与方法论，并展望了超快激光焊接技术在基础科学和工业生产中的广阔应用前景。
亮点
1. 阐述了同质/异质材料超快激光焊接的前沿机理与创新方法。
2. 剖析了透明/金属异质材料超快激光焊接面临的复杂难题与挑战。
3. 探讨了时空整形与原位监测技术在超快激光焊接中的应用进展。
4. 讨论了透明材料超快激光焊接技术的优势、挑战和未来展望。

图1 超快激光焊接技术的应用综述。

2.研究背景

超快激光与物质相互作用的研究驱动了前沿科学探索与高端制造技术的革新。其中，超快激光焊接技术凭借其非线性能量沉积机制与微区、选区作用特征，可实现透明材料的精准连接，突破了玻璃材料焊接工艺的瓶颈，为航空航天、光机系统、智能传感、微流控芯片等领域提供了颠覆性制造方案，赋能未来智能制造与精密工程的持续发展。

近年来，超快激光焊接技术在多个关键研究方向取得重要突破，实现了从光学接触焊接向非光学接触焊接的跨越，并拓展至多种透明-金属异质材料的高性能连接，为异质材料焊接提供了全新策略。本文系统梳理了透明材料超快激光焊接的基本原理、关键技术演进及多领域应用进展，并围绕时空整形、原位监测与诊断等前沿技术，对其未来发展趋势进行了深入探讨。

3.最新进展

图2 超快激光焊接技术的发展现状。

近年来，超快激光焊接技术在透明材料、异质透明材料及透明/金属异质材料焊接方面取得显著突破（图1）。透明材料焊接强度已达母材断裂强度的96%（约90 MPa），异质透明材料焊接强度最高突破200 MPa，而透明/金属异质材料焊接在光学接触条件下高达108 MPa，非光学接触条件目前可实现的强度仍然受限。此外，超快激光焊接技术还推动了金属-金属及陶瓷-陶瓷焊接，实现焊接强度达175 MPa 的SST-Al和SST-Mg异种金属焊接。借助高重复率激光调控、时空整形等先进策略，超快激光焊接正朝着高强度、大面积、高稳定性方向迈进，推动其在高精度制造、先进功能材料集成等前沿领域的广泛应用。

图3 非光学接触异质材料焊接机理研究进展。

透明/金属异质材料超快激光焊接机理研究发现，异质材料焊接主要依赖于金属的线性吸收及其等离子体动力学过程（图3）。在光学接触条件下，高密度等离子体在受限空间中形成，驱动金属与透明材料同步熔化并实现结合，而在非光学接触模式下，等离子体的非受限膨胀及其冷却形成的纳米颗粒主导界面填充。此外，焦点预补偿技术、mJ级别高能飞秒成丝技术、金属纳米颗粒辅助等离子焊接技术等为增强异质材料结合提供了新策略。焊接质量受等离子体演化机制、材料吸收特性及界面能量传输的深度耦合作用影响，未来研究将进一步拓展多类型透明/金属异质材料的焊接策略，以推动超快激光焊接技术的性能优化与应用拓展。

图4 超快激光时空整形焊接新进展。

超快激光焊接机理研究的深化凸显了激光参数（如重复频率、脉冲能量等）对焊接性能的决定性影响。调控这些参数以优化熔融体积及其分布，被视为提升焊接质量的核心策略。电子动态调控等方法成为优化焊接的前沿手段，通过时空域激光参数调制，如时间整形（双脉冲、Burst模式）和空间整形（贝塞尔光束、平顶光束）（图4），实现激光吸收增强与焊接缺陷抑制等。这些进展不仅深化了对激光-电子相互作用及等离子体演化的理解，也为高稳定性、高强度的超快激光焊接技术提供了理论支撑与优化路径。

图5 超快激光焊接原位检测研究新进展。

在超快激光焊接性能评估方面，传统方法主要通过焊接强度来评估焊接质量，无法有效揭示焊接过程中的瞬态特征，难以实现焊接性能的实时调控。为此，出现了多种新的实时监测技术，如光学相干断层扫描、泵浦-探测技术、高速阴影成像和等离子体强度检测等。这些技术能够精确捕捉熔池结构的变化，并实时监测等离子体强度的变化，从而有效识别焊接缺陷。通过综合应用这些方法，可以为超快激光焊接过程提供更加精准和实时的监控，推动该技术在工业应用中的发展。

4.总结与展望

随着超快激光焊接技术的不断进步，特别是在时空整形技术和原位检测方法的协同创新下，该领域正迎来前所未有的发展机遇。通过对激光-物质相互作用的深入研究，未来的研究将聚焦于异质材料超快激光焊接机制、焊接性能调控、过程优化和新型应用方面的探索。此外，机器学习技术的引入有望为焊接过程的实时优化和缺陷检测提供智能化解决方案，进一步提升焊接质量和效率。相信随着核心技术的不断突破，超快激光焊接技术将在精密制造及高性能设备设计等领域展现出更加广阔的应用前景。