哈尔滨工业大学工学硕士论文
摘要
飞秒激光是指脉冲宽度达到飞秒量级范围的激光，具有超高的峰值功率密
度，超低的脉冲作用时间。对于飞秒激光作用于透明材料，聚焦的飞秒激光与
透明材料相互作用时不再遵循线性吸收的规律。高峰值功率密度会诱导材料的
多光子电离、隧穿电离、雪崩电离等非线性吸收效应，在材料界面发生相变、
离子迁移等，实现焦点附近区域的熔化。可以在无物理接触的情况下实现透明
玻璃材料自身或与不透明材料的连接。相对于活性钎焊、阳极键合、超声焊接、
胶接等传统连接方法，飞秒激光微连接具有三维空间选择性加工、精度高、热
损伤小、焊接效率高、可控性高、材料适用范围广等优点，成为近期研究学者
关注的一个重要方向，为实现玻璃-玻璃、玻璃-金属的连接提供了一种新的解
决方案。据此，本文采用飞秒激光实现了SiO2玻璃-SiO2玻璃、SiO2玻璃-TC4
钛合金的连接，探究了加工参数对接头组织和性能的影响，分析了界面连接机
制。最后通过拉曼光谱分计算了接头内部的残余应力，总结了残余应力的分布
规律以及加工参数对残余应力的影响。
采用飞秒激光成功实现了SiO2玻璃与SiO2玻璃的连接，探究了加工参数对
界面组织及力学性能的影响。接头焊后界面结合稳定，在玻璃的连接界面具有
“丝形状”区域，连接后的SiO2玻璃仍为非晶态。熔化的玻璃热流体与烧蚀产
生的玻璃粉末飞溅实现了SiO2玻璃与SiO2玻璃的连接。激光加工速度越慢，激
光功率越大，玻璃-玻璃接头连接效果越好，剪切强度越大。但激光功率过高、
加工速度过低时，接头产生的裂纹会严重影响焊线连接效果，进而影响剪切强
度。高激光功率易产生贯穿裂纹，低加工速度易在焊线的起点、终点、焊线拐
角处及其附近产生微裂纹。在激光功率100mW、加工速度10μm/s的参数下，
剪切强度达到了19.7MPa。
采用飞秒激光实现了SiO2玻璃与TC4钛合金的连接，分析了SiO2玻璃与
TC4钛合金的界面连接机制，探究了加工参数对界面组织及力学性能的影响。
玻璃与TC4钛合金在连接区域间发生了元素的混合和相互扩散。飞秒激光激发
TC4钛合金与SiO2玻璃发生了界面反应，界面混合区域生成了TiO相，同时混
合区域内非晶的SiO2发生晶化反应，实现了二者的可靠连接。探究了激光加工
速度、激光功率对接头组织和力学性能的影响。在一定参数范围内，随着加工
速度的减慢，激光功率的提高，SiO2玻璃-TC4钛合金接头的剪切强度不断提高。
在低加工速度下，由于高激光功率下的裂纹影响，实现可靠连接的激光功率较
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低，在一定功率范围内可以实现连接，焊接区域窄而深，有向TC4钛合金侧的
钉扎作用；在高加工速度下，实现连接的激光功率较高，焊接区域宽而浅，界
面连接均匀且连续。在加工速度100μm/s、激光功率200mW时，接头的剪切
强度达到了最大值，为40.0MPa。
通过拉曼光谱分析计算了SiO2玻璃-TC4钛合金与SiO2玻璃-SiO2玻璃接头
界面上方400μm的残余应力分布规律。对于SiO2玻璃-TC4钛合金接头，焊点
中心区域与边缘区域应力状态存在差异，边缘区域以拉应力为主，中心区域以
压应力为主。此外，焊合线位置与非焊合线位置呈现明显的不同应力状态，残
余拉应力主要集中在焊合线附近，非焊线位置主要受到残余压应力。在激光功
率200mW、加工速度50μm/s的加工参数下，接头残余压应力为-135.2MPa。
在高激光功率、低加工速度下的接头具有较大的残余应力值。对于玻璃-玻璃接
头，在焊点中心区域和焊线拐角区域以残余压应力为主，为-106.72MPa，低于
边缘区域残余压应力值。激光加工参数对SiO2玻璃-SiO2玻璃接头的残余应力
的影响变化规律与SiO2玻璃-TC4钛合金大致相同，但残余应力值相对较小。
关键词:SiO2玻璃；TC4钛合金；飞秒激光；微焊接；残余应力分析；拉曼光
谱
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