Enhancement Mechanism of Shear Strength in Sapphire/TC4 Alloy Joints via Femtosecond Laser Welding with Interfacial Pressure

ZUO Quanqi; LONG Weimin; QIN Jian; SHEN Yuanxun

doi:10.7512/j.issn.1001-2303.2025.10.06

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Enhancement Mechanism of Shear Strength in Sapphire/TC4 Alloy Joints via Femtosecond Laser Welding with Interfacial Pressure
Vol. 55, Issue 10, Pages: 42-53(2025)
Received：28 August 2025，

Published：20 October 2025
DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2025.10.06
稿件说明：

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左全奇，龙伟民，秦建，等.界面压力调控飞秒激光焊接蓝宝石/钛合金接头剪切强度的机制研究［J］.电焊机，2025，55（10）：42-53. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2025.10.06.

ZUO Quanqi, LONG Weimin, QIN Jian, et al.Enhancement Mechanism of Shear Strength in Sapphire/TC4 Alloy Joints via Femtosecond Laser Welding with Interfacial Pressure[J].Electric Welding Machine, 2025, 55(10): 42-53. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2025.10.06.

摘要

蓝宝石与钛合金（TC4）的激光直接熔焊连接是航空航天、电子封装等领域的重要难题，通过系统研究0~1.75 MPa界面压力对焊接质量的影响，发现压力参数通过调控界面接触、元素扩散和应力分布三重机制显著影响接头性能。结果表明，在0.75 MPa优化界面压力下，实现界面间隙的消除、促进Ti-Al互扩散形成AlTi

金属间化合物，并有效平衡界面结合与母材完整性，接头剪切强度达到32.0 MPa，断口分析显示该条件下呈现脆性混合断裂特征。而压力过高（≥1.25 MPa）会导致蓝宝石母材开裂，压力不足（≤0.25 MPa）则产生未焊合缺陷，接头仅为机械连接。该研究成果为蓝宝石和金属异质材料直接熔焊提供了新的解决方案。

Abstract

The laser direct welding connection between sapphire and TC4 alloy was an important challenge in the fields of aerospace

electronic packaging. Through systematic research on the influence of interfacial pressure from 0 MPa to1.75 MPa on welding quality

it was found that pressure parameters significantly affect joint performance by regulating the triple mechanism of interface contact

element diffusion

and fracture mechanism. Under the action of the optimized interface pressure of 0.75 MPa

even in the practical working conditions where the welded parts are in non-optical contact and the metal surface roughness is as high as Ra 0.8 μm

the elimination of interface gaps

the promotion of Ti Al interdiffusion to formAlTi3 intermetallic compounds

and the effective balance between interface bonding and base metal integrity were achieved. The shear strength of the joint reached 32.0 MPa

and fracture analysis showed brittle mixed fracture characteristics under this condition. The research provided a novel solution for direct fusion welding of sapphire-metal heterostructures.

关键词

Keywords

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