大离焦皮秒激光焊接如何玻璃和不锈钢怎么焊得更牢？

    玻璃和不锈钢是两种完全不同的材料：玻璃硬脆、怕热，不锈钢结实、能变形。但在很多地方又需要把它们焊在一起，比如新能源电池的密封盖、激光设备的光学窗口。过去焊接它们时，经常因为受热不均开裂，或者焊得不结实。

    科学家们发现，用皮秒激光（一种脉冲特别短的激光）可以焊接它们，但强度一直不够高。这次研究找到了一个好办法：通过调整激光的“焦点位置”，让玻璃和不锈钢的焊接强度达到了玻璃本身强度的64%，也就是30.73兆帕，这相当于能承受300多公斤的拉力！

    一、关键技术：让激光“错位”焊接

    1.怎么让激光焊得更准？

    传统激光焊接时，焦点会对准玻璃和金属的接触面，但这次研究反其道而行之：把激光焦点往下调了800微米（头发丝直径约50100微米），这种“大离焦”的方式有什么好处呢？

    就像打台球时打“擦边球”：激光穿过玻璃后，在接触面下方聚焦，能量更均匀地作用在金属上，避免玻璃直接被烧裂；

    用的是通快公司的皮秒激光设备：脉冲宽度只有8皮秒（1皮秒=万亿分之一秒），热量还没来得及扩散就完成了焊接，热影响区特别小。

    2.实验怎么做？

    材料准备：选纯度99.9%的熔石英玻璃（75×15×5毫米）和304不锈钢（20×20×1毫米），表面打磨得非常光滑（粗糙度0.01微米，比镜子还亮）；

    焊接过程：用夹具把玻璃和不锈钢夹好，激光以1毫米/秒的速度扫描，每秒钟发射1万个脉冲（10千赫兹）；

    测强度：用专门的设备拉拽焊接件，测它能承受多大的力，同时用显微镜看焊缝的样子。

    二、为什么大离焦能焊得更牢？

    1.焦点位置的影响：不是越准越好！

    实验发现，焊接强度随焦点位置变化像个“M”型曲线：

    焦点在800微米时最强：这时候金属表面被激光“炸”出很多锯齿状的小坑（深7.6微米），玻璃和金属像“齿轮”一样咬在一起，同时两者的材料在高温下混合，形成27微米厚的“混合层”；

    焦点太靠近表面时：玻璃里面会出现“树枝状”的损伤裂纹，反而容易断开；焦点太远时，能量不够，金属烧蚀不充分，咬合力不够。

    2.激光能量要“刚刚好”

    能量太低（10微焦）：金属只掉小颗粒，坑太浅（1.2微米），玻璃和金属没怎么混合；

    能量太高（60微焦）：玻璃会被烧出裂纹，金属飞溅太多，反而混合层变薄；

    最佳能量40微焦：金属会像“爆炸”一样变成雾状小颗粒，这些颗粒粘在玻璃上，让玻璃更容易吸收激光能量，两者充分混合，形成最强的连接。

    三、这个技术有什么用？

    1.三大实际应用场景

    新能源电池：以后电池的玻璃盖板和不锈钢外壳可以焊得更密封，不怕漏液；

    激光雷达：汽车自动驾驶用的激光雷达镜头，需要玻璃和金属连接得又牢又稳，不怕颠簸；

    精密传感器：比如血压计、温度计里的微型元件，焊接后更耐用。

    2.相比传统技术的优势

    不用使劲夹紧：大离焦技术对材料之间的缝隙不敏感，不用复杂夹具；

    强度更高：以前同类焊接强度只能达到玻璃强度的54%，现在到了64%；

    适用范围广：给其他玻璃和金属焊接提供了“作业抄本”，照着调参数就行。

    科学家通过调整激光焦点的位置（往下调800微米）和能量（40微焦），让玻璃和不锈钢焊接时：

    1.金属表面形成锯齿状“小齿轮”，和玻璃卡住；

    2.两者材料充分混合，像“和面”一样粘在一起；

    3.避开了玻璃开裂的问题，最终让连接强度大大提高。